既有線鋁熱焊焊接質(zhì)量控制技術(shù)

李東俠，索 科

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132001;2.沈陽鐵路局吉林工務(wù)段，吉林吉林 132001)

鋁熱焊在既有線鐵路無縫線路鋪設(shè)、鋼軌斷軌修復(fù)、應(yīng)力放散等維修作業(yè)中經(jīng)常使用。鋁熱焊是利用還原金屬(鋁)和氧化金屬發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)鋼軌焊接。由于鋁熱焊具有設(shè)備簡單、使用方便、不需要電源等特點，適合現(xiàn)場作業(yè)。

吉林工務(wù)段于1998年開始使用法國鋼軌鋁熱焊接技術(shù)對傷損焊縫進行原位焊復(fù)，最初只是對因無縫線路斷軌、施工應(yīng)力放散而插入短軌的處所進行永久處理。現(xiàn)已在普通無縫線路改鋪為區(qū)間無縫線路和對無縫線路大修施工中應(yīng)用。幾年來，吉林工務(wù)段管轄區(qū)段內(nèi)的鋁熱焊縫數(shù)量不斷增加，僅吉長線(吉林—長春)2008年共有鋁熱焊縫1 459處，到2009年就增長為1 738處。但在實際焊接的過程中，由于鋼軌的形狀、合金類型不同，而且段管內(nèi)的鐵路地處高寒山區(qū)，環(huán)境氣候變化不定，使得焊接接頭的質(zhì)量難以保證。因此，分析焊接中存在的問題，提出保證既有線鋁熱焊焊接質(zhì)量的措施具有極其重要的意義。

1 既有線鋁熱焊焊接存在的問題

1.1 焊縫間隙超限

在線路上利用封鎖時間焊軌，需鋸軌預(yù)留焊縫間隙。但由于受封鎖時間、氣溫的高低、鋼軌的熱脹冷縮變化、測量長度不準確等因素的影響，造成個別的焊縫間隙超限。鋸出的鋼軌端面誤差主要有兩種:一種是端面與鋼軌縱軸線不垂直，偏差在3～9 mm間，該誤差占全部鋸軌量的90%以上;另一種誤差是鋸出的鋼軌端面不平，偏差在1～3 mm間，該誤差占全部鋸軌量的5%左右。用有偏差的鋼軌端面相互預(yù)留軌縫間隙，就會出現(xiàn)軌頭和軌底兩角處的間隙間距不相等，即鋼軌端面的相互不平行，有的全部超限，有的部分超限。溫度的影響是超限的主要原因，鋸軌預(yù)留的軌縫是隨時變化的，變化的大小由溫度決定，在換軌施工中，預(yù)留標準的焊縫間隙很難做到，吉林工務(wù)段就曾經(jīng)焊過37 mm的軌縫。

1.2 預(yù)熱時間長短不一

技術(shù)人員(電焊工)對預(yù)熱時間和溫度的控制極大地影響焊縫金屬的組織和性能，在很大程度上決定該焊縫質(zhì)量的高低。如果預(yù)熱時間過長，調(diào)大氧氣量，容易產(chǎn)生過火，產(chǎn)生積碳;如果焊口過小，預(yù)熱時間過短，軌底沒有烤好，就容易焊接不上，產(chǎn)生裂紋光帶。

1.3 低溫焊接

焊接過程中如軌溫瞬間下降，焊頭將會冷卻過快，以致焊頭質(zhì)量不合格，無法保證焊縫質(zhì)量。

1.4 鋼水泄漏

在焊接過程中，焊接人員在對焊接模具用封箱泥進行封堵時，因操作不當，使得鋼軌與砂模間存在縫隙，造成鋼水從縫隙中泄出;或模具受潮，在預(yù)熱過程中砂模干裂，鋼水在注入焊道時沖出焊道造成鋼水泄漏(俗稱“跑箱”)。

1.5 磨耗鋼軌出現(xiàn)拗邊

應(yīng)用法國鋁熱焊技術(shù)初期，鋼軌焊接完畢后，有些焊縫與鋼軌母材表面間結(jié)合不緊密，有2 mm左右的凹陷，稱拗邊現(xiàn)象。開始時，吉林工務(wù)段焊軌人員采用電弧焊的KD-286焊條堆焊磨平，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在安裝砂模時由于鋼軌出現(xiàn)磨耗，在被焊鋼軌表面與砂模之間出現(xiàn)間隙，焊接時，會使堵封泥侵入砂模內(nèi)，并殘留于鋼軌表面上，占據(jù)小部分空間后形成軌面凹陷。

1.6 開通線路早

現(xiàn)場焊軌由于封鎖時間短，焊接接頭未降到規(guī)定的溫度就開通線路，接頭受到?jīng)_擊、碾壓，就容易產(chǎn)生內(nèi)部組織變化，鋼軌變形，焊口產(chǎn)生凸凹不平，影響接頭質(zhì)量。

2 鋁熱焊焊接質(zhì)量的控制措施

2.1 焊接前準備

2.1.1 檢查焊接設(shè)備及機具

焊接前對所用的焊接設(shè)備和機具進行嚴格檢查，以防止因設(shè)備開通使用中出現(xiàn)故障而造成焊接質(zhì)量不良或影響正點。

2.1.2 申請封鎖方案要考慮周全

申請封鎖方案要完全考慮任務(wù)量的大小及不確定因素(如氣溫的大幅度變化，天氣的突然變化)的影響，保證有足夠的施工天窗。

2.2 焊接中質(zhì)量控制

2.2.1 對齊兩鋼軌端面

由于磨耗程度不一致，兩鋼軌端面不完全相同，會出現(xiàn)軌頭高低不一致，當高差在3 mm之內(nèi)時，對軌時先將鋼軌作用面一側(cè)用焊軌直尺對齊，再將兩鋼軌端部頂面對齊，直尺端頭與鋼軌頂面間隙要嚴格保證尺寸(混凝土枕為1.6 mm，木枕為3.2 mm)。

當高差＞3 mm且＜8 mm時，需用特制的中和組件進行焊接，對軌的方法與上面相同。若差異較大，則應(yīng)采取兩邊平分的辦法，待焊后把作用邊一側(cè)多余部分打磨掉。鋼軌一側(cè)端頭過高(錯牙)＞5mm時，要使用起道器將偏低的鋼軌端頭一端抬高，起道器要放在該端4～5根軌枕處，抬高到兩鋼軌端頭水平，高低符合規(guī)定尺寸要求，直到焊接完畢焊頭溫度降至350℃以下時方可撤出起道器(根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，一般為澆注結(jié)束30min后撤出)。

2.2.2 預(yù)留適中焊縫

對軌時焊縫寬度要求在(25±2)mm之間，端頭面要平整與縱向垂直，保證熔化的鋼水澆筑時填滿整個空隙。因此，首先要保證鋸軌機的技術(shù)狀態(tài)、操作人員操作規(guī)范，減少端面誤差(允許誤差0.8 mmm);其次，必須計算好溫度變化對鋼軌伸縮的影響，保證預(yù)留焊縫大小適中，以防止軌縫超出范圍后預(yù)熱達不到預(yù)期效果。

2.2.3 封箱工作要精細

封箱時，將砂模底板放入底托盤內(nèi)并按要求涂抹密封膏，將裝有底砂模的底板伸入軌底，保證底模板與軌底密貼無縫，上緊固定螺栓。

將側(cè)模安裝在側(cè)模夾板中并安裝在鋼軌側(cè)面，保證軌縫處于居中位置，使用固定夾具將砂模固定好，并用干凈的紙板將砂模口蓋上，防止雜物掉入砂模內(nèi)部。安裝固定夾具時，不要用力過度造成砂模裂紋或破碎。

涂抹封箱泥是保證焊接工作順利完成最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。首先，第一層封箱泥要均勻地涂抹在鋼軌與砂模、砂模與砂模之間各個縫隙中，然后再涂抹第二層封箱泥，兩層封箱泥要滲和、抹實;其次，封箱泥要涂抹適量，不可涂抹過量或涂抹太少，過量則影響烘干，并且會帶來濕氣，太少則會干裂，造成鋼水泄漏。

2.2.4 適當打磨焊接接頭表面

打磨焊頭表面時，使焊頭處的焊料凸出鋼軌表面的高度最多不能超過0.8 mm。打磨焊頭使其輪廓半徑與鋼軌頭半徑達到一致，并且與鋼軌內(nèi)外兩側(cè)平齊。焊頭冷卻至環(huán)境溫度后，進行精細冷打磨，在打磨過程中，要不斷用專用電子鋼軌焊縫平直尺進行測量，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)進行打磨，直至符合標準為止。打磨時要注意，不能過快過猛，以避免造成鋼軌溫度升高，使鋼軌淬火。

2.2.5 控制好預(yù)熱溫度和時間

預(yù)熱時溫度要控制在590℃ ～980℃之內(nèi)，否則極易出現(xiàn)焊接缺陷，甚至于焊后斷軌。

預(yù)熱時間則根據(jù)大量試驗確定為7～9 min。要不間斷地觀察整個預(yù)熱過程，在規(guī)定的時間結(jié)束之后，撤走預(yù)熱器，預(yù)熱最佳效果為鋼軌中間及軌頭應(yīng)顏色發(fā)紅。不要預(yù)熱過度，如果預(yù)熱已正確完成，先關(guān)掉氧氣閥門，再關(guān)閉丙烷閥門。

2.2.6 作業(yè)時低溫鋼軌應(yīng)預(yù)熱

在軌溫低于15℃時的寒冷氣候條件下焊接，必須在預(yù)熱開始前或預(yù)熱過程中，用渦輪式焊槍(或預(yù)熱槍)將鋼軌預(yù)加熱至37℃，需要加熱的長度是1 m，并且在砂模兩側(cè)各1 m的范圍內(nèi)。如果風(fēng)或雨雪等特別大，則在推瘤后應(yīng)立即用保溫箱或保溫罩將焊頭蓋起來進行保溫，時間至少為10min，之后才能進行打磨。

2.3 焊后質(zhì)量控制

2.3.1 焊后熱處理

在鋼軌鋁熱焊焊接過程中不可避免地存在焊接熱影響區(qū)，鋼軌鋁熱焊焊縫為鑄造組織，未經(jīng)熱處理時材料較脆，塑性指標較低，因此，為提高鋁熱焊頭的塑性指標，防止突然折斷，應(yīng)進行焊后熱處理。采用法國QPCJ工藝時，因其特殊的結(jié)構(gòu)特點，焊接熱影響區(qū)能實現(xiàn)硬件控制，危害性較小，焊后不進行熱處理就能保證使用。

2.3.2 焊后的探傷檢測

焊后焊頭超聲波探傷檢測都是必不可少的，要加大對焊頭探傷檢測(包括手工外觀檢測和儀器探傷檢查)力度。對質(zhì)量問題要認真細致地分析，找出問題的原因，并認真進行整改。手工外觀檢測的主要內(nèi)容有:焊頭頂面的凸凹度，輪軌作用邊的直順度等。儀器探傷檢查范圍有:以焊縫為中心軌底4個探測面、軌腰4個探測面、軌頭側(cè)面4個探測面、軌頭踏面2個探測面，計14個探測面，焊縫中心兩側(cè)各200mm范圍。主要是看上次探檢時波形是否有明顯的差異，如有應(yīng)加強監(jiān)護或進行加固處理，以防焊縫斷裂，造成行車事故。

3 結(jié)語

采用鋁熱焊技術(shù)焊接既有線鐵路鋼軌，焊接質(zhì)量高，減少了線路接頭病害。截止至2009年吉林工務(wù)段已累計焊接鋁熱焊接頭共440個，通過對焊接質(zhì)量的控制，經(jīng)過探傷人員對焊接質(zhì)量及外觀檢查，全部合格。但在焊接過程中，發(fā)現(xiàn)還存在一些沒有解決的問題，如焊后抗拉強度有所降低、焊頭硬度不足、超聲波探傷標準尚待統(tǒng)一等，因此，只有將每一道工序按標準要求加以控制，一絲不茍地做好，才能保證整個焊接過程順利進行，才是保證焊接質(zhì)量達到規(guī)定標準的根本。

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