地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法的研究與應用

郭鴻

摘 要：地鐵供電系統中采用鋼軌進行均回流，均回流銅排需與鋼軌進行放熱焊接；針對焊接易導致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導致的燒軌問題，對均回流銅排焊接方法從工藝、焊藥用量、溫度控制、鋼軌探傷等方面進行了研究分析；改進施工方法，滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織試驗要求，消除地鐵運營安全隱患。

關鍵詞：地鐵 均回流銅排 焊藥 焊接 方法

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0109-02

隨著國民經濟的持續發展，我國大中型城市交通擁堵狀況日益加重，修建地鐵已成為大中城市緩解城市交通擁堵的最佳選擇。地鐵供電工程利用鋼軌進行回流，由于電流大，均回流電纜根數多，所以采用在鋼軌軌腰處焊接均回流銅排來滿足接線的需要。均回流銅排和鋼軌材質不同，焊接會導致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導致的燒軌事故。如何改進均回流銅排與鋼軌焊接方法，消除地鐵運營安全隱患，指導后續地鐵的建設施工變得十分必要。

筆者結合多年工程實踐及有關試驗研究情況，對地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法進行研究，改進了施工方法，消除了焊接導致的鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導致的燒軌事故。

1 目前放熱焊接方法存在的問題

目前地鐵均回流銅排與鋼軌焊接主要采用放熱焊接，工藝要求較高，存在預熱時溫度把握不好，焊藥劑量使用不當，回火（冷卻）環節控制不嚴，導致鋼軌內部金相組織發生變化，形成非常脆的馬氏體組織，對鋼軌造成一定的傷害，導致鋼軌斷裂的風險。在某條地鐵運營線中，曾發生過因均回流焊接導致的鋼軌斷裂情況，如圖1。尤其是在高架區段，受溫差變化的影響，會給地鐵運營帶來安全隱患。

2 改進后的施工方法

2.1 工藝原理

通過鋁與氧化銅的化學反應（放熱反應）產生液態高溫銅液和氧化鋁的殘渣，并利用放熱反應所產生的高溫來實現均回流銅排與鋼軌熔接的焊接工藝。

3Cu2O+2Al點燃6Cu+Al2O3+熱量（2537℃）

2.2 工藝流程

地鐵均回流銅排焊接工藝流程見圖2。

2.3 操作要點

2.3.1 制作接線銅排

根據現場實際情況加工接線銅排，規格為10×100 mm的銅排，長度現場確定，為保證電氣連接性能，銅排表面應作鍍錫處理。

2.3.2 打磨焊點處鋼軌

根據均、回流點的位置，找到具體的焊點，以該點為中心向兩邊在鋼軌上劃兩條豎線，兩條線之間的距離應比接線板的寬度寬約40 mm。

用角磨機在劃定的區域范圍內對鋼軌進行除銹處理，將鋼軌表面部分除銹，露出光亮部分即可。

2.3.3 預熱模具及鋼軌

用液化氣噴槍對模具的裝藥孔的內壁進行十秒鐘的烘烤，對模具的內壁進行預熱處理，如圖3。

用液化氣噴槍在鋼軌焊接點的背面對鋼軌進行加熱至400 ℃；加熱過程中用專用的紅外線激光溫度測試儀對鋼軌實時監測，嚴格控制溫度，防止鋼軌過熱或溫度不夠，如圖4。

模具及鋼軌加熱完畢后，將模具安裝在焊點位置，將所焊接的接線銅排穿入模具。

2.3.4 安裝模具和接線銅排

焊接時均回流接線銅排的端部與鋼軌的間隙為2～5 mm，為控制間隙，所有的銅排在運抵施工現場前應在接線銅排上畫出2 mm和5 mm間隙的刻度線，操作員到現場后只要保證露出一根刻度線即可保證間隙在2～5 mm之間，將模具與鋼軌固定牢固。如圖5、6所示。

2.3.5 放入焊藥及點火

將一專用墊片放入儲藥孔底部，防止藥放入后焊藥漏入穿線孔；墊片放入后，根據焊藥的使用說明，放入儲藥孔內相應劑量的焊藥。每個焊點是750號焊劑用量，即3包200號焊劑加1包150號焊劑，如圖7。

將點火引藥放進儲藥孔內的焊藥上面，將少許引藥放在模具的儲藥孔的上部邊緣，然后將儲藥孔蓋上。

用點火槍將儲藥孔的上部邊緣的引藥點燃，引燃儲藥孔內的焊藥，通過燃燒產生的高溫以及焊劑的作用，將鋼軌表面與熔解的均回流銅排端頭表面熔合在一起。

2.3.6 處理焊點及鋼軌

焊藥熔劑冷卻1分鐘后，將模具取下，將焊點上的殘渣用電焊錘敲下，同時將模具儲藥孔及穿線孔內的殘渣清理干凈，并用電焊錘對焊點進行敲打檢查焊點的焊接質量。

在取下模具進行焊點處理的同時，用液化氣噴槍或乙炔氣焊槍對焊點背面的鋼軌表面進行加熱，加熱時間為10 min，并應對不同的季節控制不同的時間，以加熱至鋼軌軌溫達到400 ℃為宜，使鋼軌緩慢降溫（緩冷），即對鋼軌進行正火處理來恢復鋼軌的金相組織，以防止焊接對鋼軌內部結構帶來變化損害鋼軌。

接線銅排焊接完成后需在鋼軌與銅排接觸處（焊點處）涂抹瀝青，以防止焊接處氧化。

2.3.7 安裝支撐絕緣棒

回流及均流接線銅排由于只有一端焊接在軌腰，在線路中心的另一端受電纜及本身的重力影響時間長了以后會向下彎曲，為保證銅排的強度，在銅排端部的下方安裝一根絕緣棒作為支撐。根據焊接后接線板的高度，確定絕緣棒的高度。絕緣棒可采用環氧樹脂棒，根據實際長度的需要在現場進行裁割。在絕緣棒的上端打孔，然后采用φ10×35熱鍍鋅螺栓與銅排連接即可。

2.3.8 焊點處探傷

依據《鋼軌超聲波探傷探頭技術條件》（TB/T 2634-1995），對焊點處進行涂油、探傷，探傷儀顯示不允許出現馬氏體或明顯的貝氏體組織；金相組織檢驗，金相組織應為珠光體，允許有少量鐵素體。

2.4 質量控制措施

（1）焊接前必須對模具和鋼軌進行預熱處理，焊接后必須對鋼軌進行緩冷處理，鋼軌軌溫均應達到400 ℃為宜，以防止溫度的劇烈變化對鋼軌帶來的傷害。模具在卸載后請及時用毛刷將模具腔內的殘留物清除，以作好下一個焊接的準備。模具在第一個焊接點結束后一個小時內重新焊接新焊點，可以不用進行預熱處理。endprint

（2）在焊接過程中，嚴格按照操作要求控制鋼軌的溫度。

（3）在焊接前必須用砂紙將銅排端頭的氧化層打磨掉。

（4）銅排穿入模具后，應保證銅排與模具接觸密實無縫隙，當模具使用幾次出現縫隙后，應用防火泥進行封嚴，防止熔解的焊劑外流影響焊接質量。

（5）對鋼軌進行加熱時應均勻，火焰應不停來回移動，嚴禁火焰對準一處持續加熱。

（6）嚴格按照要求控制焊藥用量。

（7）焊接只能在軌腰中部，焊接點應距鋼軌接頭600 mm以上。

（8）嚴禁在同一焊點二次焊接。

（9）正式焊接前，須在試驗軌上進行焊接工藝試驗，滿足《鋼軌焊接第1部分：通用技術條件》（TB/T 1632.1-2005）規定的落錘試驗和疲勞試驗的要求。還需進行金相組織檢驗，金相組織應為珠光體，允許有少量鐵素體，但不允許出現馬氏體或明顯的貝氏體組織，焊接熱影響的晶粒度與母體相比，差值不得大于一級。

（10）對每一處焊點進行超聲波探傷，施焊處不得產生過燒、裂紋等有害缺陷，并滿足《鋼軌超聲波探傷探頭技術條件》（TB/T 2634-1995）的要求。

2.5 安全注意事項

（1）在進入施工現場后，施工人員必須配戴安全帽，穿工作服和防護服，不準穿拖鞋及高跟鞋。嚴禁作業人員在鐵軌上坐臥、休息。

（2）放熱反應瞬間完成，時間是3～4 s，模具的溫度較高，嚴禁用手拿或觸碰模具，卸載模具時一定要帶好手套，以免灼傷，并由專人負責操作。

（3）熱熔焊劑必須在專用的熱焊模具中使用，要嚴格按要求使用，以免引起意外。

（4）點火焊接時，操作人員應戴好手套和做好必要的防護措施，點燃反應時現場操作人員與熱焊模具保持0.5 m的距離，同時操作人員和所有現場人員都不要站在熱焊模具反應口的正面，以免少量火星噴射導致灼傷。

（5）嚴格按工序進行焊接，不得顛倒施工工序，避免造成意外情況發生。

（6）焊接前要辦理動火證，配備看火人員和滅火器。

3 結語

該焊接方法在北京地鐵10號線一期南段和北京地鐵9號線中得到了應用和推廣。地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法工藝要求高，為了避免發生焊接導致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導致的燒軌問題，必須嚴格遵守每道工藝流程，精心施工，方能滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織等各項指標要求，消除地鐵運營安全隱患，達到預期效果。

參考文獻

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