鋼軌鋁熱焊接技術(shù)在高速鐵路上的應(yīng)用

李 歡，陳春秋

(北京鐵路局 豐臺(tái)工務(wù)段，北京 100071)

隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，鋼軌鋁熱焊技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用也是越來越多。鋁熱焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、經(jīng)濟(jì)高效、安全可靠、不需外界電源等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于無縫線路的焊接，尤其是跨區(qū)間無縫線路道岔焊接后可消除因軌縫造成的車輪對(duì)鋼軌的沖擊和行車時(shí)車體的突然振動(dòng)，減少鋼軌和車輪的磨耗等。基于此，京滬高鐵廊坊站1號(hào)至8號(hào)道岔的焊接采用的是德國(guó)Thermit鋁熱焊技術(shù)。

1 鋁熱焊原理和工藝

1.1 鋁熱焊接原理

活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬能夠把活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃难趸镏羞€原出來，這是鋁熱焊接的化學(xué)原理。因?yàn)殇X在足夠高的溫度下有較強(qiáng)的活動(dòng)性，它可以從很多重金屬的氧化物中奪取氧，而把重金屬還原出來。例如鋁能把鐵、鈦、釩、鉻、錳、鎢等從它們的氧化物中還原出來，同時(shí)放出大量的熱，其溫度可達(dá)2 500℃ ～3 500℃，從而使這些金屬成為液態(tài)?？珊镐撥夘愋陀?0 kg/m，60 kg/m，75 kg/m，可焊鋼軌鋼種有 PD3，U71Mn，U71(U74)，RE，稀土軌，淬火軌等各種鋼軌。

鋁熱焊接鋼軌基本原理的主要化學(xué)方程式是3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3+3 236.3 kJ

1.2 德國(guó)Thermit鋁熱焊接技術(shù)在京滬高速鐵路中的工藝

1)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作。到焊接現(xiàn)場(chǎng)檢查所帶工具是否能夠正常工作，材料是否可用或過期，人員是否到位等，排查在焊接過程中可能出現(xiàn)的安全隱患［1-2］。

2)鋼軌端頭準(zhǔn)備工作。將要焊接的兩個(gè)鋼軌端部200 mm范圍內(nèi)除銹、除污、除氧化物和突刺等。

3)鋼軌端頭對(duì)正。有三個(gè)要點(diǎn):①兩鋼軌的對(duì)齊，要求工作邊、非工作邊、軌腰、軌底均對(duì)齊，并用1 m直鋼尺進(jìn)行復(fù)核;②尖點(diǎn)控制的范圍;③軌縫大小范圍。不同軌縫焊接接頭的靜彎荷載不同［2］，如圖 1所示。

圖1 軌縫大小對(duì)焊縫接頭靜彎荷載的影響

京滬高鐵采用的軌縫是26～28 mm，主要是考慮外界環(huán)境對(duì)軌縫的影響，進(jìn)而影響接頭靜彎荷載。同時(shí)，尖點(diǎn)選擇控制在18～19 mm。尖點(diǎn)過高，打磨時(shí)就會(huì)傷到母材，尖點(diǎn)過低，就會(huì)出現(xiàn)低接頭，影響行車的安全。

4)安裝砂模。檢查砂模是否受潮，是否有裂紋等損壞。按照由下而上的順序安裝好后要蓋好紙板，避免有異物掉入安裝好的砂模內(nèi)。檢查封箱泥水分，過干容易漏漿，過潮容易產(chǎn)生焊縫氣泡。用封箱泥封堵砂模，并且要夯實(shí)適度。在砂模廢渣流出口及夾具螺紋處抹上少量封箱泥，防止鐵水溢出損壞工具。并做兩個(gè)堵漏棒，以備堵漏。

5)預(yù)熱。一般為5 min，但是根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度的高低、鋼軌的型號(hào)，可適當(dāng)增加或減少30 s。京滬高鐵廊坊站道岔用的是60 kg/m軌，軌溫一般為15℃ ～23℃，所以預(yù)熱時(shí)間取的是5 min，鋼軌預(yù)熱完成溫度為950℃ ～1 000℃。將預(yù)熱器調(diào)成至藍(lán)色火焰，放于砂模中心，此時(shí)，火焰應(yīng)從砂模的兩側(cè)冒出，并且均勻?qū)ΨQ［3］。

6)焊劑準(zhǔn)備。檢查焊劑是否受潮、過期、有異物等，若良好，搖勻并傾斜快速倒入一次性坩堝內(nèi)。

7)澆筑。預(yù)熱好后，將分流塞放入砂模頂部的入口內(nèi)，再將坩堝放于中部上方，點(diǎn)燃高溫火柴，立即傾斜插入焊劑中23～25 mm(其鋁熱反應(yīng)速度適當(dāng))，馬上蓋上坩堝蓋，進(jìn)行澆筑。手持堵漏棒，以防鋼水泄露。

8)拆模。澆筑結(jié)束1 min后，移走坩堝，4.5 min后拆下夾具和砂模。

9)推瘤。澆筑結(jié)束6.5 min后開始推瘤。切忌推瘤不可過早，如果沒有達(dá)到時(shí)間和溫度的要求就推瘤，焊縫處就會(huì)產(chǎn)生很多的細(xì)碎裂紋，形成裂紋源。注意，推瘤前要仔細(xì)檢查推瘤機(jī)的刀頭是否有損壞，以防拉傷焊頭。

10)打磨。分熱打磨和冷打磨。700℃以下熱打磨，順序:鋼軌頂面的內(nèi)側(cè)→鋼軌頂面與內(nèi)側(cè)交匯面的拐角處→鋼軌內(nèi)側(cè)面→鋼軌頂面的外側(cè)→鋼軌頂面與外側(cè)面交匯的拐角處→鋼軌外側(cè)面，打磨至留有0.8～1.0 mm的余量。90℃以下冷打磨。按照速度區(qū)段的不同，軌頭工作面1 m長(zhǎng)度平直度允許的最大偏差也不同，如表1所示。京滬高速鐵路是按照速度＞200 km/h的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的。

11)50℃以下溫度進(jìn)行超聲波探傷。

表1 平直度允許的最大偏差

2 常見焊接缺陷及成因分析、預(yù)防措施

鋼軌焊接完后除了檢查表面上的質(zhì)量外，還要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，這就離不開超聲波探傷［4］。

2.1 氣孔

1)超聲波探傷波形圖示如圖2。

圖2 氣孔超聲波探傷波形圖示

波形特點(diǎn):單個(gè)氣孔的回波高度較低，從各個(gè)方向探測(cè)波形相同。密集氣孔會(huì)出現(xiàn)很多波形，并且隨著探測(cè)方向的不同，波形會(huì)出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。

2)成因分析:氣孔是焊縫在凝固過程中產(chǎn)生和放出氣體所形成的。產(chǎn)生的主要原因有焊劑過期或者潮濕、軌縫有水分、封箱泥過濕、預(yù)熱時(shí)使用的燃?xì)馑趾扛摺⒑竸┤紵届o時(shí)間短、外界環(huán)境中水分較多等。

3)預(yù)防措施:焊前檢查焊劑，不用過期、過潮的焊劑;檢查封箱泥，不用過潮、過干的封箱泥，堅(jiān)決不多用、少用，封箱泥的使用量要適量;預(yù)熱使用的燃?xì)?丙烷和氧氣)純度要高，否則含水量高，燃燒過程中產(chǎn)生的水蒸汽就容易留在焊縫里，產(chǎn)生氣泡;高溫火柴插入焊劑深度要嚴(yán)格控制，過深了反應(yīng)速度過快，鎮(zhèn)靜時(shí)間不夠，鋼水提前澆筑，會(huì)在砂模內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)，易形成氣孔［5-6］。

2.2 夾雜

1)超聲波探傷波形圖示如圖3。

圖3 夾雜超聲波探傷波形圖示

波形特點(diǎn):形狀與氣孔的類似，但在不同角度探測(cè)時(shí)，波形會(huì)出現(xiàn)較大變化。

2)成因分析:砂模有殘?jiān)鼪]有清理干凈;封箱泥封箱時(shí)不小心掉進(jìn)砂模;鋼軌未清理干凈，有鐵銹等雜物留在了軌縫里;焊劑鎮(zhèn)靜時(shí)間不夠，鋼水提前澆筑，產(chǎn)生的熔渣無法完全排出。

3)預(yù)防措施:安裝砂模前檢查砂模是否有破損或掉渣，并用毛刷將砂模內(nèi)多余的浮砂清理干凈;焊前將要焊接的兩個(gè)鋼軌端部200 mm范圍內(nèi)鐵銹清除干凈，包括軌頭、軌腰、軌底以及鋼軌端面;安裝完砂模后要用干凈的紙板蓋上砂模，避免雜物落入砂模;檢查焊劑是否均勻，避免出現(xiàn)偏析現(xiàn)象;控制高溫火柴插入焊劑的深度，避免反應(yīng)速度過快。

2.3 縮孔疏松

1)超聲波探傷波形圖示如圖4。

圖4 縮孔疏松超聲波探傷波形圖示

波形特點(diǎn):回波松散，有些波峰呈樹枝狀。

2)成因分析:軌頭預(yù)熱不均勻;澆筑口散熱過快。

3)預(yù)防措施:控制好預(yù)熱時(shí)間和溫度，保持軌頭斷面垂直，使其受熱均勻;鋼軌軌溫 ＜15℃時(shí)要對(duì)軌頭1 m范圍內(nèi)加熱至37℃;寒冷天氣要對(duì)焊頭保溫，減緩散熱速度。

2.4 未焊透

1)超聲波探傷波形圖示如圖5。

圖5 未焊透超聲波探傷波形圖示

波形特點(diǎn):波幅較低，在焊縫兩側(cè)探傷時(shí)均能得到大致相同的反射波，有些呈多支波同時(shí)顯示。

2)成因分析:燃燒火焰未調(diào)至規(guī)定預(yù)熱溫度，預(yù)熱時(shí)間不足;焊縫間隙過大或過小，致使局部預(yù)熱不到位，特別是軌頭厚的部位和軌底角邊緣;撤模推瘤過早，未凝固前鋼軌躥動(dòng)。

3)預(yù)防措施:預(yù)熱時(shí)間一定要把握好，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣情況適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短預(yù)熱時(shí)間，確保預(yù)熱溫度;嚴(yán)格軌縫預(yù)留寬度和推瘤間隔時(shí)間;防止鋼軌的振動(dòng)。

2.5 裂紋

1)超聲波探傷波形圖示如圖6。

圖6 裂紋超聲波探傷波形圖示

波形特點(diǎn):回波高度大，波幅寬，波形穩(wěn)定，強(qiáng)烈。

2)成因分析:受熱不均，冷卻速度過快;焊縫過早產(chǎn)生應(yīng)力。

3)預(yù)防措施:按照操作規(guī)程，控制好預(yù)熱時(shí)間、溫度、均勻度;避免焊縫結(jié)晶過程提前受力，避免鋼軌振動(dòng);焊縫結(jié)晶過程避免鋼軌突然受冷，如夏天焊軌時(shí)突然降雨。

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃已經(jīng)初具規(guī)模，將來會(huì)有幾萬公里的高速鐵路，列車的速度也達(dá)到了300 km/h，無縫線路無疑已經(jīng)是必然的選擇，這就對(duì)鋁熱焊提出了更高的要求。對(duì)鋁熱焊焊接工藝的研究，對(duì)其常見病害的檢測(cè)，都有助于提高焊接質(zhì)量，減少接頭病害，這不僅節(jié)約了焊接成本，減少了維修工作量，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，更重要的是提高了線路的安全性和旅客乘坐的舒服性。本文通過結(jié)合京滬高速鐵路廊坊道岔鋁熱焊接過程，介紹了鋁熱焊在高速鐵路上的焊接工藝以及病害檢測(cè)，希望對(duì)以后我國(guó)高速鐵路的鋁熱焊接技術(shù)提供借鑒。

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