換軌作業上下架鋁熱焊工藝的控制

陳斌

【摘 要】換軌大修作業中，上架或下架需要鋁熱焊接時，原來是在換軌后的下一個封鎖點鋁熱焊實現無縫化連接，為了提高換軌效率，實現一個封鎖點當天換軌當天鋁熱焊接，對鋁熱焊工藝、施工工序、關鍵環節有了新要求，其中難點就是對焊縫大小掌控。

【關鍵詞】換軌；鋁熱焊；焊縫

0 前言

在濟南工務機械段換軌大修作業中，每一個封鎖點一般有兩個合攏口，根據作業方向分為上架和下架，上架用自行式數控氣壓焊軌車焊接（之前是移動式廂式閃光焊軌車），但在特殊地段，無法使用焊軌車，此時需用鋁熱焊；下架用夾板固定連接等待第二天的換軌作業，若出現斷鏈或者進站新舊軌交接則用鋁熱焊無縫化處理。近年來我局很多線路已到大修周期，特別是鋼軌磨耗嚴重需要更換，天窗點少，人員緊張，這就對換軌的效率提出了更高的要求，換軌車間在以往的換軌作業中，合攏口需要鋁熱焊接實現鋼軌無縫連接固定時，由于施工工序和時間的原因，先把鋼軌鉆眼用夾板連接固定，等下一個封鎖點再焊接。

為了加快換軌進度，現場換軌施工中提出了一個新課題：換軌當天鋁熱焊實現無縫連接。一方面，可以提高施工效率，節省大量成本；另一方面，如果換完軌后第二天鋁熱焊就必須先對鋼軌連接處打眼用夾板以臨時固定，這樣就在第二天鋁熱焊接之后焊縫兩邊各有3個孔，給鋼軌的安全性帶來隱患。此課題的挑戰性在于不管是在上架還是下架鋁熱焊施工，都必須在舊軌進入道心，新軌入槽，并且焊縫兩邊鎖定至少50m后才能準備焊接，而換軌大修一個天窗點封鎖時間是3.5小時，等換完軌之后，鋁熱焊作業時間所剩無幾。經過多次研究論證，結合換軌作業特點，探討到了解決矛盾方法，制定出一個比較合理的施工方案，并在換軌作業中付諸實施，2016年在姚村、藍村等地施工中順利實現了當天換軌當天鋁熱焊的施工工藝，之后更是創新性的實現了換軌當天上架下架同時鋁熱焊，極大的提高了施工效率。

1 什么是鋁熱焊

所謂鋁熱焊，顧名思義，就是焊接時，預先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內，然后把鋁粉和氧化鐵粉混合物（稱鋁熱劑）放在坩堝內加熱，使之發生還原放熱反應，成為液態金屬（鐵）和熔渣（主要為Al2O3），注入鑄型。液態金屬流入接頭空隙，形成焊縫金屬，熔渣則浮在表面上。簡言之鋁熱焊就是利用金屬氧化物和金屬鋁之間的放熱反應所產生的過熱熔融金屬來加熱金屬而實現結合的方法。鋁熱焊接創始于19世紀末，當時H.戈德施密特發現鋁粉與金屬氧化物可由外部熱源使之開始放熱反應，且一旦反應便可自行持續。其反應原理為金屬氧化物+鋁（粉）→氧化鋁+金屬+熱能

用化學方程式表示如下：

3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3

鋁熱焊接工藝具備焊接工藝簡單、焊接質量穩定、焊接占用空間小、快速方便等優點。其不足之處是焊縫為鑄造組織，未經熱處理材料較脆，塑性指標較低，鋼軌端面過燒，碳元素氧化，硅錳等有益元素燒損，使得強度、硬度、塑性韌性等力學性能降低。在換軌中優先使用閃光焊和氣壓焊，二者不能實施的情況下用鋁熱焊。

目前，我段使用德國施密特鋁熱焊接技術，換軌車間所接觸的鋼軌有U75V、U71MnG、PD3以及進出站部分進口軌，不同的鋼軌型號、不同的生產廠家其所含微量元素不盡相同，為了調整熔液溫度和焊縫金屬化學成分，常在鋁熱劑中加入適量的添加劑和合金，形成不同的焊劑如：712 SkVE SU Z100。

2 鋁熱焊在換軌上下架的具體實施

2.1 設備工具及材料

鋁熱焊的主要設備和工具有發電機組，推瘤機，角向打磨機，仿形打磨機，預熱槍及支座，對軌架，坩堝蓋，模板等。其次還有減壓表、測溫儀、秒表、灰渣盤、火鉗、直尺和塞尺、夾具、卸鐵、撬棍、起道機、活口扳手、螺絲刀等。

耗損品有氧氣、丙烷、一次性坩堝、焊劑、砂型、封箱沙。

2.2 施工工藝流程

鋁熱焊作業標準這里不再贅述，上、下架鋁熱焊施工工藝流程基本相同如下：

2.2.1 上架鋁熱焊施工

上架鋁熱焊較下架而言相對容易實施，時間較充裕，只要新軌入槽后，計算新軌條長度，以此留好焊縫距離，焊縫兩端鎖定100即可實施。換軌車或人力撥軌如槽后把多用塞尺放在焊縫處控制焊縫大小，換軌技術人員撞軌拉伸，直到符合焊縫標準，之后鎖定鋼軌，保證焊縫距離不再改變。其他按照鋁熱焊工藝進行。

2.2.2 下架鋁熱焊施工

下架鋁熱焊施工較為困難，首先時間少，鋼軌必須全部入槽，關鍵點在于焊縫的控制，換軌技術人員根據現場情況和溫度計算出鋼軌放散長度，拉軌機和撞軌器同時工作，鋼軌拉到合適焊縫后，撤掉外力會自動往回收縮，且收縮距離和現場情況息息相關，不易確定焊縫預留多少后鋼軌鎖定，因此焊縫的控制極難把握，這里根據現場實際作業情況總結出兩套方案：

A.直接預留法，把鋼軌拉到小于焊縫10mm，拉伸機鎖定保壓，待鋼軌鎖定大于300m后，拉伸機緩慢撤壓，鋼軌自動往回收縮焊縫逐漸增大，拉伸機完全撤壓后，鋼軌扔以小速率收縮，之后停止，達到焊縫距離。

B.二次預留法，先把鋼軌拉到小于焊縫20mm，拉伸機鎖定保壓，待鋼軌鎖定大于300m后，拉伸機緩慢撤壓，動態測量焊縫，當焊縫達到22-24mm時，拉伸機鎖定保壓，鋼軌繼續鎖定，等鋼軌再次鎖定大于200m后，拉伸機緩慢撤壓，完全撤壓，期間注意觀察焊縫距離，直到達到焊縫距離。

兩種方法各有特點，以下兩組數據可以得到比較：

由以上兩表對比可以發現，直接預留焊縫距離隨時間變化而變化，5分鐘以后焊縫距離一直在微變，這就給接下來的工序帶來影響，給焊接質量造成隱患；經過二次保壓的焊縫距離在2分鐘后基本沒有變化，因此換軌施工建議使用第二種方案。

2.3 關鍵環節卡控

受換軌大修都是在既有線，鋼軌鋁熱焊施工都是在室外、現場環境惡劣、施工持續性強等因素影響，施工人員出現注意力不集中、安全意識下降，導致施工中氧氣、丙烷沒按規定放置，對施工安全預想不到位，未嚴格按鋼軌焊接工藝操作，出現鋼軌焊接對位不良、模具漏封，預熱時間過長或不足，打磨不到位等問題。因此，進行鋁熱焊前要仔細檢查并落實必備的工具、材料和設備，到達焊接現場時應對現場條件進行綜合調查采取必要的防護措施。

關鍵環節卡控點總結如下：

1）鋼軌鋁熱焊焊縫距離軌枕邊緣不得少于100mm，一般在兩軌枕中間。

2）鋼軌端頭應做外部處理：拆除焊頭每側3根軌枕的扣件和墊板，除去焊頭下方有礙作業的道渣，檢查鋼軌端頭，規范化打磨除銹。

3）砂型、焊劑不得受潮，坩堝干燥、清潔無裂紋確認焊藥包裝袋密封干燥無破損。仔細封箱，防止跑鐵。

4）細節決定成敗，火焰長度、端面垂直度、預熱端面顏色（溫度）都要嚴格按照標準（濟南工務機械段鋁熱焊標準）。

5）精磨機打磨焊縫時，應在鋼軌踏面上保留適量高出鋼軌的焊頭金屬，約0.5mm，根據現場焊頭外觀情況，可適當調整。

6）冷打磨應在焊接溫度降至50℃以下進行，打磨焊頭使其平直度和垂直輪廓達到技術標準要求。

7） 探傷時，焊筋未打磨，焊筋凸緣反射波可能會引起誤判，為防止誤判，應加強波形分類和了解波形顯示規律及特征，輔以鋼尺及目測的辦法來確定回波信號，以防軌頭下顎和軌底熱影響已缺陷的漏檢。

2.4 鋁熱焊在作業時的一點思考

2.4.1 軌頂面高低錯。在換軌施工中，如果在上下架用鋁熱焊，一般是新舊軌的焊接，根據舊軌的磨耗程度大小，相應的就會體現在工作面和軌頂面（現場一般以軌低為基準對軌），高低相差最大的出現在2016年姚村駐地的換軌施工中，為3mm。這就給焊后打磨帶來挑戰，濟南鐵路局工務機械段對鋁熱焊外觀作了如下標準：

1）冷打磨后，焊縫兩側100mm范圍內不得有明顯的壓痕、碰痕、劃傷等缺陷。

2）焊接后，軌溫降至50℃以下時進行探傷。首先清理焊縫兩側各100mm范圍，確定無銹、無裂紋、無毛刺等時，涂抹機油，進行全斷面探傷。所有焊頭均需經過探傷人員探傷合格，探傷不合格必須鋸掉重焊。

3）焊接接頭平直度標準：頂面0～+0.3mm/m，內側工作面±0.3mm/m，底面1～0.5mm/m。

根據現場的實際作業情況，這里有兩個需要進一步思考的點：

（1）焊前新舊軌在對位時軌頂最大可以相差多少？

（2）焊后為了達到焊接外觀標準，工作面及軌頂面的打磨長度最大可以是多少？

2.4.2 工具有待進一步優化。鋁熱焊在換軌中并不是連續性施工，每一處作業，都需要單獨搬運工具，設備工具粗苯、沉重，是作業難點之一。在姚村、藍村等地施工時，發電機功率為11KW/h，主要為電鋸軌機服務（在端面垂直度或焊縫距離過小時使用），如果改換為內燃鋸軌機，4KW/h的發電機就能滿足要求（除銹、打磨），且內燃鋸軌機輕巧。

2.4.3 大橋鋁熱焊作業，應有嚴謹的時間安排。例如在曹家圈黃河大橋上作業，線間距小，臨線車多，垂停時間有限，臨線過車本線震動，如果在澆注和金屬結晶時有車輛通過，對焊接質量影響極大，所以需要合理的時間安排，有序的施工組織，確保焊接質量。

2.4.4 特殊地段做好安全措施，如線間距小、線路兩邊雜草易燃、大橋木質枕木且空心等。

3 結束語

換軌施工中的鋁熱焊，由于其特殊性，焊接質量與換軌施工各個環節息息相關，焊縫大小的把控既是重點，也是難點，我們要嚴格按照要求規范操作，要不斷總結經驗，優化施工措施，注重細節，達到高效、優質、安全的完成上下架鋁熱焊施工任務。

【參考文獻】

[1]濟南工務機械段鋁熱焊作業標準[S].2011，4，12.

[2]方洪淵.焊接結構學[M].機械工業出版社，2008，5.

[責任編輯：田吉捷]