鋼軌鋁熱焊焊頭粗磨技術(shù)工藝流程與方法研究*

金能龍，左世鑫

（1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421002；2.中鐵一局集團(tuán)新運(yùn)工程公司，陜西 咸陽(yáng)712000）

鋁熱焊是鋼軌焊接的主要方法之一，主要用于道岔焊接及傷損鋼軌的修復(fù)，具有操作簡(jiǎn)單、便捷、不需要大型設(shè)備等特點(diǎn)。鋼軌焊頭平直度對(duì)列車安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行有很大關(guān)系，鋼軌焊接完成后要對(duì)焊筋進(jìn)行打磨，打磨分為粗打磨與精打磨，通過(guò)打磨使鋼軌焊頭平直度與廓形滿足行車需要。

1 鋁熱焊的焊接工藝流程及特點(diǎn)

鋁熱焊的主要工藝流程為：作業(yè)準(zhǔn)備→軌端除銹→對(duì)軌→夾具安裝→砂模安裝→封箱→預(yù)熱→焊接澆鑄→拆模推瘤→熱打磨（粗磨）→冷打磨（精磨）→外觀及探傷檢查→收尾工作[1]。

與閃光焊、氣壓焊對(duì)比，鋁熱焊具有以下特點(diǎn)：一是鋁熱焊是用化學(xué)反應(yīng)熱作為熱源的焊接方法。焊接時(shí)，預(yù)先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)使用坩堝、焊劑制備鋼水，注入鑄型。所以鋁熱焊焊筋與鋼軌母材相比，硬度與強(qiáng)度有明顯的不足。二是鋁熱焊焊接完成后未采用正火消除熱影響區(qū)，導(dǎo)致母材出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，鋁熱焊焊筋及熱影響區(qū)的硬度明顯低于鋼軌母材，在使用過(guò)程中容易造成低焊頭。三是在焊接完成后的推瘤過(guò)程中，預(yù)留余量比較大，需要及時(shí)采用熱打磨的方式進(jìn)行粗磨。四是鋁熱焊焊接對(duì)軌難度雖小于閃光焊（受焊機(jī)夾持鋼軌需要和焊接車體的影響，鋼軌一般會(huì)被墊高），但需采用對(duì)軌架對(duì)軌，因此在對(duì)軌時(shí)需認(rèn)真調(diào)整位置，預(yù)留合理的上拱度。對(duì)軌質(zhì)量對(duì)鋼軌粗磨、精磨都有重要的影響。上拱度一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，上拱度一般在1.3~1.6 mm范圍之內(nèi)。

2 鋁熱焊粗磨工藝流程及特點(diǎn)

鋁熱焊劑澆鑄完成到規(guī)定時(shí)間6 min 30 s后（不同類型焊劑其規(guī)定時(shí)間不同，可根據(jù)說(shuō)明書執(zhí)行），要及時(shí)進(jìn)行推瘤作業(yè)。澆鑄10 min后，要對(duì)鋁熱焊焊頭粗磨，此時(shí)鋼軌軌溫較高，因此采用熱打磨方式。打磨時(shí)打磨人員要穿戴好防護(hù)用品（防護(hù)眼鏡、護(hù)腿等），防止?fàn)C傷。

一般采用仿形打磨機(jī)對(duì)鋼軌頂面及工作邊進(jìn)行熱打磨。熱打磨后要采用光電測(cè)溫儀進(jìn)行焊頭軌溫測(cè)量，打磨時(shí)要充分預(yù)留因鋼軌冷卻所產(chǎn)生的收縮量，防止產(chǎn)生低焊頭。例如60 kg/m鋼軌熱打磨后的軌溫為500℃，鋼軌伸縮量公式為

式中：α為鋼軌線膨脹系數(shù)，0.011 8 mm/（mm·℃）；l為60 kg/m鋼軌高度的一半，88 mm；Δt為鋼軌軌溫變化幅度。

當(dāng)鋼軌軌溫從500℃降低到常溫20℃時(shí)，鋼軌頂面及工作邊需要留有0.5 mm的伸縮量，因此在利用鋁熱焊方式對(duì)接鋼軌時(shí)，還需要考慮預(yù)留鋼軌冷打磨消耗量和最終頂面凸起量，一般最少要預(yù)留0.3 mm，其中預(yù)留精磨余量為0.2 mm，焊頭頂面凸起量為0.1 mm。綜合可得：如果粗磨后軌溫為500℃，鋼軌頂面需預(yù)留0.8 mm余量。對(duì)于工作邊，因60 kg/m鋼軌軌頭寬度為73 mm，當(dāng)溫差為480℃時(shí)，可以計(jì)算出會(huì)產(chǎn)生0.2 mm回縮量，因此需預(yù)留0.5 mm以上的余量。在實(shí)際打磨過(guò)程中，需根據(jù)熱打磨后軌溫實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算預(yù)留。在沒(méi)有條件進(jìn)行軌溫測(cè)量時(shí)，焊縫頂面預(yù)留值在1.0 mm左右，但也不宜超過(guò)1.5 mm，否則會(huì)加大精磨過(guò)程中的打磨量，降低打磨效率[2]；鋼軌工作邊的預(yù)留量一般約0.6 mm，不宜過(guò)大。在熱打磨過(guò)程中，可以撤掉調(diào)尖峰用的楔形墊板，以保證后面測(cè)量平直度的準(zhǔn)確可靠。

對(duì)鋼軌頂面及工作邊進(jìn)行熱打磨后，對(duì)鋼軌軌底及軌腰進(jìn)行熱打磨，盡量去掉焊接推瘤后的毛刺，一般不打磨母材。因不需要將軌腰及軌底的焊筋打磨平整，只需要將焊筋打磨圓順即可，當(dāng)熱打磨不能完全將焊筋打磨圓順時(shí)，可以在精磨時(shí)精細(xì)修正，以實(shí)現(xiàn)焊筋及母材接觸面良好過(guò)渡，不產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力集中現(xiàn)象。要重視軌腰及軌底打磨時(shí)的圓順程度，一方面可以增加焊頭的使用壽命，另一方面可以減少探傷的工作量。

打磨過(guò)程中應(yīng)盡量采用數(shù)控打磨機(jī)，打磨完成后要及時(shí)進(jìn)行鋼軌探傷，發(fā)現(xiàn)傷損焊頭時(shí)，不能直接鋸掉重焊，而需鋸掉鋼軌打磨部分的焊頭和熱影響區(qū)，再次焊接，最少應(yīng)鋸掉焊頭兩側(cè)各150 mm。

3 鋁熱焊焊接及粗磨過(guò)程注意事項(xiàng)

一是鋁熱焊在焊接前對(duì)軌一定要精確，用對(duì)軌架進(jìn)行調(diào)整，預(yù)留合理上拱度，要設(shè)置合理距離墊入墊塊，焊筋處不能產(chǎn)生過(guò)大的向上應(yīng)力。二是焊接后一定要及時(shí)進(jìn)行熱打磨，利用高溫，加快打磨速度，但在熱打磨時(shí)，因鋼軌本身溫度較高，所以進(jìn)刀力度不宜太大，否則容易打磨發(fā)藍(lán)，因此需合理控制進(jìn)刀力度。三是在對(duì)鋼軌進(jìn)行焊頭軌底、軌腰熱打磨時(shí)，不能打磨母材。軌腰、軌底最終打磨要圓順，母材與焊筋連接處應(yīng)光滑。四是高溫打磨鋼軌軌頂面及工作邊時(shí)，要考慮合理預(yù)留溫降帶來(lái)的回縮量，回縮量應(yīng)采用計(jì)算方式求得，如果估算，應(yīng)預(yù)留0.2 mm左右余量。五是打磨過(guò)程中要結(jié)合廓形進(jìn)行打磨，在整個(gè)廓形面預(yù)留合理回縮量。六是焊后接頭溫度降低到300℃以下才能放車通行，焊頭只能采用空冷模式，不能采用澆水等方法。七是熱打磨過(guò)程中，要及時(shí)用1 m凹槽直尺或波磨尺量測(cè)焊頭平直度，不能按照打磨痕跡進(jìn)行估算，導(dǎo)致焊頭超磨，出現(xiàn)低焊頭。八是在熱打磨過(guò)程中，只能打磨焊筋部分，不能打磨焊頭熱影響區(qū)部分，因熱影響區(qū)硬度不足，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)低踏，精磨時(shí)也不宜過(guò)度打磨熱影響區(qū)。九是鋁熱焊焊接及鋼軌打磨過(guò)程中，要嚴(yán)格做好相關(guān)記錄，保證焊接及打磨過(guò)程數(shù)據(jù)可以溯源，應(yīng)盡量采用電子記錄，方便數(shù)據(jù)分析。十是粗磨完成后，要檢查軌道的平直度和表面情況。檢查鋼軌端頭有無(wú)裂縫、傾斜或其他缺陷，當(dāng)軌端有低接頭時(shí)必須鋸掉重焊，有大于1 mm深的掉角、推傷等傷損時(shí)也必須鋸除重焊。十一是在線路焊接修復(fù)中，要充分考慮無(wú)縫線路鎖定軌溫的合理性，確保鎖定軌溫符合設(shè)計(jì)要求。十二是當(dāng)軌溫低于5℃時(shí)不宜進(jìn)行鋁熱焊接，當(dāng)軌溫較低、有雨或大風(fēng)時(shí)，需要做好保溫防雨防風(fēng)措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁熱焊鋼軌在粗磨過(guò)程中，要進(jìn)行精細(xì)化管理，全面提高打磨人員的理論素養(yǎng)，合理計(jì)算粗磨過(guò)程中的預(yù)留回縮量，打磨過(guò)程中要考慮鋁熱焊軌腰軌底焊筋保留的特點(diǎn)，要將焊筋與母材連接處打磨得光滑圓順，不能出現(xiàn)毛刺、不平現(xiàn)象，以減少應(yīng)力集中，保證鋁熱焊焊頭壽命。