既有线铝热焊焊接质量控制技术

李东侠，索 科

(1.吉林铁道职业技术学院，吉林吉林 132001;2.沈阳铁路局吉林工务段，吉林吉林 132001)

铝热焊在既有线铁路无缝线路铺设、钢轨断轨修复、应力放散等维修作业中经常使用。铝热焊是利用还原金属(铝)和氧化金属发生强烈的化学反应实现钢轨焊接。由于铝热焊具有设备简单、使用方便、不需要电源等特点，适合现场作业。

吉林工务段于1998年开始使用法国钢轨铝热焊接技术对伤损焊缝进行原位焊复，最初只是对因无缝线路断轨、施工应力放散而插入短轨的处所进行永久处理。现已在普通无缝线路改铺为区间无缝线路和对无缝线路大修施工中应用。几年来，吉林工务段管辖区段内的铝热焊缝数量不断增加，仅吉长线(吉林—长春)2008年共有铝热焊缝1 459处，到2009年就增长为1 738处。但在实际焊接的过程中，由于钢轨的形状、合金类型不同，而且段管内的铁路地处高寒山区，环境气候变化不定，使得焊接接头的质量难以保证。因此，分析焊接中存在的问题，提出保证既有线铝热焊焊接质量的措施具有极其重要的意义。

1 既有线铝热焊焊接存在的问题

1.1 焊缝间隙超限

在线路上利用封锁时间焊轨，需锯轨预留焊缝间隙。但由于受封锁时间、气温的高低、钢轨的热胀冷缩变化、测量长度不准确等因素的影响，造成个别的焊缝间隙超限。锯出的钢轨端面误差主要有两种:一种是端面与钢轨纵轴线不垂直，偏差在3～9 mm间，该误差占全部锯轨量的90%以上;另一种误差是锯出的钢轨端面不平，偏差在1～3 mm间，该误差占全部锯轨量的5%左右。用有偏差的钢轨端面相互预留轨缝间隙，就会出现轨头和轨底两角处的间隙间距不相等，即钢轨端面的相互不平行，有的全部超限，有的部分超限。温度的影响是超限的主要原因，锯轨预留的轨缝是随时变化的，变化的大小由温度决定，在换轨施工中，预留标准的焊缝间隙很难做到，吉林工务段就曾经焊过37 mm的轨缝。

1.2 预热时间长短不一

技术人员(电焊工)对预热时间和温度的控制极大地影响焊缝金属的组织和性能，在很大程度上决定该焊缝质量的高低。如果预热时间过长，调大氧气量，容易产生过火，产生积碳;如果焊口过小，预热时间过短，轨底没有烤好，就容易焊接不上，产生裂纹光带。

1.3 低温焊接

焊接过程中如轨温瞬间下降，焊头将会冷却过快，以致焊头质量不合格，无法保证焊缝质量。

1.4 钢水泄漏

在焊接过程中，焊接人员在对焊接模具用封箱泥进行封堵时，因操作不当，使得钢轨与砂模间存在缝隙，造成钢水从缝隙中泄出;或模具受潮，在预热过程中砂模干裂，钢水在注入焊道时冲出焊道造成钢水泄漏(俗称“跑箱”)。

1.5 磨耗钢轨出现拗边

应用法国铝热焊技术初期，钢轨焊接完毕后，有些焊缝与钢轨母材表面间结合不紧密，有2 mm左右的凹陷，称拗边现象。开始时，吉林工务段焊轨人员采用电弧焊的KD-286焊条堆焊磨平，经过研究发现，在安装砂模时由于钢轨出现磨耗，在被焊钢轨表面与砂模之间出现间隙，焊接时，会使堵封泥侵入砂模内，并残留于钢轨表面上，占据小部分空间后形成轨面凹陷。

1.6 开通线路早

现场焊轨由于封锁时间短，焊接接头未降到规定的温度就开通线路，接头受到冲击、碾压，就容易产生内部组织变化，钢轨变形，焊口产生凸凹不平，影响接头质量。

2 铝热焊焊接质量的控制措施

2.1 焊接前准备

2.1.1 检查焊接设备及机具

焊接前对所用的焊接设备和机具进行严格检查，以防止因设备开通使用中出现故障而造成焊接质量不良或影响正点。

2.1.2 申请封锁方案要考虑周全

申请封锁方案要完全考虑任务量的大小及不确定因素(如气温的大幅度变化，天气的突然变化)的影响，保证有足够的施工天窗。

2.2 焊接中质量控制

2.2.1 对齐两钢轨端面

由于磨耗程度不一致，两钢轨端面不完全相同，会出现轨头高低不一致，当高差在3 mm之内时，对轨时先将钢轨作用面一侧用焊轨直尺对齐，再将两钢轨端部顶面对齐，直尺端头与钢轨顶面间隙要严格保证尺寸(混凝土枕为1.6 mm，木枕为3.2 mm)。

当高差＞3 mm且＜8 mm时，需用特制的中和组件进行焊接，对轨的方法与上面相同。若差异较大，则应采取两边平分的办法，待焊后把作用边一侧多余部分打磨掉。钢轨一侧端头过高(错牙)＞5mm时，要使用起道器将偏低的钢轨端头一端抬高，起道器要放在该端4～5根轨枕处，抬高到两钢轨端头水平，高低符合规定尺寸要求，直到焊接完毕焊头温度降至350℃以下时方可撤出起道器(根据现场实践经验，一般为浇注结束30min后撤出)。

2.2.2 预留适中焊缝

对轨时焊缝宽度要求在(25±2)mm之间，端头面要平整与纵向垂直，保证熔化的钢水浇筑时填满整个空隙。因此，首先要保证锯轨机的技术状态、操作人员操作规范，减少端面误差(允许误差0.8 mmm);其次，必须计算好温度变化对钢轨伸缩的影响，保证预留焊缝大小适中，以防止轨缝超出范围后预热达不到预期效果。

2.2.3 封箱工作要精细

封箱时，将砂模底板放入底托盘内并按要求涂抹密封膏，将装有底砂模的底板伸入轨底，保证底模板与轨底密贴无缝，上紧固定螺栓。

将侧模安装在侧模夹板中并安装在钢轨侧面，保证轨缝处于居中位置，使用固定夹具将砂模固定好，并用干净的纸板将砂模口盖上，防止杂物掉入砂模内部。安装固定夹具时，不要用力过度造成砂模裂纹或破碎。

涂抹封箱泥是保证焊接工作顺利完成最关键的环节。首先，第一层封箱泥要均匀地涂抹在钢轨与砂模、砂模与砂模之间各个缝隙中，然后再涂抹第二层封箱泥，两层封箱泥要渗和、抹实;其次，封箱泥要涂抹适量，不可涂抹过量或涂抹太少，过量则影响烘干，并且会带来湿气，太少则会干裂，造成钢水泄漏。

2.2.4 适当打磨焊接接头表面

打磨焊头表面时，使焊头处的焊料凸出钢轨表面的高度最多不能超过0.8 mm。打磨焊头使其轮廓半径与钢轨头半径达到一致，并且与钢轨内外两侧平齐。焊头冷却至环境温度后，进行精细冷打磨，在打磨过程中，要不断用专用电子钢轨焊缝平直尺进行测量，根据测量的数据进行打磨，直至符合标准为止。打磨时要注意，不能过快过猛，以避免造成钢轨温度升高，使钢轨淬火。

2.2.5 控制好预热温度和时间

预热时温度要控制在590℃ ～980℃之内，否则极易出现焊接缺陷，甚至于焊后断轨。

预热时间则根据大量试验确定为7～9 min。要不间断地观察整个预热过程，在规定的时间结束之后，撤走预热器，预热最佳效果为钢轨中间及轨头应颜色发红。不要预热过度，如果预热已正确完成，先关掉氧气阀门，再关闭丙烷阀门。

2.2.6 作业时低温钢轨应预热

在轨温低于15℃时的寒冷气候条件下焊接，必须在预热开始前或预热过程中，用涡轮式焊枪(或预热枪)将钢轨预加热至37℃，需要加热的长度是1 m，并且在砂模两侧各1 m的范围内。如果风或雨雪等特别大，则在推瘤后应立即用保温箱或保温罩将焊头盖起来进行保温，时间至少为10min，之后才能进行打磨。

2.3 焊后质量控制

2.3.1 焊后热处理

在钢轨铝热焊焊接过程中不可避免地存在焊接热影响区，钢轨铝热焊焊缝为铸造组织，未经热处理时材料较脆，塑性指标较低，因此，为提高铝热焊头的塑性指标，防止突然折断，应进行焊后热处理。采用法国QPCJ工艺时，因其特殊的结构特点，焊接热影响区能实现硬件控制，危害性较小，焊后不进行热处理就能保证使用。

2.3.2 焊后的探伤检测

焊后焊头超声波探伤检测都是必不可少的，要加大对焊头探伤检测(包括手工外观检测和仪器探伤检查)力度。对质量问题要认真细致地分析，找出问题的原因，并认真进行整改。手工外观检测的主要内容有:焊头顶面的凸凹度，轮轨作用边的直顺度等。仪器探伤检查范围有:以焊缝为中心轨底4个探测面、轨腰4个探测面、轨头侧面4个探测面、轨头踏面2个探测面，计14个探测面，焊缝中心两侧各200mm范围。主要是看上次探检时波形是否有明显的差异，如有应加强监护或进行加固处理，以防焊缝断裂，造成行车事故。

3 结语

采用铝热焊技术焊接既有线铁路钢轨，焊接质量高，减少了线路接头病害。截止至2009年吉林工务段已累计焊接铝热焊接头共440个，通过对焊接质量的控制，经过探伤人员对焊接质量及外观检查，全部合格。但在焊接过程中，发现还存在一些没有解决的问题，如焊后抗拉强度有所降低、焊头硬度不足、超声波探伤标准尚待统一等，因此，只有将每一道工序按标准要求加以控制，一丝不苟地做好，才能保证整个焊接过程顺利进行，才是保证焊接质量达到规定标准的根本。

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