高速铁路低温下钢轨铝热焊质量控制与提高

张君 李琦 郭兵 李瑞伟

（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁 沈阳 110013）

随着我国高速铁路的飞速发展，哈大、盘营等北方高速线路相继建成通车，铝热焊因其技术成熟，操作简便，设备整合度高，焊接质量可靠等优点，被广泛应用于高速铁路的无缝线路焊接中。针对北方冬季低温环境对钢轨铝热焊产生的不利影响，我们进行了缺陷产生原因分析，采取了一系列应对措施，使得铝热焊头质量达到铁标相关要求。

1 低温下高速铁路的钢轨铝热焊接工艺

低温条件下，在高速铁路上进行钢轨铝热焊接通常是在钢轨折断或接头拉开后的特殊条件下进行，为保证线路及时开通所采用，钢轨焊接安装时对环境条件、施工工具、施工工艺有严格的要求，是一项十分精细和严谨的工作，应严格执行铝热焊焊接工艺。

1.1 准备工作

到达焊接施工现场后，应先对工具设备和焊料进行检查，保证其满足施工要求，并对现场焊接施工人员进行合理分工，各负其责，同时清理排查一切可能在焊接过程中出现的安全隐患。

1.2 钢轨检查、轨端处理

①检查钢轨外观是否带伤如：开裂、掉块、压塌等伤损轨头必须切除（可以用探伤仪进行探伤），是否是同型号钢轨及规格。尽可能不要让轨端间隙位于轨枕之上。

②清洁钢轨，必须除锈、去油，轨端面应为色泽均匀的银灰色。用宽座直角尺测量，轨端面与钢轨纵轴线垂直度应小于1mm，若轨端垂直度达不到要求，需用端磨机进行打磨。低温条件（15℃以下）焊接时，必须用汽油喷灯对待焊端面两侧1m范围内钢轨进行预加温处理。

1.3 待焊钢轨端头的对正

①利用钢轨对正架的调整螺栓对端头进行对正。

②根据焊接工艺要求设置合适的焊缝间隙和尖点。

1.4 扣箱及封箱

安装前应检查确认砂模完好且未受潮。安装时，砂模中心应对准焊缝中心，砂模内侧表面保证和待焊钢轨外轮廓密贴且间隙均匀，确认后可固定砂模并用封箱泥封闭砂模缝隙，操作时要有专人负责，封砂完毕后作业人员要逐个部位进行捣实后的检查，避免砂泥松动或遗漏。

1.5 坩埚装料及预热并安装支架

将焊剂倒入坩埚，成自然锥形，盖上坩埚盖，谨防受潮。安装预热器支架，将预热枪头调整至合适的高度，点火后通过调整氧气和丙烷阀门开度来调节火焰长度达到工艺要求，对准砂模中心固定预热枪枪头，之后开始用秒表计时。预热时间取决于所使用的钢轨型号和铝热焊剂类型，在低温潮湿环境下，应根据温、湿度条件延长预热时间。预热过程中，操作人员要仔细观察模具四周是否有漏火处所，若有应立即停止预热待重新加固封砂泥后再进行预热。达到预热温度后，关火移枪并正确放置分流塞，注意不要将分流塞推入砂模入口，正确的预热温度分布效果如图1所示。

1.6 浇注

预热完成后迅速将坩埚安装于砂模正上方，在焊剂顶部插入高温火柴并点燃，焊剂开始铝热反应。焊接人员须佩戴墨镜以便实时观察反应过程。反应完成后，高温钢水流入砂模进行浇注。当灰渣停止流入灰渣盘时，用秒表开始计时。浇注完成4min后，移除坩埚至干燥区域，而后撤除灰渣盘。

1.7 拆模

浇注结束5min后依次拆除砂模夹具、侧模夹板及金属底板和砂模。

1.8 推瘤

浇注结束6.5min后开始推瘤。切忌过早推瘤，如果焊缝未降到工艺要求温度即进行推瘤，焊缝金属组织就会因外力剪切作用而产生细微裂纹，形成降低焊缝强度的裂纹源。注意，推瘤前应检查推瘤刀刃是否完好，以防划伤焊头表面而造成焊接缺陷；推瘤刀刃距轨顶面1.5mm～2mm，以防止推瘤时栽头。

1.9 打磨

推瘤完成后即开始热打磨，钢轨焊缝顶面打磨余量+0.8～+1.0mm、两侧打磨至与既有钢轨基本平齐，余量为0～+0.3mm。在浇注结束15分钟后拆除对轨架。如果使用了起道机将轨端降低，则在浇注结束30分钟后撤掉。冷打磨在浇注完成后1小时左右进行，用1m平尺测量，钢轨作用边不超0～+0.2mm、顶面不超过0～+0.2 mm。应控制冷打磨的速度，避免因打磨过快造成钢轨表面淬火或发蓝。打磨平顺度钢轨头部两侧、轨腰部、轨底部应满足《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中钢轨焊接接头平直度标准要求，哈大高速铁路是按照速度200km/h～350km/h的标准作业的，见表1。

1.10 探伤

焊缝钢轨温度降至50℃以下后，即可对焊缝进行超声波探伤。

表1 钢轨焊接接头平直度标准

1.11 恢复线路

按照安装扣件→检查几何尺寸→线路精调的顺序恢复线路。

2 低温下钢轨铝热焊焊接缺陷成因和应对措施

钢轨焊接结束后除对焊缝外观质量进行检查外，还需通过超声波探伤对焊头内部结构进行检测。无论外观还是内在焊接缺陷，其成因都是有规可循的，只有针对缺陷成因制定对应措施，方能有效避免焊接缺陷，保障焊接质量。

2.1 气孔

①成因

气孔是焊缝在凝固过程中产生和放出气体所形成的。产生的主要原因是环境冷湿造成的焊剂、封箱泥和砂模潮湿；预热温度不够；镇静时间不足等，因而低温甚至雨雪天气更易诱发此类缺陷。

②应对措施

使用干燥且在保质期内的焊剂；封箱泥用量适当；预热使用高纯度的燃气；保证足够的镇静时间，使铝热反应进行得完全充分。

2.2 夹渣

①成因

焊缝端面不清洁；砂模内落入杂质；焊缝过大，造成钢水量不足，熔渣不能完全排出；镇静时间不够，反应未完成就浇注，在砂模内继续反应生成熔渣。

②应对措施

砂模安装前仔细检查，清理掉渣和浮砂；焊前对两待焊轨端面250 mm范围内钢轨进行除油和除锈；砂模安装完成后要及时覆盖型腔口，防止杂物落入砂模；保证镇静时间，控制反应速度。

2.3 缩孔疏松

①成因

预热时间过长；轨腰及轨脚部分有局部过热现象；预热位置不准确。

②应对措施

保证预热温度分布均匀，预热枪定位准确，不偏烧；低温环境（轨温低于15℃）时，需预热焊缝两侧1m范围内至37℃；焊后需对焊缝采取保温措施，防至冷却过快。

2.4 未焊合

①成因

预热温度过低；焊缝间隙不适合导致的局部预热不足；端面处理不彻底或有氧化层；未按工艺规定时间拆模及推瘤。

②应对措施

依据施工时的气候条件把控好预热时间，确保预热均匀和预热温度；对轨时，认真测量轨缝预留宽度；严格执行进入下一工序的间隔时间；保证焊接时待焊轨位置不变动。

2.5 裂纹

①成因

焊缝金属凝固过程中，未达到足够强度时即受到应力作用。

②应对措施

严格执行焊接工艺规程，避免过早拆箱、推瘤和锤击焊缝。

2.6 粗晶

①成因分析

冷却速度过快，是造成粗晶的主要原因。

②预防措施

焊后对焊头采取保温措施，必要时可进行焊后热处理，以细化焊缝组织的晶粒度。

3 针对低温条件钢轨铝热焊的工艺方案

3.1 应力放散配合铝热焊焊接施工

低温下，为实现焊接后线路的应力放散，需通过机械设备拉伸长轨条以达到设计锁定轨温，并在锁定状态下对钢轨进行铝热焊接。通过机械的拉伸，既要保障焊接工艺规定的焊缝预留尺寸，又要使焊后线路的锁定轨温达到设计锁定轨温范围内。低温条件下的应力放散铝热焊施工应把握以下要点：

在焊缝尺寸偏差允许范围内，通过锯轨量控制放散轨条的锁定轨温偏差，并保证放散均匀。一旦焊接砂模合好，预热开始后，严禁撞窜钢轨，以防焊缝尺寸变动，造成预热不匀，封箱泥松脱，跑铁等问题。

在放散轨条的锁定轨温允许偏差范围内（±5℃），通过拉伸量控制焊缝尺寸，使焊缝尺寸在公称尺寸负偏差内，以更多利用砂模对热影响区保温，更多利用多余焊剂对焊缝保温，降低冷却速度，最大限度减少低温环境对焊接质量的影响。

为保证焊接时焊缝尺寸不变，对长钢轨拉伸时所需拉力应在施工前检算，并对拉伸机（如图2所示）夹具全面检测，保证设备状态满足施工需要。低温环境下，应选用额定拉力750kN以上的分体式液压钢轨拉伸机，斜楔式夹轨，压力可调节。只有在轨端间隙不变与拉伸机泵站压力值稳定后，方可按规定上扣件与做焊接复核标记，而后按工艺要求对轨焊接。轨温高于370℃时，不准降压与拆除拉伸机。轨温高于300℃时，不准放行列车。

3.2 加热与保温措施

经过我们在哈大高铁的施工试验，搭建保温帐篷是应对低温环境对钢轨铝热焊不利影响的有效措施。如图3所示，帐篷支撑框架依照高铁无渣轨道结构设计，帐篷采用玻纤布夹岩棉毡的结构，既防火阻燃，又起到良好的保温效果，根据铝热焊接需要，配备了钢轨电加热装置、电热风幕、照明灯和排风扇。通过搭建的帐篷，使得焊缝周围环境温度大幅提高，极大降低了低温焊接缺陷的产生机率。

焊后为降低焊缝冷却速度，可采用加装石棉保温材料的保温罩覆盖焊头，如图4所示。避免因寒冷天气造成的粗晶等缺陷。

3.3 焊后热处理

焊后采用火焰正火的热处理工艺。并使用图4的保温罩以降低冷却速度。

热处理工艺采用氧、乙炔燃烧火焰，通过加热器（如图5所示）对焊缝及热影响区加热至850℃，保温5min。

经过我们的试验，焊后对铝热焊接头进行火焰正火处理，可以细化焊缝组织的晶粒度，并提高焊头的力学性能，尤其对于低温条件下的焊接接头，这一效果更为明显，见表2。

结语

本文结合哈大高速铁路冬季钢轨铝热焊接低温环境施工条件，介绍了铝热焊在高速铁路上低温环境下的焊接工艺以及应对技术方案，通过对低温条件下铝热焊接工艺及焊接缺陷应对措施的探讨，为我国高寒地区高速铁路冬季钢轨铝热焊施工提出了可行性方案，为高速铁路冬季的维护施工提供了借鉴。

表2 60kg/m U75V铝热焊接头力学性能试验结果

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