沙特南北铁路无缝线路焊接技术

王金成

(中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300222)

1　工程概况

沙特南北铁路是沙特国家基础设施建设的重点工程，其全长约2 400 km，是中东地区修建的第一条高标准现代化的重载铁路。全线呈“T”字型布置，由客运线和矿运线组成：其客运线的设计时速为160 km/h，从南部首都利雅得出发，途径中部几个省份，直至北部约旦国边境的库瑞亚特镇；其矿运线的设计时速是110 km/h，从焦夫省出发，经哈伊勒和布赖代直至达曼省。

此项目所在CTW200标段位于“T”字型铁路的交叉区域，由主线和连接线等部分组成，合计约460 km。CTW200标段位于沙特北部高原沙漠地带，雨水少，白天温度高达31～47 ℃。天气炎热干燥，且沙尘暴频繁。

沙特南北铁路设计为有碴轨道无缝线路，其中轨枕是由德国公司现场预制的预应力钢筋混凝土轨枕；钢轨采用中国生产的UIC60E1型钢轨；道岔和扣件是从德国进口的；线路上无缝线路的焊接是采用法国铝热焊技术，焊剂是由法国生产的；设计规范要求焊缝必须控制在(25±2)mm范围内，设计和原材料都是高标准的。

目前，应用于无缝线路钢轨焊接的焊接技术主要有闪光焊焊接技术、气压焊焊接技术、铝热焊焊接技术和电弧焊焊接技术[1]。本项目主要采用的焊接技术为闪光焊和铝热焊，其中闪光焊主要用在生产焊轨车间，把标准长度钢轨加工成铺设所需的长钢轨，再由铺轨机运输到现场铺设到线路上；然后用施工工艺简单、便于现场操作和使用的铝热焊技术焊接成无缝线路，本文主要阐述了现场铝热焊的无缝线路焊接。

2　铝热焊施工原理

铝热焊是应用铝和氧化铁发生化学反应置换出铁的原理而形成的一种钢轨焊接技术，即铝热反应Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3。具体原理是点燃坩埚中的铝热焊剂，促使铝与氧化铁发生反应，氧化铁在高温下被还原成铁水，并与焊剂中其他的添加元素发生反应后形成具有特定化学成分的钢水，因其比重大，待反应完成后高温钢水释放至连接两根钢轨的耐高温砂型中，同时较高温度的钢水与两轨端产生一定的物理和化学作用，待钢水与轨端冷却后可将两根钢轨焊接在一起[2]。

但是在进行现场钢轨的焊接之前，铝热焊必须先做样本检测，以确保焊接技术缺陷率控制在技术规范以内。焊接样本由焊接在一起的两段长度至少为75 cm的钢轨构成。送检的样本应取3个，检测时对所有样本进行X光测试，然后对其中的两个进行弯曲试验；另一个样本进行硬度测试。所有检测合格后方可进行现场铝热焊施工。

3　现场焊接施工工艺流程

沙特南北铁路铝热焊施工工艺主要流程为：1)现场准备工作；2)轨道的准备；3)钢轨的对正；4)砂模的安装；5)预热；6)坩埚的准备；7)浇注；8)拆模与除瘤；9)打磨；10)收尾工作。

4　现场焊接施工过程

沙特南北铁路无缝线路是采用法国铝热焊焊剂和焊接技术把单元轨连接起来形成的。现场铝热焊接质量的好坏将直接影响到以后无缝线路的使用寿命及安全。因此，如何保证现场铝热焊接的质量是关键，而焊接的每步操作都会影响焊接的质量，所以，每个步骤都要严格按照规范要求进行。

4.1　焊接现场的准备工作

1)人员、机具准备。根据工期安排及现场情况，合理配备施工人员，合理安排辅助机械、辅助设备和消耗物资的进场及供应。特种作业人员必须持有相关上岗证件，并经岗前技术安全培训。

2)焊剂与模具检查。焊工要检查并确认施工过程中所有必需的工具、材料是否齐全良好，主要为：确保焊剂要包裹在密封袋中，并有标签以表明焊接类型等；确保焊剂的类型要与钢轨材质相匹配；对模具进行完整性目检，一旦发现有缺陷的模具，应做打碎、丢弃处理，坚决不能使用。

3)对焊接现场进行全面检查，清除任何可能导致火灾或安全事故的隐患。轨道需完成应力放散并且锁定，保证铝热焊区域干燥，道床清理干净。

4)从焊缝两侧钢轨开始，每一侧松开2～4组扣件，然后将至少50 m范围内的钢轨扣件按规范锁紧，并在焊缝两侧各第一个锁紧扣件处的钢轨上，做划线记号以便观察钢轨移动。

5)确认钢轨的间隙，确保距离轨枕不小于100 mm，否则焊接前应先调枕。

6)针对沙尘暴天气，预先准备可快速组装拆卸的防风帐篷，在帐篷内焊接，防止形成砂缺陷。

4.2　轨道的准备工作

1)焊接前除去间隙下方的道碴，在水平面和垂直面内都要对钢轨端面进行精确校准，确保钢轨端面要和走行面垂直，否则应对钢轨进行切割处理。为了补偿由于热收缩造成的焊缝高度降低，钢轨的两个焊接端应有适量的上拱，但上拱度不宜过大[3]。

2)在距轨端50 mm范围内，用角磨机和钢丝刷对焊接钢轨的端面、轨头、轨要、轨脚和轨底进行打磨清污除锈，要特别注意将轨底打磨清洁干净。如果清理不彻底会引起焊接接头多孔等质量问题。

3)确认钢轨端部的几何形状、尺寸以及是否有裂纹，必要时再次截取；检查钢轨端头是否影响正确的模具布置，必要时打磨。

4)检查轨头情况，如有压塌应先锯轨。锯轨时应注意保证钢轨断面的垂直度，不能出现内斜；外斜时，应保证两轨头上下间距在23～27 mm范围内。

5)保证钢轨端头的垂直公差为1.0 mm，且端头以前未被气焊或电焊过。

图1　锯轨

4.3　钢轨的对正

焊接前，要用复合轨弦对所有钢轨进行检查，钢轨必须以轨脚处为基准，正确控制轨缝宽度。

1)水平调整：轨头焊缝间距为(25±2) mm，用一米直尺分别检查焊缝两端钢轨轨头两侧、轨脚两侧是否平直(如图2)。如有偏差，用对轨架或者钢楔子进行调节，轨头侧面以行车面为基准进行调整。

图2　轨端示意图

2)尖点调整：将一米直尺自由放置在轨顶，使其中点与焊缝中点相重合，用对轨架或者钢楔子对轨端高度进行调节，使直尺的两个端部与轨顶之间的间隙为1.5～2 mm(如图3)。

图3　使用米尺调轨

钢轨端头的对正是铝热焊接工艺中最难也是很关键的一个步骤，在钢轨端头对正的过程中，绝对不要踩在钢轨上；而且对正好后，要按照同样的程序再重新检查一遍，确保对正的准确性。

4.4　砂模的安装

1)确认砂型无裂痕、无缺损、无受潮，否则不能使用。砂型浇注孔略作休整，防止预热和浇注时砂粒脱落，造成焊接夹渣。必要时，将砂型贴合钢轨侧面进行左右摩擦，使砂型与钢轨装配处紧密贴合，所有影响砂模精确定位的缺陷必须去除(如果砂型与钢轨配合不良，可能会造成钢水泄漏)。

图4　安装砂模

2)首先对准焊缝中心线，安放好模具夹，并与轨底垂直，然后安装模具，使模具中心与焊缝对正，最后精确校正拧紧螺栓。按先两长边后两短边的顺序在基板上涂好密封剂后安装基板，要求双手同时操作，确保基板精确对位后同时上两端固定卡扣。

3)在砂模的出料口及夹具螺纹处抹上防漏泥。安装砂型过程中，切勿让砂粒等杂物落入焊缝型腔内，必要时，封箱后用吹风机或预热枪去枪头后吹出焊缝型腔内的杂物。

4.5　预热

预热是铝热焊的重要工艺因素，其可以消除砂模中残余湿气含量和提高钢轨及砂模的温度。其过程如下：

1)安装预热器支架，调整预热枪头到合适高度，调节枪头垂直并在焊缝中的位置，前后左右置中。

2)调节火焰：先微开预热枪的氧气阀门，3 s后微开丙烷阀门，再点火，然后交替开大两个阀门，直到氧气阀门完全打开。调节丙烷阀门，控制火焰形态，使蓝色的焰芯长度保持在15～20 mm范围内。

3)用预热枪对两个灰渣盘稍做烘烤，去除灰渣盘可能带有的水分。

4)将预热枪安放在预热支架上，火焰喷到浇注孔开始预热，控制火焰长度大约50 cm，预热时间为4～5 min。预热期间，要对密封效果进行检查，确保密封正常。

5)密切关注整个预热过程，特别是轨腰受热颜色的变化，预热完成后，轨腰的温度为950～1 000 ℃，其颜色为亮黄色。

6)预热完成，先关掉丙烷气，后关掉氧气，将预热器拿出，操作时注意不要将砂模壁碰坏。

图5　预热

4.6　坩埚的准备

首先确认坩埚壁、自熔塞完好无损，清理并倒出坩埚内浮砂；然后检查焊药包，确保焊药的包装袋是密封并且干燥的，焊药包不能有破裂或受潮，杜绝使用结块的焊剂；最后将自熔塞安装于底部中央位置，在焊药包内将焊剂反复倾倒3次，混合均匀后倒入坩埚中。

4.7　浇注

1)预热结束后，立即将一次性坩埚放置在砂模的正中央，取出坩埚内高温火柴擦燃，然后轻而稳地将高温火柴2/3长度插入焊剂锥形顶部，点燃焊剂，迅速盖上坩埚盖，所有人员退离到安全距离。

2)当坩埚盖孔一旦出现明火时，说明焊剂反应开始，反应时长一般为8～15 s，待明火出现迅速萎缩，则为焊剂反应结束。

3)当坩埚底部一旦出现钢水时，即为钢水落下时间。钢水落下与焊剂反应结束之间的时间间隔为钢水镇静时间。

4.8　拆模与推瘤

1)浇铸完成后2 min移去坩埚，将其放在干燥、无易燃物的地方，然后移去灰渣盘，并将灰渣倒入坩埚中。

2)浇铸完成后4 min 30 s，拆除模板和夹具装置。在拆除模板过程中一定要小心，不要晃动砂型，更不能拉裂砂型，以免影响焊缝金属的正常结晶。甚至导致砂型开裂，钢水流出。用热切除法除去焊头的顶部，除掉冒出的焊料，检查钢水，如果是液态，不要继续拆模，清理钢轨焊接表面已变干的密封胶泥。

3)浇注完成后6 min 30 s，用尖锤轻轻凿去顶部部分，用液压自动推镏刀切除多余的焊料至钢轨轮廓，轨腰处凸出的焊料打弯，以便打磨机打磨焊头。用锤子和凿子去除废料时要防止将焊缝内的材料一同凿掉。

4)浇注8 min 30 s后开始推瘤，推瘤不能过早或过晚。推瘤过早会因轨头硬度过软而容易拉伤轨面，推瘤过迟会因轨头硬度过硬而难以推除焊瘤。

4.9　打磨

1)热打磨通常称为粗打磨，是必须要做的一道工序，需将轨头的顶面、轨距面和底面打磨到标准轨的轮廓，并用手工刨进行抛光。打磨顺序一般为先作用面，后非作用面，先轨顶面，再侧面，最后棱角，打磨时不用过量，要在钢轨踏面上保留一定厚度的焊接金属。焊缝两侧50 mm内，减小打磨力度，防止出现凹凸不平。

2)冷打磨是为了除掉由于焊接生成的任何几何不连续。冷打磨一般浇注后1 h后，对钢轨表面进行冷打磨使其整体平齐，注意千万不要在某一处打磨过度而造成钢轨淬火(发蓝现象)。做到宁可少打不可多打，边打边检测直至达到规范要求为止。

3)焊头冷却后进行精磨，使其外观质量符合要求。打磨过程中要不间断移动打磨机，防止在某一处过量打磨而形成淬火。

4)焊接接头打磨后进行外观质量检测，焊缝及两侧100 mm范围内不能有压痕、碰痕、划伤及电击伤等缺陷。

4.10　收尾工作

以上工作完毕后，焊工应彻底清理焊凸缘，去掉毛刺，并清除焊接现场，完成焊接记录报告。每个焊接接头都应在焊接完成后进行超声波探伤。若发现焊头任何部位有未焊透、裂纹、气孔、夹杂物等有害缺陷，应予重焊。

5　结语

沙特南北铁路是沙特境内第一条高标准铁路，其技术人员、设备配置和施工工艺存在很大局限性，而且线路处在干热高温的沙漠气候环境里，要彻底消除铝热焊接头缺陷是很难的。为了将缺陷率控制在标准范围内，项目根据现场实际情况采取了以下技术和管理措施：

1)施工人员必须接受培训，掌握各工序的工艺后才能上岗，且施工过程中要严格按照规范进行操作。

2)应安排专人对原材料进行管理，确保原材料符合质量要求。

3)锯轨和打磨时一定要彻底清理各种油污和锈渍。

4)钢轨端头对正时，轨端间距要控制好，应反复多次检查，确保轨头对位的精准性。

5)拆模时间不能过早，防止由于快速降温导致开裂。

精细技术措施固然重要，但切实有效的管理措施也不能放松，只有二者密切结合，才会更好地保证焊接质量，确保线路将来能安全高效地运行。

[1] 国家铁路局.TB/T 1632.1—2014钢轨焊接通用技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[2] 法国拉伊台克国际公司.QPCJ钢轨铝热焊接工艺操作指导手册[Z].武汉:法国拉伊台克国际公司(武汉)分公司，1999:1-2.

[3] 朱敏，吉玉，郑建国，等.耐蚀钢轨U68CuCr铝热焊工艺试验[J].武钢技术，2015，53(1)：36-38.