铝热焊接接头的质量控制

蔡凯

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

1 引言

世界各国都在发展和推广无缝线路，目前钢轨的焊接方法主要有闪光焊、气压焊、电弧焊和铝热焊。各种焊接方法对设备及环境条件等要求不同，每种焊接方法都有其利弊，适合在不同场景下使用[1]。非洲地区对铁路需求不断增大，且对铁路等级要求不高。钢轨铝热焊因其对施工设备要求不高、机动性好、不需要依赖电力及成本低等特点适合在非洲地区推广使用。因为铝热操作简便快捷，适合野外作业，所以焊接质量的提高特别注重焊接工艺以及操作人员的熟练程度[2]。本文以阿尔及利亚沿海铁路项目为例，对地中海气候条件下的铝热焊施工工艺进行研究，结合现场施工经验总结了一些提高焊接质量的措施。

2 工程介绍

该铁路项目位于阿尔及利亚北部沿海地区，设计时速160 km/h。全线线上工程共计128 km，全部使用铝热焊现场焊接，焊接接头1.4万余个，接头的焊接质量对项目整体质量意义重大。焊接接头的外观和铸造质量是质量控制的关键。该工程使用的焊剂及焊接配套产品都由法国Railtech公司生产。焊剂型号为UIC60PLC25D，配套砂型采用侧顶式浇筑系统，坩埚为耐用多次坩埚。整体焊接工艺与法国Railtech公司的快速预热一次性坩埚焊接工艺类似，但是坩埚改为多次使用型。项目地处海外，施工人员配置为每个班组由1名中国工班长带领3名当地工人。

3 焊接工艺关键点控制

铝热焊的焊接质量主要体现在外观质量和铸造质量2个方面。外观质量主要指其几何尺寸符合程度，与操作人员的技术水平相关性较大。而铸造质量与施工工艺每个环节的细节把控息息相关。

3.1 前期施工影响

轨道施工是系统性工作，每一步操作都会影响下一步施工作业的进行。焊轨作业的质量控制不仅受作业本身操作人员、施工设备及施工工艺的影响，还受到上一步铺轨作业以及整体环境的影响。铺轨作业对焊轨作业的影响主要体现在轨缝预留以及预铺底砟作业面是否平整2个方面。

轨缝预留大小需要结合铺轨时轨温以及预计焊轨时轨温预留。阿尔及利亚北部沿海地区属地中海气候，冬季温和多雨，相对湿度为80%；夏季炎热干燥，相对湿度为60%。11月~次年3月为雨季，6~9月为旱季。年平均温度17℃，1月最低温度不低于5℃，7、8月最高气温可超过30℃。最高轨温一般比气温高20℃，但在实际作业中，该地区轨温在旱季由于太阳的直接照射最高可达70℃，在雨季局部背阴面位置由于大风带走热量轨温可低至0℃。该项目使用的钢轨为18 m长UIC60轨，施工预铺底砟，若不考虑底砟对轨道的阻力，按自由伸缩量计算则最大温差时钢轨的伸缩量可达15 mm，而该项目使用的焊剂对应轨缝的设计要求为25 mm±2 mm，因此在铺设钢轨时预留轨缝需要细致考虑，旱季高温时轨缝过小不适合焊轨，其他时间段钢轨平均轨温在23℃左右，可按照此标准在轨道铺设时预留轨缝，且预留轨缝宜取大值。

底砟铺设虽经过压路机静压平整，但在铺轨施工中，由于借助轮式吊车辅助人工铺设轨排，导致轮式设备行走线路上的道砟经碾压后高低不平，现场需要使用小型滚筒式压路机对其进行再次平整，除了可以使组排工作更易进行，也可以令相邻两轨排端头位置钢轨处在同一平面，方便焊轨作业。

3.2 焊接前轨道的准备工作

准备工作中的关键点为轨缝的设置，野外施工受环境影响因素较大，铺轨施工完成后的轨缝由于温度应力会发生改变，每日早晨气温最低，轨缝间距最大，需要重新调整至标准间距25 mm±2 mm，调整需要统筹考虑当日安排焊接接头总数及当日气温情况，需要现场操作人员有足够经验具体对待。假设当日该班组焊接接头数量为10个，则需要考虑5组轨排的轨缝大小预留，因为每日气温升高对钢轨并非线性影响，而是根据日照情况，钢轨温度会急剧升高，所以施工前需考虑5组轨排轨缝在当时温度下的总量，按照由小至大布置轨缝，同时考虑前端已焊接完成钢轨长度情况，该段受温度应力的影响更大。在施工中会发生早晨轨缝大小完全符合要求，到中午时分焊接到最后几个接头时，轨缝过小，以至于需要向前扒缝，导致后续焊轨都需要推动轨排向前移动来达到轨缝要求，这种作业状态增加了操作人员的工作量，因此，在轨排铺设过程中建议轨缝预留取大值。

3.3 钢轨端头的准备与对正

端头准备除检查轨端的外观质量并进行一定的除锈除污工作外，该工作应特别注意确保缩短轨锯轨断面的垂直公差小于1 mm，海外施工由于专业施工人员较少，多由现场施工培养当地工人，其锯轨施工质量并不稳定，需要在施工中予以再次检查。

钢轨端头的对正使用的是分体式对正架，该对正架在使用过程中发生因钢轨中心的偏移导致的一侧支腿跷起的现象，而导致钢轨中心偏移的主要原因就是底砟铺设不平整导致钢轨存在一定程度上的扭曲应力，另外焊缝两侧的轨头高度不一致也会导致该现象。正常的处置方法是人工调整枕下底砟，使焊缝两侧轨道平顺，但施工中该项工作一般花费时间较长，影响施工效率。现场根据实际情况制作了一种工具来固定起翘支腿，该工具利用轨枕上的预埋胶套，使用1根焊有插销的细铁链焊接在胶套配套螺栓上，螺栓固定在预埋胶套内，另一端铁链环绕支腿后插在自身铁链环内，借此固定支腿。该工具能较快解决支腿跷起问题，但也容易导致支架内部受力过大，导致支架开裂，需要操作人员根据现场情况合理使用。

对正作业主要依靠操作人员的熟练程度。尖点的设置雨季时为1.4 mm，其他温度较高时尖点设置为1.6 mm。水平对正需要特别关注，施工中需要操作人员随时关注里程位置，确认是否进入曲线段，在直线段可设置为完全密贴或预留1 mm的凸起，而曲线段上股要预留3 mm以上的突起，下股保证完全密贴即可。在施工中遇到小半径曲线时可以分别解开焊缝两侧各6个轨枕以上的扣件，同时将对正架放置在两侧距离轨缝第3个轨枕上，以方便对正工作。另外，砂模底板安装后再次检查是否对正也尤为重要[3]。

3.4 预热及浇筑

预热坩埚时每日使用前可将坩埚前一日的氧化层完全清理，当日使用中每次焊接前主要清理自熔塞安放区域，高于自熔塞部分的氧化层可视情况清理，对下次焊接的影响并不大。

焊剂配套的砂型采用侧顶式浇筑系统，该结构砂型型腔内焊渣与气体排除顺畅，钢液流动平稳，凝固顺序合理，在正常的操作下，形成的焊缝不易产生缺陷[4]。但是这种系统在轨底的钢液温度最低，如果轨低预热不足，很容易产生气孔、未焊合等缺陷。而轨头部位温度最高，如果轨缝设置不合理，容易产生顶面夹渣等问题。根据高松福等[5]研究表明焊缝的大小对预热效果有影响，焊缝较小时，轨头容易阻碍火焰。施工中，发生过因轨缝过小在顶部产生夹渣的情况，后经现场实验发现，轨缝小于20 mm时，预热5 min，轨头处已烧至红色，轨底仍为黑色，调整轨缝大于23 mm时，同样加热时间端面整体呈红色。结合铸造工艺及现场的实际情况，轨缝设置尽量取大值,但不宜超过30 mm，可避免较多铸造问题。

预热使用的加热机组也是由Railtech公司生产的GP40 TE型空气-汽油加热机组，该设备采用汽油发动机将储油箱中汽油和空气混合，加压喷射形成油气混合体后点燃。与传统丙烷与氧气加热设备相比省去了氧气和丙烷瓶的运送，现场作业更加轻便。因为轨缝设置取大值，为保证轨端的受热，预热枪喷嘴距离钢轨顶面的高度为40 mm，同时考虑雨季的影响，雨季时预热时间为6 min。对于预热火焰的控制，可以观察火焰高度是否在砂模上方约0.5 m，以及听火焰声音的变化[6]，但是现场还是需要经常通过观察焊缝加热后的情况来调节火焰大小。

浇筑过程最重要的是关注反应状态并记录每次反应的时间。施工中最容易忽视的是检查焊剂材料是否有破损受潮，倒入坩埚中要用手搅拌均匀并观察是否有结块，同时将其顶部做成锥型。高温火柴的插入高度要控制在25 mm左右，焊剂的反应时间一般控制在10~15 s，镇静时间控制在10~16 s。虽然坩埚的指导使用寿命在50次以上，但是实际使用过程中发现平均使用在30次时，坩埚底口附近的内衬材料损耗较严重，单个自熔塞提供的镁砂已经不能填筑至自熔塞顶部，此时需要观察反应的镇静时间，若镇静时间短于9 s，钢液得不到充分静置，则需更换坩埚。除了更换坩埚，坩埚盖也需要及时清理，施工中发生坩埚盖顶部出风口被氧化层完全堵住，反应浓烟无法有效排出的情况。

4 其他因素的影响

在实际施工中，一段时期内集中出现了较多的铸造缺陷,主要表现为轨头出现气孔，数量为每个焊头1~3个，直径为2~3 mm。现场为排除出现气孔的原因，先后对焊剂、坩埚、焊泥的批次进行了核查，并未发现有任何改变，后又对现场的操作进行了观察，也都符合标准。由于这种现象集中在6月份以后，也就是旱季即将到来的时候，这时候的天气昼夜温差大，分析可能是气温与温差对焊接的结果造成了影响。经过一段时间的现场观察发现，在每个多云温度较低，温差较小的天气中，焊接结果都比较理想，一旦天气晴朗昼夜温差较大时，就很容易出现气孔现象，同时，观察发现焊剂箱纸盒外层的包装膜上每天早晨都会出现水汽，证明使用的砂型很有可能受潮，含水量发生变化，在焊接中水汽排不干净造成气孔。此外，因为日照加强，轨温升高过快对焊缝大小产生影响，可能在焊接过程中焊缝快速变小，影响排渣排气。最终提出的方案是提早焊轨工作时间，将工作时间制定为上午5~12点，赶在气温升高前完成焊轨作业。同时在温差大，温度较高时提前拆开焊药外包装，令模具释放水汽，在保证不漏包的情况下尽量少抹封箱泥。在后续施工中，焊轨的质量得到了一定提高，但仍有出现气泡的情况，直到天气转凉，进入雨季后，铸造缺陷的问题才完全消失。考虑到杨艳玲等[7]对青藏铁路铝热焊缺陷成因分析为气压原因导致，则该项目处于地中海气候，铸造缺陷成因与温度及湿度等因素应该有较大联系，但由于海外施工，条件有限，厂家也未能参与研究，仅提供现场研究得出的原因分析与处置方案作为参考。

5 结语

为控制焊接质量，铝热焊施工工艺在不同施工条件下需要进行相应调整。针对阿尔及利亚沿海地带特殊气候条件，得出该地区轨缝设置宜取大值，旱季高温时期不宜焊轨，昼夜温差较大时焊轨需要采取特殊措施。并总结了一些可以提高焊接质量和施工效率的方法，希望能够为类似施工条件下的铝热焊现场施工质量控制提供一定的帮助。