钢轨铝热焊接应注意的要点

维普资讯 http://www.cqvip.com 雨辅　瞳ｉＭｔ　；　善　钢轨铝热焊接应注意的要点　杨云堂　（中铁一局新运工程公司，７１２０００，陕西咸阳∥工程师）　摘要介绍了焊接材料质量、预热效果、操作人员水平等　因素对钢轨铝热焊接接头质量的影响，以及几何误差不同、　轨头宽度不等、寒冷气候等特殊条件下进行铝热焊接应注意　的问题。对钢轨铝热焊接接头打磨预留量，以及打磨中出现　“鞍形”磨耗、打磨发蓝、烧伤的原因进行分析，并提出解决措　施，以提高铝热焊接方法的效率及焊头质量。　关键词无缝线路，钢轨，铝热焊接　中图分类号Ｕ　２１３．９　２　Ｋｅｙ　Ｔｅｄｍｉｅ￣Ｐ￣ｍｔｓ　ｉｎ　Ａｌｕｍｉｎｏｔｈｅｒｍｉｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　ＹａｎｇＹｕｎｔａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ａｌｌ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｎｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ａｌｕｍｉｎｏｔｈｅｒｍｉｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ，ｓｕｃｈ　ａｓ：ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｋｉｔｓ（ｅｓｐ．ｔｈｅ　ｐｏｒｔｉｏｎ），ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｇｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｏｐｅｒａｔｏｒｓ　ｅｔｃ．，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎ—　ｌａｙ￣ｓ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｈｅｎ　ｒａｉｌ　ｗｅｌｄｉｇｎ　ｕｎｄｅｒ　ｓｐｅｄａｌ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎ　ｇｒｉｎｄｉｇｎｔｏＡＴ　ｗｅｌｄｉｇｎ　ｊｏｉｎｔｓ，ｔｅｈ　ａｕｔｈｏｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ＡＴ　ｗｅｌｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｊｏｉｎｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ，ｒａｉｌｓ，ａｌｕｍｉｎｏｔｈｅｒｍｉｃ　ｗｅｌｄｉｇｎ　Ａｕｔｈｏｒ’Ｓ　ａｄｄｒｅｓｓ　Ｃ￣ｕｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｆｉｒｓｔ　Ｇｒｏｕｐ　Ｎｅｗ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｌａｙｉｎｇ　Ｇｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，７１２０００，ｘｉａｎｙａｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｈ１ａ　钢轨焊接技术是实现无缝线路铺设的技术关　键。目前用于钢轨焊接的方法主要有闪光焊、气压　焊和铝热焊等三种。近年来，在城市轨道交通建设　中，推广采用一次性铺设无缝线路工艺接触焊，而钢　轨铝热焊接方法主要用于道岔焊接、线路维修。　钢轨铝热焊接就是用铝和铁的氧化物进行氧化　还原反应，从而将两根钢轨焊接起来的铸造工艺。　由于铝热焊接的质量受各种外界因素的影响很大，　如何提高焊接及打磨的质量，是施工实践中需不断　探索和总结的一大课题。　１提高焊接质量的措施　１．１确保焊接材料的质量　・５６・　铝热焊剂是钢轨铝热焊接的主要消耗材料，其　质量直接关系到焊接接头的质量。受潮、破损的铝　热焊剂使用时容易产生气孔，绝对禁止使用。受潮　后的焊剂不得自行烘干再用。无法使用的焊剂必须　用鲜艳的彩色记号标识，写明原因，集中堆放，以防　误用。坩埚、砂模等消耗材料如果出现破损或受潮，　同样严禁使用。另外，现场使用的氧气与液化气，最　好与型式试验时使用的氧气与液化气为同一个厂　家，确保气的质量。　１．２注重焊接工艺　１．２．１保证最佳的预热效果　预热是钢轨铝热焊接工艺最关键的一个步骤。　预热过度或预热不足，会产生过烧或氧化物等缺陷。　现场发现的焊接缺陷较复杂。如：法国拉伊台克的　Ｑ跗铝热焊接工艺多出现气孔；气孔大多出现在轨　底熔合线附近。分析原因主要是轨底预热不够。为　了保证预热效果，可采取两个措施：一是预热前先将　轨底加热３０～４０　ｓ；二是反应完后拆模时暂不拆底　板，延长底板停留时间，以最大限度地保持轨底的温　度。铁道科学研究院的铝热焊接工艺的缺陷以夹砂　为最多。其主要原因与砂模质量和预热程度有关。　砂模耐高温强度不够，预热时造成砂模提前熔化，掉　人型腔；或是预热过度造成砂模熔化，造成夹砂缺陷。　采取经常校准氧气减压阀、辅助观察钢轨端面颜色变　化、建议生产厂家正确把握砂型配方等措施，可基本　消除该缺陷。此外，气温较低时，氧气和液化气不易　挥发，出气不够顺畅，会影响预热效果。因此，低温焊　接时必须对氧气和液化气进行保温；现场焊接遇见刮　风时应搭设帐篷，以保证预热温度。　１．２．２加强对操作人员的培训　钢轨铝热焊接基本上属于手工操作，受人为因　素影响较大，因此对操作人员必须加强培训，提高人　员素质，严格按照工艺操作，确保焊接质量。　１．３特殊情况下的焊接　１．３．１几何误差不同的同类型钢轨之间的焊接　维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ　｛≤　；　；　｛　；　ｉ　｛｝　．　ｌ；｛　；　≤　．　｛ｌ　嫌　；　新钢轨的制造均允许有一定的几何误差。两根　钢轨要进行焊接，如果出现几何尺寸误差，累积就会　出现对正困难。铝热焊接对正时，要求轨头、轨腰、　轨底边３条线密贴。实践中不同的误差类型有不同　的处理方法。　１）轨头宽度不相等时：将钢轨轨底和轨腰先对　直，整个对正以工作边为准，尽量减少内侧工作面误　差；若有一侧无法对正时，可将误差平均分配在两　端。在焊接完成后进行打磨时，可延长轨顶面纵向　打磨长度，打磨轨头的内侧和外侧成一条直线；要求　打磨时进刀一定要慢，移动速度也要慢。　２）钢轨高度不相等时：当钢轨高度差△Ｈ≤３　ｒｎｌＴｌ时，先将轨顶踏面对直，将高度的差异分配到轨　底焊筋处，这样在进行轨底打磨时，可将焊筋打磨成　一圆滑过渡面，尽量避免形成应力集中；当３　ｍｍ＜　△Ｈ≤８　ｒｎｌＴｌ时，需要借助于特殊的砂模；高度差异　过大时，不能焊接。　１．３．２寒冷气候下的焊接　１）低温时的焊接：当轨温低于１５℃时，需用加　热器将钢轨两端加热到３７℃，以防温度过低浇注时　形成激冷层，产生结晶缺陷。加热长度为接头两侧　各１　Ｉｎ的范围。纵向加热顺序按图１中的１—２—３　—４—１；，横向加热顺序按图２中的ａ—ｂ—ｃ—ｂ—ａ。　）３《　ｂ　图２钢轨横向加热顺序　２）氧气表冻结：当温度过低时，氧气表容易被　冻坏，导致读数不准或根本无读数。可采取用热水　浇、热水袋敷、制作专用的棉絮罩将氧气表罩住、设　计带加热器的氧气表等方法，防止其冻结。　３）液化气挥发不好，读数不稳定：在铝热焊接　中，对氧气和液化气的压力提出了明确的要求，其配　比直接关系到火焰的性质（火焰分为氧化焰、中性焰、　炭化焰），对焊接质量有很大的影响。铝热焊接预热　钢轨及砂模要求火焰为炭化焰或中性焰。温度低时，　液化气挥发性不好，火焰难以保证为炭化焰或中性　焰；而氧化焰温度高，易造成砂型烧化，烧化的石英砂　黏结在钢轨上易形成夹砂缺陷。因此，低温时如不对　液化气加以保护，会影响预热效果，难以保证良好的　温度场分布。液化气挥发不好可采取以下办法：用热　水浇，或者用抹布敷（此法效率高，但水的储存、保温　困难）；用电热毯将气瓶包住，通电加热（此法需用电　源，加热速度慢）；将气瓶置于热力管（建议功率大于　１　０００　ｗ）中，通电加热，加热效率高。　４）封箱泥冻结：封箱的可靠性影响钢轨铝热焊　接的成功率和接头表面质量。由于钢轨和砂型间隙　大，为了防止“跑铁”或漏钢水，现行工艺采用封箱泥　封箱。但封箱泥不能过干，也不能过湿。过干无法　封箱；过湿则湿气会进入焊缝，容易形成气孔缺陷。　封箱泥本身含有水，低温时容易冻结，甚至无法使　用。可采取在封箱泥内加防冻液、提高封箱泥储存　环境的温度、保温（最好为常温）等措施防止冻结。　５）焊后冷却快：钢轨的铝热焊接属于铸造工　艺。钢轨的形状较为特殊，为了保证各部位的组织　均匀，且组织为Ｐ＋Ｆ（珠光体＋铁素体），必须保证　较慢的钢轨冷却速度。当冷却速度过快时，焊缝组　织会转变为组织晶粒粗大、硬而脆的Ｍ（马氏体）。　在线路中极易出现由Ｍ引发的掉块和断裂。可采　取设计专用的保温罩保温，以延长保温时间（一般最　少为２０　ｍｉｎ）、延长底板停留时间（建议推瘤以后１０　ｍｉｎ拆掉），等钢轨完全降至常温时再将冒口棒敲掉　等措施，防止焊后钢轨冷却速度过快。　１．３．３使用拉伸器　现场施工中，由于温度变化导致轨缝变化，需要　使用拉伸器来保证轨缝达到要求。使用拉伸器时，　必须根据拉伸长度计算扣件拆除长度，以防损坏拉　伸器。当焊接完成后必须等轨温降到３７０＂Ｃ以下，　才允许去掉拉伸器。在焊接过程中，必须保证保压　良好，才能保证轨缝在要求范围内。目前拉伸器有　两种型式：夹轨腰式和夹轨头式。前者重量重，拆卸　麻烦，对钢轨损耗小，但可轻易对正，同时在拉伸的　・５７・　维普资讯 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黼嚣ｌ　舞暑蘧垂墨鼹　｛　｛　；　｛　｛　淤溱　情况下可以实现过车；后者重量轻，拆卸方便，但不　易调整尖峰（起拱量），钢轨端头易呈现下榻趋势，且　对钢轨损伤严重，拉伸时不可过车。　１．３．４不利气候条件下的焊接　当刮风、下雨、下雪时，钢轨冷却速度快，易出现　马氏体，增大了钢轨的硬度及脆性。低温下过车时　易断轨，而且焊剂、坩埚容易受潮，影响焊接质量。　遇有沙尘暴时，因其夹有沙子，｝昆人焊缝内易造成夹　砂缺陷。因此这种气候条件下焊接时必须加设帐　篷，预热钢轨时延长轨底加热时间，拆模时先将侧模　夹具拆掉，适当延长底板停留时间；同时加盖保温　罩，而且工地焊接的焊剂、坩埚必须装箱，并加盖帆　布，防止受潮；当雨过大时，应停止焊接。　２焊头打磨技术　２．１焊头打磨预留量　２．１．１焊接时起拱量（尖峰值）的大小　钢轨焊接后的温度应力及残余应力使钢轨焊头　产生塑性变形，冷却后呈下塌趋势。列车经过该处　时会受到很大的冲击力，直接影响车辆寿命及旅客　的舒适度。为此必须提前留有一定的起拱量。但　是，起拱量过大，打磨后钢轨轨顶面会形成一个鼓　包。即打磨后轨顶面１　ｍ范围内虽然已经达到标　准，但用１０　ｍ弦量却超标。不同的焊接工艺可采用　不同的起拱量。经实践，建议：采用法国拉伊台克　ＱＰＣＪ工艺时，正线焊接起拱量取１．５～１．６　ｎａＡＴＩ，道　岔焊接起拱量取１．４～１．５　ｍｎｌ；采用铁道科学研究　院定时预热工艺时，正线焊接起拱量取２．Ｏ～２．２　ｍｍ，道岔焊接起拱量取１．８～２．０　ｍｍ。　２．１．２打磨时钢轨的温度　焊接时，焊缝及其附近的金属在高温下的自由　变形受到阻碍，产生压缩塑性变形。影响纵向收缩　变形的因素有工件长度、截面积、焊接参数、焊接方　法、焊接顺序、材料的热物理参量等。在诸因素中，　焊接线能量是最主要的。一般情况下，纵向收缩变　形与线能量成正比。焊接时工件温度越高，线能量　越大，纵向收缩变形越大。打磨时，工件原始温度的　提高相当加大了线能量，使焊接塑性变形区扩大，焊　后纵向收缩变形增大，冷却后轨顶面下塌量就相应　增大。此时钢轨轨顶面打磨留量应大一些，以预留　较大的下塌量。反之，温度较低时，钢轨轨顶面打磨　后下塌量较小，其打磨留量可较小。在广州地铁１　号线的施工中，曾选择一定数量的焊头进行观察测　・　５８・　量，结果是：打磨时钢轨温度越高，打磨后轨温降低　前后钢轨轨顶面下塌量越大；轨温每变化１０℃，轨　顶面平直度平均变化０．０５　ｍｍ。　２．１．３线路及设备状况　钢轨铝热焊接接头在载荷下会有一定的下塌，　因此初次打磨时尽量多预留打磨量。　此外，在实际施工过程中，打磨设备的性能（功　率）对轨顶面平直度有不同的影响。打磨机功率越　大，打磨留量应大一些。　２．２出现“鞍形”磨耗的原因及解决措施　由于焊缝及焊缝两侧热影响区的金相组织、晶　粒度不同，造成焊接接头各部位的硬度差异。钢轨　焊接接头经过焊接热循环后，各部位组织和性能都　发生了变化，焊缝及热影响区的硬度出现高低不同：　在热影响区与母材近临区域５０　ｎａＡＴＩ宽度范围内，出　现软化带，硬度下降幅度较大；用打磨机打磨时常出　现硬度低的部位打磨的凹下量较多，硬度高的部位　打磨的凸起量多些的现象，出现了“鞍形”磨耗。广　州地铁１号线Ｕ７１Ｍｎ钢轨铝热焊接接头分区及硬　度分布见图３、４。　图３广州地铁１号线ＬｒＹｌｌＶｌｎ钢轨ＱＰＣＪ铝热　焊接接头分区图（单位：—ｎｍ）　∞　Ｚ　图４广州地铁１号线Ｕ７１Ｍｎ钢轨踏面距离　边缘１５　ＩｎｌＥｔ处的硬度曲线　由图３、４可以看出：焊接接头分为焊缝区、热影　维普资讯 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漾　潮，　响区和母材，各区的宽度及硬度分布有差异；在焊缝　和热影响区过渡处出现硬度最高点，其中热影响区　硬度变化幅度最大。如果打磨时在软点进刀就会出　现“鞍型”磨耗现象。　：　ｉ　效率。　：　陵§　：　会把端面烧伤，且磨削效率低，影响焊头质量和生产　防止出现打磨发蓝、打磨烧伤的措施有：　１）打磨时应保持较慢且均匀的速度，打磨到焊　头中焊瘤较多的部位时，避免用力长时间打磨一个　部位。　２）为了达到打磨要求，轨顶打磨应采用专用仿　型打磨机。这种设备一般以在钢轨上走行的轮对作　为打磨基准。当砂轮面接近待打磨处时，应使打磨　机做纵向往复移动，以防轨面磨削过量或过热烧伤　轨面。　为了防止打磨出现“鞍型”磨耗，进刀位置应在　焊缝区和母材区。当打磨到焊缝两侧５０　ＩＴＩＩＴＩ左右　的软化带时，要减轻打磨力度，避免出现凸凹不平；　当进刀出现零星火花时，方可移动打磨设备，严禁出　现大量火花时移动打磨机。　２．３出现打磨发蓝、烧伤的原因及解决措施　钢轨打磨区温度很高，达到１　０００℃以上。高　温的切屑飞出时，强烈氧化产生磨削火花，以极高的　速度向周围辐射。进刀量不同，打磨时在钢轨上形　成的颜色不同，最初为浅黄色，依次为褐色、赤褐色、　紫色和蓝色，最终会出现打磨烧伤。结果造成局部　３）钢轨轨底打磨是一项新要求，也是打磨领域　内的难点。目前还没有轨底打磨机，仅用手砂轮打　磨，受人为因素影响大，打磨精度难以达到要求。　淬火，极易形成马氏体淬火组织和微裂纹，同时产生　很大的内应力，成为对钢轨危害极严重的缺陷。　出现打磨发蓝、打磨烧伤的原因有：　１）打磨设备的性能。横断面金属切除量与打　磨机功率成正比。打磨机功率越大，磨削速度越大，　产生的热量越大，容易出现打磨烧伤。同样，进刀　建议打磨过程中借助镜子随时观察或设计轨底打磨　机；打磨时必须作纵向往复运动，防止打磨烧伤。　４）铝热焊接接头轨底及其上表面焊筋较窄，用　手砂轮打磨时容易出现打磨烧伤。为此，在打磨到　最后时间时，应加大砂轮摆动量，并减轻打磨力度。　５）磨削量每次不宜过大，砂轮不得冲击钢轨和　在钢轨上跳动。　量、打磨速度越大，产生的温度越高，越容易出现打　磨烧伤。　２）打磨方式。用手砂轮长时间定点打磨，致使　打磨区域温度过高，而周围的金属温度相比却很低，　使烧伤处的冷却过快，打磨部位发蓝，出现打磨烧　伤。　６）最好在常温下进行打磨。　参考文献　［１］ＴＢ．，＂１＂１６３２．１—２００５钢轨焊接通用技术条件［ｓ］．　［２］德国施密特公司．钢轨铝热焊焊接工艺［Ｇ］．广州：德国施密特　公司广州办事处，１９９６．　［３］中华人民共和国铁道部．铁路线路维修规则［Ｍ］．北京：中国铁　道出版社，２００１．　３）砂轮片质量。砂轮片硬度大，打磨进刀时会　出现弹跳现象，易在表面形成坑状缺陷，同时表面出　现发蓝现象。市场上购买的相同规格砂轮片，其中　有一部分由于其粒度、紧实度及硬度较差，在打磨时　［４］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［Ｇ］．武汉：法国拉伊台克国际公司（武汉）分公司，１９９７．　（收稿日期：２００６—１２—２７）　上海地铁改造“老车＂的空调系统　上海地铁很挤，而且随着气温的逐渐升高，一些地铁车厢内变得很热。记者从上海地铁运营公司获悉，　为了缓解地铁车厢内的闷热问题，近期上海地铁最早服役的一批直流列车已正式启动空调系统的改造工程，　首列经改造的车辆将于５月初投用。预计今年夏季，部分地铁列车“高烧”不退的车厢环境将得到改善。　据介绍，上海轨道交通１号线首批使用的直流列车，由于空调系统的制冷效果差，在人多拥挤、室外阳光　曝晒、车门频繁开关等因素的影响下，会使乘客觉得闷热难当。　据地铁运营公司车辆技术人员介绍，这批列车是在上世纪９０年代初从国外进口的，随着运营外环境的　变化，客运量也在持续大幅增长，“老车”的空调系统日渐乏力，改造后制冷效果将有所改善。　（摘自２００７年４月２０日《新华网》，记者陆文军报道）　・５９・