钢轨铝热焊接技术在高速铁路上的应用

钢轨铝热焊接技术在高速铁路上的应用摘要：通过津秦高速铁路道岔钢轨铝热焊施工实例，介绍铝热焊接原理及工艺特点，分析焊接过程中可能出现的缺陷以及缺陷出现的原因，提出焊接质量控制的措施，对高速铁路钢轨铝热焊技术的推广具有实用意义。

关键词：高速铁路钢轨铝热焊接质量控制1.概述随着我国高速铁路的快速发展，钢轨铝热焊技术在高铁的应用也越来越广。

在现场焊接中铝热焊具有其独特的优点，焊接过程中钢轨没有缩短，接头平直度高，施工方便，工人容易掌握，施工中焊接质量能够满足使用要求。

津秦高速铁路全线6站1所共60组无砟轨道高速道岔，道岔钢轨焊接全部采用铝热焊方法。

在津秦高铁联调联试试运营过程以及开通运营半年以来，通过对道岔跟踪监测，焊接接头均未出现较大缺陷，为高速铁路安全运营创造了有利条件。

2.铝热焊原理、特点及工艺2.1铝热焊接原理钢轨铝热焊接是通过配置的铝热剂在坩埚内点燃反应后形成高温铝热钢水注入由焊接沙模和待焊钢轨组成的型腔内，高温钢水通过特别设计的沙模浇注系统，熔化部分待焊钢轨端面，经冷却凝固后将待焊钢轨联结成一个整体。

其化学原理是利用活动性较强的金属能够把活动性较弱的金属从它的氧化物中还原出来的原理。

因为铝在足够高的温度下有较强的活动性，它可以从很多重金属的氧化物中夺取氧，而把重金属还原出来。

例如铝能把铁、钛、钒、铬、锰、钨等从它们的氧化物中还原出来，同时放出大量的热，温度可达2000～3000 ℃，从而使这些金属成为液态。

铝热焊接钢轨基本原理的主要化学方程式是：3FeO+2Al=3Fe+Al2O3+834.9kJFe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+829.9kJ3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3+3236.3kJ为了获得优质的铝热钢，根据不同要求，在铝热焊剂中可加入一些合金元素如锰、硅、钛、钼等。

此外，可根据需要在铝热焊剂中添加金属材料，对铝热钢水的温度进行调节。

2.2铝热焊接特点(1)钢轨铝热焊自带热源，因此，设备简单，操作方便，快速，少量人员就可进行焊接操作；(2)钢轨在焊接过程中几何位置几乎不变，因此其平顺性取决于工装卡具，故焊接接头的平顺性优于气压焊。

由于焊接过程中钢轨无纵向移动，因此特别适用于跨区间无缝线路的焊接；(3)钢轨铝热焊是铸造过程，其焊缝金属是铸态组织，因此其接头的性能具有铸造的特点,因此力学性能相对闪光焊、气压焊要差。

2.3铝热焊工艺铝热焊主要工艺流程：准备工作→轨端干燥→轨道的准备→钢轨端头打磨、除锈→钢轨端头对正→安装夹具→安装砂模→封箱→预热→装焊药、放置坩埚→点火反应→钢水浇注→拆除砂模、推瘤→热打磨→冷打磨→焊头检测。

2.3.1在焊接现场的准备(1)测量轨温，掌握施工时的轨温情况。

(2)确认钢轨类型并记录，检查是否和焊剂类型一致。

(3)在线外合适的地方挖一个深300mm的坑，放置浇注后的坩埚等废弃物，要注意是否有地下电缆。

(4)钢轨两端各卸掉3~6根轨枕上的扣件，如果是曲线部分，需依据曲线半径的大小去掉更多的扣件。

2.3.2轨道的准备(1)检查轨道的直度和表面，同时用钢丝刷或打磨机清理钢轨端头100~150mm，除去氧化物；检查轨头是否有压塌现象，如有压塌，应先进行锯轨；锯轨时，应注意保证钢轨断面的垂直度，垂直公差为1mm，不能内斜，确保浇注时钢水能灌满轨逢，锯轨外斜时，应保证两轨头上下间距均在23~27mm范围内。

(2)检查钢轨端头的位置，端头距离轨枕应≥100mm，否则，应调整轨枕。

2.3.3钢轨端头的对正这是焊接过程中的一道重要工序，钢轨端头对正时，须依次考虑四个参数，即间隙、尖点、水平对正和扭转。

(1)间隙调整：轨端间隙必须为25±2mm(如果间隙<23mm将达不到预热的效果，而且熔化的钢水会因过量而溢出废渣盘。

如果间隙>27mm，预热也将达不到效果，而且熔化的钢水还会注不满整个间隙)，间隙尺寸检测采用梯度式测距尺或采用端带尺分别测量钢轨头部和根部的两点，得到四个尺寸，四个尺寸必须在公差范围内(23~27mm)。

(2)尖点(垂直对正)：在焊接之前，两端钢轨向上应有一交点，这样就不会因施焊后的冷却造成焊缝凹陷，并能保证留有一定的凸余量供打磨调平。

调整方式为：将直尺轨放置在钢轨运行表面的正中央，测量钢轨运行表面与直尺轨端头间隙值，根据施工经验，Ⅲ型预应力钢筋混凝土轨枕的间隙值取为⒈5mm(木枕取为⒊2mm)。

(3)水平对正：用直尺规分别检查钢轨对接处的一段钢轨轨头、轨腰和轨底，如果两根钢轨宽度稍有差异，将两端钢轨的中心线对齐，差异均分。

(4)扭转：轨头内侧表面和轨肋的底部必须同时对直。

端头对正时用钢轨对正架或对正杆来调整各个参数。

钢轨端头的对正是铝热焊接工艺中最难也是最关键的一个步骤，将直接影响到焊接接头的质量。

在钢轨端头对正的过程中，绝对不能扰动施焊地段的钢轨、轨枕，对正后，还要按照同样的程序再检查一遍，确保对正的准确性。

2.3.4立砂模(1)砂模安装前将两侧的砂模在钢轨上轻轻摩擦，使其与钢轨结合得更紧密。

(2)砂模的中心线与钢轨接头的轴线必须在同一条直线上。

(3)在砂模的出料口及夹具螺纹处抹上防漏泥。

2.3.5预热预热也是焊接过程中的一道重要工序，其作用在于消除砂模中的湿气及提高钢轨和砂模的温度，预防焊头出现气孔、夹渣等质量缺陷。

它以氧气、丙烷为燃料，通过加热器来完成，预热过程如下：(1)记录钢轨的温度。

(2)使用调节器增大压力，获得丙烷压力为10PSI，然后关掉钢瓶。

(3)将加热器装于支架上，调整喷咀对准砂模的中心，并将分流塞放在砂模的边缘上。

(4)将加热器从支架上拿开，点燃喷火咀。

调整丙烷气和氧气的压力混合比，得到最佳的火焰。

预热时间从火焰调节好之后计起，用跑表严格控制在5min(60kg/m钢轨)。

(5)预热完成后，依次关掉丙烷气、氧气，将预热器拿出，操作时注意不要碰撞砂模壁。

注意：预热时要注意观察各缝隙上的防漏泥是否有裂纹或掉下。

2.3.6焊药包的准备(在预热之前或预热过程中)(1)坩埚是否干净，有无裂缝、裂纹。

(2)自熔塞是否安全地位于底部中央位置。

(3)在开封之前，焊药的包装袋是否密封、干燥，焊药包是否有破裂或受潮，严禁使用结块的焊药。

2.3.7浇注浇注前，焊工穿戴好安全保护装备，待预热结束后，将一次性坩埚放置在砂模的正中央，30s 内将焊药点燃，引火芯插入焊药中最深为25mm。

在浇注的过程中，在钢轨的两侧分别准备两根裹有防漏泥的短棒，以防万一有熔化钢水漏出的情况发生。

当废渣停止流出，按下跑表开始计时。

5.2.8拆除砂模、推瘤在浇注结束5min时，移走废渣盘和一次性坩埚，拆除砂模；在浇注结束6.5min时，将多余的焊料推除，并把轨底两侧凸出的焊料打弯。

5.2.9热打磨热打磨是重新恢复交通前必做的一道工序。

在热打磨过程中应注意以下事项：(1)打磨工穿戴好安全保护装备。

(2)在钢轨踏面上保留高出钢轨0.3~0.8mm的焊头金属。

(3)焊头的内侧及外侧与钢轨的两侧平齐。

(4)在浇注结束15min时去掉楔子。

(5)若使用了起轨器，在浇注后30min将其撤掉。

5.2.10冷打磨目的是除掉由于焊接生成的任何几何不连续表面缺陷。

冷打磨应在浇注结束1h后进行，为保证打磨精度，必须在线路恢复施焊前的原有状态下进行。

注意：千万不能集中在某一处打磨过度，避免在短时高温的条件下产生易断裂的马氏体晶粒，并边检测边打磨直至符合质量要求。

5.2.11收尾清理好焊接现场，在焊头旁打上焊接印记，完成焊接记录报告。

3.常见焊接质量缺陷的原因分析与预防措施津秦高铁道岔钢轨铝热焊焊接过程中，发现常见的焊接缺陷主要有：缩孔和疏松、气孔、夹渣、夹砂、热裂、未焊合等，通过津秦高铁前期铝热焊工艺性试验和施工过程中的现场实践，对缺陷存在进行了详细分析，总结出以下缺陷存在原因及预防措施。

3.1缩孔与疏松缩孔：在浇筑过程中，在温度最高、最后凝固的部位，由于体积收缩后得不到外来钢水的补缩，而形成集中空穴称为缩孔。

疏松：细小而不连贯的缩孔，比较均匀的分布在焊缝的局部范围内称为疏松。

高温钢水在冷却及凝固过程中，有体积收缩时形成缩孔的主要原因。

缩孔一般易发生在焊缝中心处的轨腰及轨底中央三角区等部位。

焊头有缩孔及疏松缺陷时，会引起疲劳核心的作用，在列车交变负荷作用下，从疲劳核心处开始逐步扩展形成较大的疲劳裂纹，并导致焊缝提前疲劳断裂。

产生原因：预热时间过长，局部高温，有过热现象，特别是轨腰及轨脚部分有局部过热现象；预热枪或砂型装偏，位置不居中，形成一侧过热现象。

3.2气孔气孔是铝热焊铸造组织中最常见的缺陷之一。

气孔是焊缝在凝固过程中产生和放出气体所形成的。

气孔按部位分为内部气孔和皮下气孔两种。

内部气孔在焊缝整个断面内均可出现，气孔尺寸有时可以很大。

皮下气孔紧靠表皮下产生，一般在轨底及轨底两侧斜面上容易产生。

产生原因：一是焊剂受潮。

焊剂中带有水分，在铝热反应时，高温下水分分解在焊缝中产生气体。

二是封箱泥过多、过湿或砂型潮湿。

砂型或封箱泥中的气体不能及时排出，在焊头中形成气孔。

三是预热温度过低，钢水容易凝固使气体不易排出，容易在轨底两角产生气体。

四是预热到浇筑前时间超过30s，使预热后温度降低，也容易在轨底两角产生气孔。

五是镇静时间不够，或铝热反应不充分，浇入砂型后继续作用形成气体。

3.3夹碴夹碴是铝热焊铸造组织中常见的缺陷之一。

夹碴形成是由于熔碴进入焊缝而造成的。

如未能全部融化的金属块或混入钢中的其他金属，在进行铝热反应中熔碴未及时上浮冲走而进入型腔，黏附在钢轨表面被凝固，形成夹碴。

产生原因：焊缝表面不整洁有金属碴、屑等；上砂模后未覆盖型腔口，使杂质进入砂模；轨缝过大，砂箱不密贴或产生跑铁现象，钢水量不够，使熔碴不能完全排出，进入型腔最容易在轨顶部位产生夹碴；镇静时间不够，反应未完成就浇注，在型腔内继续反应生成熔碴，由于凝固快，熔碴来不及浮出就形成夹碴。

3.4夹砂夹砂的形成是由于型砂进入焊缝而造成的。

如：砂型及其耐火材料的碎屑；一次性坩埚的夹砂物。