地铁均回流铜排与钢轨焊接方法的研究与应用

摘 要：地铁供电系统中采用钢轨进行均回流，均回流铜排需与钢轨进行放热焊接；针对焊接易导致钢轨过烧、裂纹、断轨以及回流不畅导致的烧轨问题，对均回流铜排焊接方法从工艺、焊药用量、温度控制、钢轨探伤等方面进行了研究分析；改进施工方法，满足过渡电阻、载流温升、短路温升、落锤、疲劳以及金相组织试验要求，消除地铁运营安全隐患。

关键词：地铁 均回流铜排 焊药 焊接 方法

中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0109-02

随着国民经济的持续发展，我国大中型城市交通拥堵状况日益加重，修建地铁已成为大中城市缓解城市交通拥堵的最佳选择。地铁供电工程利用钢轨进行回流，由于电流大，均回流电缆根数多，所以采用在钢轨轨腰处焊接均回流铜排来满足接线的需要。均回流铜排和钢轨材质不同，焊接会导致钢轨过烧、裂纹、断轨以及回流不畅导致的烧轨事故。如何改进均回流铜排与钢轨焊接方法，消除地铁运营安全隐患，指导后续地铁的建设施工变得十分必要。

笔者结合多年工程实践及有关试验研究情况，对地铁均回流铜排与钢轨焊接方法进行研究，改进了施工方法，消除了焊接导致的钢轨过烧、裂纹、断轨以及回流不畅导致的烧轨事故。

1 目前放热焊接方法存在的问题

目前地铁均回流铜排与钢轨焊接主要采用放热焊接，工艺要求较高，存在预热时温度把握不好，焊药剂量使用不当，回火（冷却）环节控制不严，导致钢轨内部金相组织发生变化，形成非常脆的马氏体组织，对钢轨造成一定的伤害，导致钢轨断裂的风险。在某条地铁运营线中，曾发生过因均回流焊接导致的钢轨断裂情况，如图1。尤其是在高架区段，受温差变化的影响，会给地铁运营带来安全隐患。

2 改进后的施工方法

2.1 工艺原理

通过铝与氧化铜的化学反应（放热反应）产生液态高温铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现均回流铜排与钢轨熔接的焊接工艺。

3Cu2O+2Al点燃6Cu+Al2O3+热量（2537℃）

2.2 工艺流程

地铁均回流铜排焊接工艺流程见图2。

2.3 操作要点

2.3.1 制作接线铜排

根据现场实际情况加工接线铜排，规格为10×100 mm的铜排，长度现场确定，为保证电气连接性能，铜排表面应作镀锡处理。

2.3.2 打磨焊点处钢轨

根据均、回流点的位置，找到具体的焊点，以该点为中心向两边在钢轨上划两条竖线，两条线之间的距离应比接线板的宽度宽约40 mm。

用角磨机在划定的区域范围内对钢轨进行除锈处理，将钢轨表面部分除锈，露出光亮部分即可。

2.3.3 预热模具及钢轨

用液化气喷枪对模具的装药孔的内壁进行十秒钟的烘烤，对模具的内壁进行预热处理，如图3。

用液化气喷枪在钢轨焊接点的背面对钢轨进行加热至400 ℃；加热过程中用专用的红外线激光温度测试仪对钢轨实时监测，严格控制温度，防止钢轨过热或温度不够，如图4。

模具及钢轨加热完毕后，将模具安装在焊点位置，将所焊接的接线铜排穿入模具。

2.3.4 安装模具和接线铜排

焊接时均回流接线铜排的端部与钢轨的间隙为2～5 mm，为控制间隙，所有的铜排在运抵施工现场前应在接线铜排上画出2 mm和5 mm间隙的刻度线，操作员到现场后只要保证露出一根刻度线即可保证间隙在2～5 mm之间，将模具与钢轨固定牢固。如图5、6所示。

2.3.5 放入焊药及点火

将一专用垫片放入储药孔底部，防止药放入后焊药漏入穿线孔；垫片放入后，根据焊药的使用说明，放入储药孔内相应剂量的焊药。每个焊点是750号焊剂用量，即3包200号焊剂加1包150号焊剂，如图7。

将点火引药放进储药孔内的焊药上面，将少许引药放在模具的储药孔的上部边缘，然后将储药孔盖上。

用点火枪将储药孔的上部边缘的引药点燃，引燃储药孔内的焊药，通过燃烧产生的高温以及焊剂的作用，将钢轨表面与熔解的均回流铜排端头表面熔合在一起。

2.3.6 处理焊点及钢轨

焊药熔剂冷却1分钟后，将模具取下，将焊点上的残渣用电焊锤敲下，同时将模具储药孔及穿线孔内的残渣清理干净，并用电焊锤对焊点进行敲打检查焊点的焊接质量。

在取下模具进行焊点处理的同时，用液化气喷枪或乙炔气焊枪对焊点背面的钢轨表面进行加热，加热时间为10 min，并应对不同的季节控制不同的时间，以加热至钢轨轨温达到400 ℃为宜，使钢轨缓慢降温（缓冷），即对钢轨进行正火处理来恢复钢轨的金相组织，以防止焊接对钢轨内部结构带来变化损害钢轨。

接线铜排焊接完成后需在钢轨与铜排接触处（焊点处）涂抹沥青，以防止焊接处氧化。

2.3.7 安装支撑绝缘棒

回流及均流接线铜排由于只有一端焊接在轨腰，在线路中心的另一端受电缆及本身的重力影响时间长了以后会向下弯曲，为保证铜排的强度，在铜排端部的下方安装一根绝缘棒作为支撑。根据焊接后接线板的高度，确定绝缘棒的高度。绝缘棒可采用环氧树脂棒，根据实际长度的需要在现场进行裁割。在绝缘棒的上端打孔，然后采用φ10×35热镀锌螺栓与铜排连接即可。

2.3.8 焊点处探伤

依据《钢轨超声波探伤探头技术条件》（TB/T 2634-1995），对焊点处进行涂油、探伤，探伤仪显示不允许出现马氏体或明显的贝氏体组织；金相组织检验，金相组织应为珠光体，允许有少量铁素体。

2.4 质量控制措施

（1）焊接前必须对模具和钢轨进行预热处理，焊接后必须对钢轨进行缓冷处理，钢轨轨温均应达到400 ℃为宜，以防止温度的剧烈变化对钢轨带来的伤害。模具在卸载后请及时用毛刷将模具腔内的残留物清除，以作好下一个焊接的准备。模具在第一个焊接点结束后一个小时内重新焊接新焊点，可以不用进行预热处理。

（2）在焊接过程中，严格按照操作要求控制钢轨的温度。

（3）在焊接前必须用砂纸将铜排端头的氧化层打磨掉。

（4）铜排穿入模具后，应保证铜排与模具接触密实无缝隙，当模具使用几次出现缝隙后，应用防火泥进行封严，防止熔解的焊剂外流影响焊接质量。

（5）对钢轨进行加热时应均匀，火焰应不停来回移动，严禁火焰对准一处持续加热。

（6）严格按照要求控制焊药用量。

（7）焊接只能在轨腰中部，焊接点应距钢轨接头600 mm以上。

（8）严禁在同一焊点二次焊接。

（9）正式焊接前，须在试验轨上进行焊接工艺试验，满足《钢轨焊接第1部分：通用技术条件》（TB/T 1632.1-2005）规定的落锤试验和疲劳试验的要求。还需进行金相组织检验，金相组织应为珠光体，允许有少量铁素体，但不允许出现马氏体或明显的贝氏体组织，焊接热影响的晶粒度与母体相比，差值不得大于一级。

（10）对每一处焊点进行超声波探伤，施焊处不得产生过烧、裂纹等有害缺陷，并满足《钢轨超声波探伤探头技术条件》（TB/T 2634-1995）的要求。

2.5 安全注意事项

（1）在进入施工现场后，施工人员必须配戴安全帽，穿工作服和防护服，不准穿拖鞋及高跟鞋。严禁作业人员在铁轨上坐卧、休息。

（2）放热反应瞬间完成，时间是3～4 s，模具的温度较高，严禁用手拿或触碰模具，卸载模具时一定要带好手套，以免灼伤，并由专人负责操作。

（3）热熔焊剂必须在专用的热焊模具中使用，要严格按要求使用，以免引起意外。

（4）点火焊接时，操作人员应戴好手套和做好必要的防护措施，点燃反应时现场操作人员与热焊模具保持0.5 m的距离，同时操作人员和所有现场人员都不要站在热焊模具反应口的正面，以免少量火星喷射导致灼伤。

（5）严格按工序进行焊接，不得颠倒施工工序，避免造成意外情况发生。

（6）焊接前要办理动火证，配备看火人员和灭火器。

3 结语

该焊接方法在北京地铁10号线一期南段和北京地铁9号线中得到了应用和推广。地铁均回流铜排与钢轨焊接方法工艺要求高，为了避免发生焊接导致钢轨过烧、裂纹、断轨以及回流不畅导致的烧轨问题，必须严格遵守每道工艺流程，精心施工，方能满足过渡电阻、载流温升、短路温升、落锤、疲劳以及金相组织等各项指标要求，消除地铁运营安全隐患，达到预期效果。

参考文献

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