换轨作业上下架铝热焊工艺的控制

【摘 要】换轨大修作业中，上架或下架需要铝热焊接时，原来是在换轨后的下一个封锁点铝热焊实现无缝化连接，为了提高换轨效率，实现一个封锁点当天换轨当天铝热焊接，对铝热焊工艺、施工工序、关键环节有了新要求，其中难点就是对焊缝大小掌控。

【关键词】换轨；铝热焊；焊缝

0 前言

在济南工务机械段换轨大修作业中，每一个封锁点一般有两个合拢口，根据作业方向分为上架和下架，上架用自行式数控气压焊轨车焊接（之前是移动式厢式闪光焊轨车），但在特殊地段，无法使用焊轨车，此时需用铝热焊；下架用夹板固定连接等待第二天的换轨作业，若出现断链或者进站新旧轨交接则用铝热焊无缝化处理。近年来我局很多线路已到大修周期，特别是钢轨磨耗严重需要更换，天窗点少，人员紧张，这就对换轨的效率提出了更高的要求，换轨车间在以往的换轨作业中，合拢口需要铝热焊接实现钢轨无缝连接固定时，由于施工工序和时间的原因，先把钢轨钻眼用夹板连接固定，等下一个封锁点再焊接。

为了加快换轨进度，现场换轨施工中提出了一个新课题：换轨当天铝热焊实现无缝连接。一方面，可以提高施工效率，节省大量成本；另一方面，如果换完轨后第二天铝热焊就必须先对钢轨连接处打眼用夹板以临时固定，这样就在第二天铝热焊接之后焊缝两边各有3个孔，给钢轨的安全性带来隐患。此课题的挑战性在于不管是在上架还是下架铝热焊施工，都必须在旧轨进入道心，新轨入槽，并且焊缝两边锁定至少50m后才能准备焊接，而换轨大修一个天窗点封锁时间是3.5小时，等换完轨之后，铝热焊作业时间所剩无几。经过多次研究论证，结合换轨作业特点，探讨到了解决矛盾方法，制定出一个比较合理的施工方案，并在换轨作业中付诸实施，2016年在姚村、蓝村等地施工中顺利实现了当天换轨当天铝热焊的施工工艺，之后更是创新性的实现了换轨当天上架下架同时铝热焊，极大的提高了施工效率。

1 什么是铝热焊

所谓铝热焊，顾名思义，就是焊接时，预先把待焊两工件的端头固定在铸型内，然后把铝粉和氧化铁粉混合物（称铝热剂）放在坩埚内加热，使之发生还原放热反应，成为液态金属（铁）和熔渣（主要为Al2O3），注入铸型。液态金属流入接头空隙，形成焊缝金属，熔渣则浮在表面上。简言之铝热焊就是利用金属氧化物和金属铝之间的放热反应所产生的过热熔融金属来加热金属而实现结合的方法。铝热焊接创始于19世纪末，当时H.戈德施密特发现铝粉与金属氧化物可由外部热源使之开始放热反应，且一旦反应便可自行持续。其反应原理为金属氧化物+铝（粉）氧化铝+金属+热能

用化学方程式表示如下：

3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3

铝热焊接工艺具备焊接工艺简单、焊接质量稳定、焊接占用空间小、快速方便等优点。其不足之处是焊缝为铸造组织，未经热处理材料较脆，塑性指标较低，钢轨端面过烧，碳元素氧化，硅锰等有益元素烧损，使得强度、硬度、塑性韧性等力学性能降低。在换轨中优先使用闪光焊和气压焊，二者不能实施的情况下用铝热焊。

目前，我段使用德国施密特铝热焊接技术，换轨车间所接触的钢轨有U75V、U71MnG、PD3以及进出站部分进口轨，不同的钢轨型号、不同的生产厂家其所含微量元素不尽相同，为了调整熔液温度和焊缝金属化学成分，常在铝热剂中加入适量的添加剂和合金，形成不同的焊剂如：712 SkVE SU Z100。

2 铝热焊在换轨上下架的具体实施

2.1 设备工具及材料

铝热焊的主要设备和工具有发电机组，推瘤机，角向打磨机，仿形打磨机，预热枪及支座，对轨架，坩埚盖，模板等。其次还有减压表、测温仪、秒表、灰渣盘、火钳、直尺和塞尺、夹具、卸铁、撬棍、起道机、活口扳手、螺丝刀等。

耗损品有氧气、丙烷、一次性坩埚、焊剂、砂型、封箱沙。

2.2 施工工艺流程

铝热焊作业标准这里不再赘述，上、下架铝热焊施工工艺流程基本相同如下：

2.2.1 上架X热焊施工

上架铝热焊较下架而言相对容易实施，时间较充裕，只要新轨入槽后，计算新轨条长度，以此留好焊缝距离，焊缝两端锁定100即可实施。换轨车或人力拨轨如槽后把多用塞尺放在焊缝处控制焊缝大小，换轨技术人员撞轨拉伸，直到符合焊缝标准，之后锁定钢轨，保证焊缝距离不再改变。其他按照铝热焊工艺进行。

2.2.2 下架铝热焊施工

下架铝热焊施工较为困难，首先时间少，钢轨必须全部入槽，关键点在于焊缝的控制，换轨技术人员根据现场情况和温度计算出钢轨放散长度，拉轨机和撞轨器同时工作，钢轨拉到合适焊缝后，撤掉外力会自动往回收缩，且收缩距离和现场情况息息相关，不易确定焊缝预留多少后钢轨锁定，因此焊缝的控制极难把握，这里根据现场实际作业情况总结出两套方案：

A.直接预留法，把钢轨拉到小于焊缝10mm，拉伸机锁定保压，待钢轨锁定大于300m后，拉伸机缓慢撤压，钢轨自动往回收缩焊缝逐渐增大，拉伸机完全撤压后，钢轨扔以小速率收缩，之后停止，达到焊缝距离。

B.二次预留法，先把钢轨拉到小于焊缝20mm，拉伸机锁定保压，待钢轨锁定大于300m后，拉伸机缓慢撤压，动态测量焊缝，当焊缝达到22-24mm时，拉伸机锁定保压，钢轨继续锁定，等钢轨再次锁定大于200m后，拉伸机缓慢撤压，完全撤压，期间注意观察焊缝距离，直到达到焊缝距离。

两种方法各有特点，以下两组数据可以得到比较：

由以上两表对比可以发现，直接预留焊缝距离随时间变化而变化，5分钟以后焊缝距离一直在微变，这就给接下来的工序带来影响，给焊接质量造成隐患；经过二次保压的焊缝距离在2分钟后基本没有变化，因此换轨施工建议使用第二种方案。

2.3 关键环节卡控

受换轨大修都是在既有线，钢轨铝热焊施工都是在室外、现场环境恶劣、施工持续性强等因素影响，施工人员出现注意力不集中、安全意识下降，导致施工中氧气、丙烷没按规定放置，对施工安全预想不到位，未严格按钢轨焊接工艺操作，出现钢轨焊接对位不良、模具漏封，预热时间过长或不足，打磨不到位等问题。因此，进行铝热焊前要仔细检查并落实必备的工具、材料和设备，到达焊接现场时应对现场条件进行综合调查采取必要的防护措施。

关键环节卡控点总结如下：

1）钢轨铝热焊焊缝距离轨枕边缘不得少于100mm，一般在两轨枕中间。

2）钢轨端头应做外部处理：拆除焊头每侧3根轨枕的扣件和垫板，除去焊头下方有碍作业的道渣，检查钢轨端头，规范化打磨除锈。

3）砂型、焊剂不得受潮，坩埚干燥、清洁无裂纹确认焊药包装袋密封干燥无破损。仔细封箱，防止跑铁。

4）细节决定成败，火焰长度、端面垂直度、预热端面颜色（温度）都要严格按照标准（济南工务机械段铝热焊标准）。

5）精磨机打磨焊缝时，应在钢轨踏面上保留适量高出钢轨的焊头金属，约0.5mm，根据现场焊头外观情况，可适当调整。

6）冷打磨应在焊接温度降至50℃以下进行，打磨焊头使其平直度和垂直轮廓达到技术标准要求。

7） 探伤时，焊筋未打磨，焊筋凸缘反射波可能会引起误判，为防止误判，应加强波形分类和了解波形显示规律及特征，辅以钢尺及目测的办法来确定回波信，以防轨头下颚和轨底热影响已缺陷的漏检。

2.4 铝热焊在作业时的一点思考

2.4.1 轨顶面高低错。在换轨施工中，如果在上下架用铝热焊，一般是新旧轨的焊接，根据旧轨的磨耗程度大小，相应的就会体现在工作面和轨顶面（现场一般以轨低为基准对轨），高低相差最大的出现在2016年姚村驻地的换轨施工中，为3mm。这就给焊后打磨带来挑战，济南铁路局工务机械段对铝热焊外观作了如下标准：

1）冷打磨后，焊缝两侧100mm范围内不得有明显的压痕、碰痕、划伤等缺陷。

2）焊接后，轨温降至50℃以下时进行探伤。首先清理焊缝两侧各100mm范围，确定无锈、无裂纹、无毛刺等时，涂抹机油，进行全断面探伤。所有焊头均需经过探伤人员探伤合格，探伤不合格必须锯掉重焊。

3）焊接接头平直度标准：顶面0～+0.3mm/m，内侧工作面±0.3mm/m，底面1～0.5mm/m。

根据现场的实际作业情况，这里有两个需要进一步思考的点：

（1）焊前新旧轨在对位时轨顶最大可以相差多少？

（2）焊后为了达到焊接外观标准，工作面及轨顶面的打磨长度最大可以是多少？

2.4.2 工具有待进一步优化。铝热焊在换轨中并不是连续性施工，每一处作业，都需要单独搬运工具，设备工具粗苯、沉重，是作业难点之一。在姚村、蓝村等地施工时，发电机功率为11KW/h，主要为电锯轨机服务（在端面垂直度或焊缝距离过小时使用），如果改换为内燃锯轨机，4KW/h的发电机就能满足要求（除锈、打磨），且内燃锯轨机轻巧。

2.4.3 大桥铝热焊作业，应有严谨的时间安排。例如在曹家圈黄河大桥上作业，线间距小，临线车多，垂停时间有限，临线过车本线震动，如果在浇注和金属结晶时有车辆通过，对焊接质量影响极大，所以需要合理的时间安排，有序的施工组织，确保焊接质量。

2.4.4 特殊地段做好安全措施，如线间距小、线路两边杂草易燃、大桥木质枕木且空心等。

3 结束语

换轨施工中的铝热焊，由于其特殊性，焊接质量与换轨施工各个环节息息相关，焊缝大小的把控既是重点，也是难点，我们要严格按照要求规范操作，要不断总结经验，优化施工措施，注重细节，达到高效、优质、安全的完成上下架铝热焊施工任务。

【参考文献】

[1]济南工务机械段铝热焊作业标准[S].2011，4，12.

[2]方洪渊.焊接结构学[M].机械工业出版社，2008，5.