钢轨铝热焊焊接工艺及其质量控制

钢轨铝热焊焊接工艺及其质量控制王宁【摘要】目前在线路维修中越来越多地采用铝热焊技术，本文分析了钢轨铝热焊焊接工艺及焊接过程中可能出现的缺陷以及缺陷出现的可能原因,从而便于分析、采取保障措施,更好地保证铝热焊的质量.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷)，期】2010(031)006【总页数】4页(P26-29)【关键词】铝热焊;焊接工艺;质量控制【作者】王宁【作者单位】上海铁路局上海工务大修段，上海,201600【正文语种】中文【中图分类】TG456近年来,随着铁路现代化建设的突飞猛进,特别是无缝线路以及高速重载运输技术的发展,钢轨焊接技术在我国铁路建设中正扮演着越来越重要的角色,在日常生产中，优化和细化钢轨焊接工艺，抓好钢轨焊接质量控制,对铁路运输安全和旅客乘车舒适程度有着至关重要的作用。本文就钢轨铝热焊焊接工艺及质量控制进行探讨。1钢轨焊接概述和发展钢轨焊接是无缝线路的一个关键环节,也是铁路工务系统最重要、最基础的组成部分。无缝线路由于大大减少了钢轨焊接接头，因而比普通线路具有明显的优越性。我国自1957年铺设无缝线路以来，不仅在理论研究、设计、施工、养护维修和管理等方面都取得了很大的成就，而且突破了长大桥梁、小半径曲线、长大坡道和寒冷地区等四大禁区，使无缝线路有了突破性进展。随着铁路现代化建设的飞速发展，提高钢轨焊接质量已越来越引起各级领导和专家的关注和重视。铝热焊技术在我国经历了长期的发展过程，近年由铁科院研究成功的大剂量3片模定时预热焊法等新材料、新工艺，在质量上有了一定的提高。线下联合接头的焊接广泛采用移动式小型气压焊机，现场封锁焊接广泛采用了法国拉伊台克国际公司和德国施密特公司的一次性坩埚铝热焊技术。2铝热焊的原理铝热焊又称铸焊法，是将铝粉、氧化铁粉、铁钉屑及铁合金等按一定比例配合起来，组成铝热焊剂，用高温火柴点燃后，发生激烈的化学反应和冶金反应，使其瞬间温度达到1200~13001,并得到钢水和氧化铝，经一段时间镇静后，钢水下沉,氧化铝以熔渣的形态浮于熔化金属上面，然后把钢水注入套在对接钢轨上、预热好的砂模铸型内，与预热温度达900°C以上的钢轨端部融合，高温钢水将铸型内的两节钢轨端部熔化，冷却后，两节钢轨形成一体。3钢轨铝热焊焊接工艺铝热焊接钢轨由于采用铸造工艺达到焊接的目的，此工艺存在许多内部缺陷，主要是缩孔和疏松、气孔、夹渣、夹砂、未焊合、热裂、粗晶等。在施工作业中把握好焊接工艺对焊头质量有着至关重要的作用。3.1轨道的准备工作焊接前必须搞清楚待焊钢轨的类型、重量及其表面状况，确认两侧的钢轨均适合铝热焊剂进行焊接并有足够的道床断面;其次,将轨温计置于钢轨背光的一侧测量轨温,并在预热前将待焊钢轨两端1m范围内加热至37C,待焊接的钢轨端头与最近轨枕的距离应不少于100mm,并将待焊轨缝之下的道碴掏至距轨底至少100mm,方便砂模安装和拆除砂模底板及清除多余焊料;第三焊缝设置好后,将焊缝两侧各15m范围内的扣件上好，如果在焊接过程中受极端高温或低温的影响,可能产生钢轨移动，则选用液压钢轨拉伸器将钢轨固定后再焊接。焊接前要将焊缝两侧各3~6根轨枕上的扣件、轨枕板及绝缘垫板卸掉，同时在焊缝两侧第3根的轨枕、钢轨底部及轨底板上各划一标记，以确保焊缝大小设置、对正和不移位。3.2钢轨端头的准备—是检查轨端是否有裂缝损伤，如有，则必须切掉再插入不少于12m的短轨;二是任何采用氧乙炔切割的轨头必须锯掉至少100mm,钢轨上任何螺栓孔离焊接轨端的距离不得少于100mm,如轨端有低塌深度大于2mm,长度大于20mm,则必须切掉后再进行焊接。轨头断面的垂直公差应小于1mm,焊缝两侧的钢轨高差小于3.2mm,则应对齐轨头，高差在轨底消除,若钢轨有侧磨，应对齐钢轨的轨底和轨腰，在轨头侧磨处放入密封垫条后再进行焊接;三是为确保获得良好的连接面,所有的毛刺或飞边都应打磨掉，从轨端起至少100~150mm范围内，任何油漆、铁锈和其它污垢都应用钢丝刷除尽。3.3钢轨端头的对正在钢轨对正前，应先调整好钢轨的大方向，如有低接头，亦应提前调整好,对钢轨端头进行对正,这是铝热焊接工艺中最难也是最关键的一步，钢轨对正应检查四个要素:①设置轨缝;②尖点设定;③水平对正;④不等倾斜调整。3.4砂模的准备安装前将侧砂模在焊缝处钢轨的两侧轻轻摩擦,确保侧模与钢轨完全密贴无间隙。同时，通过磨合使侧砂模底部与钢轨底部平齐，然后将钢轨端上及砂模上的砂子清理干净，使侧砂模与钢轨端头完全吻合。3.5预热正确预热是焊接成功的关键。首先，要调整好预热支架，支架的中心线与钢轨中心线吻合,预热枪喷嘴距离钢轨轨面的高度为50mm,误差为+3mm、-2mm,并使喷嘴垂直向下居中;其次，将预热枪在砂模型腔内进行定位，保证预热枪喷嘴在砂模内前后左右居中并垂直向下。调节氧气与丙烷的压力,氧气的压力为0.49MPa,丙^的压力为0.07MPa;第三，在点火时，先在砂模外略微打开预热枪上的丙烷开关点燃火焰,慢慢地交替打开氧气和丙烷开关，直至预热枪上的丙烷开关完全打开。调节氧气开关，使预热枪喷嘴处形成一个大约12mm蓝色焰芯的火焰;第四,将预热枪迅速放在预先定位好的预热支架上,并将预热枪在砂模中迅速定位居中，上紧螺丝,火焰应从砂模两侧冒出来，且均匀对称。这时，稍关预热枪上的氧气开关，当火焰声音发生变化时,再略微打开氧气开关，火焰声音恢复正常。在火焰声音变化的临界点，火焰高度在砂模上方约半米时迅速按下跑表开始计时。将分流塞放在砂模的边角上，以便将其烘干。同时，重新检查一遍氧气和丙烷的压力有无发生变动并不断注视预热的情况，确保火焰直接朝向钢轨焊缝处，并在两侧加热均匀，检查并保持气体压力恒定，在规定的预热时间结束后，钢轨轨头的麒色应发红。3.6焊药的准备焊药应该在预热结束后30s内点燃，焊剂和坩埚的准备工作应在预热时同时进行。—是坩埚及焊药的准备工作应在清洁干燥的地方进行；二是目测检查坩埚及坩埚盖是否有任何破损的痕迹，清除坩埚内部杂质，并确认置熔塞在正确的位置;三是检查焊药包有无破损或受潮的迹象。焊药拆包后轻轻旋转倒入一次性坩埚,用手将焊药搅拌一遍,以便发现焊药有无结块现象，并确认焊药混合完好,将焊药的顶面做成锥形并插入高温火柴，盖上坩埚盖。当预热结束后，将坩埚放到位并点燃。3.7浇注预热结束后,立即将分流塞放入砂模顶部中间口中,并轻轻向下推入，迅速将一次性坩埚放在砂模顶部,并使其在砂模上居中，点燃高温火柴插入焊药中，插入深度约25mm,焊药点燃后，盖上坩埚盖。从砂模流出的钢水及灰渣刚刚流完最后一滴时，迅速按下秒表开始计时。3.8拆模与推瘤把握拆除砂模的时间是关键。浇注结束5min后开始拆模，焊缝两侧的封箱泥必须清除干净,避免封箱泥及多余的砂模进入高热的焊头。浇注结束后6.5min时开始推瘤。之后，钢轨内外侧的大小钢柱用大锤敲弯，使其不影响随后的热打磨，同时，用热凿或角磨机在大钢柱底部刻一凿，以便冷却后敲掉。如遇恶劣天气,应将焊头用保温罩覆盖至少10min,防止焊头处冷却过快。3.9热打磨热打磨按以下顺序进行:钢轨顶面的内侧一钢轨头部与内侧面交汇的拐角处一钢轨内侧面一钢轨顶面的外卜侧一钢轨头部与外侧面交汇的拐角处一钢轨外铡面。钢轨顶部的打磨量是将多余焊料打磨到距轨面约2mm,钢轨内外卜侧的打磨量是消除钢轨宽度的任何差异，以上工作必须在浇注后10-15min内完成。之后，将钢轨对正设施拆走，以便使焊头在冷却过程中能自由下落至水平。3.10冷打磨浇注结束1h及焊头温度降至90OC以下后方可进行冷打磨。首先打磨钢轨的运行表面，然后是顶面与侧面交汇的拐角处。打磨要求把焊头打磨到与原轨面齐平（可略高），不得伤及钢轨母材，打磨也不能过快过猛,防止焊头过热或发蓝，导致钢轨表面过脆。与此同时，打掉钢轨底部的小钢柱，清除掉其它多余的焊料从而达到可以用肉眼直接进行检查观察的程度。3.11收尾工作铝热焊焊接工艺的最后环节是检查焊头，首先检查有无肉眼可观察到的缺陷,然后用1m平直尺检查钢轨的运行表面及钢轨的内外卜侧面，三个表面均应平顺，并达到规定的误差要求;另外,必须保证焊头温度下降到300C以下时，方能拆除焊头两端30m以内的轨下支撑物(包括临时支撑的压机)，放行列车。4铝热焊中常见缺陷及工艺控制铝热焊接是当今无缝线路施工作业中的重要技术工艺,把握好焊接质量的监控是确保线路安全和稳定的重要课题。影响铝热焊接头质量的因素很多，最常见的缺陷及控制方法主要有以下几种：4.1缩孔和疏松造成此种缺陷的主要原因是局部温度过高,冷却时间不一。在铝热焊的工艺中表现为：预热时间过长或预热压力调节不正确；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；预热枪或砂模装偏，位置不居中，形成一侧有过热现象。4.2气孔气孔是铝热焊中最常见的缺陷，气孔是焊缝中凝固过程中产生和放出气体所形成，一般在轨底及轨底两侧斜面上容易产生。在执行焊接工艺时应注意：检查焊剂是否受潮。如焊剂包装有破口、焊剂颜色变红或有结块现象等,则表明焊剂受潮，不能再用。检查砂模是否受潮。砂模受潮表现为易掉砂掉块、在钢轨上磨合时声音较闷。⑶控制封箱泥的使用量。封箱泥的填充量应为侧模所形成空间的一半，如果坩埚出钢口损坏，绝对不能用封箱砂进行修复,由于封箱砂干强度低而且含有水分，不仅会造成气孔，还会造成夹砂。注意预热效果。预热结束往往会出现轨头、轨腰、轨底和轨底角两边的温度分布不均匀现象,使浇注进焊缝的钢水在温度最低的轨底角两边最先凝固，若此时钢水里夹有气泡，便可能因为钢水凝固过快而被滞留在焊缝中无法排出。解决这个问题的方法:采用变更工艺参数，调节设定气体压力，达到延长预热时间，使轨底角两侧在预热后也达到相当高的温度。预热最佳效果的判断标准为待焊轨轨头发红但不熔化。钢轨预热达到要求的温度后，拔掉预热器封闭预热孔、出火孔及回火孔，点火浇注,在浇注前这段停留时间如果过长,同样会降低钢轨的预热温度，易使轨底两角产生气孔。4.3夹渣夹渣是由于熔渣进入焊缝造成的,产生的原因主要有：当坩埚内进行铝热反应时，熔渣从坩埚中喷出进入型腔，粘附在钢轨表面，当钢水进入型腔不能把这部分熔渣冲走上浮而行成夹渣。反应没有完成就进行浇注(例如坩埚打钉过早或自动脱塞等)，使未完全上浮的熔渣、氧化皮及夹杂物进入焊缝。轨缝过大,钢水不够或轨底铸型〃跑铁”等，使熔渣进入型腔。为了防止夹渣，应严格遵守工艺规程，防止熔渣进入型腔，同时坩埚尺寸要足够大，以防止由于反应时，熔渣飞溅，进入型腔。4.4夹砂夹砂的形成是由于型砂进入焊缝造成的。砂模在钢轨上磨合好后，应用毛刷或氧枪将砂模内和钢轨上多余的浮砂清除干净。安装砂模时，应一次性安装居中到位，避免砂模在安装时在钢轨上来回移动，磨合下来的砂进入到焊缝中去。预热时应注意钢轨端头的预热颜色，避免出现预热过度的情况，将砂型烧熔。4.5未焊合产生未焊合的主要原因有钢轨预热温度过低:此情况常出现在轨头和轨底，如果预热温度过低而铝热钢所放出的热量尚未使轨端熔化，就会造成未焊合情况。预留轨缝太小:由于预留轨缝过小，焊缝内的热容量也较小，在没有将钢轨端部完全熔化就已冷却，因此形成未焊合情况。⑶其它:例如砂箱〃跑铁”使铸型未浇满或夹渣;扣箱时砂箱对偏等均可以引起未焊合等情况。4.6热裂钢水浇入铸型后不久就开始凝固,在凝固后高温区域内形成的断裂称为热裂。铝热焊在浇注后拆箱过早，特别是气温低的情况下，焊缝由于受激冷，加大了收缩应力，也易使轨腰产生热裂，因此在操作中应避免开箱过早,当焊缝尚未完全凝固时避免锤击。在连入法或插入法进行超长无缝线路施工中，钢轨存在内应力，同时在铝热焊接时，仍然在进行换轨、应力放散等工作，此时焊头受拉力的作用,极易使钢轨发生纵向位移，使已固定的焊缝宽度发生变化,而将焊头拉裂，且焊头的热裂有时并不产生裂纹，仅仅是金属晶粒的晶格撕裂，在这种情况下，焊接结束后的超声波探伤根本不能检测出缺陷的存在，但这种焊头投入使用后，很快就会引起铝热焊头从焊缝中心垂直断裂，危害极大，必须在施工中切实加以防范。4.7粗晶焊头的金相组织,部分或全部断面上的晶粒度粗大或不均匀，称为粗晶。根据铁道部规定,要求焊缝的晶粒度比钢轨的晶粒度低一级。如PD3钢轨的晶粒度是6级，焊缝晶粒度应是5级。1~3级为粗晶粒。粗晶粒会影响焊头的疲劳强度及韧性