铝热焊接钢轨.docx
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铝热焊接钢轨
目录
1、钢轨铝热焊特点及国内应用现状1
2、国外钢轨铝热焊技术的发展2
3、国内铝热焊研究的进展3
3.1钢轨铝热焊接工艺及焊接工具3
3.2铝热焊剂4
3.3铝热焊工艺装备的研制4
3.4焊后热处理4
4我国铝热焊生产技术的进展4
4.1铝热焊剂的生产4
4.2砂型生产5
4.3焊接材料包装的改进5
5、铝热焊施工工艺5
5.1 工艺流程5
5.2 工艺操作5
6、无缝线路钢轨铝热焊接质量的控制与提高8
6.1 概述8
6.2 常见焊接质量缺陷的原因分析8
6.3 焊接质量控制的措施9
6.4 焊接质量改进建议9
铝热焊接钢轨
1、钢轨铝热焊特点及国内应用现状
钢轨铝热焊接其焊接原理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。
钢轨铝热焊具有以下几个特点：
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。
力学性能相对闪光焊、气压焊要差。
基于上述特点，铝热焊成为铁路无缝线路铺设的主要现场焊接方法。
特别对于提速及高速线路，铝热焊接头以其优良的平顺性而得到世界各国的广泛采用。
20实际80年代推出的小型移动式气压焊在铁路高速化的趋势下因其平顺性较差已被逐步淘汰。
近年，原来作为厂焊的闪光焊也开始应用于现场焊接，出现了移动式焊轨作业车。
但因我国铁路运量巨大，移动式焊轨车必需占用线路、以及道岔空间小等原因，移动式焊轨车无法焊接所有的现场焊接接头，铝热焊仍将是提速及高速线路重要的焊接手段，如下表为钢轨焊接的各种焊接方法的比较与应用范围。
表1钢轨焊接的各种焊接方法的比较与应用范围[1]
施工条件
铝热焊
电弧焊
闪光焊
气压焊
固定焊接场地进行
适用（但大量进行时不经济）
不适用
非常适用（大量进行时）
非常适用（大量进行时特别经济）
在线路上进行
非常适用
否
否
否
焊接异型钢轨接头（不同的横断面）
非常适用
不适用
否
否
利用短暂的行车间隔进行焊接
非常适用
否
否
否
不停行车时进行焊接（仅限于电车道）
非常适用
否
否
否
铁道科学研究院在20世纪60年代开始铝热焊研究，自1967年开始应用于铁路无缝线路的铺设，由于铝热焊焊剂的生产长期以来一直依赖手工作业，控制手段落后，产品稳定性差，因此，推广受到限制。
特别20世纪90年代后期，我国铁路开始既有线提速后，铝热焊用量大大增加，焊接质量参差不齐。
出现了国内铝热焊生产水平与铁路提速要求不相适应的状况。
国内开始大量进口铝热焊剂。
目前，我国应用的主要有法国RAILTECH公司与德国THERMIT公司的产品。
1997年我国铁路大提速前，全路铝热焊用量为每年3000份左右，全部为国产焊剂，到2003年经过五次大提速，线路改造力度逐步加大，全国用量已达到每年3万份，部分铁路局取消气压焊。
目前每年进口产品要占90%的市场份额[2]。
2、国外钢轨铝热焊技术的发展
20世纪初，德、英、美、法等国开始采用铝热焊法焊接电车轨道，1924年德国开始应用铝热焊法于铁道线路上。
1928年德国国营铁路批准采用铝热焊法焊接铁路线路，主要用于无缝线路的焊接。
国外钢轨铝热焊在工艺上由湿模焊接法发展到干模焊接法，由长时间预热法，小焊剂量SmW法发展到短时预热大焊剂量的SKV法，在铝热焊剂方面，研究出了适合于各种强度的钢轨铝热焊剂。
强度分别为700MPa（普通质量），800MPa（中等耐磨），900MPa（耐磨），以及1100MPa（高强度）。
在焊接工艺装备方面，研制了小型的对轨装置（包括框型和A字型）。
废除手手锤修整轨头焊缝的方法，研制双向液压推凸（焊缝凸出量）装置，以及小型切轨和打磨装置。
国外在简化铝热焊作业方面近年也有许多进步，如进入国内的两家公司都推出了一次性坩埚产品，美国一家公司甚至将一次性坩埚做到焊后不留坩埚残渣。
德、英、美、法等国铝热焊技术发展大同小异。
其中德、法是世界上最大铝热焊产品供应国，焊接材料产量每年达百万份。
鉴于铝热焊出现的焊接缺陷主要是由于施工时焊接预热不足造成的，国外开始研究对焊接预热温度进行监控。
已有相应的产品投人应用。
3、国内铝热焊研究的进展
1966年我国开始成批生产铝热焊剂（铁I-50型）用于湿模铝热焊接法。
七十年代中期，采干型小焊筋快速预热工艺，并研制了铁II-50型（中耐磨焊剂）八十年代中期研究了钢轨定时预热法工艺（相当于SKV法）研制了铁III型铝热焊剂（高耐磨焊剂）九十年代研制厂铁IV型、铁V型铝热焊剂，用于大秦线75kg/m钢轨，京广高速线路，广州地铁线路焊接。
为了适应铁路我国提速及高速的需要，铁道科学研究院在铝热焊领域进行了大量的研究工作，在焊剂研究、焊接工艺和焊接接头的热处理方面进行改进和提高。
使铝热焊接头的性能有了大幅度提高。
3.1钢轨铝热焊接工艺及焊接工具
3.1.1钢轨铝热焊接过程中，预热温度对焊接质量起决定性作用，预热不当将会引起焊合不良，焊接热影响区性能变坏等使焊接失败。
钢轨铝热焊定时预热法，采用我国研制的轨顶强力预热器，在恒定的工艺参数规范下，用时间控制钢轨端面预热温度达到600℃以上，这样的温度，钢轨端面不会烧化，保证浇注时钢轨端面温度分布均匀，其次在焊接砂模浇注系统的设计上，利用部分铝热钢水进一步加热待焊钢轨端面使其调整到合适的焊接温度范围。
由于强力预热器工艺参数是恒定的，钢轨端面预热温度稳定，用于部分加热的铝热钢水温度也是恒定的，这样待焊钢轨端面的温度也是恒定的，在焊接浇注时钢轨的焊接工艺参数就获得了稳定，使焊接质量可靠。
用定时预热的焊接工艺大大降低了人为因素的影响，使焊接质量稳定可靠。
3.1.2采用耐用镁砂坩埚及自熔塞自动浇注技术。
耐用镁砂钳祸的使用降低了铝热焊缝中硅夹杂，提高厂焊缝金属的纯净度并可按需要调整焊缝中硅含量，提高焊缝强度。
采用自熔塞自动浇注简化操作工艺，降低人为因素影响并使焊接过程更安全。
3.1.3通过吸收国外先进经验，结合一次性坩埚在国内应用的现状，我们研制了环保型一次性坩埚，其特点是使用时不产生有害气体，有效地保障了恶劣条件下操作者的身心健康。
一次性坩埚的使用，减少厂焊接工具，使作业大大简化，因而受到现场广泛欢迎。
3.2铝热焊剂
随着我国钢轨种类的增多U74热轧轨U71Mn热轧轨、PD2淬火轨、PD3、热轧轨，PD3余热淬火轨、稀土轨等钢轨的投人使用，钢轨铝热焊剂的种类也不断增加，日前我国已研制了适合于不同强度等级的铝热焊剂。
3.3铝热焊工艺装备的研制
为减少钢轨铝热焊劳动强度，研制了双向手动液压推凸机，重量轻、操作简便、安全可靠，大大降低劳动强度，不仅如此，采用推凸机后避免了过早拆箱而引起的接头质量降低的弊病。
研制的框架型对轨器和A字挤型对轨器，使操作过程缩短并提高接头的平顺性，，焊接接头经打磨修整后，接头平顺。
可满足高速线路要求。
3.4焊后热处理
铝热焊接头焊后热处理工艺的应用，研究的铝热焊接头整体正火、轨顶局部淬火加自热回火热处理工艺为国内外首创，其接头性能满足轨顶耐磨，接头整体强韧性高的要求，其成果已运用于大秦线75kg/mPD2轨全长淬火钢轨的焊接。
我国的铝热焊接技术自20世纪80年代以来有了实质性的提高，已达到国际先进水平。
4我国铝热焊生产技术的进展
为适应我国铁路对铝热焊的要求，铁道科学研究院在体制上努力探求发展，组建了以科研为先导的铝热焊剂生产企业，在铝热焊剂、焊接砂型的生产土投人资金，采用现代控制手段进行进行生产。
产品已在我国第一条客运专线——秦沈线大量使用，用量超过现场焊接接头数量的三分之二。
4.1铝热焊剂的生产
计算机自动控制的铝热焊剂配料系统已投人使用。
替代手工作业，系统误差可控制在千分之二。
产品质量稳定性大大提高。
而且通过计算机控制与管理，实现了焊剂质量的可追朔性，生产出的每包焊剂可通过序列号寻找去向，数据库的管理使焊剂的实际组成一目了然，防止了由生产人员的责任所造成的质量事故。
4.2砂型生产
采用了震实造型法进行机械化生产，焊接砂模外观和几何尺寸精度已有了明显提高。
4.3焊接材料包装的改进
结合我国地域广阔的特点，铁道科学研究院生产的焊剂采用真空防潮包装。
砂型采用热缩包装。
防止保存期过长或保存条件恶劣所造成的品质改变。
在焊剂生产的质量管理上，由铁道科学研究院金属及化学研究所控股的中铁科宙威焊接技术有限公司成为国内钢轨焊剂行业首家通过ISO9000国际质量体系的认证的企业。
5、铝热焊施工工艺
5.1 工艺流程
该工艺流程共分13个步骤：
到焊接现场前的准备→在焊接现场的准备→轨道的准备→钢轨端头打磨、除锈→钢轨端头对正→立砂模→预热→装焊药、放置坩埚→点火、钢水浇注→拆除砂模、推瘤→热打磨→冷打磨→焊头检测。
为确保工地现场铝热焊接质量，施工时必须严格按照工艺流程进行操作，控制好每一个步骤[3]。
5.2 工艺操作
5.2.1 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。
5.2.2 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。
5.2.3 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。
5.2.4 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。
5.2.5 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。
5.2.6 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。
5.2.7 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。
6、无缝线路钢轨铝热焊接质量的控制与提高
6.1 概述
目前，全区间无缝线路和跨区间无缝线路的铺设成为现实，最大限度地取消缓冲区，包括道岔区存在的钢轨接头，使无缝线路的优越性不断得到了体现。
无缝线路钢轨工地焊接方式一般为小型移动气压焊和铝热焊。
铝热焊焊接方法因其具有设备简单、焊接作业效率高、操作简便等特点，在跨区间或全区间无缝线路铺设和锁定作业时，得到了广泛的运用；但由于各工序间相互影响程度密切，特别是在钢轨轨温低于设计锁定轨温时，需采取钢轨拉伸锁定焊接的方法，焊头的质量决定无缝线路铺设与锁定成功与否，直接关系到施工开通正点和行车安全。
实践表明，采用法国拉伊台克QPCJ铝热焊，在低温环境下无缝线路钢轨拉伸锁定焊接，采取相应的焊接质量控制措施，其焊接质量提高的效果十分明显[4]。
6.2 常见焊接质量缺陷的原因分析
（1）焊头上拱，外观超标，或出现高低接头。
其原因是对轨时预留上拱度过大，焊后不按时复位；焊头两侧钢轨受力不对称。
新旧轨差异亦会出现高低接头的现象。
（2）焊头未焊透。
钢轨预热温度低，或预热后温度降低过量，轨端处理不彻底，焊剂失效。
（3）焊头过烧。
待焊钢轨预热温度不均匀，出现熔融现象。
（4）焊头裂缝。
在高温时，焊头受到了外力作用，拆除砂模打口柱以及推瘤时间过早，焊头降温速度过快引起裂缝。
（5）焊头出现气孔，夹杂物，砂模、坩埚受潮，焊剂质量存在问题。
6.3 焊接质量控制的措施
6.3.1 正确掌握铝热焊接工艺关键点
6.3.2 “连入法”铺设无缝线路的焊接工艺调整控制“连入法”铺设是指在换轨作业中将新铺单元轨条的始端与已铺相邻轨条的终端直接焊连。
在低温环境下，一般采用先焊接后换轨拉伸的作业方法（此方法放散量预留在换轨龙门尾部），使锁定轨温达到设计轨温。
由于焊接、换轨、放散3项作业，相互影响，因此，对铝热焊接工艺需作相应的调整。
（1）新铺单元轨条始端落槽长度达30m时，换轨小车应停止运行，调整预留轨缝，达到要求后随即紧固25m延长范围内的轨枕扣件。
（2）测量轨温，标示钢轨位移观测线。
换轨小车继续换轨作业，确认钢轨未发生任何纵向位移，方可进行对轨、预热、浇铸等焊接作业。
（3）如果轨温低于15℃，必须在预热开始前或在预热过程中用涡轮式焊枪将砂模两侧1m长度范围的钢轨加热至37℃。
（4）如果轨温低于15℃，在推瘤后须用保温箱或保温罩将焊头遮盖起来，保持10min时间。
（5）焊头温度降至370℃以下，方能拆下原先紧固的轨枕扣件，焊头前后钢轨与新铺单元轨条钢轨同步张拉，一次锁定线路。
（6）焊接过程中，禁止使用撞轨器撞击钢轨。
6.3.3 “插入法”铺设无缝线路的焊接工艺调整控制
“插入法”铺设应用十分广泛，不仅用于新铺无缝线路、道岔区段钢轨插入铺设，也用于既有跨区间或全区间无缝线路上线路大中修施工后的长轨应力放散焊接恢复、伤损钢轨永久处理。
它与“连入法铺设”既有相同的一面，又有不同的一面。
施工中必须严格把握相关焊接工艺要求，确保焊接质量。
（1）插入铺设的钢轨，一端就位后，先进行铝热焊焊接。
（2）当焊头温度降至370℃以下时，可在钢轨另一端张拉，一次锁定线路，此时钢轨拉伸器处于张拉保压状态。
（3）在待焊钢轨另一端进行对轨、安装模具、预热、浇铸等焊接作业。
（4）当另一端焊头温度降至370℃以下时，可拆去钢轨拉伸器。
（5）均匀调整钢轨应力。
6.4 焊接质量改进建议
（1）在低温环境下，道岔区段插入钢轨长度比较短，当采用钢轨拉伸锁定焊接时，钢轨锁定温度难以符合设计要求，应选择在适当季节轨温条件下作业。
（2）钢轨预热工序是焊接过程中一项十分重要的工序，受人、机、料、法、环多因素制约，应因地制宜地采取保证措施。
在低温环境下，对氧气瓶、丙烷气瓶和仪表采取保温措施，以保证预热火焰稳定正常。
（3）铝热焊焊头两侧钢轨母材为热影响区，现行工艺标准对焊头正火处理未作规定要求，应积极研制铝热焊正火加热器，对铝热焊焊头进行正火处理，提高焊接接头综合强度指标。
参考文献
[1]钢轨铝热焊研究的应用与发展李力.邹立顺，高文会.新材料新工艺.2005年
[2]铝热焊接.（德国）魏纳·鞠恩塔.铁道部工务局，11-14
[3]跨区间无缝线路现场铝热焊接技术.赵东田.铁道标准设计.2001年5期
[4]无缝线路钢轨铝热焊接质量的控制与提高.张明龙铁道标准设计.2002年3期
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