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铝热焊焊接常见的缺陷、成因及其质量控制

发表时间：2014-12-27 10:34 作者：admin 来源：未知浏览：

1　概述
深圳地铁环中线及其所涉及的辅助线均按无缝线路设计，长轨的焊接均采用基地焊和工地焊等施工方式。正线轨行区轨道线路合计79.622km，约6300处钢轨焊缝，经探伤发现超过160处重伤焊缝，重伤率高达约2.54%。
铝热焊是将铝粉、氧化铁粉、铁钉霄和铁合金等按一定比例配成焊剂，由高温火柴点火，发生激烈的化学反应和冶金反应，得到高温钢水和熔渣，高温钢水注入预热铸模中，将轨端溶化，冷却后即把两根钢轨焊接在一起的一种工艺。铝热焊主要用于线上修补与施工二次焊接，其焊接方法具有设备简单、焊接作业效率高、操作简便等特点，所以我单位作为地铁维修的基层单位，主要采用法国拉伊台克QPCJ铝热焊对重伤焊缝进行修复。
2　铝热焊常见缺陷的定义及形成原因
铝热焊是一种铸造组织，其常见缺陷主要有气孔、夹渣、热裂、未焊合等。现将其定义及形成原因分析如下：
2.1　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，表面是光滑的，一般呈圆形。按其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。
形成原因：铝热焊剂的成分及配比不当；焊剂受潮；焊剂中有油；脱塞过早或镇静时间不够，浇入砂型后继续作用形成气孔；型砂配比不当，型砂透气性不良；预热温度过低或预热到浇注前时间超过30秒，钢水容易凝固使气体不易排出，容易在轨底两角产生气孔；封箱泥过多、过湿或砂模潮湿。
2.2　夹渣
夹渣也是铝热焊铸造组织中常见的缺陷之一。夹渣是由于熔渣进入焊缝而造成，如未能全部熔化的金属块或混入钢中的其他金属；在进行铝热反应中，熔渣未及时上浮冲走而进入型腔，粘附在钢轨表面被凝固，形成夹渣。
形成原因：砂模安装完成后，未及时覆盖型腔口，使杂质进入；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渣，由于凝固快，熔渣来不及浮出就形成夹渣；预留轨缝过大，砂箱不密贴、钢水量不够或者轨底铸型“跑铁”，使熔渣不能完全排出，而在轨顶部位产生夹渣；焊缝断面不清洁。
2.3　热裂
在焊头凝固过程中，稍低于其凝固点的一定温度范围内，强度较低，由于产生了收缩应力或受到外力超过了该温度范围内钢的强度极限时，就会产生裂纹或断裂，这种在高温区形成的断裂称为热裂。在焊缝及热影响区均可产生，其表面常带有氧化兰色。热裂对焊头质量影响较大，会造成断轨。
形成原因：焊接过程中焊缝有移动，受拉，存在较大的拉应力；过早拆箱，使焊头提前受力，特别在低温时，焊缝由于受到激冷，加快收缩，加大了收缩应力，在高温区形成热裂；提前推瘤，使焊头提前受力，同时还会在焊接表面出现热裂纹，进而发展；焊头在冷却过程中、未完全凝固时受到外力的锤击。
2.4　未焊合
在铝热焊接后，原来待焊的两个钢轨断面上仍有没有熔化的区域，称为未焊合。未焊合缺陷一般多发生在轨头，也有在轨底的，对焊头质量影响大，会造成断轨。
形成原因：预热温度过低，铝热钢所放出的热量不足以使轨端熔化；预留轨缝太小，在没有将钢轨端部完全熔化就已经冷却；浇注系统设计不良；焊接中砂箱“跑铁”。
3　钢轨焊接质量的控制
钢轨焊接接头的质量直接关系到施工开通正点和行车安全。因此，需要从以下两个大方面对钢轨焊接质量进行控制：
3.1　施工前的准备工作
3.1.1　焊剂的选用：必须和钢轨类型配套；必须用有效期内的焊剂（拉伊台克铝热焊剂的保质期为3年）；切勿使用受潮的焊剂。
3.1.2　设备、工艺：需使用对正架或对正架梁对正钢轨；用法国焊剂，要求用法国的预热装置。
3.1.3　在焊接现场的准备工作：检查现场是否存在造成安全事故的隐患，如作业现场湿滑、近距离内有易燃或易爆物等；提前将预热枪、管、气压表、氧气、丙烷气瓶等装置连接好，注意气瓶应与焊接地点保持一定的安全距离。
3.2　施工工艺各步骤中的注意事项
3.2.1　钢轨轨头端面处理。被焊钢轨轨头端面应使用锯轨机垂直切锯，不允许氧割，以防止轨端面出现氧化层及有油污存在等现象；为了避免螺孔在加热后产生细小裂纹，在螺孔处形成伤损，应当使螺孔与钢轨两端的距离大于100mm；用手砂轮机或者钢丝刷清除铁锈，轨端清理长度应达到100～150mm，若钢轨锈蚀较严重时，应当在轨端1m范围内进行除锈，否则影响对正。
3.2.2　钢轨端头对正。钢轨端头的对正，是铝热焊工艺中最难也是最关键的部分。对正主要包括调整轨缝大小（25±2mm）、尖点调整、水平对正、不等倾斜调整四个步骤组成，一般应2～3次调整好，顺序始终是轨缝-尖点-水平-不等倾斜。对正过程中应注意：对正前一定要保证钢轨的大方向良好；如果有低接头，应当提前进行处理；用对正架对轨，保证尖点、水平、倾斜的调整，防止对正不佳和钢轨扭曲，使焊头应力加大或导致应力集中；不要碰焊接区域的钢轨及枕木、对正架等；对正好后，应在轨底上对正架下塞上木楔，以保持状态良好。
3.2.3　安装砂模。应保证砂模组件无破损、无受潮；将两个侧砂模在焊缝处磨合，消除侧砂模与钢轨间的间隙、高差，防止夹皮的产生。如有夹皮，尤其在拐角处的夹皮，会产生应力集中，从而影响焊头的强度；底托和砂模安装完毕后用纸板或其他干净物体将砂模口盖上，避免杂物进入影响焊接质量；模泥太少，会干裂，造成钢水泄露；模泥太多，会无法烘干，潮气排不出，易形成气孔。因此模泥要适量、从下到上均匀涂抹。
3.2.4　预热。预热是铝热焊接的灵魂，也是工艺中最关键的部分。气体压力及流量要够；预热枪安装必须居中对称保证钢轨两侧预热均匀；如遇气温低、压力不足时，可以适当延长预热时间30s～1min；保证良好的预热效果，尤其是轨底良好的预热效果；预热过程中注意观察轨头预热情况，轨头颜色变红即可结束预热，标准预热器时间应作为参考，而不以其为准；防回火塞为易损件，应多配几套备用，以免影响预热质量。
3.2.5　浇注。预热结束后应尽快进行点火，预热至浇注时间应小于30s；高温火柴插入焊料中心深度约25mm，太深或太浅均影响反应速度；两人手拿堵漏棒，一旦发生钢水泄漏现象，及时堵住，如堵不住，一旦漏出，应立即离开现场。
3 . 2 . 6 　推瘤。不要过早，否则会导致热拉伤，造成出现热裂纹；推瘤机刀头距轨顶面1.5～2mm，防止推瘤时栽头。
3.2.7　打磨。用仿形打磨机进行焊头全断面的打磨，不要用手砂轮；轨顶面打磨时留有余量，不要过度打磨（打亏）；清除轨腰、轨底及拐角处所有的夹皮，避免出现应力集中。
3.2.8　温度低于＜15℃时的施工注意事项。预热前，应对钢轨端头两侧各1m范围内加热至37℃；推瘤后，用保温罩保温10min再打磨，防止因为冷却过快，金相组织出现易脆断的马氏体组织。
3.2.9　其他。应在拆模结束后，用执切凿或角磨机在大钢柱底部刻一槽；小钢柱表面应用手砂轮打磨，切勿用锤子强烈敲击，使轨底出现裂纹源，并进而发展成断裂。
4　结语
现今，无缝线路的快速发展，钢轨焊接作为无缝线路的一部分，因此，钢轨焊接质量在运营线路上的重要性越来越明显。本文旨在通过对铝热焊焊接缺陷原因的分析以提醒施工人员在焊接过程中避免发生此类错误，并从铝热焊使用的原材料、设备以及施工工艺方面指出关键点来提高焊接质量，减少运营线路上的钢轨焊缝伤损，以提高线路运营的安全指数。
笔者认为还可以从以下几方面对钢轨焊接质量进行控制：
（1）平时应该对施工人员的施工工艺加强培训，要严格按照技术指标和工艺流程进行施工。
（2）焊接施工前负责人应根据现场情况向作业人员进行安全、技术交底，并做好人员分工。
（3）打磨由粗磨、精磨两个步骤组成。不管粗磨还是精磨，打磨顺序均为内侧顶面、内侧圆角、内侧面、外侧顶面、外侧圆角、外侧面。粗磨应在推瘤后立即进行，要保证焊缝留有1mm高的余量，待冷打磨时打掉；精磨时不要过快过猛，使表面过脆，避免发兰，应留有0.25mm高的余量，禁止打低。