蔡凱

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038）

1 引言

世界各國都在發(fā)展和推廣無縫線路，目前鋼軌的焊接方法主要有閃光焊、氣壓焊、電弧焊和鋁熱焊。各種焊接方法對設(shè)備及環(huán)境條件等要求不同，每種焊接方法都有其利弊，適合在不同場景下使用[1]。非洲地區(qū)對鐵路需求不斷增大，且對鐵路等級要求不高。鋼軌鋁熱焊因其對施工設(shè)備要求不高、機(jī)動性好、不需要依賴電力及成本低等特點適合在非洲地區(qū)推廣使用。因為鋁熱操作簡便快捷，適合野外作業(yè)，所以焊接質(zhì)量的提高特別注重焊接工藝以及操作人員的熟練程度[2]。本文以阿爾及利亞沿海鐵路項目為例，對地中海氣候條件下的鋁熱焊施工工藝進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)了一些提高焊接質(zhì)量的措施。

2 工程介紹

該鐵路項目位于阿爾及利亞北部沿海地區(qū)，設(shè)計時速160 km/h。全線線上工程共計128 km，全部使用鋁熱焊現(xiàn)場焊接，焊接接頭1.4萬余個，接頭的焊接質(zhì)量對項目整體質(zhì)量意義重大。焊接接頭的外觀和鑄造質(zhì)量是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。該工程使用的焊劑及焊接配套產(chǎn)品都由法國Railtech公司生產(chǎn)。焊劑型號為UIC60PLC25D，配套砂型采用側(cè)頂式澆筑系統(tǒng)，坩堝為耐用多次坩堝。整體焊接工藝與法國Railtech公司的快速預(yù)熱一次性坩堝焊接工藝類似，但是坩堝改為多次使用型。項目地處海外，施工人員配置為每個班組由1名中國工班長帶領(lǐng)3名當(dāng)?shù)毓と恕?/p>

3 焊接工藝關(guān)鍵點控制

鋁熱焊的焊接質(zhì)量主要體現(xiàn)在外觀質(zhì)量和鑄造質(zhì)量2個方面。外觀質(zhì)量主要指其幾何尺寸符合程度，與操作人員的技術(shù)水平相關(guān)性較大。而鑄造質(zhì)量與施工工藝每個環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)把控息息相關(guān)。

3.1 前期施工影響

軌道施工是系統(tǒng)性工作，每一步操作都會影響下一步施工作業(yè)的進(jìn)行。焊軌作業(yè)的質(zhì)量控制不僅受作業(yè)本身操作人員、施工設(shè)備及施工工藝的影響，還受到上一步鋪軌作業(yè)以及整體環(huán)境的影響。鋪軌作業(yè)對焊軌作業(yè)的影響主要體現(xiàn)在軌縫預(yù)留以及預(yù)鋪底砟作業(yè)面是否平整2個方面。

軌縫預(yù)留大小需要結(jié)合鋪軌時軌溫以及預(yù)計焊軌時軌溫預(yù)留。阿爾及利亞北部沿海地區(qū)屬地中海氣候，冬季溫和多雨，相對濕度為80%；夏季炎熱干燥，相對濕度為60%。11月~次年3月為雨季，6~9月為旱季。年平均溫度17℃，1月最低溫度不低于5℃，7、8月最高氣溫可超過30℃。最高軌溫一般比氣溫高20℃，但在實際作業(yè)中，該地區(qū)軌溫在旱季由于太陽的直接照射最高可達(dá)70℃，在雨季局部背陰面位置由于大風(fēng)帶走熱量軌溫可低至0℃。該項目使用的鋼軌為18 m長UIC60軌，施工預(yù)鋪底砟，若不考慮底砟對軌道的阻力，按自由伸縮量計算則最大溫差時鋼軌的伸縮量可達(dá)15 mm，而該項目使用的焊劑對應(yīng)軌縫的設(shè)計要求為25 mm±2 mm，因此在鋪設(shè)鋼軌時預(yù)留軌縫需要細(xì)致考慮，旱季高溫時軌縫過小不適合焊軌，其他時間段鋼軌平均軌溫在23℃左右，可按照此標(biāo)準(zhǔn)在軌道鋪設(shè)時預(yù)留軌縫，且預(yù)留軌縫宜取大值。

底砟鋪設(shè)雖經(jīng)過壓路機(jī)靜壓平整，但在鋪軌施工中，由于借助輪式吊車輔助人工鋪設(shè)軌排，導(dǎo)致輪式設(shè)備行走線路上的道砟經(jīng)碾壓后高低不平，現(xiàn)場需要使用小型滾筒式壓路機(jī)對其進(jìn)行再次平整，除了可以使組排工作更易進(jìn)行，也可以令相鄰兩軌排端頭位置鋼軌處在同一平面，方便焊軌作業(yè)。

3.2 焊接前軌道的準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作中的關(guān)鍵點為軌縫的設(shè)置，野外施工受環(huán)境影響因素較大，鋪軌施工完成后的軌縫由于溫度應(yīng)力會發(fā)生改變，每日早晨氣溫最低，軌縫間距最大，需要重新調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)間距25 mm±2 mm，調(diào)整需要統(tǒng)籌考慮當(dāng)日安排焊接接頭總數(shù)及當(dāng)日氣溫情況，需要現(xiàn)場操作人員有足夠經(jīng)驗具體對待。假設(shè)當(dāng)日該班組焊接接頭數(shù)量為10個，則需要考慮5組軌排的軌縫大小預(yù)留，因為每日氣溫升高對鋼軌并非線性影響，而是根據(jù)日照情況，鋼軌溫度會急劇升高，所以施工前需考慮5組軌排軌縫在當(dāng)時溫度下的總量，按照由小至大布置軌縫，同時考慮前端已焊接完成鋼軌長度情況，該段受溫度應(yīng)力的影響更大。在施工中會發(fā)生早晨軌縫大小完全符合要求，到中午時分焊接到最后幾個接頭時，軌縫過小，以至于需要向前扒縫，導(dǎo)致后續(xù)焊軌都需要推動軌排向前移動來達(dá)到軌縫要求，這種作業(yè)狀態(tài)增加了操作人員的工作量，因此，在軌排鋪設(shè)過程中建議軌縫預(yù)留取大值。

3.3 鋼軌端頭的準(zhǔn)備與對正

端頭準(zhǔn)備除檢查軌端的外觀質(zhì)量并進(jìn)行一定的除銹除污工作外，該工作應(yīng)特別注意確?？s短軌鋸軌斷面的垂直公差小于1 mm，海外施工由于專業(yè)施工人員較少，多由現(xiàn)場施工培養(yǎng)當(dāng)?shù)毓と?，其鋸軌施工質(zhì)量并不穩(wěn)定，需要在施工中予以再次檢查。

鋼軌端頭的對正使用的是分體式對正架，該對正架在使用過程中發(fā)生因鋼軌中心的偏移導(dǎo)致的一側(cè)支腿蹺起的現(xiàn)象，而導(dǎo)致鋼軌中心偏移的主要原因就是底砟鋪設(shè)不平整導(dǎo)致鋼軌存在一定程度上的扭曲應(yīng)力，另外焊縫兩側(cè)的軌頭高度不一致也會導(dǎo)致該現(xiàn)象。正常的處置方法是人工調(diào)整枕下底砟，使焊縫兩側(cè)軌道平順，但施工中該項工作一般花費時間較長，影響施工效率?，F(xiàn)場根據(jù)實際情況制作了一種工具來固定起翹支腿，該工具利用軌枕上的預(yù)埋膠套，使用1根焊有插銷的細(xì)鐵鏈焊接在膠套配套螺栓上，螺栓固定在預(yù)埋膠套內(nèi)，另一端鐵鏈環(huán)繞支腿后插在自身鐵鏈環(huán)內(nèi)，借此固定支腿。該工具能較快解決支腿蹺起問題，但也容易導(dǎo)致支架內(nèi)部受力過大，導(dǎo)致支架開裂，需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況合理使用。

對正作業(yè)主要依靠操作人員的熟練程度。尖點的設(shè)置雨季時為1.4 mm，其他溫度較高時尖點設(shè)置為1.6 mm。水平對正需要特別關(guān)注，施工中需要操作人員隨時關(guān)注里程位置，確認(rèn)是否進(jìn)入曲線段，在直線段可設(shè)置為完全密貼或預(yù)留1 mm的凸起，而曲線段上股要預(yù)留3 mm以上的突起，下股保證完全密貼即可。在施工中遇到小半徑曲線時可以分別解開焊縫兩側(cè)各6個軌枕以上的扣件，同時將對正架放置在兩側(cè)距離軌縫第3個軌枕上，以方便對正工作。另外，砂模底板安裝后再次檢查是否對正也尤為重要[3]。

3.4 預(yù)熱及澆筑

預(yù)熱坩堝時每日使用前可將坩堝前一日的氧化層完全清理，當(dāng)日使用中每次焊接前主要清理自熔塞安放區(qū)域，高于自熔塞部分的氧化層可視情況清理，對下次焊接的影響并不大。

焊劑配套的砂型采用側(cè)頂式澆筑系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)砂型型腔內(nèi)焊渣與氣體排除順暢，鋼液流動平穩(wěn)，凝固順序合理，在正常的操作下，形成的焊縫不易產(chǎn)生缺陷[4]。但是這種系統(tǒng)在軌底的鋼液溫度最低，如果軌低預(yù)熱不足，很容易產(chǎn)生氣孔、未焊合等缺陷。而軌頭部位溫度最高，如果軌縫設(shè)置不合理，容易產(chǎn)生頂面夾渣等問題。根據(jù)高松福等[5]研究表明焊縫的大小對預(yù)熱效果有影響，焊縫較小時，軌頭容易阻礙火焰。施工中，發(fā)生過因軌縫過小在頂部產(chǎn)生夾渣的情況，后經(jīng)現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，軌縫小于20 mm時，預(yù)熱5 min，軌頭處已燒至紅色，軌底仍為黑色，調(diào)整軌縫大于23 mm時，同樣加熱時間端面整體呈紅色。結(jié)合鑄造工藝及現(xiàn)場的實際情況，軌縫設(shè)置盡量取大值,但不宜超過30 mm，可避免較多鑄造問題。

預(yù)熱使用的加熱機(jī)組也是由Railtech公司生產(chǎn)的GP40 TE型空氣-汽油加熱機(jī)組，該設(shè)備采用汽油發(fā)動機(jī)將儲油箱中汽油和空氣混合，加壓噴射形成油氣混合體后點燃。與傳統(tǒng)丙烷與氧氣加熱設(shè)備相比省去了氧氣和丙烷瓶的運送，現(xiàn)場作業(yè)更加輕便。因為軌縫設(shè)置取大值，為保證軌端的受熱，預(yù)熱槍噴嘴距離鋼軌頂面的高度為40 mm，同時考慮雨季的影響，雨季時預(yù)熱時間為6 min。對于預(yù)熱火焰的控制，可以觀察火焰高度是否在砂模上方約0.5 m，以及聽火焰聲音的變化[6]，但是現(xiàn)場還是需要經(jīng)常通過觀察焊縫加熱后的情況來調(diào)節(jié)火焰大小。

澆筑過程最重要的是關(guān)注反應(yīng)狀態(tài)并記錄每次反應(yīng)的時間。施工中最容易忽視的是檢查焊劑材料是否有破損受潮，倒入坩堝中要用手?jǐn)嚢杈鶆虿⒂^察是否有結(jié)塊，同時將其頂部做成錐型。高溫火柴的插入高度要控制在25 mm左右，焊劑的反應(yīng)時間一般控制在10~15 s，鎮(zhèn)靜時間控制在10~16 s。雖然坩堝的指導(dǎo)使用壽命在50次以上，但是實際使用過程中發(fā)現(xiàn)平均使用在30次時，坩堝底口附近的內(nèi)襯材料損耗較嚴(yán)重，單個自熔塞提供的鎂砂已經(jīng)不能填筑至自熔塞頂部，此時需要觀察反應(yīng)的鎮(zhèn)靜時間，若鎮(zhèn)靜時間短于9 s，鋼液得不到充分靜置，則需更換坩堝。除了更換坩堝，坩堝蓋也需要及時清理，施工中發(fā)生坩堝蓋頂部出風(fēng)口被氧化層完全堵住，反應(yīng)濃煙無法有效排出的情況。

4 其他因素的影響

在實際施工中，一段時期內(nèi)集中出現(xiàn)了較多的鑄造缺陷,主要表現(xiàn)為軌頭出現(xiàn)氣孔，數(shù)量為每個焊頭1~3個，直徑為2~3 mm?，F(xiàn)場為排除出現(xiàn)氣孔的原因，先后對焊劑、坩堝、焊泥的批次進(jìn)行了核查，并未發(fā)現(xiàn)有任何改變，后又對現(xiàn)場的操作進(jìn)行了觀察，也都符合標(biāo)準(zhǔn)。由于這種現(xiàn)象集中在6月份以后，也就是旱季即將到來的時候，這時候的天氣晝夜溫差大，分析可能是氣溫與溫差對焊接的結(jié)果造成了影響。經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在每個多云溫度較低，溫差較小的天氣中，焊接結(jié)果都比較理想，一旦天氣晴朗晝夜溫差較大時，就很容易出現(xiàn)氣孔現(xiàn)象，同時，觀察發(fā)現(xiàn)焊劑箱紙盒外層的包裝膜上每天早晨都會出現(xiàn)水汽，證明使用的砂型很有可能受潮，含水量發(fā)生變化，在焊接中水汽排不干凈造成氣孔。此外，因為日照加強(qiáng)，軌溫升高過快對焊縫大小產(chǎn)生影響，可能在焊接過程中焊縫快速變小，影響排渣排氣。最終提出的方案是提早焊軌工作時間，將工作時間制定為上午5~12點，趕在氣溫升高前完成焊軌作業(yè)。同時在溫差大，溫度較高時提前拆開焊藥外包裝，令模具釋放水汽，在保證不漏包的情況下盡量少抹封箱泥。在后續(xù)施工中，焊軌的質(zhì)量得到了一定提高，但仍有出現(xiàn)氣泡的情況，直到天氣轉(zhuǎn)涼，進(jìn)入雨季后，鑄造缺陷的問題才完全消失。考慮到楊艷玲等[7]對青藏鐵路鋁熱焊缺陷成因分析為氣壓原因?qū)е?，則該項目處于地中海氣候，鑄造缺陷成因與溫度及濕度等因素應(yīng)該有較大聯(lián)系，但由于海外施工，條件有限，廠家也未能參與研究，僅提供現(xiàn)場研究得出的原因分析與處置方案作為參考。

5 結(jié)語

為控制焊接質(zhì)量，鋁熱焊施工工藝在不同施工條件下需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。針對阿爾及利亞沿海地帶特殊氣候條件，得出該地區(qū)軌縫設(shè)置宜取大值，旱季高溫時期不宜焊軌，晝夜溫差較大時焊軌需要采取特殊措施。并總結(jié)了一些可以提高焊接質(zhì)量和施工效率的方法，希望能夠為類似施工條件下的鋁熱焊現(xiàn)場施工質(zhì)量控制提供一定的幫助。