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淺談無縫線路鋪設中焊接技術的應用
& n2 I# f ~2 p+ k: }+ q( Q 淺談無縫線路鋪設中焊接技術的應用
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! `) b& f. m2 S* t. E 摘要：軌道焊接、道岔焊接是鋪設無縫線路的重要環節，本文主要介紹了國內無縫線路鋪設時的三大主流焊接技術：鋁熱焊技術、接觸焊技術、氣壓焊技術，并詳細對各個焊接技術的工藝流程進行了分析，對無縫線路鋪設中焊接技術發展方向和施工進行了探討。
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關鍵字：無縫線路鋼軌焊接鋁熱焊接觸焊氣壓焊 L, C' ?6 U/ Y
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鋪設無縫線路，應在鋪設基地對長鋼軌和道岔進行焊接，它是鋪設無縫線路的重要環節，其幾何外形尺寸的平順和內部質量，是保證無縫線路正常運用的關鍵，實踐證明，若鋼軌焊接質量不良，將使線路維修工作后患無窮，嚴重者危及行車安全，本文將鋪設無縫線路所涉及的主要焊接技術作一介紹。
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1.鋁熱焊接法
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; `! x( c4 }6 f6 J0 s 現如今鋁熱焊接法已被公認為是一種高效、快速的鋼軌焊接方法，鋁熱焊接法工藝簡單，適合工地流動作業，利于工地焊接聯合接頭和斷軌復原復焊。
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: F8 V( o3 M) X4 C6 V 1.1鋼軌鋁熱焊的原理
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鋼軌鋁熱焊是利用鋁和氧化鐵在化學反應過程中釋放的大量熱量熔化金屬，使金屬之間形成熔接或堆焊。鋁熱化學反應是氧化還原反應，主要反應產物為液態鋁熱鋼和氧化鋁熔渣，鐵元素被還原成具有高溫的鋁熱鋼水，鋁被氧化成氧化鋁熔渣。鋁熱焊化學反應的表達式為
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3FeO+2AI=3Fe+Al2O3+199.5kCal
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Fe2O3+2AI=2Fe+Al2O3+99kCal
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3Fe2O3+8AI=9Fe+4Al2O3+773.3kCal) J/ i; U9 f* I: j$ I
# e4 I: }! ?( F1 c, e 鋼軌鋁熱焊接就是將鋁粉、氧化鐵和其他合金添加物配制成的鋁熱焊劑放在特制的反應坩堝中，用高溫火柴點燃引發鋁熱反應。在反應過程中，放出大量的熱熔化合金添加物，與反應合成的鐵形成為鋼液，由于其密度大沉于坩堝底部，反應生成的熔渣較輕而浮在上部，在很短時間內，高溫的鋁熱鋼水熔化坩堝底部的自熔塞，澆鑄到與鋼軌外形尺寸一致的砂型和局部預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中，同時鋁熱鋼水本身又作為填充金屬，與熔化的鋼軌共同結晶、冷卻，將2段鋼軌焊成整體，圖1為鋼軌鋁熱焊接示意圖。4 \% W: f- p- L, Z' {
8 r2 {- O2 {% d3 \- A8 f' b, T 1.2鋼軌鋁熱焊工藝
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' G& F' ^" G) j: G# u5 K0 Q 圖表1鋁熱焊裝備示意圖' u0 K, {, @ z G
! H' n G4 D: Z) W5 R) M 我國鐵路對鋼軌鋁熱焊法，進過推廣應用實踐和理論研究，制定了大劑量、寬焊縫、三片?？ㄏ?、定時預熱和自動澆注的鋁熱焊工藝，它是運用于50kg/m、60kg/m和75kg/m鋼軌焊接。4 J+ Q; B4 b0 b: z5 H6 ?* l2 ~
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1.3工藝裝備
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?、胖谱魃靶驮O備：烘干箱、磨具等。1 [. z3 e1 X5 m6 l0 B
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?、浦谱魃靶驮希菏⑸?、膨潤土、水玻璃。
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8 K% @- u6 P* J& e v; C ?、侵谱魃靶统善罚荷靶?、砂芯、排渣砂槽、坩堝等。
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, i) b- ?2 t" f; A7 {8 j) [ ⑷熱源及預熱設備：熱源—氧氣、丙烷、乙炔。工具—預熱具、點火槍、秒表等。
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& e7 K* j/ V) z( s6 V- S ?、珊附硬牧希汉竸?、高溫火柴、封砂箱。
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?、势渌轰徿墮C、推凸機、砂輪、大錘、平錘等。
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0 g: L; K( S. _; R u5 u 1.4工藝程序4 I$ `: @. K- J7 \
! S8 X! I" n* |& `" f ?、胖谱魃靶?、坩堝
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⑵工地布置氧氣瓶、石油液化氣或乙炔瓶的布置應距焊點5m以上，所有設備應布置在施焊一側的路肩，烘烤坩堝時應離所有氣瓶5m以上。5 r6 C9 _9 `9 i
: w8 n# V0 e5 r- \8 }' p D% Q3 \0 n ⑶切軌用于段軌再焊時，插入的焊接鋼軌長度應大于6m，不得有彎曲、歪扭和損傷，并與線路上鋼軌磨耗相近，切軌應采用雙向擺動式切軌機，切軌應按照線切割，允許橫向誤差為1mm，垂直誤差為2mm,切后應用手提砂輪或銼刀除去切面的紫藍斑痕及氧化物，軌段各邊應倒角，無毛刺和金屬飛濺物。
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?、葘墝⒑附拥能壎藢φ?m直尺密貼鋼軌頂面及內、外側面，檢查鋼軌焊接端各面縱向是否一直，要求不要有錯牙，歪扭。$ q/ L6 O9 A6 S) Y- \$ g4 G
2 V% ], y0 W$ p8 z, F4 o L ?、煽巯浼胺庀?font class="jammer">3 I8 j' `! g% I% |
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扣箱：扣箱前應清理砂型內各通道，而后將砂箱吻合在鋼軌焊接的焊口上，沙箱如果有缺角、掉塊、裂紋、松脫者均不可使用。
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封箱：封箱砂應與焊前制備好，并置于容器內密封。砂箱所有接縫及與鋼軌吻合處，均用封箱砂密封，兩側流鋼槽應與沙箱冒口緊密結合，并用封箱砂護好兩側各100mm以內的軌面和所有裸漏及易被鋼水濺傷的金屬。, {- ~2 j2 v* x' X( g$ E" g
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?、售釄逖b料及安防支架在裝料之前，應先烘干坩堝，裝料時坩堝應穩在專用支架上，封箱時應預先測好安放在支架的位置，裝澆鋼槽時，即將支架固定在鋼軌上，并裝好坩堝框架，封箱結束即將坩堝抬入框架。調整坩堝位置，使封口釘之端，與砂箱頂面相距（100±10）mm，并垂直對準砂芯座中心，將坩堝旋轉90°固定。6 b: t @: E8 H! f5 @8 R) `/ j
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⑺預熱將火嘴插入砂芯座中心呈垂直狀態，焰流對準砂箱底面而不沖向兩端鋼軌面，根據兩側冒口焰流反彈高度，隨時調整手把，使其高度保持一致，扣箱人員隨時消除封箱部位的“跑火”現象，預熱3min，到時點火。; |& M; ^3 q: m. N) N
2 [) ~& v, q1 i+ K2 n ⑻澆注點火時必須見到高溫火柴發出火花才能插入焊劑，確定點燃焊劑后方可關閉預熱器并密蓋砂芯，點燃焊劑冒出黑煙時才能加蓋坩堝蓋，點燃焊劑后，迅速將坩堝推至封口釘與砂芯中心垂直對準的位置并固定，保持焊劑沸騰時不位移。如下圖所示/ ]+ V- a* [( o4 \: |! _
1 i/ o' Y1 Q' m1 t1 a8 N 圖表2現場鋁熱焊及澆注模型
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M% R' c' f7 q ?、屯仆辜靶拚仆箷r拆除支架后，立即清除屏蔽軌面的沙土，一分鐘后松下緊箱器和砂箱托，抬上推凸機，二分鐘后推凸機可緩緩加力，使刀具進入砂箱，隨砂箱開裂鋼水冷卻情況逐步加大進刀量，，三分鐘后加大進刀速度；整修時先跺除推凸機后軌面剩余部分，然后打磨，打磨時先軌面后兩側，，跺修和打磨均不得傷及母材，焊縫與母材不得出現臺階，精磨后應出現金屬光澤，不得游覽的斑痕。
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# M8 j* n* Z% w6 a" P- X, N 圖表3現場鋼軌打磨2 o( \0 M' R( u& n# l$ b4 \2 c6 p% m0 u
3 {8 j5 W# ^2 e ⑽質量檢查包括外觀檢查和探傷檢查，外傷檢查時焊接接頭不得有臺階和扭曲，軌頭平整圓順，用1m直尺測量，頂面、側面不平度應在0.5mm以內，頂面不得有負值，打磨后焊面應平順；探傷檢查達到重傷標準時應切除重焊。
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⑾正火可在整修之后，軌溫降至500℃以下時進行，亦可在常溫下正火，加熱氧氣工作壓力位0.6MP，液化石油氣工作壓力為0.04MP，氧氣流量為3000/h，焰心長度應為10～20mm，火焰加熱器垂直與焊縫位置，有軌頂向兩側來回移動，每隔2min用測溫計測量軌溫一次，根據軌溫情況調整加熱器移動速度和加熱時間，當軌溫達到900℃～950℃時，保溫10min之后拆除保溫箱自然冷卻。
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; x2 C& X- C: [9 q! b$ x' F: { 2.接觸焊接法4 N6 L7 b% z# Z" u0 @- [4 f4 r5 W$ L, _
% w2 C+ q }9 z7 z1 c' X0 I% B/ d 我國鐵路的長鋼軌焊接以廣泛采用接觸焊法，接觸焊法焊接質量好，效率高，世界各國普遍采用，近年來我國鐵路焊軌廠全面配備了接觸焊機。
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圖表4接觸焊示意圖
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( l8 Z) y! k: e' x$ U 接觸焊接法采用移動式接觸焊機，多將25m長鋼軌焊成125m長的軌條。由于列車高速行駛時對軌道的平順性要求很高，所以長軌條焊接前要對標準軌的外形幾何尺寸和平直度及扭曲允許偏差進行檢驗。接觸焊接法的工藝流程為:配軌→鋸軌→軌端打磨→焊接→推瘤→正火→接頭打磨→探傷→存放。' a0 k% ]* ]" z, b
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圖表5鋼軌接觸焊流程工藝圖' R5 t6 x& p: G& u; x% H8 a, `4 x
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2.1工藝要求:
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?、藕杠壡跋仍跐L道上進行對軌，兩軌基本保持在同一水平面上，以作用面為準不得出現豎向和橫向錯位，各部偏差不大于0.3mm，并使端面間保持0.5-2.0mm間隙。
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⑵調整焊機位置使焊機中心與軌縫對中。
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! t. j8 A; N9 }4 t% u6 | ?、呛笝C內側涂刷防渣液，以利清除粘連在焊機上的焊渣。
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?、嚷湎潞笝C夾緊鋼軌，再次檢查軌縫，確認無誤后開始焊接。9 i0 g5 i7 ~! M. o
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?、珊附影垂に囋囼炛蝎@得并經監理工程師認可的工藝參數進行。
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5 f! W0 l6 I7 H# N ⑹焊后推瘤及清理焊瘤塊。5 H$ @/ J7 g2 C
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⑺焊接結束后，松開鋼軌，提升焊機。" q# c. a. R/ Z8 @; x( g$ ~2 n
, {8 B, M7 L$ g9 n! k7 h ?、谈鶕滠壉恚瑢宇^進行編號。 p$ y! l v' t: k# V5 i
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⑼用卷揚機將鋼軌沿滾道線向前傳送(卷揚機的循環鋼絲繩通過專用卡具將鋼軌兩端卡緊，鋼軌傳動速度約0.5m/s)。
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⑽一個接頭焊接結束后，在熱態下進行調直(要求在焊縫兩側各500mm范圍內，水平方向作用面一側的不平直度不大于0.3mm/m，垂直方向的不平直度不大于0.3mm/m，拱量應呈現0.5-1.0mm/m)。
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?、袭斾撥壓割^溫度降至500℃以下時開始正火，加熱器沿焊頭縱向擺動量7一10cm，用機械式凸輪控制行程，光電測溫計檢測正火溫度。
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* I; i) u& w- C: t/ ~ ⑿焊頭打磨后由檢驗工用lm直尺檢查平直度，并用超聲波探傷。8 c& K9 m6 S9 @+ g! S- ]. g% x, x) T9 ~
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3.氣壓焊接法
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" v& Z3 A* k g% A' E; H/ |5 P. _ 氣壓焊接發自1937年在美國和加拿大得到廣泛應用后，憑著其設備簡單、成本低廉焊接質量優良，世界各國鐵路自1955年以來相繼采用，并得到了進一步發展。, y$ Q. b, q+ l( _! E5 k1 v) B
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氣壓焊接法多是在長鋼軌鋪設完成后，經整道作業，線路基本達到穩定后，可實施工地鋼軌焊接并按設計要求進行線路鎖定，長軌聯合接頭采用氣壓焊接法。3 O+ w; w, \, \( E, z
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3.1氣壓焊工藝* v' A+ A& e; [1 n. W& r, X. E
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氣壓焊焊軌工藝試驗應在正式焊接前按規定要求完成。施工多采用的是雙導柱臥式壓接機以斜鐵夾緊軌腰的新型移動式氣壓焊機，對開單混合室的射吸式加熱器，雙流量計控制箱和一套三段頂壓法焊接工藝。+ |* E6 ~2 G7 Z9 B2 f4 w
* o2 S( ?- w# @+ _( }5 _ 3.2工藝流程：施工準備→鋸配軌→拉軌→軌端處理→對軌固定→點火焊接→焊縫正火→打磨及矯直→焊縫探傷→焊縫驗收→現場清理。' e2 m& z: T3 S& K
) j& h$ o) O2 ?1 s2 g0 N 3.3施工工藝6 ^" Y/ e. j; r% I
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圖表6鋼軌氣壓焊工藝流程圖
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(1)施工準備7 U8 ]( u/ |* P, S3 p
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①檢查設備施工前應全面檢查設備情況,包括檢查電源、泵站、壓接機、加熱器的工作情況;各油路、乙炔路、氧氣路是否通暢,有無跑、冒、漏現象;乙炔、氧氣存氣量是否足夠;推凸刀的刀刃是否完整;各運動部件是否活動自如。發現問題要及時處理。
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7 u3 p2 T* e+ r; f+ P: G ?、诎踩闆r檢查檢查施工點附近是否有揮發性氣體、易燃、易爆物等,若有,要設法轉移或采取必要的安全保護措施。操作人員應按要求穿戴好勞動保護用品。
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' }2 C f* z L% [. @ (2)鋸軌配軌：用方尺檢查兩接頭的相錯量,如相錯量大于100mm,則需要鋸軌。
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9 u! f, ?0 |' r3 `2 Q (3)拉軌：松開鋼軌的扣件,將鋼軌支撐在滾輪上,用拉軌器拉軌。在鋼軌接頭處用枕木支撐,便于接頭對位。
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(4)軌端處理4 |9 b- j$ S1 I0 C5 K5 Q6 X
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?、黉撥壵{直焊前必須對鋼軌進行調直,經調直的鋼軌用1m直尺檢查其矢度不得超過±0.5mm。
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?、诙嗣娲蚰ゴ蚰ヤ撥壎嗣鏁r應注意,端面打磨機的兩個定位面必須與鋼軌接觸密貼;使用端面打磨機應做到輕拿輕放,以免破壞打磨機的精度。* ^/ N h( d Z+ N* f3 |1 c
# ^5 s/ F3 x9 \% v: B; z D 圖表7現場端面打磨- c' D1 Z( e! _# F
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(5)對軌固定，待焊軌裝壓接機并夾緊后,用300mm鋼板尺檢查,應達到如下要求:
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?、賰绍夗斆纨R平,焊縫處矢度不大于0.3mm,高低錯位不大于0.2mm,當兩軌高度差較大時,可用墊片調整至0.5mm以下,軌頂面不準下凹;
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* |$ r* W, Y, }$ J# K; A& \2 ?+ Z ?、诠ぷ髅嬉?誤差不大于0.3mm,當軌頭寬度偏差過大或軌端有旁彎無法調直時,應以基本軌輪廓面為基準保持工作面在1m長度內直線度偏差不大于0.5mm;
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?、蹆绍壍酌嫫叫绣e位不大于1.0mm;% y4 b0 M6 [" }4 f6 X6 {
* {) x8 u- b- T4 @ p, {+ P ④端面在按焊軌要求實施預頂后應密貼,局部間隙不大于0.3mm,但兩底角必須密貼;
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?、莨潭ㄟ^程中如因某項因素偏差過大,無法達到上述要求時,應打開壓接機,重新處理鋼軌端面直至達到焊接的技術要求,不能強行焊接,以免影響焊接質量。
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(6)點火焊接
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/ v5 n) w) F1 F% ~ x. V- G d% s ?、侔惭b加熱器a1將加熱器兩側分別從壓接機導桿鋼軌之間側向掐入后,旋轉90°置于導桿之上,并將其按要求正確連接;b1調整壓接機擺動機構的掛鉤長度,轉動加熱器支承小車的轉動軸,使加熱器的火孔面與焊接端平行,最大偏差處不大于1.0mm;同時,搖動加熱器2～3次,再檢查其火孔平面是否與焊接端平行。調整加熱器支承塊小車構件,使加熱器火孔端面與鋼軌外輪廓周邊的距離為(25±1)mm。3 [ k9 j$ s( |% Y( `3 z2 k5 F$ q
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②預頂高壓泵站加油門使預頂力達到18～20MPa。
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6 A" ^! \) B" E( b- K+ v ?、埸c火焊接a1應在打開氧、乙炔開關后,3～4s點火,不能少于3s或時間過長,以免發生事故;b1擺動加熱器加熱,從0～3.5min至開始頂鍛前,擺動量為15～20mm,擺動頻率為60次/min。$ i! \" i: t c, e% Y% @/ a
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?、芙祲翰⒈狐c火加熱至鋼軌產生塑性變形時,焊縫處及其附近產生微微凸起(高度為1～3mm),將頂鍛壓力降低到8～10MPa并保壓。) X- K, ]3 ~2 j% x5 F: `" w% Y
* B4 g6 `# Z8 M3 s ?、蓓斿慳1在保壓和繼續加熱的過程中,當發現軌底角上表面出現幾個面積約1.5～3mm2的單個熔池,軌頭頂面出現有隨火焰而動的“鏡面熔池”便開始頂鍛。b1開始頂鍛時擺動量為30mm左右,擺動頻率約為80次/min。8 E( |6 F. U2 }, Q% T9 W
" }7 ^2 X+ V/ P! J# l; ?0 ?6 p, y; e ?、尥仆筧1當頂鍛完,加熱器熄火后,立即摘下加熱器上的掛鉤,將加熱器迅速推向壓機右側橫梁(搖火鐵端)的極限位置;與此同時,泵站換向、松開左側橫梁(活動端)的軌頂螺栓后,泵站給油倒車,當左橫梁松動時,立即打松該端斜鐵繼續倒車,目測焊瘤與推刀墊間距能放下刀體時,停止倒車,同時迅速放入前刀體,并推入腰刀裝上底刀,泵站換向給油開始推凸,當確認焊瘤推離焊縫,泵站換向給油倒車使兩橫梁距離拉至最大允許值后,關閉泵站,卸下推凸裝置,推凸結束。b1在推凸過程中,當壓力升至40MPa時推凸刀仍不能前進推除焊瘤時,應停止推凸,待卸下推凸裝置后,人工氣割除瘤。. x: A2 G' r ^7 O* w* ^+ o
1 v5 z. d0 \8 I; Q9 k (7)焊縫正火
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5 c9 g- W/ _0 s* ^% F9 ~7 U ①鋼軌接頭的正火起始溫度為400～500℃,終了溫度為850～900℃。; R& `/ R r( n2 ^2 B2 C! O; T. _0 r
+ c2 s9 Q1 ]$ a8 c ?、跀[動以焊縫為中心,在0～2min時,擺動總寬度40mm,每min為50～60次;在2～3min時,擺動總寬度約為60～80mm,35～40次/min。
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2 v) x) L" \+ @! Z+ U8 {" o$ N ③待被正火處降溫至全黑后,再撤掉墊軌的枕木墩以免焊接處變形。
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% R. H% ]7 t* V ?、墚斦鸷蟮暮缚p部位在250℃以上時,嚴禁敲擊、火烤(二次正火除外)、澆水和引起塑性變形的一切操作。
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* c; {8 h, [- Y, ^( d. W' w (8)焊后打磨及矯直/ k! N! L+ B9 \" h2 n8 [
' E, I; C. B1 X a5 ? ?、倮梅滦未蚰C打磨焊接接頭的軌頂面及各側面,打磨時若溫度過高,要暫停打磨,待溫度適宜時再進行打磨。4 Y6 m! D' h( ^8 C" N+ q- N
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②打磨前應用1m直尺檢測焊縫,若焊縫變形、彎曲,應先用彎軌機矯直。
& r7 M" N5 C3 I0 A3 C8 U
, D: t) z) d8 A' l: S ③打磨后的鋼軌,要符合鋼軌驗收標準。
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(9)焊縫探傷
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?、偬絺缚p自然冷卻到50℃以下才能進行。: N3 S; |5 l1 R9 m5 [
3 W/ ], c6 ?/ V+ k# n8 |. { ?、诤缚p內部任何部位有未焊透、裂紋、氣孔夾渣等缺陷時,該焊頭必須報廢重焊。! W$ j6 f7 F& n# ~; Q
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?、蹖τ幸蓡柕暮附咏宇^應進行復探。9 G3 l, J9 b& i, A% J, Y
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(10)焊縫驗收焊縫探傷合格后應檢查其外觀尺寸,外觀尺寸應達到相關技術條件的規定。$ M- F. S& \4 |" U1 w6 }
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6 W2 p$ z( ~) I6 l* M& E# a 鋁熱焊具有施工方便以及較易保證焊接接頭的平順性，世界很多國家均采用鋁熱焊進行現場焊接，我國修建的秦沈客運專線采用的就是現場鋁熱焊，一次性鋪設跨區間無縫線路軌道施工中的道岔焊接目前仍然只能采用鋁熱焊，完全無法回避，建議跨區間無縫線路的線上焊接多用鋁熱焊接法。
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" J2 V. p1 R" O( d) g4 T 接觸焊焊接的鋼軌接頭質量及其穩定性優于其它焊接方法，建議采用移動式接觸焊機進行線路長鋼軌、長軌節的焊接以及低溫拉伸鎖定焊接；移動式接觸焊機可作為新線無縫線路鋪軌作業流程組成單元，進行長鋼軌、單元軌節的焊接和低溫拉伸鋼軌鎖定焊接；由于道岔鋼軌間距(作業空間)的限制，懸掛式焊軌機目前還不能實現道岔與長軌的最終焊接；接觸焊接是基地焊和廠焊長鋼軌的發展方向。
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氣壓焊具有設備簡單，一次性投資小，無需大功率電流,焊接質量好，焊接時間短等優點，建議用于現場聯合接頭焊接或斷軌的永久性修復；缺點是在焊接時對接頭斷面的處理要求十分嚴格，并且在焊接時需要有一定的鋼軌縱向移動，因此，在超長鋼軌焊接時有一定的難度，特別是無法進行跨區間無縫線路的線上焊接。
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發表于 2012-8-11 11:06:03
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