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浅谈无缝线路铺设中焊接技术的应用
/ Z' B5 ^0 a `# P! |" b: E. S& X 浅谈无缝线路铺设中焊接技术的应用. [4 G7 N* W6 }% `- F- h3 Z
+ D7 Q) S% L/ q5 y- w# B1 m 摘要：轨道焊接、道岔焊接是铺设无缝线路的重要环节，本文主要介绍了国内无缝线路铺设时的三大主流焊接技术：铝热焊技术、接触焊技术、气压焊技术，并详细对各个焊接技术的工艺流程进行了分析，对无缝线路铺设中焊接技术发展方向和施工进行了探讨。
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+ ?7 g6 y$ a# X; R3 i 关键字：无缝线路钢轨焊接铝热焊接触焊气压焊/ p Q" Q$ J% _4 a
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铺设无缝线路，应在铺设基地对长钢轨和道岔进行焊接，它是铺设无缝线路的重要环节，其几何外形尺寸的平顺和内部质量，是保证无缝线路正常运用的关键，实践证明，若钢轨焊接质量不良，将使线路维修工作后患无穷，严重者危及行车安全，本文将铺设无缝线路所涉及的主要焊接技术作一介绍。
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9 N/ b. p2 U2 U/ ~ 1.铝热焊接法' @; j6 d+ g! F$ d6 |& S+ U: {4 p% |
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现如今铝热焊接法已被公认为是一种高效、快速的钢轨焊接方法，铝热焊接法工艺简单，适合工地流动作业，利于工地焊接联合接头和断轨复原复焊。+ ^# @. X2 C, a* y6 G( O* ^( c# y
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1.1钢轨铝热焊的原理
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钢轨铝热焊是利用铝和氧化铁在化学反应过程中释放的大量热量熔化金属，使金属之间形成熔接或堆焊。铝热化学反应是氧化还原反应，主要反应产物为液态铝热钢和氧化铝熔渣，铁元素被还原成具有高温的铝热钢水，铝被氧化成氧化铝熔渣。铝热焊化学反应的表达式为
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3FeO+2AI=3Fe+Al2O3+199.5kCal
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2 F! F# q4 R/ d: g2 i0 D Fe2O3+2AI=2Fe+Al2O3+99kCal8 X; K' A# N0 i7 G6 r
0 \" a1 ~" a: T9 E& o 3Fe2O3+8AI=9Fe+4Al2O3+773.3kCal
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钢轨铝热焊接就是将铝粉、氧化铁和其他合金添加物配制成的铝热焊剂放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃引发铝热反应。在反应过程中，放出大量的热熔化合金添加物，与反应合成的铁形成为钢液，由于其密度大沉于坩埚底部，反应生成的熔渣较轻而浮在上部，在很短时间内，高温的铝热钢水熔化坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中，同时铝热钢水本身又作为填充金属，与熔化的钢轨共同结晶、冷却，将2段钢轨焊成整体，图1为钢轨铝热焊接示意图。
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1.2钢轨铝热焊工艺
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, _7 U( Q4 Q, m. K 图表1铝热焊装备示意图
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' V7 e* g) ?" V6 R# [' u% x" a( t 我国铁路对钢轨铝热焊法，进过推广应用实践和理论研究，制定了大剂量、宽焊缝、三片模卡箱、定时预热和自动浇注的铝热焊工艺，它是运用于50kg/m、60kg/m和75kg/m钢轨焊接。# J) `3 C( ^! x: K# O
* X6 g9 n3 L( x5 k" f 1.3工艺装备 j' g- R' X# t/ Y
6 i+ p! a: Z$ f) v, K ⑴制作砂型设备：烘干箱、磨具等。
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6 Z2 {9 m: U/ G: T( E9 i, f0 d ⑵制作砂型原料：石英砂、膨润土、水玻璃。
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, D, x |4 X4 N2 X7 V2 y ⑶制作砂型成品：砂型、砂芯、排渣砂槽、坩埚等。
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' _3 K5 v7 X* Y6 M$ c ⑷热源及预热设备：热源—氧气、丙烷、乙炔。工具—预热具、点火枪、秒表等。
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⑸焊接材料：焊剂、高温火柴、封砂箱。
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# Q: i# ?2 d* E% l! j! s ⑹其他：锯轨机、推凸机、砂轮、大锤、平锤等。
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% \# \" s4 `* V/ {! b1 [9 v p 1.4工艺程序
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9 o1 Y' s( c: x* b, Z% }4 U) x ⑴制作砂型、坩埚" b8 Y7 ^% n( C0 K$ P7 a2 a$ _
5 c; a1 p& D5 v6 }9 |% m& W$ ^- y ⑵工地布置氧气瓶、石油液化气或乙炔瓶的布置应距焊点5m以上，所有设备应布置在施焊一侧的路肩，烘烤坩埚时应离所有气瓶5m以上。
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⑶切轨用于段轨再焊时，插入的焊接钢轨长度应大于6m，不得有弯曲、歪扭和损伤，并与线路上钢轨磨耗相近，切轨应采用双向摆动式切轨机，切轨应按照线切割，允许横向误差为1mm，垂直误差为2mm,切后应用手提砂轮或锉刀除去切面的紫蓝斑痕及氧化物，轨段各边应倒角，无毛刺和金属飞溅物。+ B) g- @, d4 V) ]% ~
* ]2 m& h/ N1 \. P ⑷对轨将焊接的轨端对正，用1m直尺密贴钢轨顶面及内、外侧面，检查钢轨焊接端各面纵向是否一直，要求不要有错牙，歪扭。
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) a+ w1 N6 d9 a% X ⑸扣箱及封箱5 E0 L' p# }1 E
. H, ~8 ~6 M t$ |3 D& [5 z/ D 扣箱：扣箱前应清理砂型内各通道，而后将砂箱吻合在钢轨焊接的焊口上，沙箱如果有缺角、掉块、裂纹、松脱者均不可使用。& {) q5 x9 \ h* v! N; H9 D* \
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封箱：封箱砂应与焊前制备好，并置于容器内密封。砂箱所有接缝及与钢轨吻合处，均用封箱砂密封，两侧流钢槽应与沙箱冒口紧密结合，并用封箱砂护好两侧各100mm以内的轨面和所有裸漏及易被钢水溅伤的金属。
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⑹坩埚装料及安防支架在装料之前，应先烘干坩埚，装料时坩埚应稳在专用支架上，封箱时应预先测好安放在支架的位置，装浇钢槽时，即将支架固定在钢轨上，并装好坩埚框架，封箱结束即将坩埚抬入框架。调整坩埚位置，使封口钉之端，与砂箱顶面相距（100±10）mm，并垂直对准砂芯座中心，将坩埚旋转90°固定。+ J0 Z. ~. _# y' J
G @' [: c. s& E. C ⑺预热将火嘴插入砂芯座中心呈垂直状态，焰流对准砂箱底面而不冲向两端钢轨面，根据两侧冒口焰流反弹高度，随时调整手把，使其高度保持一致，扣箱人员随时消除封箱部位的“跑火”现象，预热3min，到时点火。
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$ F* ?; T" D. [5 g2 w" c! Z ⑻浇注点火时必须见到高温火柴发出火花才能插入焊剂，确定点燃焊剂后方可关闭预热器并密盖砂芯，点燃焊剂冒出黑烟时才能加盖坩埚盖，点燃焊剂后，迅速将坩埚推至封口钉与砂芯中心垂直对准的位置并固定，保持焊剂沸腾时不位移。如下图所示
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- o% e1 W9 l& W9 b 图表2现场铝热焊及浇注模型
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⑼推凸及修整推凸时拆除支架后，立即清除屏蔽轨面的沙土，一分钟后松下紧箱器和砂箱托，抬上推凸机，二分钟后推凸机可缓缓加力，使刀具进入砂箱，随砂箱开裂钢水冷却情况逐步加大进刀量，，三分钟后加大进刀速度；整修时先跺除推凸机后轨面剩余部分，然后打磨，打磨时先轨面后两侧，，跺修和打磨均不得伤及母材，焊缝与母材不得出现台阶，精磨后应出现金属光泽，不得游览的斑痕。
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图表3现场钢轨打磨+ r6 u" m9 W3 M# ~+ g1 k
- A$ ^0 r& d3 y7 F! {$ u ⑽质量检查包括外观检查和探伤检查，外伤检查时焊接接头不得有台阶和扭曲，轨头平整圆顺，用1m直尺测量，顶面、侧面不平度应在0.5mm以内，顶面不得有负值，打磨后焊面应平顺；探伤检查达到重伤标准时应切除重焊。* k" E) n) B) p' I, \. r, L
! _8 J% e$ F: i0 b4 Q ⑾正火可在整修之后，轨温降至500℃以下时进行，亦可在常温下正火，加热氧气工作压力位0.6MP，液化石油气工作压力为0.04MP，氧气流量为3000/h，焰心长度应为10～20mm，火焰加热器垂直与焊缝位置，有轨顶向两侧来回移动，每隔2min用测温计测量轨温一次，根据轨温情况调整加热器移动速度和加热时间，当轨温达到900℃～950℃时，保温10min之后拆除保温箱自然冷却。
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2.接触焊接法
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我国铁路的长钢轨焊接以广泛采用接触焊法，接触焊法焊接质量好，效率高，世界各国普遍采用，近年来我国铁路焊轨厂全面配备了接触焊机。8 s$ }$ j& s( J* [7 [1 f: [
: A/ m# \6 C o+ [/ I1 l, ] 图表4接触焊示意图6 ]) Z- F: }4 ~/ U* \
( _( i0 r7 ~6 p. r 接触焊接法采用移动式接触焊机，多将25m长钢轨焊成125m长的轨条。由于列车高速行驶时对轨道的平顺性要求很高，所以长轨条焊接前要对标准轨的外形几何尺寸和平直度及扭曲允许偏差进行检验。接触焊接法的工艺流程为:配轨→锯轨→轨端打磨→焊接→推瘤→正火→接头打磨→探伤→存放。
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9 Z/ n; `% s7 }& @; P( F 图表5钢轨接触焊流程工艺图# j' d4 _7 n# C+ F; `! ~( k$ h
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2.1工艺要求:
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. i; Y3 o7 T( r# r ⑴焊轨前先在滚道上进行对轨，两轨基本保持在同一水平面上，以作用面为准不得出现竖向和横向错位，各部偏差不大于0.3mm，并使端面间保持0.5-2.0mm间隙。
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⑵调整焊机位置使焊机中心与轨缝对中。
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⑶焊机内侧涂刷防渣液，以利清除粘连在焊机上的焊渣。
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⑷落下焊机夹紧钢轨，再次检查轨缝，确认无误后开始焊接。
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⑸焊接按工艺试验中获得并经监理工程师认可的工艺参数进行。4 T% {9 i, V6 x2 g' \6 C
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⑹焊后推瘤及清理焊瘤块。+ `+ S j! @' {4 l- y# O
0 g+ R; H% x, n2 n ⑺焊接结束后，松开钢轨，提升焊机。5 t i, c. K: }5 c, i
+ O- ]5 ]# g+ e. |; O5 a ⑻根据配轨表，对接头进行编号。+ B( p+ Z" o! q) u
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⑼用卷扬机将钢轨沿滚道线向前传送(卷扬机的循环钢丝绳通过专用卡具将钢轨两端卡紧，钢轨传动速度约0.5m/s)。
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⑽一个接头焊接结束后，在热态下进行调直(要求在焊缝两侧各500mm范围内，水平方向作用面一侧的不平直度不大于0.3mm/m，垂直方向的不平直度不大于0.3mm/m，拱量应呈现0.5-1.0mm/m)。
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⑾当钢轨焊头温度降至500℃以下时开始正火，加热器沿焊头纵向摆动量7一10cm，用机械式凸轮控制行程，光电测温计检测正火温度。4 P0 B6 }' q4 P, H
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⑿焊头打磨后由检验工用lm直尺检查平直度，并用超声波探伤。
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3.气压焊接法
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5 r3 A& s. s; i! P# k9 \ 气压焊接发自1937年在美国和加拿大得到广泛应用后，凭着其设备简单、成本低廉焊接质量优良，世界各国铁路自1955年以来相继采用，并得到了进一步发展。
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- S( E: P- R1 k6 C5 ~ 气压焊接法多是在长钢轨铺设完成后，经整道作业，线路基本达到稳定后，可实施工地钢轨焊接并按设计要求进行线路锁定，长轨联合接头采用气压焊接法。1 K0 B. D! r/ G, `4 T, M1 c: c
( ^: c, I. b* Q0 [ 3.1气压焊工艺
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9 u( @! h0 p3 s2 T 气压焊焊轨工艺试验应在正式焊接前按规定要求完成。施工多采用的是双导柱卧式压接机以斜铁夹紧轨腰的新型移动式气压焊机，对开单混合室的射吸式加热器，双流量计控制箱和一套三段顶压法焊接工艺。2 i& V6 p" R7 Y
% `' d0 {/ T: r/ U$ }5 d0 T 3.2工艺流程：施工准备→锯配轨→拉轨→轨端处理→对轨固定→点火焊接→焊缝正火→打磨及矫直→焊缝探伤→焊缝验收→现场清理。
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3.3施工工艺+ H; L! X% ?$ `5 U' l2 k! o1 M
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图表6钢轨气压焊工艺流程图
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# A: I; G- f, F3 C" k (1)施工准备
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①检查设备施工前应全面检查设备情况,包括检查电源、泵站、压接机、加热器的工作情况;各油路、乙炔路、氧气路是否通畅,有无跑、冒、漏现象;乙炔、氧气存气量是否足够;推凸刀的刀刃是否完整;各运动部件是否活动自如。发现问题要及时处理。
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* |" a/ S$ Q+ ] ②安全情况检查检查施工点附近是否有挥发性气体、易燃、易爆物等,若有,要设法转移或采取必要的安全保护措施。操作人员应按要求穿戴好劳动保护用品。3 G, T, f1 |! L$ p1 `
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(2)锯轨配轨：用方尺检查两接头的相错量,如相错量大于100mm,则需要锯轨。
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$ d" X9 [ ?; M (3)拉轨：松开钢轨的扣件,将钢轨支撑在滚轮上,用拉轨器拉轨。在钢轨接头处用枕木支撑,便于接头对位。
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: T q/ X. k9 ^+ Q2 ?, b (4)轨端处理
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" y9 U, \3 Y4 b; t ①钢轨调直焊前必须对钢轨进行调直,经调直的钢轨用1m直尺检查其矢度不得超过±0.5mm。" H. _ r/ B& |. R' [ l
. e- u6 j& @% `' ^ ②端面打磨打磨钢轨端面时应注意,端面打磨机的两个定位面必须与钢轨接触密贴;使用端面打磨机应做到轻拿轻放,以免破坏打磨机的精度。 l$ y' w" E# t5 @& g
8 O) ]8 H: H" m5 Q6 S: Q( k 图表7现场端面打磨4 [, n ^/ P' ~, J* i
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(5)对轨固定，待焊轨装压接机并夹紧后,用300mm钢板尺检查,应达到如下要求:: e7 ]% o( H# L' i$ K* C; z
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①两轨顶面齐平,焊缝处矢度不大于0.3mm,高低错位不大于0.2mm,当两轨高度差较大时,可用垫片调整至0.5mm以下,轨顶面不准下凹;- R8 U) G9 Y9 V! ?
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②工作面要平,误差不大于0.3mm,当轨头宽度偏差过大或轨端有旁弯无法调直时,应以基本轨轮廓面为基准保持工作面在1m长度内直线度偏差不大于0.5mm;
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; h/ i8 X8 ~" a1 | ③两轨底面平行错位不大于1.0mm;
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- B, b! ]! o9 a) M ④端面在按焊轨要求实施预顶后应密贴,局部间隙不大于0.3mm,但两底角必须密贴;$ e! b* D! k. |, M# z: k. y
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⑤固定过程中如因某项因素偏差过大,无法达到上述要求时,应打开压接机,重新处理钢轨端面直至达到焊接的技术要求,不能强行焊接,以免影响焊接质量。
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(6)点火焊接
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! p& Z7 t: ]8 C5 t/ s' M/ M7 E ①安装加热器a1将加热器两侧分别从压接机导杆钢轨之间侧向掐入后,旋转90°置于导杆之上,并将其按要求正确连接;b1调整压接机摆动机构的挂钩长度,转动加热器支承小车的转动轴,使加热器的火孔面与焊接端平行,最大偏差处不大于1.0mm;同时,摇动加热器2～3次,再检查其火孔平面是否与焊接端平行。调整加热器支承块小车构件,使加热器火孔端面与钢轨外轮廓周边的距离为(25±1)mm。: e9 V: ]9 Z! |; G
3 z5 q- J/ F; c) t% r ②预顶高压泵站加油门使预顶力达到18～20MPa。7 G `7 @0 M7 {+ F
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③点火焊接a1应在打开氧、乙炔开关后,3～4s点火,不能少于3s或时间过长,以免发生事故;b1摆动加热器加热,从0～3.5min至开始顶锻前,摆动量为15～20mm,摆动频率为60次/min。4 q m" g9 w7 f8 H9 P+ q
* p4 o* {( b8 ^ g- j ④降压并保压点火加热至钢轨产生塑性变形时,焊缝处及其附近产生微微凸起(高度为1～3mm),将顶锻压力降低到8～10MPa并保压。& P; E) F: R& l
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⑤顶锻a1在保压和继续加热的过程中,当发现轨底角上表面出现几个面积约1.5～3mm2的单个熔池,轨头顶面出现有随火焰而动的“镜面熔池”便开始顶锻。b1开始顶锻时摆动量为30mm左右,摆动频率约为80次/min。: G) L' K1 q; b* O4 x
5 a4 D) y" r7 g' [# _6 I" m0 V8 M& p: x ⑥推凸a1当顶锻完,加热器熄火后,立即摘下加热器上的挂钩,将加热器迅速推向压机右侧横梁(摇火铁端)的极限位置;与此同时,泵站换向、松开左侧横梁(活动端)的轨顶螺栓后,泵站给油倒车,当左横梁松动时,立即打松该端斜铁继续倒车,目测焊瘤与推刀垫间距能放下刀体时,停止倒车,同时迅速放入前刀体,并推入腰刀装上底刀,泵站换向给油开始推凸,当确认焊瘤推离焊缝,泵站换向给油倒车使两横梁距离拉至最大允许值后,关闭泵站,卸下推凸装置,推凸结束。b1在推凸过程中,当压力升至40MPa时推凸刀仍不能前进推除焊瘤时,应停止推凸,待卸下推凸装置后,人工气割除瘤。
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, B0 V# _* |: r& p/ R" u (7)焊缝正火
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①钢轨接头的正火起始温度为400～500℃,终了温度为850～900℃。) j. `/ }- s3 r( u! |) _' y G
- O) j* n$ M) d) Z7 x. W ②摆动以焊缝为中心,在0～2min时,摆动总宽度40mm,每min为50～60次;在2～3min时,摆动总宽度约为60～80mm,35～40次/min。( l5 H( g: C. E' v; S6 W: e8 ^
- H6 m/ A7 d& J ~ ③待被正火处降温至全黑后,再撤掉垫轨的枕木墩以免焊接处变形。
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④当正火后的焊缝部位在250℃以上时,严禁敲击、火烤(二次正火除外)、浇水和引起塑性变形的一切操作。
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) C* x9 U# G* X2 u" D' R (8)焊后打磨及矫直% k4 o8 ?5 L! q V' c# d& ~! n
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①利用仿形打磨机打磨焊接接头的轨顶面及各侧面,打磨时若温度过高,要暂停打磨,待温度适宜时再进行打磨。7 q- F. u A( T2 ?
( ` [/ f W- G# x! a/ _ ②打磨前应用1m直尺检测焊缝,若焊缝变形、弯曲,应先用弯轨机矫直。! q6 @& E4 v/ `! G- I
2 B4 K' ~0 d2 r3 S1 v ③打磨后的钢轨,要符合钢轨验收标准。; o& s2 ~+ w8 m2 H w" F2 z
9 R4 [8 v q Z7 Y9 F (9)焊缝探伤
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①探伤要待焊缝自然冷却到50℃以下才能进行。3 D0 z7 Z3 O# {- O& X
3 g9 ?. @) V; X! R3 g; J7 J: y! p7 h ②焊缝内部任何部位有未焊透、裂纹、气孔夹渣等缺陷时,该焊头必须报废重焊。
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③对有疑问的焊接接头应进行复探。
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(10)焊缝验收焊缝探伤合格后应检查其外观尺寸,外观尺寸应达到相关技术条件的规定。
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# V3 a. z/ \0 U) \; Z+ ^9 I 结语：
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2 O/ b2 k1 y+ \1 e 铝热焊具有施工方便以及较易保证焊接接头的平顺性，世界很多国家均采用铝热焊进行现场焊接，我国修建的秦沈客运专线采用的就是现场铝热焊，一次性铺设跨区间无缝线路轨道施工中的道岔焊接目前仍然只能采用铝热焊，完全无法回避，建议跨区间无缝线路的线上焊接多用铝热焊接法。1 q7 \3 q( k6 ]% b
3 M3 @: G$ k% U) X! O 接触焊焊接的钢轨接头质量及其稳定性优于其它焊接方法，建议采用移动式接触焊机进行线路长钢轨、长轨节的焊接以及低温拉伸锁定焊接；移动式接触焊机可作为新线无缝线路铺轨作业流程组成单元，进行长钢轨、单元轨节的焊接和低温拉伸钢轨锁定焊接；由于道岔钢轨间距(作业空间)的限制，悬挂式焊轨机目前还不能实现道岔与长轨的最终焊接；接触焊接是基地焊和厂焊长钢轨的发展方向。
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' y8 A. E. K0 {2 m, Q 气压焊具有设备简单，一次性投资小，无需大功率电流,焊接质量好，焊接时间短等优点，建议用于现场联合接头焊接或断轨的永久性修复；缺点是在焊接时对接头断面的处理要求十分严格，并且在焊接时需要有一定的钢轨纵向移动，因此，在超长钢轨焊接时有一定的难度，特别是无法进行跨区间无缝线路的线上焊接。
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, E; q p4 n: O 参考资料：0 M* K) E1 `4 S; M
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发表于 2012-8-11 11:06:03
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