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1、铝热焊施工方案 一、概况 京沪高铁上海虹桥站及相关工程分为三大块，分别为京沪高速场、沪宁城际综合场、七宝站改造。本次为高速场和城际场中的道岔及长钢轨。具体焊接工程量如下:京沪高速场道岔共 44 组，沪宁城际综合场道岔共 25 组.二、概述 1、基本原理 铝热焊是应用铝和氧化铁发生化学反应置换出铁的原理而形成的一种钢轨焊接技术，其化学反应式：Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3+850KJ 这一反应式说明，铝能与氧化铁发生氧化还原反应（即铝热反应），并伴随生产大量的热能量，在无需外部能源的情况下，就可以生成熔化的高温铁水。这些高温铁水可以将添加在铝热焊剂中并已混合均匀的合金元素完全熔化在一起形
2、成特定化学成分的钢水。如果将钢水浇铸于固定在两根钢轨接缝处的砂型内，即可将两根钢轨焊铸在一起，最后形成与钢轨的化学、冶金和机械性能等方面相匹配的焊接接头。这种熔铸式的钢轨焊接方式，焊缝整体性能好，焊接速度快，而操作却并不复杂。2、操作原理 先将铝热焊剂投放到一个耐高温坩埚中,然后将点燃的高温火柴插入铝热焊剂中，铝热焊剂随即开始铝热反应.反应过程中，氧化铁在高温下被还原形成铁水（熔化其它添加元素后形成特定化学成分的钢水）,铝被氧化并与其它氧化物一起形成熔渣。钢水由于比重大而沉于坩埚底部，熔渣比重小而浮于钢水上部。反应结束后,经过短暂镇静，熔渣上浮并与钢水完全分层，坩埚底部特别设计的自熔塞自动熔开
3、，高温钢水被释放到连接两根钢轨的耐高温砂型中，从而将它们焊接在一起.耐高温砂型带有钢轨的几何形状特征，使焊接好的接头形状与钢轨基本一致。在焊缝冷却下来后，如果采用适当的热处理，还可以进一步提高其机械特征。三、产品特征 1、经济性：耗材少，费用低。2、实用性：耗时少,满足铁路封锁点施工要求。3、方便性：辅助机具轻便小型，劳动强度低,操作人员少。4、质量体系通过国际专业机构认证，质量保证有完善的可追溯性。5、自动浇注和最佳钢质纯净度，有效保证钢轨焊头品质。6、有效的熔合区和最小的热影响区以及稳定的焊后化学成分。7、绿色环保产品，不损害人体、不污染环境。四、适用范围 焊接不同材质的钢轨采用不同的铝热
4、焊剂,各种砂型可满足不同型号钢轨截面、焊缝宽度以及采用特殊工艺的焊接要求.1、钢轨类型：50kg/m、60kg/m.2、钢轨材质：U71MnU75V 以及 R350 等。五、铝热焊焊接耗材 序 号 名 称 备 注 1 焊剂 Z90、Z100、Z120 2 高温火柴 3 分流塞 4 砂型 两片模或三片模 5 一次性坩埚 6 封箱砂 干砂或湿砂 7 氧气 8 丙烷 9 锯轨机砂轮片 10 打磨机砂轮片 11 发电机用油等 提示：焊接施工时,应携带一定量的焊接耗材备用.六、铝热焊工具 1、工具类别：预热枪、丙烷表、氧气表、三片模模板、预热枪支座、坩埚盖、灰渣盘、对轨架、棘轮扳手、捣实棒、火钳、撬棍、
5、多用塞尺、1 米钢直尺、钢楔子、巨形家居等.2、主要工具特性 （1）预热枪：用于钢轨端部和砂模预热。枪孔因使用起源不同而不同.使用氧气/丙烷时，枪孔为 32 个,当使用氧气/乙炔时,枪孔为 14 个.（2)预热枪支座：为预热枪提供固定位置,并可为预热枪提供左右前后调节功能。（3）坩埚盖：多次性坩埚盖有利于节约耗材成本，并且不会再运输、搬运过程中损坏。但在每次焊接后需要将其内部清理干净。（4）多用塞尺：用于轨缝尺寸、预热枪高度的快速定位，有利于节省操作时间.（5）丙烷、氧气表：用于控制丙烷、氧气的压力.七、技术要求 1、铝热焊可在下列条件下施工操作：（1）在弯道上,焊接点的两股钢轨高度差不超过
6、180mm。（2）线上和线下。（3）厂房内.（4）雨雪天有严密遮挡设施。2、铝热焊剂 （1)铝热焊剂为密封但非真空包装.（2）铝热焊剂储存于干燥、无火源环境。（3）包装上有标记，可以识别焊剂类别、规格、批次号和生产日期等.3、砂型 (1）砂型是预制好的，并和与之相匹配的待焊钢轨外形相吻合的.（2)砂型储存于干燥环境搬运时轻拿轻放，防止受潮、破损和开裂。（3）焊接时，砂型不可过早启封，避免在空气因暴露时间过长而吸潮。（4)包装纸箱有标记，可以识别砂型类别、型号、生产日期等.4、坩埚 (1）坩埚成型于马口铁桶内、防变形性能.（2）坩埚储存于干燥环境搬运时轻拿轻放，防止受潮、破损和开裂。(3）坩埚底
7、部自熔塞必须保持完好状态,使用前应仔细检查。(4)包装纸箱有标记，可以识别坩埚类别、生产日期等.5、操作人员 （1）铝热焊焊接施工时，操作人员至少两人。（2)操作人员必须经培训合格，持证上岗。八、铝热焊工艺的主要流程 准备工作轨端干燥轨端除锈去污对轨夹具安装砂模安装封箱预热坩埚安装点火反应镇静拆磨推瘤打磨 九、铝热焊操作步骤 1、准备工作 （1）预先了解待焊钢轨的轨型和材质，正确选择砂型和焊剂的类型。（2）出发前必须安排专业人根据焊接清单清点全部施工物品，以免少带、漏带影响施工。（3）对施工设备、燃气瓶等进行检查，确保使用时安全可靠。（4)从焊缝两侧钢轨开始,每一侧松开 2-4 组扣件，然后至
8、少将 50m 范围内的钢轨扣件按规范锁紧，并在焊缝两侧各第一个锁紧扣件处的钢轨上，做划线记号，以便观察钢轨 2 移动，然后才可以进行铝热焊焊接。提示：在焊接过程中,如果钢轨发生明显移动则会拉伤甚至拉裂焊缝，并可能引发高温钢水从砂型中外泄，导致焊接事故。（5）气温急剧变化时必须用拉伸机锁定钢轨，然后进行焊接操作。（6）焊接处有缺口、损伤、磨损严重以及端面不规则的钢轨必须切除后，才能进行焊接。（7）待焊钢轨在距轨端 200mm 范围内有螺栓孔时,必须对螺栓孔周边倒角，并用专用钢塞将孔塞紧，以确保钢轨能均匀传递焊接时产生的热量，钢塞必须与螺栓孔配合紧密。2、轨端干燥 砂型安装前需用预热枪对焊缝两侧
9、1 米范围内钢轨进行加热干燥，充分除去钢轨表面水分。3、轨端除锈去污(1)在距轨端 50mm 范围内，用角磨机和钢丝刷对焊接钢轨的端面、轨头、轨要、轨脚和轨底进行打磨清污除锈，要特别注意将轨底打磨清洁干净。（2)打磨完成后，轨头端部边缘需倒角 1mm45。4、对轨 （1）以轨脚处为基准，控制轨缝宽度为 28+2-1 mm。（2)水平调整：用一米直尺分别检查焊缝两端钢轨轨头、轨腰、轨脚时候平直。如有偏差,用对轨架或者钢楔子进行调节，轨头侧面以行车面为基准进行调整.(3)尖点调整：将一米直尺自由放置在轨顶，使其中点与焊缝中点相重合，用对轨架或者钢楔子对轨端高度进行调节，使直尺的两个端部与轨顶之间的
10、间隙为 1。52mm。5、夹具安装 （1）夹具应安装在上风方向，避免逆风安装导致火焰灼伤预热系统.(2)调整预热枪管与轨面平行。（3)用多用塞尺设定预热枪高度,预热枪高度设置为 40mm.6、砂型安装 （1)确认砂型无裂痕、无缺损、无受潮,否则不能使用。（2）砂型浇注孔略作休整,防止预热和浇注时砂粒脱落，造成焊接夹渣.(3)必要时，将砂型贴合钢轨侧面进行左右摩擦，使砂型与钢轨装配处紧密贴合。提示:如果砂型与钢轨配合不良，可能会造成钢水泄漏的焊接事故。（4）安装砂型时,浇注孔要对准焊缝中心，并与轨底垂直，以确保焊缝两端钢轨特别是轨底预热均匀。（5）安装三片模底模板时，底模一定要前后、左右对中，并
11、且要紧贴轨底。(6）第一片砂型安装完毕后，在轨头处放置白卡纸并塞紧缝隙，然后合上第二片砂型。放置时，白卡纸必须露出侧模板。提示：白卡纸燃烧后，会形成碳膜可以保护轨面.（7）锁紧夹具时,应由一人完成，使两侧均匀夹紧。（8)安装砂型过程中，切勿让砂粒等杂物落入焊缝型腔内.7、封箱 封箱是铝热焊操作过程中比较关键的步骤，应高度注意，如果封箱发生问题,很容易造成泄漏钢水的焊接事故.（1）盖上砂模盖，放置砂粒等杂物落入焊缝型腔内，造成焊接夹杂。（2）首先对轨底、轨头处缝隙用封箱砂塞紧压实，然后整体封箱，用捣实棒将所有缝隙捣紧捣实。（3）在砂型顶端，两侧模板之间的封箱砂要填满砂型凹槽,防止浇注时钢水从两砂
12、型之间的侧缝处淌出。（4）将侧模板顶端的边耳覆盖上封箱砂以保护侧模板。（5)试放分流塞,如果过紧，进行适当修整.（6）封箱结束后，焊接负责人应仔细检查封箱时候达到规定要求，以确保焊接成功。(7）将灰渣盘安装在侧模板的挂臂上，要挂稳落位，以避免熔渣流入时灰渣盘发生倾斜甚至脱落.8、预热过程的控制 (1）预热气体压力参数：氧气和丙烷的工作压力分别为 4.5、1.2 帕.（2）火焰调节：先微开预热枪的氧气阀门，3 秒后微开丙烷阀门,再点火。然后交替开大两个阀门，直到氧气阀门完全打开。(3)调节丙烷阀门,控制火焰形态，使蓝色的焰芯长度保持在 1520mm 范围内，此时火焰为中性火焰。提示：在火焰调节过
13、程中，时刻观察氧气和丙烷的工作压力是否符合参数要求。(4）用预热枪对两个灰渣盘稍作烘烤，去除灰渣可能带有的水分.（5）将预热枪安置在预热枪座上，调节枪头垂并在焊缝中的位置呈前后左右置中，火焰喷出浇注孔，开始预热计时。预热时间为 45 分钟.提示：在浇注孔上方的火焰长度大约为50cm。（6）密切关注整个预热过程，特别是轨腰受热颜色的变化，预热完成时,轨腰的温度为 9501000,其颜色为亮黄色.（7）预热的过程中，需对分流塞作适当烘烤预热除去水分。（8)预热枪头错误安装会导致以下情况：枪头过高使轨脚预热不足，枪头过低使轨头预热不足，枪头不垂直、不置中使轨缝两端预热不均匀。(9）预热完毕，撤除预热
14、枪,先关闭丙烷阀门，3 秒钟后关闭氧气阀门.9、坩埚的使用 （1）打开一次性坩埚的封盖，确认坩埚壁、自熔塞完好无损，清理并倒出坩埚内浮砂。（2)确认焊剂袋无破损,将焊剂反复倾倒三次，混合均匀后倒入坩埚中，使其顶部形成锥形,此时可以把高温火柴放置在坩埚内的焊剂上面。(3）预热完成后，立即将坩埚安置在砂型侧模板顶部定位片内,取出坩埚内高温火柴，在红热状态下的砂型浇注孔内将其擦燃,然后轻而稳地将高温火柴三分之二长度插入焊剂锥形顶部，点燃焊剂，迅速盖上坩埚盖,所有人员退离到 3 米以外安全距离。10、焊剂反应 (1）记录者观察焊剂反应状况，当坩埚盖孔一出现明火时,为焊剂反应开始时间；一旦明火出现迅速萎
15、缩，则为焊剂反应结束时间。焊剂反应从开始到结束之间的时间间隔反应时间，焊剂反应时一般为 815 秒。（2）当坩埚底部一出现钢水时，即为钢水落下时间.钢水落下与焊剂反应结束之间的时间间隔为钢水镇静时间，钢水镇静时间一般为 618 秒。11、拆模 （1）浇铸完成后 2 分钟移去坩埚，将其放在干燥、无易燃物的地方,然后移去灰渣盘，并将灰渣倒入坩埚中。（2）浇铸完成后 4 分 30 秒钟，拆除模板和夹具装置。在拆除模板过程中一定要小心,不要晃动砂型，更不能拉裂砂型，以免影响焊缝金属的正常结晶.甚至导致砂型开裂，钢水流出。12、推瘤 （1）浇注完毕 8 分钟，去除轨头砂型.（2）8 分 30 秒钟开始推
16、瘤。提示：推瘤过早会因轨头硬度过软而容易拉伤轨面；推瘤过迟会因轨头硬度过硬而难以推除焊瘤。13、打磨 （1)推瘤完成后,可以立即进行粗打磨,以节省施工时间。（2）焊头温度降至 300以下时才能放车通行，焊头冷却期间，不得采取浇水等手段进行强制冷却。(3）焊头冷却至环境温度后，进行精打磨。14、完成焊接 （1）焊接完成后,将熔渣、废钢材、废砂型等清理干净，装入反应后的坩埚中，撤离工地时带到指定的场所处理，不得将其丢弃在施工现场，造成对铁路沿线环 十二、常见的铝热焊缺陷及原因分析 1、夹杂 特征：断口处存在不规则体积的夹渣,一般呈暗灰色.形成原因：自熔塞打开过早使焊渣未来得及和钢水分离；或者其他杂
17、物进入焊缝；封箱过程中，预热过火,轨端“滴泪”；轨端不洁等.2、未焊透 特征：断口呈未溶合状态。产生原因:预热温度不够或不均匀；砂模孔与轨脚对位不准确,间隙不均匀。3、气孔 特征：接头内部表面光滑的圆形或椭圆形的孔.主要原因：焊剂、砂模、坩埚受潮；封箱砂过潮；轨端的水分和油污没有清理干净。3、未溶合 特征:接头内部熔合区域平整性断裂.主要原因：焊接浇注时，钢轨受拉,轨缝发生位移。十三、安全事项 1、氧气、丙烷的存放、运输和使用必须遵照国家易燃易爆化学物品消防安全监督管理办法执行.2、施工前,对燃气瓶和各类设备按规程进行检查，确保施工过程安全可靠。3、高温火柴与焊剂在包装、储存和运输过程中必须分
18、开，绝对不能将高温火柴随身放在衣袋中。4、确保燃气装置没有泄露。如果发生回火,应立即先关闭氧气阀门,后关闭丙烷阀门.5、预热枪在点火、调节火焰和带火移动时,应该举高枪口火焰斜向无物的上空，防止火焰灼伤人和物品。6、焊剂、坩埚和砂型要防潮。正在反应的焊剂及其装置不能与水接触，不能用水和液体灭火剂灭火。遇紧急情况时，应该使用干砂或者干粉灭火器灭火。7、预热时，观察预热效果应戴护目墨镜,墨镜镜片界别为 5 级。8、在焊剂反应与钢水浇注期间，所有人员应该保持距坩埚 3 米以上距离，观察者戴护目镜。9、焊剂反应完成后，如果钢水没能从坩埚中释放出来，必须让钢水在坩埚中冷却 20 分钟后才能移动坩埚。10、灼烧状态下的浇铸棒、砂型残渣、坩埚、灰渣盘及坩埚盖等铝热反应后产生的产物和物品，应该放置在干燥、无易燃物的地方.11、在隧道内和通风不良的场所施工必须使用乙炔做燃气。12、氧气瓶、燃气瓶（丙烷瓶或乙炔瓶）与焊缝之间的放置安全距离10m，气瓶之间的放置安全距离5m.13、丙烷瓶及乙炔瓶必须在直立状态下使用。14、打磨时，操作人员必须穿戴适当防护用品：护目镜、手套、靴子、工作服、工作裤等，注意隔离打磨时产生的火花。15、报废的焊剂,要与 2 倍以上体积的干砂混合均匀后，在作妥善处理.