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　　地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法的研究與應(yīng)用

　　摘要：地鐵供電系統(tǒng)中采用鋼軌進(jìn)行均回流，均回流銅排需與鋼軌進(jìn)行放熱焊接；針對焊接易導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌問題，對均回流銅排焊接方法從工藝、焊藥用量、溫度控制、鋼軌探傷等方面進(jìn)行了研究分析；改進(jìn)施工方法，滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織試驗要求，消除地鐵運(yùn)營安全隱患。

　　關(guān)鍵詞：地鐵 均回流銅排 焊藥 焊接 方法

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國大中型城市交通擁堵狀況日益加重，修建地鐵已成為大中城市緩解城市交通擁堵的最佳選擇。地鐵供電工程利用鋼軌進(jìn)行回流，由于電流大，均回流電纜根數(shù)多，所以采用在鋼軌軌腰處焊接均回流銅排來滿足接線的需要。均回流銅排和鋼軌材質(zhì)不同，焊接會導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌事故。如何改進(jìn)均回流銅排與鋼軌焊接方法，消除地鐵運(yùn)營安全隱患，指導(dǎo)后續(xù)地鐵的建設(shè)施工變得十分必要。

　　邦和公司結(jié)合多年工程實踐及有關(guān)試驗研究情況，對地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法進(jìn)行研究，改進(jìn)了施工方法，消除了焊接導(dǎo)致的鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌事故。

　　1目前放熱焊接方法存在的問題

　　目前地鐵均回流銅排與鋼軌焊接主要采用放熱焊接，工藝要求較高，存在預(yù)熱時溫度把握不好，焊藥劑量使用不當(dāng)，回火（冷卻）環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)，導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部金相組織發(fā)生變化，形成非常脆的馬氏體組織，對鋼軌造成一定的傷害，導(dǎo)致鋼軌斷裂的風(fēng)險。在某條地鐵運(yùn)營線中，曾發(fā)生過因均回流焊接導(dǎo)致的鋼軌斷裂情況，如圖1。尤其是在高架區(qū)段，受溫差變化的影響，會給地鐵運(yùn)營帶來安全隱患。

　　2改進(jìn)后的施工方法

　　2.1工藝原理

　　通過鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生液態(tài)高溫銅液和氧化鋁的殘渣，并利用放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫來實現(xiàn)均回流銅排與鋼軌熔接的焊接工藝。

　　3Cu2O+2Al點燃6Cu+Al2O3+熱量（2537℃）

　　2.2工藝流程

　　地鐵均回流銅排焊接工藝流程見圖2。

　　2.3操作要點

　　2.3.1制作接線銅排

　　根據(jù)現(xiàn)場實際情況加工接線銅排，規(guī)格為10×100mm的銅排，長度現(xiàn)場確定，為保證電氣連接性能，銅排表面應(yīng)作鍍錫處理。

　　2.3.2打磨焊點處鋼軌

　　根據(jù)均、回流點的位置，找到具體的焊點，以該點為中心向兩邊在鋼軌上劃兩條豎線，兩條線之間的距離應(yīng)比接線板的寬度寬約40mm。

　　用角磨機(jī)在劃定的區(qū)域范圍內(nèi)對鋼軌進(jìn)行除銹處理，將鋼軌表面部分除銹，露出光亮部分即可。

　　2.3.3預(yù)熱模具及鋼軌

　　用液化氣噴槍對模具的裝藥孔的內(nèi)壁進(jìn)行十秒鐘的烘烤，對模具的內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)熱處理，如圖3。

　　用液化氣噴槍在鋼軌焊接點的背面對鋼軌進(jìn)行加熱至400℃；加熱過程中用專用的紅外線激光溫度測試儀對鋼軌實時監(jiān)測，嚴(yán)格控制溫度，防止鋼軌過熱或溫度不夠，如圖4。

　　模具及鋼軌加熱完畢后，將模具安裝在焊點位置，將所焊接的接線銅排穿入模具。

　　2.3.4安裝模具和接線銅排

　　焊接時均回流接線銅排的端部與鋼軌的間隙為2～5mm，為控制間隙，所有的銅排在運(yùn)抵施工現(xiàn)場前應(yīng)在接線銅排上畫出2mm和5mm間隙的刻度線，操作員到現(xiàn)場后只要保證露出一根刻度線即可保證間隙在2～5mm之間，將模具與鋼軌固定牢固。

　　2.3.5放入焊藥及點火

　　將一專用墊片放入儲藥孔底部，防止藥放入后焊藥漏入穿線孔；墊片放入后，根據(jù)焊藥的使用說明，放入儲藥孔內(nèi)相應(yīng)劑量的焊藥。每個焊點是750號焊劑用量，即3包200號焊劑加1包150號焊劑，如圖7。

　　將點火引藥放進(jìn)儲藥孔內(nèi)的焊藥上面，將少許引藥放在模具的儲藥孔的上部邊緣，然后將儲藥孔蓋上。

　　用點火槍將儲藥孔的上部邊緣的引藥點燃，引燃儲藥孔內(nèi)的焊藥，通過燃燒產(chǎn)生的高溫以及焊劑的作用，將鋼軌表面與熔解的均回流銅排端頭表面熔合在一起。

　　2.3.6處理焊點及鋼軌

　　焊藥熔劑冷卻1分鐘后，將模具取下，將焊點上的殘渣用電焊錘敲下，同時將模具儲藥孔及穿線孔內(nèi)的殘渣清理干凈，并用電焊錘對焊點進(jìn)行敲打檢查焊點的焊接質(zhì)量。

　　在取下模具進(jìn)行焊點處理的同時，用液化氣噴槍或乙炔氣焊槍對焊點背面的鋼軌表面進(jìn)行加熱，加熱時間為10min，并應(yīng)對不同的季節(jié)控制不同的時間，以加熱至鋼軌軌溫達(dá)到400℃為宜，使鋼軌緩慢降溫（緩冷），即對鋼軌進(jìn)行正火處理來恢復(fù)鋼軌的金相組織，以防止焊接對鋼軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來變化損害鋼軌。

　　接線銅排焊接完成后需在鋼軌與銅排接觸處（焊點處）涂抹瀝青，以防止焊接處氧化。

　　2.3.7安裝支撐絕緣棒

　　回流及均流接線銅排由于只有一端焊接在軌腰，在線路中心的另一端受電纜及本身的重力影響時間長了以后會向下彎曲，為保證銅排的強(qiáng)度，在銅排端部的下方安裝一根絕緣棒作為支撐。根據(jù)焊接后接線板的高度，確定絕緣棒的高度。絕緣棒可采用環(huán)氧樹脂棒，根據(jù)實際長度的需要在現(xiàn)場進(jìn)行裁割。在絕緣棒的上端打孔，然后采用φ10×35熱鍍鋅螺栓與銅排連接即可。

　　2.3.8焊點處探傷

　　依據(jù)《鋼軌超聲波探傷探頭技術(shù)條件》（TB/T2634-1995），對焊點處進(jìn)行涂油、探傷，探傷儀顯示不允許出現(xiàn)馬氏體或明顯的貝氏體組織；金相組織檢驗，金相組織應(yīng)為珠光體，允許有少量鐵素體。

　　2.4質(zhì)量控制措施

　?。?）焊接前必須對模具和鋼軌進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接后必須對鋼軌進(jìn)行緩冷處理，鋼軌軌溫均應(yīng)達(dá)到400℃為宜，以防止溫度的劇烈變化對鋼軌帶來的傷害。模具在卸載后請及時用毛刷將模具腔內(nèi)的殘留物清除，以作好下一個焊接的準(zhǔn)備。模具在第一個焊接點結(jié)束后一個小時內(nèi)重新焊接新焊點，可以不用進(jìn)行預(yù)熱處理。（2）在焊接過程中，嚴(yán)格按照操作要求控制鋼軌的溫度。

　?。?）在焊接前必須用砂紙將銅排端頭的氧化層打磨掉。

　?。?）銅排穿入模具后，應(yīng)保證銅排與模具接觸密實無縫隙，當(dāng)模具使用幾次出現(xiàn)縫隙后，應(yīng)用防火泥進(jìn)行封嚴(yán)，防止熔解的焊劑外流影響焊接質(zhì)量。

　?。?）對鋼軌進(jìn)行加熱時應(yīng)均勻，火焰應(yīng)不停來回移動，嚴(yán)禁火焰對準(zhǔn)一處持續(xù)加熱。

　?。?）嚴(yán)格按照要求控制焊藥用量。

　?。?）焊接只能在軌腰中部，焊接點應(yīng)距鋼軌接頭600mm以上。

　?。?）嚴(yán)禁在同一焊點二次焊接。

　?。?）正式焊接前，須在試驗軌上進(jìn)行焊接工藝試驗，滿足《鋼軌焊接第1部分：通用技術(shù)條件》（TB/T1632.1-2005）規(guī)定的落錘試驗和疲勞試驗的要求。還需進(jìn)行金相組織檢驗，金相組織應(yīng)為珠光體，允許有少量鐵素體，但不允許出現(xiàn)馬氏體或明顯的貝氏體組織，焊接熱影響的晶粒度與母體相比，差值不得大于一級。

　?。?0）對每一處焊點進(jìn)行超聲波探傷，施焊處不得產(chǎn)生過燒、裂紋等有害缺陷，并滿足《鋼軌超聲波探傷探頭技術(shù)條件》（TB/T2634-1995）的要求。

　　2.5安全注意事項

　?。?）在進(jìn)入施工現(xiàn)場后，施工人員必須配戴安全帽，穿工作服和防護(hù)服，不準(zhǔn)穿拖鞋及高跟鞋。嚴(yán)禁作業(yè)人員在鐵軌上坐臥、休息。

　　（2）放熱反應(yīng)瞬間完成，時間是3～4s，模具的溫度較高，嚴(yán)禁用手拿或觸碰模具，卸載模具時一定要帶好手套，以免灼傷，并由專人負(fù)責(zé)操作。

　　（3）熱熔焊劑必須在專用的熱焊模具中使用，要嚴(yán)格按要求使用，以免引起意外。

　?。?）點火焊接時，操作人員應(yīng)戴好手套和做好必要的防護(hù)措施，點燃反應(yīng)時現(xiàn)場操作人員與熱焊模具保持0.5m的距離，同時操作人員和所有現(xiàn)場人員都不要站在熱焊模具反應(yīng)口的正面，以免少量火星噴射導(dǎo)致灼傷。

　?。?）嚴(yán)格按工序進(jìn)行焊接，不得顛倒施工工序，避免造成意外情況發(fā)生。

　?。?）焊接前要辦理動火證，配備看火人員和滅火器。

　　3結(jié)語

　　該焊接方法在北京地鐵10號線一期南段和北京地鐵9號線中得到了應(yīng)用和推廣。地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法工藝要求高，為了避免發(fā)生焊接導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌問題，必須嚴(yán)格遵守每道工藝流程，精心施工，方能滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織等各項指標(biāo)要求，消除地鐵運(yùn)營安全隱患，達(dá)到預(yù)期效果。