洋山三期轨道铝热焊接工艺应用及焊缝断裂分析

章琦，刘耘东

（1.广州南华工程管理有限公司，广东 广州 510230；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 概况

上海国际航运中心洋山深水港区位于小洋山一侧，三期工程码头设计为第五（六）代集装箱专用泊位，岸线总长2 600 m，分两个阶段实施，分别于2007年和2008年交工验收。

码头集装箱装卸桥吊轨道轨距35 m，采用进口钢轨A150（高度15 cm），钢轨抗拉强度≥880 MPa。钢轨标准长度12 m，钢轨接头采用铝热焊接工艺。该工艺虽然在国内应用时间较长，但对A150此种规格的钢轨来说，铝热焊接接头还是首次。

洋山三期工程一阶段和二阶段钢轨采用过渡性连接方案，一阶段和二阶段内的钢轨则全部连成一体，一阶段轨道和二阶段轨道全长分别为1 345 m和1 245 m。

广州南华工程管理有限公司监理的项目为一阶段Ⅰ标段和二阶段Ⅳ标段码头工程，一、二阶段全部轨道焊接则由分包单位实施。

2 铝热焊接钢轨的基本原理和工艺技术要求

2.1 铝热焊接的基本原理

铝热焊接方法[1]为：焊接时，预先把待焊两工件的端头固定在铸型内，然后把铝粉和氧化铁粉混合物（称铝热剂）放在坩埚内用高温火柴点燃，使之发生还原放热反应，形成液态金属流入接头空隙，将接口填满，经过打磨处理，将两根钢轨完美连成一体。

2.2 铝热焊接的主要工艺流程技术要求

1） 在钢轨焊接前，将待连接钢轨端头各150 mm的铁锈（含上、侧、底面）打磨干净。

2） 轨缝满足25±2 mm要求。应测量上、中、下3处，下处轨缝不得超过上处轨缝宽度，上轨缝宜为25～27 mm。

3）钢轨接头进行垂直、水平、倾斜对正，差异不得超过0.5 mm，顶部预留1.6 mm尖点。

4）安装砂模。先安装底砂模、再装侧砂模，并在装侧砂模前，对接头再次检查调正。砂模装好后，将砂模与钢轨接触的一周圈缝隙处全部抹上封箱胶泥[2]。

5）钢轨接头进行预热。预热中间不得间断，预热应通过以下3方面进行检查控制：

①温度应达到900℃以上，预热时间应满足工艺规定，预热后观察钢轨端应清晰发红；

②预热为压缩空气+液化气预热系统，注意每次焊接前，检查压缩机汽油和液化气重量以确保预热不间断；

③A150轨道预热时间约为38 min，预热时间确定从火焰的调节完成开始按下秒表计时，轨端发红应为钢轨中间及轨头颜色发红，预热温度用红外线测温仪测定，要不间断注视整个预热过程。

6）在预热将结束时，将焊药倒入坩锅，预热完成后立即将装有焊药的坩锅放在砂模中央，点燃点火引信，盖上锅盖，对接口进行浇筑（见图1）。

图1 铝热焊接施工图Fig.1 Thermite welding construction

7） 浇筑完成保温时间达到45 min后，将侧模夹具拆除，并待焊接头自然冷却后，将砂模敲掉并将接口打磨，顶面应与母材连接平顺，侧面可突出于母材，形成加强层。

8）焊接完成后，对每个焊口及时进行表面检查和超声波、磁粉探伤检测并留有检测记录。有缺陷的接头应切割掉重焊，切割口离焊口至少150 mm。

3 铝热焊接钢轨质量控制要点和需注意的问题

3.1 检查接头位置

在布置钢轨时，应注意接头位置离开伸缩缝至少3 m，且前后轨接头应错开。

3.2 焊接工艺评定

正式施焊前，要求施工单位进行焊接工艺试验评定，对焊口质量进行检验，并确定焊接技术参数。工艺评定报告和焊接手册应报监理工程师批准。

3.3 现场操作情况

根据批准的焊接手册检查施工单位现场操作情况是否符合要求，主要有：

1）检查待连接钢轨端头两侧各150 mm上下和侧面范围的铁锈是否打磨干净。

2）测量轨缝，应满足工艺要求，并进行固定和检查对正情况。

3）检查砂模有无缺损、断裂，焊剂包装袋有无破损，剂量是否满足要求[3]，焊剂是否受潮变质。不符合要求的不准使用。

4）检查预热时间是否满足控制标准，预热用气体压力表指示是否符合控制规定，预热后检查钢轨端是否清晰发红，是否达到控制温度，否则应延长预热时间。

5）检查是否在浇筑后达到规定的时间拆模。

3.4 检查打磨情况

当焊口冷却到空气温度时，进行精细打磨，打磨后，接头与母材应连接平顺。

3.5 施工记录

督促施工单位对每个接头施工情况进行记录，记录应具有可追溯性，含接头位置、焊工姓名、天气情况、完成时间、预热温度、几何偏差、铝热焊剂材料批号等。监理对接头施工情况进行抽查并填写旁站记录。

3.6 提供探伤检测报告

每个接头应提供探伤检测报告，含磁性检测和超声波检测，监理工程师应仔细检查探伤报告，判定为不合格的，应指令施工单位锯除不合格接头重新施工。

3.7 施工中需注意的问题

1）钢轨间隙控制：2根单轨连接较好控制，但如果有1根为已连接好的长轨，则要注意钢轨温度变化引起的热膨胀和冷收缩对轨缝宽度的影响。虽然装沙箱前可以将缝宽调到规定的范围，但装沙箱后至焊接结束有1 h多，如果此时气温变化较大，则缝宽可能不符合要求。

2008年5月31日上午在焊接时，曾发生封箱泥开裂，钢水外溢事故。事故原因分析为钢轨西头总长已为58 m，间隙虽留置34～35 mm，但由于温度上升较快，钢轨伸长较大，顶坏了砂箱模具。

应对措施：焊接长轨时，应避免在气温变化较大的时段施工；另外应计算钢轨可能发生的伸缩量，调整预留缝宽。

2）焊缝质量控制：

①应注意天气状况对焊接质量影响。为防止加热和浇筑过程发生中断意外或预热不均，宜搭设挡风遮雨棚；

②密封砂模的封箱泥要均匀不能太厚以免影响封箱泥未烘干而在铁水浇注过程中产生气孔；

③严禁使用焊剂受潮、开裂、破损的药包、坩埚和砂模，另外要观察温度变化和控制预热时间，确保预热连续，焊药按时点燃。

4 焊缝断裂情况和原因分析

4.1 焊缝断裂情况

铝热焊接在一阶段应用较成功，交工后当年焊缝没有断裂；但二阶段2008年9月交工后，当年11月温度降低后即有4处焊缝断裂，断裂部位位于轨道的末端15～150 m范围，第2年增加到6处。分析焊缝断裂的原因，提出以下结论：

1） A150钢轨铝热焊接技术本身不够成熟、使用有风险。据技术提供方法国拉伊台克的经验，采用铝热焊的质量保证率一般为95%～99%，在其它码头较小钢轨的使用中也有断裂的情况出现。

2）焊缝检测手段仅为超声波探伤，不足以发现可能存在的缺陷，检测结论不够可靠。

3）由于为进口材料，使用经验少，国内无检测标准和试验手段，现场对焊剂材料、焊接工艺评定、焊缝合格判定等存在监管风险。

4.2 焊缝断裂原因分析

轨道连成整体的长度较长或轨道安装固定的时间不当也是焊缝断裂的原因之一。一阶段轨道焊接后，有1 000 m左右轨道7—8月完成安装、与码头固定；码头结构1～4分段约300 m左右轨道因码头位移未稳定，轨道安装固定推迟至当年11月，码头温度降低后，轨道与码头的伸缩率不一致使轨道处于受拉状态，但因长度较小，受力未超过极限，焊缝没有断裂。由此可推论，二阶段轨道整体安装时间如避开最热的7—8月，或将二阶段轨道连成整体的长度降低一半，可能也不会发生断裂。

5 结语

铝热焊接工艺与电焊相比，具有焊接速度快、施工效率高、工艺技术要求相对简单等特点，但其钢轨和铝热焊接材料都需要进口，造价较高。同时也要注意，应用该技术时，焊缝存在断裂的可能性，断裂主要是由于工艺本身的技术问题和焊接时机掌握不好。在码头使用后，断裂修复对生产有一定影响，故应权衡利弊，选择应用该技术。

[1]吕凡昌.铝热焊接法在洋山深水港区码头钢轨焊接中的应用[J].港口科技，2007（7）：33-36.LYU Fan-chang.The application of aluminium heat weld method on the rail welding in the deep water port area of Yangshan Island[J].Science ＆ Technology of Ports，2007（7）：33-36.

[2]杨胜生.钢轨铝热焊接技术在盐田三期工程中的应用[J].水运工程，2004（10）：57-59.YANGSheng-sheng.Application of Aluminithermic welding technology for steel rail in Yantian Port area phaseⅢ project[J].Port＆Waterway Engineering，2004（10）：57-59.

[3]杨胜生，莫文贺.钢轨铝热焊接技术在码头工程上的首次应用[J].华南港工，2004（12）：56-58.YANG Sheng-sheng，MO Wen-he.The first application of Aluminium welding technology for steel rail in wharf engineering[J].South China Harbour Engineering，2004（12）：56-58.