起重軌道鋼軌鋁熱焊接技術

起重軌道鋼軌鋁熱焊接技術
1.基本原理
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
3FeO+2AI=3Fe+Al₂O₃+199.5kCal
Fe₂O₃+2AI=2Fe+Al₂O₃+99kCal
3 Fe₂O₃+8AI=9Fe+4Al₂O₃+773.3 kCal
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。
 
2 .鋼軌鋁熱焊劑的設計
2．1焊劑化學成分的設計
由于鋁熱化學反應釋放出大量的熱，其反應產物的溫度可達3000℃^【6】，但實際焊接鋁熱鋼水的溫度一般只需2000℃即可^【7】。此外，碳對提高鋁熱焊縫金屬強度效果較大，錳和硅通過固溶強化，可明顯提高焊縫金屬的抗拉強度。少量的鉻、鎳和鉬也可通過固溶強化，提高焊縫金屬的抗拉強度，鋁、鉻、鎳和稀土等元素在鋁熱反應時形成高熔點的氧化物，該類氧化物在焊縫凝固時，作為液態金屬的形核劑，在凝固過程中細化晶粒，提高焊縫的抗拉強度^【9，10】。因此，可通過控制鋁熱焊劑中合金添加劑的種類和數量來降低鋁熱鋼水的溫度，并調節鋁熱鋼水的化學成分，優化焊縫金屬的性能。
焊縫金屬相變后的組織主要通過組織的種類、形態、晶粒度等影響焊縫金屬的力學性能^【8】。組織的種類不同，焊縫金屬所具有的強度、韌性、延性等不同。除化學成分外，焊后的冷卻速度和焊后處理會明顯改變焊縫金屬的組織，也會顯著影響焊縫金屬的力學性能。
鋼軌鋁熱焊劑成分的設計主要以碳、硅、錳為主要金屬強化元素，用其他合金元素調節焊縫金屬的強度、硬度、韌性等綜合性能。
2．2焊劑材料粒度的配比設計
鋁熱反應應在盡可能短的時間內完成，并迅速收火平靜，以減少因焊劑反應而造成的鋼軌預熱溫度的下降。在焊劑各材料配比相同的情況下，焊劑主要原材料鋁粉和氧化鐵的粒度是影響鋁熱反應速度最為關鍵的因素。
鋁粉和氧化鐵的粒度匹配應當使得待反應的鋁粉和氧化鐵充分接觸，保證鋁熱反應快速順利進行，實驗表明當鋁粉粒度為40~80目，氧化鐵粒度為30~60目時，焊劑的反應速度最快�？焖俚匿X熱反應有利于焊劑在較短的時間內完成鋁熱鋼水的生成，降低預熱溫度的損失。鋁粉和氧化鐵的粒度匹配同時還應考慮到粒度比重的配比，保證焊劑在運送過程中同種原料不發生聚集，焊劑不發生分層。此外其他合金添加劑的粒度也應與鋁粉和氧化鐵的粒度相匹配，保證焊劑均勻一致。
3 .砂型的設計
3．1砂型的制備方法
制備砂型的主要原材料是鈉水玻璃砂，鈉水玻璃砂由高純度的石英砂再加上6％~10％的鈉水玻璃及其他添加劑混制而成。
砂型用機械振擊的方法制備，以保證砂型的緊實度均勻。砂型的硬化采用吹CO₂——烘干硬化法，先吹CO₂氣體使砂型具有脫模強度，然后將其放入到烘干爐內進行長時間烘干以達到脫水硬化的效果。
砂型的硬化是一個化學作用與物理作用相結合的過程。首先C02與水玻璃發生化學反應形成凝膠。CO₂使硅酸鈉溶液分解，產生水合二氧化硅，發生的反應如下
Na₂O·nSiO₂+mH₂O+CO₂=Na₂CO₃+n(SiO₂·pH₂O)
此時只有一部分硅酸鈉分解成二氧化硅，且溶解在堿性水玻璃剩余物和碳酸鈉的溶液中，在砂粒表面上產生了半堅固直到堅固的橡膠狀表層。
此外，未反應的水玻璃及和水玻璃與C02作用生成的凝膠將在烘干時脫水，經過脫水變化，最后得到水合玻璃，導致水玻璃砂的玻璃質粘結^【8】。
3．2砂型結構設計
設計合理的澆注系統和設置正確的冒口結構和位置是鋁熱焊接接頭質量的關鍵性環節。
鋁熱焊接砂型與鋼軌組成的型腔構成的鋁熱鋼水澆注的澆注系統，澆注系統的結構可使鋁熱鋼水能以合理的充填速度盡可能平穩、無噴射飛濺地充填型腔，鋁熱鋼水流不沖蝕砂型，也不在型內互相沖擊，造成卷氣和吸收氣體。鋁熱焊接砂型的冒口是一個儲存鋁熱鋼水的空腔，其主要作用是存儲在鋁熱鋼水凝固過程中由于體積變化而需要補償的金屬液，以防止在焊筋中出現收縮類缺陷。此外冒口還有排氣及匯集浮渣和非金屬夾雜物的作用。
由于鋼軌橫斷面尺寸變化大，鋁熱焊接鋼軌的澆注系統結構復雜，而且由于鋁熱焊接的特殊性，鋁熱鋼水的澆注溫度很高，鋼水在凝固中收縮較大，易形成縮孔、疏松、熱裂等缺陷。因此，鋁熱焊接的澆注系統和冒口結構對焊接預熱效果和鋁熱鋼水在澆注型腔中的凝固行為影響很大。
圖2為QU100起重軌道鋼軌鋁熱焊接澆注系統的三維模型，這種澆注系統的冒口結構與鑄造上的階梯式澆注系統相似，澆口位于鋼軌軌頭頂部，在鋼軌每側軌底腳上方各設置一個冒口，并在軌頭下顎處與型腔相連，在軌頭上方設置軌頂冒口。這種澆注系統的特點是砂型結構緊湊，冒口補縮效果好。

圖3所示為該澆注系統下鋼軌鋁熱焊接過程中鋁熱鋼水充型過程計算機流場模擬結果。結果顯示鋁熱鋼水澆注到型腔后，首先通過分流塞從兩側澆注到由鋼軌和砂型組成的型腔中，然后鋼水從軌底腳流入到冒口中，與此同時，鋼水通過軌頭側面的橫澆口注入到冒口中。整個過程實現了鋁熱鋼水平穩地充填型腔，沒有明顯的鋼水飛淺和流動死角，可以有避免夾雜、氣孔和未焊合的產生，對保證鋼軌焊接接頭的性能是有利的。

4 .坩堝的優化設計
坩堝有2種，一次性坩堝和耐用多次坩堝，2種坩堝均滿足使用要求。
一次性坩堝內胎采用耐火材料制成，底部預埋置耐高溫石棉墊，反應生成的鋁熱鋼水可以自動將耐高溫石棉墊熔化，實現鋁熱鋼水自動澆注的目的。一次性坩堝只能用1次，用后拋棄，突出優點是使用方便，便于搬運，節約時間。
耐用多次坩堝內胎也采用耐火材料制成，在焊接前需要在坩堝底部安裝自熔塞，反應生成的鋁熱鋼水可以自動熔化自熔塞中部的石棉墊，實現鋁熱鋼水的自動澆注。耐用多次坩堝可以使用多次，焊前需要預熱一段時間，并需要等溫度降到200度左右才能用，而且每次焊接完成后，需要清除自熔塞殘骸，工裝復雜，工序繁瑣，而且由于自熔塞是需要焊接人員安裝，因而澆注時間的穩定性比一次性坩堝較差。
坩堝對焊劑的澆注時間和平靜時間有著至關重要的影響，石棉墊的厚度和壓制工藝決定著自熔塞熔化時間。采用帶溢流閥的液壓設備進行自熔塞石棉墊的壓制，可以保證石棉墊在相同的壓力下緊實，從而保障澆注時間的穩定性。圖4所示為一次施工過程中，使用9號一次性坩堝澆注時間的統計。焊接過程中澆注時間很穩定，95％焊接接頭的澆注時間在36～43s。穩定的鋁熱鋼水澆注時間有利于保證鋁熱鋼水平靜時間的穩定，保證鋼液中夾雜物有充分的上浮時間，減少鋼水中的夾雜物，穩定焊接接頭金屬的性能。

5 .結論
(1)起重軌道鋼軌鋁熱焊劑的化學成分與鋼軌相似，粒度相互匹配，焊劑不發生分層。
(2)起重軌道鋼軌鋁熱焊接用砂型鈉水玻璃砂制備，并烘干脫水硬化制造。
(3)砂型結構設計便于鋁熱鋼水平穩充填砂型型腔，保證焊接接頭質量。
(4)坩堝使用耐火材料制備，自熔塞結構可以保證鋁熱鋼水澆注的穩定性。