铝热焊接技术的开发与应用

    杜全斌 张肇伟

    

    

    摘 要：铝热焊接技术具有设备简单、热容量大、作业时间短及接头平顺性好等优点，在铁路钢轨、电力系统接地网及大截面构件的焊接中得到广泛应用， 但目前国内有关铝热焊技术的标准尚不完善。通过介绍铝热焊的基本原理及铝热焊剂的具体要求，在此基础上重点总结了铝热焊技术在铁路钢轨、电气工程、石油管路中的应用现状，提出了铝热焊技术的研究方向。

    关键词：铝热焊;铝热焊剂;钢轨;接地网

    中图分类号：TG451? ? ? ? 文献标识码：A

    Abstract： Aluminium heat welding technology has the advantages of simple equipment， large heat capacity， short operation time and joint comfort and other advantages. It is widely used in railway rail， power system grounding grid， and large cross section component. However， the domestic standard of aluminum heat welding technology is not perfect. This paper introduces the basic principle of the aluminum heat welding and the specific requirements of the aluminum heat flux， summarizes application status of aluminum welding technology in railway rail， electrical engineering and oil pipeline， and puts forward research direction of the technology of aluminum welding.

    Key words： aluminum hot welding; aluminum heat flux; rail;grounding grid

    0 引言

    铝热焊接接头属于一种铸造组织，基于铸造冶金学原理及特点，如果采用不合理的铝热焊工艺、品质不高的铝热焊剂，形成的接头内部容易产生气孔、夹渣、开裂等典型铸造缺陷。目前，国内铝热焊剂生产厂家众多，产品类型多样化，但产品品质良莠不齐，再加上国内对焊接工艺没有规范化，铝热焊接头质量难以得到可靠、有效的保证，存在较大安全隐患。随着铁路系统、电力系统的发展，长期、可靠、安全的铝热焊接头是保障铁路高速运行、维护电力系统稳定性、提升运行人员和设备安全性的根本保证和重要措施。[1]

    本文参考国内外相关文献，介绍了铝热焊的基本原理及铝热焊剂的具体要求，在此基础上，重点总结了铝热焊技术在铁路钢轨、电气工程、石油管路中的应用现状，提出了铝热焊技术的研究方向。以期加深大家对铝热焊的理解，促进铝热焊工艺的开发与应用，同时对该工艺的实际操作具有指导和借鉴意义。

    1 铝热焊的基本原理及特点

    铝热焊为热剂焊的一种，原理是利用还原剂和金属氧化物之间的氧化还原反应，短时间产生大量的热量，熔融母材，填充接头，从而实现金属焊接的一种方法。

    较高的温度下，铝与氧有很强的化学亲和力，可夺取金属氧化物中的氧元素，使金属还原出来，同时放出大量的热，使该反应进一步进行。能与Al发生氧化还原反应的金属氧化物主要有：FeO、Fe2O3、MnO及CuO等，其中典型的铝热反应化学方程式及其焓变如下表所示[1]。

    由表中可知，铝热焊粉在引燃剂的催化作用下发生化学反应，反应过程中释放大量热量，无需外界热源反应即可继续进行，熔化焊剂中的合金元素，并与反应形成高温液态金属一起注入型腔，液态金属温度高达3000 ℃，使固定在型腔内的待焊件断面熔化并填满整个型腔，凝固后形成焊接接头。

    铝热焊主要有以下优点：

    （1） 设备简单，操作方便，无需电源，适合现场流动作业。

    （2） 热容量大。大量过热高温液态金属瞬时（约10 s）注入型腔，使焊缝具有较高的热容量。

    （3） 焊接作业时间短。铝热焊对待焊件断面清理的要求低，每个焊接接头从准备到最后的打磨完工，可在1 h内完成。

    （4） 接头平顺性好。接头的平顺性仅取决于焊前待焊件的对准精度，焊后无需校直[2]。

    铝热焊的缺点：接头组织为铸态组织，组织内部不仅晶粒粗大，成分偏析严重，还存在凝固过程中气体未及时排出形成的气孔，以及氧化铝残渣等夹杂物[3]。

    2 铝热焊材料

    2.1 铝热焊剂

    铝热焊剂主要由Al粉、氧化物粉及其他粉末组成。其中Al粉和氧化物粉为铝热焊剂的基本组分，它们反应产生大量的热，并形成填充焊缝所需的高温金属液，产生的Al2O3浮于金属液表面成为熔渣。其他粉末主要有两种，一是用于调整焊缝成分，改善焊缝组织，提高焊缝强度;另一种是用于改善焊剂的工艺性能，如助熔剂降低液态金属的黏度、提高流动性。造渣剂，如硅钡钙和萤石粉（CaF2）等，增加造渣和排渣的作用。

    2.1.1 Al粉

    铝热焊剂对Al粉的要求主要是其纯度、不被受潮及氧化物粒度，铝粉中Fe、Cu和Si等有害杂质含量要控制在标准以内。铝粉不能受潮或氧化，潮湿的铝粉形成氢氧化铝，高温下分解成水蒸气、氢气或氧气，形成气孔。氧化铝延缓反应进度，降低还原能力，影响接頭质量。粒度的大小影响铝热反应速度，大颗粒的铝粉反应速度慢，反应时间长，热量损失大，一般要求铝粉粒度小于0.6 mm。

    2.1.2 氧化物

    常用的氧化物主要为氧化铁和氧化铜。根据待焊件及其性能要求的不同，选择合适的氧化物。

    氧化物不仅用来提供反应所需的氧，而且用于提供填充焊缝的高温液态金属。因此铝热焊剂中应选用氧含量合适的氧化物或氧化物组合。如为达到铝热焊剂要求的FeO和Fe2O3含量，可以将FeO通过回转炉燃烧氧化法增加氧含量。为增加铝热焊缝中Cu含量，需在CuO粉末中添加Cu2O粉末[4]。

    氧化物粒度不仅直接影响铝热反应速度，还会影响其氧含量。这是因为氧化物从颗粒表层到内部的组成不同，如氧化铁氧化后表层为Fe2O3，而内部为FeO。

    2.2 铝热焊剂的成分优化

    铝热焊焊缝金属为铸造组织，其物理性能（导电性）和力学性能（强度和韧性）远远低于母材，造成铝热焊焊接件的使用性能较差，因此需要对铝热焊剂的成分进行优化。

    当采用铝热焊焊接钢轨时，研究者向铝热焊剂中添加C元素，提高接头的硬度。为实现铝热焊剂反应过程中热量的再分配，达到均匀产热的目的，研究者往往向铝热焊剂中添加MgO粉，其原理是高温下MgO被还原成单质Mg，吸收热量，低温下Mg再次被氧化成MgO并释放热量。此外，铝热焊剂中还可添加少量的镧铈合金粉，其目的是解决铝热焊存在的接头热脆倾向大、气孔和氧化烧蚀的问题[5]。

    郑州机械研究所的沈元勋等人[3]采用铝热焊焊接电力系统新型接地网不锈钢包钢复合材料时，铝热焊剂中添加了适量的CuP、硼酐（B2O3）以及萤石粉、硅钡钙，并考察了这些粉料对铝热焊接头质量的影响。分析认为：CuP是一种常用的具有自钎剂还原作用的钎料[1]。铝热焊接过程中，CuP合金不参与化学反应，CuP合金作为一种优良的脱氧剂能有效的去除金属熔液里的氧，有效提高铝热焊接头质量。因此，铝热焊粉添加适当CuP可以有效去除液态熔体中的氧气，消除气孔，净化铜液。硼酐（B2O3）是一种高效去氧剂，尤其对于偏碱性的金属氧化膜，如Fe、Ni、Cu等氧化物去除非常有效。其原理为：硼酐作为去氧剂，能有效的去除金属熔液里的氧分子;作为助熔剂，可促进铝热反应中金属的熔化;作为净化剂，可增强熔渣（主要是Al2O3）流动性，避免铝热焊接接头存在气孔、夹渣等缺欠。

    3 铝热焊的应用

    目前，铝热焊主要应用于铁路钢轨、铜铝导体、石油管道接地线及电力系统新型接地网材料的现场焊接。此外，还可应用于大截面铸锻件的焊接与焊修。

    3.1 铝热焊在铁路钢轨中的应用

    无缝线路铺设是提高铁路运输速度的关键，我国铁路钢轨无缝连接的方法主要为铝热焊和闪光焊。铝热焊是无缝线路的重要焊接技术，广泛应用于线路的新建和已有线路的维护[6-8]。

    铝热焊焊接工艺是影响焊接接头质量的重要因素。针对钢轨铝热焊，常用的焊接工艺为：

    （1） 德国的SKV工艺：其特点为预热时间短，如焊接UIC60 kg/m钢轨，预热时间仅为1.5～2.0 min。

    （2） 法国的QPCJ工艺：该工艺为法国Railtech公司研发的快速预热一次性坩埚焊接工艺，具有焊接接头质量稳定、设备简单、方便快速、人为干扰少等优点，已广范应用于我国无缝线路的铺设。

    （3） 中国的TYD工艺：特点是在恒定的工艺参数规范下，用时间控制钢轨端面的预热温度。保证浇注时钢轨端面的温度均匀性，并优化砂型结构设计，充分利用铝热钢水加热待焊钢轨，使其达到焊接温度[6，9]。

    钢轨铝热焊剂的选择应根据钢轨强度、硬度的匹配原则，使接头强度、硬度接近母材，保证良好的线路状态。如U74、U71Mn钢轨的铝热焊剂为铁Ⅲ形，主要含有Mn、Cr、Mo、Ni、V等合金元素，铝热焊缝布氏硬度约为280 HB。PD2、PD3钢轨的铝热焊剂为铁Ⅳ形，主要含有Mn、Cr等，布氏硬度为300 HB[1]。

    钢轨铝热焊的工艺流程为：准备工作→焊接工作（装卡砂型、坩埚装料、放置支架、预热、点火浇注）→整修工作（推瘤、打磨）→接头质量检验。

    3.2 铝热焊在电气工程中的应用

    由于电气工程接地系统的特殊性要求，接地材料的连接方式常采用铝热焊。原因是该工艺制作的接头接地电阻值低，具有较高的连接强度和良好的抗腐蚀性，能承受重复性短路电流冲击。

    根据加热方式的不同，可以分为直接加热和间接加热两种。直接加热方式主要用于铜-铜、铜-钢以及钢-钢的铝热焊，铝热金属液既作为填充金属又与母材直接相熔合。间接加热方式主要用于铝导体的铝热焊，被还原出的金属液不直接与母材相熔合，也不作为填充金属，而是磨具将热量传导给铝导体，使其熔化，凝固时施加一定压力，保证接头紧实焊合。

    为保证接地系统长期安全可靠運行，国外标准允许采用传统接地材料[10]，如铜材、镀锌钢、镀铜钢，以及电阻更低、更耐腐蚀的新型接地不锈钢包钢复合材料。这些材料的连接方式主要为直接加热铝热焊。

    为建设既安全又经济的接地网，韩钰等人[11]综合考虑待焊件材质、截面积及接头型式等因素，研制出适用于铜包钢接地材料的铝热焊剂，参照美国标准 IEEE std 837-2002《变电站接地件永久性联接的质量鉴定》[12]中对接地装置连接接头性能试验的相关规定，对比分析了进口焊粉、国产焊粉及自研焊粉的性能，结果表明：自研铝热焊粉与进口焊粉性能相当，具有更高的性价比。

    针对铜质或铜覆钢接地材料的铝热焊连接，聂京凯等人[13]配制出相适应的铝热焊剂，并研究了铝热焊剂粒径、成分对燃烧速度、焊缝熔点温度及其气孔、夹杂等缺陷的影响。结果表明：随着焊剂粒径的增大，铝热反应剧烈程度下降。当氧化剂、辅料比例固定不变时，随着还原剂比例的增大，焊缝中Al2O3夹杂含量逐渐增加，焊缝熔点温度呈现下降的趋势。此外，焊前清理、预热和焊后保温有利于提高接头性能。

    针对接地网用镀锌钢材料的铝热焊接，冯拉俊等人[14]研究了铝热焊剂粒径对反应燃烧剧烈程度及安全性等的影响。采用正交试验研究了铝热焊剂成分对气孔、夹杂等的影响，筛选最优铝热焊剂成分50%CuO、18%Al、25%Cu、7%造渣剂。采用自研铝热焊剂和国外同类产品进行铝热焊接，对两种铝热焊接头进行外观形貌、抗拉强度及断口形貌、焊缝直流电阻、焊缝熔化温度和价格对比分析。结果表明：当焊剂粒径为120 μm，焊剂引燃正常;自研焊剂接头外观、断面形貌和抗拉强度、直流电阻、熔点温度与国外产品相当，满足国家电网企业的标准规范，但价格远低于国外产品。

    3.3 铝热焊在石油管道中的应用

    长距离的输送管道需要对其阴极保护，即在管道上半部，将其与带状阳极（镁带）钢芯电缆的连接一起，连接方法为铝热焊，并将焊接处采用聚乙烯补伤片防腐绝缘。铝热焊主要施工工艺流程：打磨母材→放置铝热焊模具→置入电缆端头→加入铜片和铝热焊剂→放点火器→压实焊剂→引燃→补伤[15]。

    4 铝热焊技术的探索性研究

    4.1 挤压铝热焊

    针对铝热焊焊缝金属中产生夹杂、疏松等缺陷，伊利诺斯大學采用挤压的方法，来提高焊接接头的质量。原理是在铝热焊接高温液态金属还未完全凝固时，对两端钢轨向中间施加挤压力，使夹杂物上浮，疏松熔合，从而减少焊缝金属内部的缺陷，如图所示。其缺点是由于挤压铝热焊需要两端钢轨的顶煅，所以会影响接头的平顺性[10]。

    4.2 震击铝热焊

    为提高铝热焊接头金属性能，Lonsdale[16]、Fry[17]、Siska[18]分别采用机械震击铝热焊、电磁搅拌铝热焊和超声波震击铝热焊的方法，获得了性能良好的铝热焊接头，其原理均是通过在铝热焊高温液态金属未完全凝固时施加外力作用，加大液态金属内部的对流作用，影响金属凝固枝晶的生长，达到细化晶粒、减少偏析的目的。

    4.3 铝热焊液态金属的过滤

    为净化钢液，Schroeder和Poirier尝试采用含有24%ZrO的多铝红柱石制成过滤网，将其用于过滤铝热钢液。结果表明：虽然过滤网在高温钢液中发生部分熔化，但检测发现经过滤后的铝热钢液中夹杂物含量显著减少[19]。

    5 结论

    铝热焊接技术具有设备简单、热容量大、作业时间短及接头平顺性好等优点，在轨道、电力系统接地网及大截面构件的焊接中具有不可或缺的地位。铝热焊接头为铸态组织，焊缝中常存在缩孔或缩松、气孔和夹杂等缺陷。

    随着对铝热焊接头性能要求的不断提高，铝热焊接技术需不断深入的研发，主要研究方向为铝热焊剂成分的优化设计、铝热焊新工艺的研发等。

    参考文献：

    [1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册第1卷：焊接方法及设备[M]. 北京：机械工业出版社， 2008.

    [2] 胡志成.铝热焊焊接过程中的常见问题及对策[J].上海铁道科技， 2008（4）：56-61.

    [3] 沈元勋， 李秀鹏， 龙伟民.新型接地网材料铝热焊粉开发及性能研究[J].焊接， 2016（3）： 62-65.

    [4] 许江晓， 李秀鹏， 沈元勋.不锈钢包钢复合材料铝热焊接试验研究[J].焊接， 2014.

    [5] 颜敏. 铝热焊接专利技术综述[J]. 中国新技术新产品， 2016（10）： 148-149.

    [6] 张启运， 庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京：机械工业出版社.2008.

    [7] Ueyama Katsuyoshi， Yasuto， Fukada Yamamoto Ryuichi， et al. Improvement in fatigue strength of thermite welds on rails[J]. Yosetsu Gakkai Ronbunshu/Quarterly Journal of the Japan Welding Society， 2003， 21（1）： 87-94.

    [8] Mutton P J， Alvarez E F. Failure modes in aluminothermic rail welds under high axle load conditions[J].Engineering Failure Analysis， 2004， 11（2）： 151-166 .

    [9] Kristan J.Advances in rail welding .Railway Track and Structures[J]. 2004， 100（2）： 15-17.

    [10] 崔成林， 高松福， 迟俊杰， 等. 国内外钢轨铝热焊接技术研究现状和发展[J].铁道建筑， 2009（6）： 96-98.

    [11] IEEE std 837-2002. Qualifying permanent connections used in substation grounding[S].

    [12] 韩钰， 聂京凯， 冯卫民， 等.接地装置连接用放热焊粉研制及接头性能研究[J]. 电力建设， 2011， 32（1）： 91-93.

    [13] 聂京凯，孔晓峰， 陈新， 等.铜质或铜覆材料的放热焊研究[J]. 金属铸锻焊技术， 2012（6）： 136-139.

    [14] 冯拉俊，李新华，沈文宁，等. 接地网放热焊接的新型焊粉研制及接头性能研究[J]. 焊接， 2015（8）： 22-26.

    [15] 侯晓梅.铝热焊技术用于管道阴极保护[J].建设管理， 2014， 33（9）： 91.

    [16] Lonsdale C P. An Evaluation of Grain Refinement Techniques in Thermite Rail Welds[D]. Cleveland：Case Western Reserve University， 1993.

    [17] Fry G T. A Modified Thermite Rail Welding Procedure[R].Association of American Railroads Report， Chicago， 1993.

    [18] Siska P C. The Effect of Sonic Power Vibrations on Solidifying Thermit Welds[D].Colurmbus： The Ohio State University， 1980.

    [19] Schroeder L C， Poirier D R. Improving the Structure and Properties of Thermite Weld Metal[J]. Materials Science and Engineering， 1984： 23-33.