起重轨道钢轨铝热焊接技术

起重轨道钢轨铝热焊接技术
1.基本原理
钢轨铝热焊是利用铝和氧化铁在化学反应过程中释放的大量热量熔化金属，使金属之间形成
熔接或堆焊。铝热化学反应是氧化还原反应，主要反应产物为液态铝热钢和氧化铝熔渣，铁元素被还原成具有高温的铝热钢水，铝被氧化成氧化铝熔渣。铝热焊化学反应的表达式为
3FeO+2AI=3Fe+Al₂O₃+199.5kCal
Fe₂O₃+2AI=2Fe+Al₂O₃+99kCal
3 Fe₂O₃+8AI=9Fe+4Al₂O₃+773.3 kCal
钢轨铝热焊接就是将铝粉、氧化铁和其他合金添加物配制成的铝热焊剂放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃引发铝热反应。在反应过程中，放出大量的热熔化合金添加物，与反应合成的铁形成为钢液，由于其密度大沉于坩埚底部，反应生成的熔渣较轻而浮在上部，在很短时间内，高温的铝热钢水熔化坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中，同时铝热钢水本身又作为填充金属，与熔化的钢轨共同结晶、冷却，将2段钢轨焊成整体，图1为钢轨铝热焊接示意图。
 
2 .钢轨铝热焊剂的设计
2．1焊剂化学成分的设计
由于铝热化学反应释放出大量的热，其反应产物的温度可达3000℃^【6】，但实际焊接铝热钢水的温度一般只需2000℃即可^【7】。此外，碳对提高铝热焊缝金属强度效果较大，锰和硅通过固溶强化，可明显提高焊缝金属的抗拉强度。少量的铬、镍和钼也可通过固溶强化，提高焊缝金属的抗拉强度，铝、铬、镍和稀土等元素在铝热反应时形成高熔点的氧化物，该类氧化物在焊缝凝固时，作为液态金属的形核剂，在凝固过程中细化晶粒，提高焊缝的抗拉强度^【9，10】。因此，可通过控制铝热焊剂中合金添加剂的种类和数量来降低铝热钢水的温度，并调节铝热钢水的化学成分，优化焊缝金属的性能。
焊缝金属相变后的组织主要通过组织的种类、形态、晶粒度等影响焊缝金属的力学性能^【8】。组织的种类不同，焊缝金属所具有的强度、韧性、延性等不同。除化学成分外，焊后的冷却速度和焊后处理会明显改变焊缝金属的组织，也会显著影响焊缝金属的力学性能。
钢轨铝热焊剂成分的设计主要以碳、硅、锰为主要金属强化元素，用其他合金元素调节焊缝金属的强度、硬度、韧性等综合性能。
2．2焊剂材料粒度的配比设计
铝热反应应在尽可能短的时间内完成，并迅速收火平静，以减少因焊剂反应而造成的钢轨预热温度的下降。在焊剂各材料配比相同的情况下，焊剂主要原材料铝粉和氧化铁的粒度是影响铝热反应速度最为关键的因素。
铝粉和氧化铁的粒度匹配应当使得待反应的铝粉和氧化铁充分接触，保证铝热反应快速顺利进行，实验表明当铝粉粒度为40~80目，氧化铁粒度为30~60目时，焊剂的反应速度最快。快速的铝热反应有利于焊剂在较短的时间内完成铝热钢水的生成，降低预热温度的损失。铝粉和氧化铁的粒度匹配同时还应考虑到粒度比重的配比，保证焊剂在运送过程中同种原料不发生聚集，焊剂不发生分层。此外其他合金添加剂的粒度也应与铝粉和氧化铁的粒度相匹配，保证焊剂均匀一致。
3 .砂型的设计
3．1砂型的制备方法
制备砂型的主要原材料是钠水玻璃砂，钠水玻璃砂由高纯度的石英砂再加上6％~10％的钠水玻璃及其他添加剂混制而成。
砂型用机械振击的方法制备，以保证砂型的紧实度均匀。砂型的硬化采用吹CO₂——烘干硬化法，先吹CO₂气体使砂型具有脱模强度，然后将其放入到烘干炉内进行长时间烘干以达到脱水硬化的效果。
砂型的硬化是一个化学作用与物理作用相结合的过程。首先C02与水玻璃发生化学反应形成凝胶。CO₂使硅酸钠溶液分解，产生水合二氧化硅，发生的反应如下
Na₂O·nSiO₂+mH₂O+CO₂=Na₂CO₃+n(SiO₂·pH₂O)
此时只有一部分硅酸钠分解成二氧化硅，且溶解在碱性水玻璃剩余物和碳酸钠的溶液中，在砂粒表面上产生了半坚固直到坚固的橡胶状表层。
此外，未反应的水玻璃及和水玻璃与C02作用生成的凝胶将在烘干时脱水，经过脱水变化，最后得到水合玻璃，导致水玻璃砂的玻璃质粘结^【8】。
3．2砂型结构设计
设计合理的浇注系统和设置正确的冒口结构和位置是铝热焊接接头质量的关键性环节。
铝热焊接砂型与钢轨组成的型腔构成的铝热钢水浇注的浇注系统，浇注系统的结构可使铝热钢水能以合理的充填速度尽可能平稳、无喷射飞溅地充填型腔，铝热钢水流不冲蚀砂型，也不在型内互相冲击，造成卷气和吸收气体。铝热焊接砂型的冒口是一个储存铝热钢水的空腔，其主要作用是存储在铝热钢水凝固过程中由于体积变化而需要补偿的金属液，以防止在焊筋中出现收缩类缺陷。此外冒口还有排气及汇集浮渣和非金属夹杂物的作用。
由于钢轨横断面尺寸变化大，铝热焊接钢轨的浇注系统结构复杂，而且由于铝热焊接的特殊性，铝热钢水的浇注温度很高，钢水在凝固中收缩较大，易形成缩孔、疏松、热裂等缺陷。因此，铝热焊接的浇注系统和冒口结构对焊接预热效果和铝热钢水在浇注型腔中的凝固行为影响很大。
图2为QU100起重轨道钢轨铝热焊接浇注系统的三维模型，这种浇注系统的冒口结构与铸造上的阶梯式浇注系统相似，浇口位于钢轨轨头顶部，在钢轨每侧轨底脚上方各设置一个冒口，并在轨头下颚处与型腔相连，在轨头上方设置轨顶冒口。这种浇注系统的特点是砂型结构紧凑，冒口补缩效果好。

图3所示为该浇注系统下钢轨铝热焊接过程中铝热钢水充型过程计算机流场模拟结果。结果显示铝热钢水浇注到型腔后，首先通过分流塞从两侧浇注到由钢轨和砂型组成的型腔中，然后钢水从轨底脚流入到冒口中，与此同时，钢水通过轨头侧面的横浇口注入到冒口中。整个过程实现了铝热钢水平稳地充填型腔，没有明显的钢水飞浅和流动死角，可以有避免夹杂、气孔和未焊合的产生，对保证钢轨焊接接头的性能是有利的。

4 .坩埚的优化设计
坩埚有2种，一次性坩埚和耐用多次坩埚，2种坩埚均满足使用要求。
一次性坩埚内胎采用耐火材料制成，底部预埋置耐高温石棉垫，反应生成的铝热钢水可以自动将耐高温石棉垫熔化，实现铝热钢水自动浇注的目的。一次性坩埚只能用1次，用后抛弃，突出优点是使用方便，便于搬运，节约时间。
耐用多次坩埚内胎也采用耐火材料制成，在焊接前需要在坩埚底部安装自熔塞，反应生成的铝热钢水可以自动熔化自熔塞中部的石棉垫，实现铝热钢水的自动浇注。耐用多次坩埚可以使用多次，焊前需要预热一段时间，并需要等温度降到200度左右才能用，而且每次焊接完成后，需要清除自熔塞残骸，工装复杂，工序繁琐，而且由于自熔塞是需要焊接人员安装，因而浇注时间的稳定性比一次性坩埚较差。
坩埚对焊剂的浇注时间和平静时间有着至关重要的影响，石棉垫的厚度和压制工艺决定着自熔塞熔化时间。采用带溢流阀的液压设备进行自熔塞石棉垫的压制，可以保证石棉垫在相同的压力下紧实，从而保障浇注时间的稳定性。图4所示为一次施工过程中，使用9号一次性坩埚浇注时间的统计。焊接过程中浇注时间很稳定，95％焊接接头的浇注时间在36～43s。稳定的铝热钢水浇注时间有利于保证铝热钢水平静时间的稳定，保证钢液中夹杂物有充分的上浮时间，减少钢水中的夹杂物，稳定焊接接头金属的性能。

5 .结论
(1)起重轨道钢轨铝热焊剂的化学成分与钢轨相似，粒度相互匹配，焊剂不发生分层。
(2)起重轨道钢轨铝热焊接用砂型钠水玻璃砂制备，并烘干脱水硬化制造。
(3)砂型结构设计便于铝热钢水平稳充填砂型型腔，保证焊接接头质量。
(4)坩埚使用耐火材料制备，自熔塞结构可以保证铝热钢水浇注的稳定性。