鋁熱焊接技術的開發(fā)與應用

杜全斌 張肇偉

摘 要：鋁熱焊接技術具有設備簡單、熱容量大、作業(yè)時間短及接頭平順性好等優(yōu)點，在鐵路鋼軌、電力系統(tǒng)接地網(wǎng)及大截面構件的焊接中得到廣泛應用， 但目前國內(nèi)有關鋁熱焊技術的標準尚不完善。通過介紹鋁熱焊的基本原理及鋁熱焊劑的具體要求，在此基礎上重點總結了鋁熱焊技術在鐵路鋼軌、電氣工程、石油管路中的應用現(xiàn)狀，提出了鋁熱焊技術的研究方向。

關鍵詞：鋁熱焊;鋁熱焊劑;鋼軌;接地網(wǎng)

中圖分類號：TG451? ? ? ? 文獻標識碼：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

鋁熱焊接接頭屬于一種鑄造組織，基于鑄造冶金學原理及特點，如果采用不合理的鋁熱焊工藝、品質(zhì)不高的鋁熱焊劑，形成的接頭內(nèi)部容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、開裂等典型鑄造缺陷。目前，國內(nèi)鋁熱焊劑生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品類型多樣化，但產(chǎn)品品質(zhì)良莠不齊，再加上國內(nèi)對焊接工藝沒有規(guī)范化，鋁熱焊接頭質(zhì)量難以得到可靠、有效的保證，存在較大安全隱患。隨著鐵路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的發(fā)展，長期、可靠、安全的鋁熱焊接頭是保障鐵路高速運行、維護電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提升運行人員和設備安全性的根本保證和重要措施。[1]

本文參考國內(nèi)外相關文獻，介紹了鋁熱焊的基本原理及鋁熱焊劑的具體要求，在此基礎上，重點總結了鋁熱焊技術在鐵路鋼軌、電氣工程、石油管路中的應用現(xiàn)狀，提出了鋁熱焊技術的研究方向。以期加深大家對鋁熱焊的理解，促進鋁熱焊工藝的開發(fā)與應用，同時對該工藝的實際操作具有指導和借鑒意義。

1 鋁熱焊的基本原理及特點

鋁熱焊為熱劑焊的一種，原理是利用還原劑和金屬氧化物之間的氧化還原反應，短時間產(chǎn)生大量的熱量，熔融母材，填充接頭，從而實現(xiàn)金屬焊接的一種方法。

較高的溫度下，鋁與氧有很強的化學親和力，可奪取金屬氧化物中的氧元素，使金屬還原出來，同時放出大量的熱，使該反應進一步進行。能與Al發(fā)生氧化還原反應的金屬氧化物主要有：FeO、Fe2O3、MnO及CuO等，其中典型的鋁熱反應化學方程式及其焓變?nèi)缦卤硭綶1]。

由表中可知，鋁熱焊粉在引燃劑的催化作用下發(fā)生化學反應，反應過程中釋放大量熱量，無需外界熱源反應即可繼續(xù)進行，熔化焊劑中的合金元素，并與反應形成高溫液態(tài)金屬一起注入型腔，液態(tài)金屬溫度高達3000 ℃，使固定在型腔內(nèi)的待焊件斷面熔化并填滿整個型腔，凝固后形成焊接接頭。

鋁熱焊主要有以下優(yōu)點：

（1） 設備簡單，操作方便，無需電源，適合現(xiàn)場流動作業(yè)。

（2） 熱容量大。大量過熱高溫液態(tài)金屬瞬時（約10 s）注入型腔，使焊縫具有較高的熱容量。

（3） 焊接作業(yè)時間短。鋁熱焊對待焊件斷面清理的要求低，每個焊接接頭從準備到最后的打磨完工，可在1 h內(nèi)完成。

（4） 接頭平順性好。接頭的平順性僅取決于焊前待焊件的對準精度，焊后無需校直[2]。

鋁熱焊的缺點：接頭組織為鑄態(tài)組織，組織內(nèi)部不僅晶粒粗大，成分偏析嚴重，還存在凝固過程中氣體未及時排出形成的氣孔，以及氧化鋁殘渣等夾雜物[3]。

2 鋁熱焊材料

2.1 鋁熱焊劑

鋁熱焊劑主要由Al粉、氧化物粉及其他粉末組成。其中Al粉和氧化物粉為鋁熱焊劑的基本組分，它們反應產(chǎn)生大量的熱，并形成填充焊縫所需的高溫金屬液，產(chǎn)生的Al2O3浮于金屬液表面成為熔渣。其他粉末主要有兩種，一是用于調(diào)整焊縫成分，改善焊縫組織，提高焊縫強度;另一種是用于改善焊劑的工藝性能，如助熔劑降低液態(tài)金屬的黏度、提高流動性。造渣劑，如硅鋇鈣和螢石粉（CaF2）等，增加造渣和排渣的作用。

2.1.1 Al粉

鋁熱焊劑對Al粉的要求主要是其純度、不被受潮及氧化物粒度，鋁粉中Fe、Cu和Si等有害雜質(zhì)含量要控制在標準以內(nèi)。鋁粉不能受潮或氧化，潮濕的鋁粉形成氫氧化鋁，高溫下分解成水蒸氣、氫氣或氧氣，形成氣孔。氧化鋁延緩反應進度，降低還原能力，影響接頭質(zhì)量。粒度的大小影響鋁熱反應速度，大顆粒的鋁粉反應速度慢，反應時間長，熱量損失大，一般要求鋁粉粒度小于0.6 mm。

2.1.2 氧化物

常用的氧化物主要為氧化鐵和氧化銅。根據(jù)待焊件及其性能要求的不同，選擇合適的氧化物。

氧化物不僅用來提供反應所需的氧，而且用于提供填充焊縫的高溫液態(tài)金屬。因此鋁熱焊劑中應選用氧含量合適的氧化物或氧化物組合。如為達到鋁熱焊劑要求的FeO和Fe2O3含量，可以將FeO通過回轉(zhuǎn)爐燃燒氧化法增加氧含量。為增加鋁熱焊縫中Cu含量，需在CuO粉末中添加Cu2O粉末[4]。

氧化物粒度不僅直接影響鋁熱反應速度，還會影響其氧含量。這是因為氧化物從顆粒表層到內(nèi)部的組成不同，如氧化鐵氧化后表層為Fe2O3，而內(nèi)部為FeO。

2.2 鋁熱焊劑的成分優(yōu)化

鋁熱焊焊縫金屬為鑄造組織，其物理性能（導電性）和力學性能（強度和韌性）遠遠低于母材，造成鋁熱焊焊接件的使用性能較差，因此需要對鋁熱焊劑的成分進行優(yōu)化。

當采用鋁熱焊焊接鋼軌時，研究者向鋁熱焊劑中添加C元素，提高接頭的硬度。為實現(xiàn)鋁熱焊劑反應過程中熱量的再分配，達到均勻產(chǎn)熱的目的，研究者往往向鋁熱焊劑中添加MgO粉，其原理是高溫下MgO被還原成單質(zhì)Mg，吸收熱量，低溫下Mg再次被氧化成MgO并釋放熱量。此外，鋁熱焊劑中還可添加少量的鑭鈰合金粉，其目的是解決鋁熱焊存在的接頭熱脆傾向大、氣孔和氧化燒蝕的問題[5]。

鄭州機械研究所的沈元勛等人[3]采用鋁熱焊焊接電力系統(tǒng)新型接地網(wǎng)不銹鋼包鋼復合材料時，鋁熱焊劑中添加了適量的CuP、硼酐（B2O3）以及螢石粉、硅鋇鈣，并考察了這些粉料對鋁熱焊接頭質(zhì)量的影響。分析認為：CuP是一種常用的具有自釬劑還原作用的釬料[1]。鋁熱焊接過程中，CuP合金不參與化學反應，CuP合金作為一種優(yōu)良的脫氧劑能有效的去除金屬熔液里的氧，有效提高鋁熱焊接頭質(zhì)量。因此，鋁熱焊粉添加適當CuP可以有效去除液態(tài)熔體中的氧氣，消除氣孔，凈化銅液。硼酐（B2O3）是一種高效去氧劑，尤其對于偏堿性的金屬氧化膜，如Fe、Ni、Cu等氧化物去除非常有效。其原理為：硼酐作為去氧劑，能有效的去除金屬熔液里的氧分子;作為助熔劑，可促進鋁熱反應中金屬的熔化;作為凈化劑，可增強熔渣（主要是Al2O3）流動性，避免鋁熱焊接接頭存在氣孔、夾渣等缺欠。

3 鋁熱焊的應用

目前，鋁熱焊主要應用于鐵路鋼軌、銅鋁導體、石油管道接地線及電力系統(tǒng)新型接地網(wǎng)材料的現(xiàn)場焊接。此外，還可應用于大截面鑄鍛件的焊接與焊修。

3.1 鋁熱焊在鐵路鋼軌中的應用

無縫線路鋪設是提高鐵路運輸速度的關鍵，我國鐵路鋼軌無縫連接的方法主要為鋁熱焊和閃光焊。鋁熱焊是無縫線路的重要焊接技術，廣泛應用于線路的新建和已有線路的維護[6-8]。

鋁熱焊焊接工藝是影響焊接接頭質(zhì)量的重要因素。針對鋼軌鋁熱焊，常用的焊接工藝為：

（1） 德國的SKV工藝：其特點為預熱時間短，如焊接UIC60 kg/m鋼軌，預熱時間僅為1.5～2.0 min。

（2） 法國的QPCJ工藝：該工藝為法國Railtech公司研發(fā)的快速預熱一次性坩堝焊接工藝，具有焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定、設備簡單、方便快速、人為干擾少等優(yōu)點，已廣范應用于我國無縫線路的鋪設。

（3） 中國的TYD工藝：特點是在恒定的工藝參數(shù)規(guī)范下，用時間控制鋼軌端面的預熱溫度。保證澆注時鋼軌端面的溫度均勻性，并優(yōu)化砂型結構設計，充分利用鋁熱鋼水加熱待焊鋼軌，使其達到焊接溫度[6，9]。

鋼軌鋁熱焊劑的選擇應根據(jù)鋼軌強度、硬度的匹配原則，使接頭強度、硬度接近母材，保證良好的線路狀態(tài)。如U74、U71Mn鋼軌的鋁熱焊劑為鐵Ⅲ形，主要含有Mn、Cr、Mo、Ni、V等合金元素，鋁熱焊縫布氏硬度約為280 HB。PD2、PD3鋼軌的鋁熱焊劑為鐵Ⅳ形，主要含有Mn、Cr等，布氏硬度為300 HB[1]。

鋼軌鋁熱焊的工藝流程為：準備工作→焊接工作（裝卡砂型、坩堝裝料、放置支架、預熱、點火澆注）→整修工作（推瘤、打磨）→接頭質(zhì)量檢驗。

3.2 鋁熱焊在電氣工程中的應用

由于電氣工程接地系統(tǒng)的特殊性要求，接地材料的連接方式常采用鋁熱焊。原因是該工藝制作的接頭接地電阻值低，具有較高的連接強度和良好的抗腐蝕性，能承受重復性短路電流沖擊。

根據(jù)加熱方式的不同，可以分為直接加熱和間接加熱兩種。直接加熱方式主要用于銅-銅、銅-鋼以及鋼-鋼的鋁熱焊，鋁熱金屬液既作為填充金屬又與母材直接相熔合。間接加熱方式主要用于鋁導體的鋁熱焊，被還原出的金屬液不直接與母材相熔合，也不作為填充金屬，而是磨具將熱量傳導給鋁導體，使其熔化，凝固時施加一定壓力，保證接頭緊實焊合。

為保證接地系統(tǒng)長期安全可靠運行，國外標準允許采用傳統(tǒng)接地材料[10]，如銅材、鍍鋅鋼、鍍銅鋼，以及電阻更低、更耐腐蝕的新型接地不銹鋼包鋼復合材料。這些材料的連接方式主要為直接加熱鋁熱焊。

為建設既安全又經(jīng)濟的接地網(wǎng)，韓鈺等人[11]綜合考慮待焊件材質(zhì)、截面積及接頭型式等因素，研制出適用于銅包鋼接地材料的鋁熱焊劑，參照美國標準 IEEE std 837-2002《變電站接地件永久性聯(lián)接的質(zhì)量鑒定》[12]中對接地裝置連接接頭性能試驗的相關規(guī)定，對比分析了進口焊粉、國產(chǎn)焊粉及自研焊粉的性能，結果表明：自研鋁熱焊粉與進口焊粉性能相當，具有更高的性價比。

針對銅質(zhì)或銅覆鋼接地材料的鋁熱焊連接，聶京凱等人[13]配制出相適應的鋁熱焊劑，并研究了鋁熱焊劑粒徑、成分對燃燒速度、焊縫熔點溫度及其氣孔、夾雜等缺陷的影響。結果表明：隨著焊劑粒徑的增大，鋁熱反應劇烈程度下降。當氧化劑、輔料比例固定不變時，隨著還原劑比例的增大，焊縫中Al2O3夾雜含量逐漸增加，焊縫熔點溫度呈現(xiàn)下降的趨勢。此外，焊前清理、預熱和焊后保溫有利于提高接頭性能。

針對接地網(wǎng)用鍍鋅鋼材料的鋁熱焊接，馮拉俊等人[14]研究了鋁熱焊劑粒徑對反應燃燒劇烈程度及安全性等的影響。采用正交試驗研究了鋁熱焊劑成分對氣孔、夾雜等的影響，篩選最優(yōu)鋁熱焊劑成分50%CuO、18%Al、25%Cu、7%造渣劑。采用自研鋁熱焊劑和國外同類產(chǎn)品進行鋁熱焊接，對兩種鋁熱焊接頭進行外觀形貌、抗拉強度及斷口形貌、焊縫直流電阻、焊縫熔化溫度和價格對比分析。結果表明：當焊劑粒徑為120 μm，焊劑引燃正常;自研焊劑接頭外觀、斷面形貌和抗拉強度、直流電阻、熔點溫度與國外產(chǎn)品相當，滿足國家電網(wǎng)企業(yè)的標準規(guī)范，但價格遠低于國外產(chǎn)品。

3.3 鋁熱焊在石油管道中的應用

長距離的輸送管道需要對其陰極保護，即在管道上半部，將其與帶狀陽極（鎂帶）鋼芯電纜的連接一起，連接方法為鋁熱焊，并將焊接處采用聚乙烯補傷片防腐絕緣。鋁熱焊主要施工工藝流程：打磨母材→放置鋁熱焊模具→置入電纜端頭→加入銅片和鋁熱焊劑→放點火器→壓實焊劑→引燃→補傷[15]。

4 鋁熱焊技術的探索性研究

4.1 擠壓鋁熱焊

針對鋁熱焊焊縫金屬中產(chǎn)生夾雜、疏松等缺陷，伊利諾斯大學采用擠壓的方法，來提高焊接接頭的質(zhì)量。原理是在鋁熱焊接高溫液態(tài)金屬還未完全凝固時，對兩端鋼軌向中間施加擠壓力，使夾雜物上浮，疏松熔合，從而減少焊縫金屬內(nèi)部的缺陷，如圖所示。其缺點是由于擠壓鋁熱焊需要兩端鋼軌的頂煅，所以會影響接頭的平順性[10]。

4.2 震擊鋁熱焊

為提高鋁熱焊接頭金屬性能，Lonsdale[16]、Fry[17]、Siska[18]分別采用機械震擊鋁熱焊、電磁攪拌鋁熱焊和超聲波震擊鋁熱焊的方法，獲得了性能良好的鋁熱焊接頭，其原理均是通過在鋁熱焊高溫液態(tài)金屬未完全凝固時施加外力作用，加大液態(tài)金屬內(nèi)部的對流作用，影響金屬凝固枝晶的生長，達到細化晶粒、減少偏析的目的。

4.3 鋁熱焊液態(tài)金屬的過濾

為凈化鋼液，Schroeder和Poirier嘗試采用含有24%ZrO的多鋁紅柱石制成過濾網(wǎng)，將其用于過濾鋁熱鋼液。結果表明：雖然過濾網(wǎng)在高溫鋼液中發(fā)生部分熔化，但檢測發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濾后的鋁熱鋼液中夾雜物含量顯著減少[19]。

5 結論

鋁熱焊接技術具有設備簡單、熱容量大、作業(yè)時間短及接頭平順性好等優(yōu)點，在軌道、電力系統(tǒng)接地網(wǎng)及大截面構件的焊接中具有不可或缺的地位。鋁熱焊接頭為鑄態(tài)組織，焊縫中常存在縮孔或縮松、氣孔和夾雜等缺陷。

隨著對鋁熱焊接頭性能要求的不斷提高，鋁熱焊接技術需不斷深入的研發(fā)，主要研究方向為鋁熱焊劑成分的優(yōu)化設計、鋁熱焊新工藝的研發(fā)等。

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