放熱焊接的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

郝俊珂，彭科學(xué)，寇星輝，馬丙闖

昌吉學(xué)院物理與材料科學(xué)學(xué)院 新疆昌吉 831100

1 序言

1938年，美國(guó)查爾斯g 卡特博士研發(fā)了放熱焊接工藝[1]。自研發(fā)成功后，該項(xiàng)工藝就被廣泛應(yīng)用。放熱焊接又稱(chēng)為鋁熱焊接，其是利用化學(xué)反應(yīng)作為熱源，將熔融的金屬放置在石墨模具的型腔中，從而實(shí)現(xiàn)兩部分金屬分子間結(jié)合的過(guò)程。其化學(xué)方程式（M代表金屬）為

由于放熱焊接間的分子結(jié)合，連接點(diǎn)的截面積是所連接接地材料截面積的兩倍以上，連接點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕能力、過(guò)載能力均等于甚至強(qiáng)于接地原材料[2]。其連接效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械螺紋聯(lián)接。按照放熱焊劑種類(lèi)，可將放熱焊接分為3類(lèi)：①銅導(dǎo)體的放熱焊接。②鋁導(dǎo)體的放熱焊接。③鐵和鐵、鋼和鋼、鐵和鋼的放熱焊接。放熱焊接可以用于電氣設(shè)備的接地工程處理、陰極防腐系統(tǒng)、石油化工工程建設(shè)和鐵路交通建設(shè)等。隨著放熱焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已有許多學(xué)者開(kāi)展該項(xiàng)技術(shù)的研究，本文將總結(jié)放熱焊接的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 放熱焊接應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 接地網(wǎng)中的放熱焊接

為了保證電力設(shè)備的正常工作和操作人員的人身安全，接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)常用的電力安全設(shè)施，接地網(wǎng)絡(luò)埋在地下，使靜電、雷電電流進(jìn)入地下，以防止爆炸、火災(zāi)和觸電事故的發(fā)生[3]。接地網(wǎng)通常采用純銅或銅包鋼材料，由于我國(guó)銅資源不豐富，所以目前我國(guó)使用的接地材料超過(guò)90%為鍍鋅鋼[3]。接地的鍍鋅鋼和銅之間的連接采用的是放熱焊接的連接形式，如圖1所示。

在國(guó)內(nèi)，放熱焊接技術(shù)已經(jīng)通過(guò)武漢高壓研究所、浙江電力試驗(yàn)所等部門(mén)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的驗(yàn)證，并且應(yīng)用到電力系統(tǒng)的重點(diǎn)工程中[1]。如天津臨港工業(yè)區(qū)的塔接電源系統(tǒng)、六盤(pán)水供電系統(tǒng)[1]及昆明機(jī)場(chǎng)輕軌接地網(wǎng)等。在國(guó)外，放熱焊接通過(guò)了UL標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證，并且被IEEE Std80大綱等規(guī)程指定為接地系統(tǒng)中埋地導(dǎo)體連接方式[1]。

2.2 鋼軌中的放熱焊接

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)復(fù)雜的多用途系統(tǒng)，涉及土方工程、隧道、橋梁和軌道結(jié)構(gòu)[4]。在鐵路系統(tǒng)中，鋼軌的焊接方法常采用放熱焊接法。放熱焊接由兩部分組成：鑄造工藝和鋼軌焊接本身[5]，其工作過(guò)程如圖2所示。

目前，已經(jīng)有很多國(guó)家將放熱焊接應(yīng)用于鐵軌連接。截止到2020年，印度鐵路焊接軌道長(zhǎng)度為90625.7km，其中，長(zhǎng)軌道焊接為81912km，短軌道焊接為8713.7km[6]。沙特南北鐵路全長(zhǎng)約2400km，是重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程[7]，由我國(guó)工程人員承建。該項(xiàng)目所用的鋼軌是我國(guó)生產(chǎn)的UIC60E1型鋼軌。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，采用來(lái)自法國(guó)的鋁熱焊接技術(shù)將鐵軌連接成無(wú)縫線路。整個(gè)工程采用嚴(yán)格的技術(shù)和工藝要求，保證了鐵路在高溫、沙塵頻繁的條件下仍然能夠良好運(yùn)行。放熱焊接除了可以用于常溫條件，還可以在低溫凍土區(qū)條件下應(yīng)用。青藏鐵路在設(shè)計(jì)施工之初就選擇鋁熱焊接作為鐵軌的連接方式，但由于青藏高原地區(qū)溫度低，致使大部分焊接接頭出現(xiàn)了焊縫質(zhì)量問(wèn)題，焊縫存在夾渣、砂眼及氣孔等缺陷[8]。針對(duì)以上問(wèn)題，工程技術(shù)人員采用了兩種方法來(lái)改善存在的問(wèn)題：一是優(yōu)化鋁熱焊劑和工藝；二是對(duì)焊接接頭進(jìn)行正火處理。這就大大提高了焊接接頭的低溫強(qiáng)度，并減少了夾渣、氣孔及砂眼等缺陷的產(chǎn)生。綜上可知，放熱焊接不僅可以在常溫條件下使用，也可以在低溫和高溫環(huán)境下使用，且不影響材料本身的力學(xué)性能。

2.3 其他行業(yè)應(yīng)用

放熱焊接除了在輸電線路、供電站、車(chē)站及機(jī)場(chǎng)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，也被應(yīng)用于景觀建設(shè)、石油化工等行業(yè)。石化企業(yè)的大多數(shù)電氣設(shè)備元器件采用的是集成電路和微電子電路，對(duì)雷電流、干擾信號(hào)和故障電流尤為敏感[9]。接地系統(tǒng)因其防雷電的特點(diǎn)，能夠滿足石油化工行業(yè)安全運(yùn)行的要求。在撫順石化公司80萬(wàn)t/年乙烯工程項(xiàng)目中，生產(chǎn)裝備內(nèi)的接地裝置采用銅包鋼材料，解決了電阻過(guò)高的問(wèn)題[9]。放熱焊接工藝也在沙特延布海岸景觀工程中得到應(yīng)用，接地系統(tǒng)的壽命和質(zhì)量得到了沙特皇家委員會(huì)業(yè)主的認(rèn)可[2]。國(guó)內(nèi)港口工程建設(shè)高速發(fā)展，放熱焊接作為門(mén)機(jī)鋼軌焊接新技術(shù)，被應(yīng)用于洋山深水港區(qū)三期工程中的門(mén)機(jī)鋼軌焊接中[10]，取得了良好的效果。

3 放熱焊接研究現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)眾多學(xué)者的文獻(xiàn)研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前針對(duì)放熱焊接的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：放熱焊接過(guò)程的數(shù)值模擬分析、放熱焊接材料的選擇及工藝流程等。

3.1 數(shù)值模擬分析

在現(xiàn)代的機(jī)械工程中，為了確定產(chǎn)品制造的最佳工藝，可采用數(shù)值模擬分析技術(shù)。常用的模擬分析軟件包括：ANSYS、Procast、SOLIDCast、NovaFlow&Solid CV及PoligonSoft等。

印度學(xué)者SEN等[11]以UIC60鋼軌為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析焊接接頭的疲勞裂紋。鐵軌之間主要是依靠摩擦進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，在摩擦過(guò)程中由于接觸應(yīng)力的作用會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，因此正確預(yù)測(cè)接觸應(yīng)力是預(yù)防鋼軌產(chǎn)生疲勞裂紋的重要手段。數(shù)值模擬分析能夠?qū)?yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究人員采用ANSYS軟件，對(duì)鐵軌的應(yīng)力分布實(shí)現(xiàn)了可視化。經(jīng)過(guò)模擬分析后可得到，靠近接觸表面的米塞斯應(yīng)力的增加會(huì)對(duì)車(chē)輪和焊縫的疲勞裂紋產(chǎn)生負(fù)面影響；通過(guò)對(duì)裂紋的預(yù)測(cè)性研究，可以獲得生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)力變化、彎曲載荷變化及焊縫硬化等變化情況。因此，可以提前采取預(yù)防措施來(lái)保證鋼軌質(zhì)量，防止疲勞裂紋產(chǎn)生。

黃尊地等[12]對(duì)焊接過(guò)程中溫度的整體分布和對(duì)馬氏體預(yù)防的預(yù)熱保溫范圍要求進(jìn)行了研究。焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題是焊接溫度不均勻，形成影響鋼材性能的馬氏體和貝氏體組織。研究人員通過(guò)試驗(yàn)研究與模擬分析相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了模擬分析技術(shù)的準(zhǔn)確可靠性。已知馬氏體出現(xiàn)的溫度為150℃。通過(guò)數(shù)值模擬分析，鋼軌焊接點(diǎn)左右各0.13m范圍內(nèi)溫度＞150℃。在此范圍內(nèi)，控制預(yù)熱溫度可以防止馬氏體組織的產(chǎn)生，有利于獲得較好的焊接質(zhì)量。

3.2 焊接材料

焊接材料的選用是決定生產(chǎn)成本高低和工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要因素，這包括母材、焊劑和模具等。盡管銅及銅合金材料的生產(chǎn)成本高，但由于其優(yōu)異的性能，近幾年在接地網(wǎng)絡(luò)中的使用比例逐漸提高。杜春陽(yáng)等[13]對(duì)純銅、鍍鋅鋼及鍍銅鋼的材料性能進(jìn)行了分析。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，鍍銅鋼既具有純銅的導(dǎo)電性能，又具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此可以應(yīng)用在輸電線路中。2010年12月，在天津臨港工業(yè)區(qū)，鍍銅鋼首次應(yīng)用到桿塔電源接地系統(tǒng)。該工程采用鍍銅扁鋼與桿塔連接，鍍銅扁鋼加工有安裝孔，通過(guò)安裝孔與桿塔接地系統(tǒng)連接，焊點(diǎn)采取“一”字焊點(diǎn)和“T”字焊點(diǎn)相結(jié)合的方式。通過(guò)這種方式，該系統(tǒng)的電阻大大降低，導(dǎo)電率也得到了提高。實(shí)踐證明，采用鍍銅鋼作為接地材料比采用鍍鋅鋼的使用壽命提高了5倍。與普通機(jī)械連接方法相比，施工費(fèi)用大大降低。

和向鈞等[14]介紹了放熱焊接技術(shù)在昆明新機(jī)場(chǎng)停車(chē)樓輕軌接地網(wǎng)中的應(yīng)用。該機(jī)場(chǎng)的接地網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)分為明鋪和暗鋪兩種，其中暗鋪采用了放熱焊接工藝技術(shù)。接地網(wǎng)的連接方式主要有3種：“一”字形、“T”字形和“十”字形。在施工過(guò)程中，技術(shù)人員要遵守嚴(yán)格的技術(shù)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，保證接地電網(wǎng)連接的清潔度、尺寸精度和環(huán)境要求等。該項(xiàng)目采用的接地材料為純銅，材料費(fèi)用相對(duì)較高，與傳統(tǒng)手工焊接相比，設(shè)備投資較大。但形成的接地網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電能力是鋼的10倍，耐腐蝕能力是鍍鋅鋼的3倍，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，最終項(xiàng)目形成的綜合效益較好。

馮拉俊等[15]采用焊粉對(duì)接地網(wǎng)絡(luò)的放熱焊接進(jìn)行了研究。焊粉由還原劑、合金劑及造渣劑組成。不同的成分配比、焊粉粒徑都會(huì)影響焊接效果。通過(guò)正交試驗(yàn)得到，焊粉正常引燃的直徑為120μm；焊粉最優(yōu)配比為50%CuO+18%Al+25%Cu+7%造渣劑。該焊粉與國(guó)外同類(lèi)焊粉的焊接性能相當(dāng)，且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

3.3 工藝流程

放熱焊接的操作具有嚴(yán)格的工藝流程和操作步驟，任何微小的差錯(cuò)都會(huì)造成不可挽回的損失，影響工程的質(zhì)量。印度學(xué)者TRIPATHI等[16]以某段失效的鋼軌為研究對(duì)象，鋼軌之間以放熱焊接工藝進(jìn)行連接，分析了其失效的原因。該鋼軌材料為含有鐵素體-珠光體的高碳素鋼880UTS。研究人員在該鋼軌上取兩段斷裂的橫斷面，1號(hào)段的裂紋長(zhǎng)度為150mm，2號(hào)段的裂紋長(zhǎng)度78.5mm。通過(guò)冶金研究法，在室溫下觀察了鋼軌的宏觀組織和微觀組織，測(cè)試了化學(xué)成分與力學(xué)性能。通過(guò)一系列的研究發(fā)現(xiàn)，鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能符合要求，造成鋼軌失效的原因主要是受到了焊接過(guò)程的影響。原因主要有兩個(gè)：一是焊縫化學(xué)成分中Si和P含量較高，使熔池變脆；二是焊接時(shí)，過(guò)早將模具移除造成了非常高的殘余應(yīng)力，致使鋼軌產(chǎn)生縱向斷裂。

在我國(guó)，也有大量文獻(xiàn)研究了放熱焊接的工藝流程和質(zhì)量控制方法。王超[17]介紹了咸陽(yáng)60萬(wàn)t/年甲醇項(xiàng)目中的放熱焊接工藝。好的焊接效果要求焊縫大小合適，表面光滑，接頭顏色經(jīng)過(guò)氧化層鋼刷刷過(guò)之后是金黃至青銅色，鍍鋅表面焊接后的銀白色也是正常色，接頭氣孔幾乎沒(méi)有或者很少。劉彥壽[18]介紹了抽水蓄能電站接地系統(tǒng)的放熱焊接工藝流程，即：清理焊接接頭→安裝配套模具→倒入焊劑與引火粉→點(diǎn)火器點(diǎn)燃引火粉→脫出模具清理。同時(shí)，還分析了影響焊接質(zhì)量的因素，主要包括被焊接物的清潔程度、模具的使用、焊劑使用量。實(shí)際應(yīng)用表明，放熱焊接操作簡(jiǎn)單、模具便于攜帶，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，解決了工程中的連接問(wèn)題。

4 發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，放熱焊接過(guò)程的完成主要依靠人工。在施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)，主要依靠外觀檢查的方法進(jìn)行。因此，焊接質(zhì)量的好壞完全由操作人員的技術(shù)水高低所決定。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，基于視覺(jué)傳感器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠直接反映焊接過(guò)程中的焊接成形行為[19]，提高焊接質(zhì)量。筆者認(rèn)為這將是放熱焊接檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向之一。同時(shí)，良好的焊接接頭質(zhì)量也離不開(kāi)焊接設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬分析技術(shù)通過(guò)建立焊接過(guò)程模型，能夠直接反映焊接過(guò)程的成形行為，對(duì)于預(yù)測(cè)缺陷有重要意義。但目前該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在鋼軌焊接之中，未來(lái)必然會(huì)擴(kuò)展到電線電纜的建設(shè)之中。另外，綠色焊接是當(dāng)前重點(diǎn)研究的新型高效焊接技術(shù)，其中焊劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，充分考慮金屬材料冶金性能，合理選擇金屬元素，同樣可以提高焊接質(zhì)量[20]。目前已經(jīng)得到驗(yàn)證的是硅元素，筆者認(rèn)為未來(lái)還有更多的相關(guān)研究將投入其中。

綜合來(lái)看，隨著技術(shù)的發(fā)展，放熱焊接技術(shù)不僅需要專(zhuān)注于技術(shù)本身的改善，還需要與多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行交叉融合，如智能化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)及金屬加工技術(shù)等，才能不斷提高焊接質(zhì)量，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

綠色焊接是指旨在提高焊接質(zhì)量、減少污染、節(jié)約能源的所有新型高效焊接技術(shù)。放熱焊接最大的特點(diǎn)是無(wú)需外接能源和動(dòng)力，并且攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，符合綠色焊接低能耗的理念。雖然放熱焊接操作簡(jiǎn)便，但在施工過(guò)程中要嚴(yán)格遵守工藝流程，嚴(yán)格選取焊接材料，采用合理科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)注重焊接材料的化學(xué)成分控制等因素，才能保證獲得長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量的焊接接頭。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也對(duì)放熱焊接進(jìn)行了多方面的研究探索，眾多研究也已經(jīng)表明，放熱焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，具有其他焊接不可比擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)技術(shù)的不斷改進(jìn)，智能化和數(shù)值模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，放熱焊接在未來(lái)的應(yīng)用前景必將更加廣闊。