鋁熱焊劑安全點(diǎn)火方式研究

王國章

（施密特鋼軌技術(shù)（昆山）有限公司，江蘇 蘇州 215300）

1 鋁熱焊簡介及其在鋼軌焊接中的應(yīng)用

1895年，德國漢斯·高德斯密特教授（Dr.Hans Goldschmidt）應(yīng)用氧化－還原反應(yīng)的原理發(fā)明了鋁熱焊技術(shù)；1914年，鋁熱焊（Thermit Welding）首次用于柏林有軌電車焊接。從此以后，鋁熱焊在全球的鐵路系統(tǒng)鋼軌焊接作業(yè)中成為主要的焊接方法之一。1966年，中國開始從德國Halle（Saale）工廠引進(jìn)施密特鋁熱焊焊接技術(shù)。

鋁熱焊，利用鋁粉與金屬氧化鐵的氧化－還原反應(yīng)生成大量熱的同時(shí)，還原出鐵來熔化鋼軌，經(jīng)過6s～18s的鎮(zhèn)靜過程（主要表現(xiàn)為鋼水下沉、氧化鋁等焊渣上浮），與母材鋼軌一起形成接頭的一種特種焊焊接工藝。其主要的鋁熱反應(yīng)方程式如下：

2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3+850KJ

據(jù)測算，在鋁熱焊接過程中，鋼液的溫度可達(dá)2500℃～3500℃；通過加入適當(dāng)?shù)睦浣饘偬砑觿梢允逛撘簻囟冉抵?000℃～2100℃左右。這樣，既能夠充分提高鋼的生成率，也能夠更好的控制焊縫及熱影響區(qū)的冶金反應(yīng)及金屬結(jié)晶和組織相變，從而能夠獲得理想的珠光體加少量的鐵素體的金相組織，達(dá)到中國國家鐵路局對(duì)鋼軌鋁熱焊焊接接頭的全面質(zhì)量要求。

2 SkV-Elite鋁熱焊工藝過程及焊接材料介紹

2002年，德國高德·斯密特集團(tuán)在總結(jié)了過去一個(gè)世紀(jì)以來鋁熱焊經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，優(yōu)化了三注孔的SkV-F鋁熱焊工藝，從而推出了一款新的、短時(shí)間預(yù)熱的SkV-Elite鋁熱焊工藝方法，其完整的工藝流程圖如下。

圖1 SkV-Elite鋁熱焊工藝過程

一次性使用的鋁熱焊主要焊接材料包括：①砂型，②分流塞，③一次性坩堝，④鋁熱焊劑，⑤點(diǎn)火器具（通常使用高溫火柴），⑥封箱砂等。

在點(diǎn)火→鋁熱反應(yīng)的工藝過程中，引燃鋁熱焊劑并且使得鋁熱反應(yīng)能夠持續(xù)、有效的進(jìn)行是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，本文主要從鋁熱焊劑安全點(diǎn)火方式方面展開分析、討論和研究。

3 現(xiàn)行鋁熱焊劑點(diǎn)火方式簡介

目前，點(diǎn)燃鋁熱焊劑可以采用的方式、方法主要有如下：①盤狀鎢絲點(diǎn)火，②接觸電阻點(diǎn)火，③電弧點(diǎn)火，④微波點(diǎn)火，⑤沖擊載荷點(diǎn)火，⑥電火花點(diǎn)火，⑦化學(xué)點(diǎn)火，⑧激光點(diǎn)火，⑨高溫火柴點(diǎn)火，⑩預(yù)熱槍點(diǎn)火等十種。

一般情況下，在客戶軌道鋁熱焊焊接現(xiàn)場，采用得比較多的、并且為廣大鋁熱焊工普遍接受的主要點(diǎn)火方式為高溫火柴點(diǎn)火與預(yù)熱槍點(diǎn)火兩種，其點(diǎn)火方式示意圖分別如圖2、圖3。

圖2 高溫火柴點(diǎn)火示意圖

圖3 預(yù)熱槍點(diǎn)火示意圖

4 高溫火柴點(diǎn)火及預(yù)熱槍點(diǎn)火方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

高溫火柴，包括了引燃層和油漆層兩層結(jié)構(gòu)，主要由鋁粉、鎂粉、磷粉和適量的粘結(jié)劑組成，其燃燒溫度在1000℃以上。

預(yù)熱完成、將盛放了焊劑的一次性坩堝安裝在側(cè)模板上以后；在灼熱的砂型澆注棒孔內(nèi)側(cè)擦燃高溫火柴；快速而平穩(wěn)地將高溫火柴頭2/3長度插入到鋁熱焊劑錐形頂部，點(diǎn)燃焊劑。

預(yù)熱槍，是鋁熱焊接的主要的工具之一，其作用是用來對(duì)鋼軌、砂型、分流塞和灰渣盤進(jìn)行焊前預(yù)熱。預(yù)熱完成后，鋼軌軌腰溫度可以達(dá)到950℃～1000℃，其顏色為亮黃色；與此同時(shí)，預(yù)熱槍也可以作為點(diǎn)燃鋁熱焊劑的點(diǎn)火器具使用。

預(yù)熱完成、將盛放了鋁熱焊劑的一次性坩堝安裝在側(cè)模板上后，快速的用預(yù)熱槍點(diǎn)燃焊劑。

高溫火柴點(diǎn)火、預(yù)熱槍點(diǎn)火兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表。

表1 高溫火柴點(diǎn)火和預(yù)熱槍點(diǎn)火分析

相對(duì)而言，高溫火柴點(diǎn)火方式比預(yù)熱槍點(diǎn)火方式要好一些，在客戶施工現(xiàn)場使用也多一些。但是，其局限性也是很明顯的，尤其是在當(dāng)前國內(nèi)安全、環(huán)保要求愈發(fā)趨緊的大環(huán)境下，從工廠運(yùn)輸?shù)娇蛻翡X熱焊現(xiàn)場就是一個(gè)十分難以解決的、非常棘手的安全問題。所以說，研究、開發(fā)出一種更加高效、安全性能更好的、方便儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)男滦弯X熱焊劑點(diǎn)火方式，就顯得十分的急迫和重要了。

5 熱焊劑安全點(diǎn)火方式研究的目標(biāo)及其結(jié)果

綜合比較、分析了高溫火柴點(diǎn)火與預(yù)熱槍點(diǎn)火兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，從鋼軌鋁熱焊焊接技術(shù)不斷提高的情況來看，很有必要研究、開發(fā)出一種適合儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)摹X熱焊劑燃燒界面層進(jìn)推移效果好的、點(diǎn)火效率高的、不會(huì)影響到鋁熱焊接頭質(zhì)量的、操作更加簡便的新型鋁熱焊劑安全點(diǎn)火方式。

經(jīng)過與德國高德·斯密特集團(tuán)內(nèi)各分公司的全球鋁熱焊專家多次研討、反復(fù)論證，在中國公司研發(fā)小組成員的通力合作、不懈努力下，歷經(jīng)上百次的反復(fù)試驗(yàn)，不斷的總結(jié)、完善、提高后，終于開發(fā)出了能夠滿足上述要求的“安啟塞”點(diǎn)火方式（Safe Start Cap）。經(jīng)過小批量試產(chǎn)、試用后，定型的最終產(chǎn)品順利的投入中國市場大量應(yīng)用，全國各地的客戶鋁熱焊工通過三年多來的現(xiàn)場實(shí)際使用，普遍的反映安啟塞點(diǎn)火效果良好，是一種安全、可靠、高效、操作方便、易于掌握的鋁熱焊劑點(diǎn)火方式。其點(diǎn)火方式示意圖如圖5。

圖5 安啟塞點(diǎn)火示意圖

6 一種安全的、可靠的鋁熱焊劑安啟塞點(diǎn)火方式

安啟塞點(diǎn)火方式點(diǎn)燃鋁熱焊劑的作業(yè)過程：①預(yù)熱完成、將盛放了鋁熱焊劑的一次性坩堝安裝在砂型側(cè)模板上；②將安啟塞放置于三角支架上安裝在一次性坩堝蓋出塵口上方；③快速而準(zhǔn)確的用預(yù)熱槍點(diǎn)燃安啟塞；④1s～2s內(nèi)，安啟塞點(diǎn)燃，豎直向下滴落的鋼水在2s～3s內(nèi)能夠在不改變鋁熱焊劑混合均勻性、不吹亂鋁熱焊劑主要成分配比的前提下，點(diǎn)燃焊劑。

圖4 焊劑安全檢驗(yàn)示意圖

安啟塞點(diǎn)火方式的核心在于――成功的開發(fā)出了一顆與鋁熱焊劑原始成份相近的、冷熱金屬及金屬氧化物比例適當(dāng)?shù)?、所用粘接劑不?huì)產(chǎn)生額外的雜質(zhì)及有害成份，從而影響到鋼軌鋁熱焊焊接接頭質(zhì)量的圓錐臺(tái)形狀塞子。

圓錐臺(tái)形狀安啟塞的工廠內(nèi)加工、制作流程圖如下。

圖6 圓錐臺(tái)形狀安啟塞的工藝流程

鋁熱焊劑安啟塞點(diǎn)火方式具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）適合儲(chǔ)存、運(yùn)輸。安啟塞的主要成分優(yōu)于鋁熱焊劑，能夠滿足TB/T 1632.3-2019《鋼軌焊接 第3部分：鋁熱焊接》800±10℃，30min不會(huì)反應(yīng)的安全要求，不存在運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

（2）點(diǎn)火效率高。安啟塞點(diǎn)燃后的3s～5s內(nèi)，都能夠100%成功地點(diǎn)燃鋁熱焊劑。

（3）鋁熱焊劑燃燒界面層進(jìn)推移效果好。安啟塞點(diǎn)火時(shí)，不會(huì)吹亂鋁熱焊劑主要成分配比的均勻性，使得利用氧化－還原放熱自增殖過程而進(jìn)行的鋁熱反應(yīng)比較平穩(wěn)、燃燒界面層進(jìn)推移效果良好。

（4）不影響鋁熱焊焊接接頭質(zhì)量。安啟塞的成分優(yōu)于鋁熱焊劑，所使用的粘接劑優(yōu)于砂型用料，并不會(huì)產(chǎn)生額外的雜質(zhì)以及其他的有害成份從而導(dǎo)致鋁熱焊焊接接頭出現(xiàn)夾渣、氣孔、未焊合等質(zhì)量缺陷。

（5）操作簡便、技術(shù)易于掌握。安啟塞點(diǎn)火方式綜合了高溫火柴點(diǎn)火及預(yù)熱槍點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過施密特公司培訓(xùn)合格后上崗的鋁熱焊工不需要再進(jìn)行特別的專門培訓(xùn)就可以很方便的高效完成客戶現(xiàn)場在線鋁熱焊作業(yè)。

7 小結(jié)

鋁熱焊劑的安啟塞點(diǎn)火方式自從進(jìn)入海內(nèi)、外市場以來，至今已在客戶施工現(xiàn)場成功的進(jìn)行了二十萬次以上的鋁熱焊焊接作業(yè)，無一例失敗及不良反映。

實(shí)踐充分證明：鋁熱焊劑的安啟塞點(diǎn)火方式（Safe Start Cap）是一種非常安全的、可靠的、操作簡便的、易于掌握的新型鋁熱焊劑點(diǎn)火方式。