專利名稱：高硬度鋼軌鋁熱焊劑及其焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼軌鋁熱焊接用焊劑及焊接方法，特別涉及一種高硬度鋼軌的鋁 熱焊接用焊劑及其焊接方法。
背景技術(shù)：
隨著鐵路線路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，為提高鋼軌的使用壽命，減小鋼軌磨耗，采取了多 種方法。其中增加鋼軌硬度是提高鋼軌使用壽命的有效手段。隨著鋼軌硬度的增加，耐磨 性增加，越來(lái)越多的高硬度鋼軌在線路上輔設(shè)使用，因此發(fā)展高硬度鋼軌鋁熱焊接技術(shù)成 為必然，對(duì)鋁熱焊接高硬度鋼軌用的鋁熱焊劑提出了要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于提供一種高硬度鋼軌鋁熱焊劑，該高硬度鋼軌鋁熱焊劑反 應(yīng)穩(wěn)定，焊接接頭硬度高，滿足高硬度鋼軌鋁熱焊接的需要。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用高硬度鋼軌鋁熱焊劑進(jìn)行焊接的方法。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，高硬度鋼軌鋁熱焊劑由由鋁粉、氧化鐵及合金添加物均勻 混合而成。
其中，所述鋁粉重量份為17 19，其活性鋁含量大于98%重量百分比，粒度為 30 60目。
其中所述氧化鐵在加熱軋制鋼材過(guò)程中氧化形成，其重量份為65 71，粒度為 18 80目。
其中所述合金添加物包括鐵丸、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、釩鐵、鉬鐵、稀土合金，其中
所述鐵丸重量份為10 12，其中含碳量為3% 3. 4%重量百分比，粒度為10 18目；
所述硅鐵重量份為0. 24 0. 44，其含硅量為72. 0 80. 0%重量百分比，粒度為 10 18目；
所述錳鐵重量份為1.31 3. 31，其含錳量為65.0 72.0%重量百分比，粒度為 10 80目；
所述鉻鐵重量份為0. 05 0. 17，其含鉻量為50% 55%重量百分比，粒度為 10 80目；
所述釩鐵重量份為0.06 0. 11，其含釩量為50% 55%重量百分比，粒度為 10 80目；
所述鉬鐵重量份為0. 23 0.四，其中含鉬量為55% 60%重量百分比，粒度為 10 80目；
所述稀土合金重量份為0.08 0. 14，其中含鉻稀土量為35% 60%重量百分比， 含硅量小于40%重量百分比，粒度為10 80目。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，使用上述高硬度鋼軌鋁熱焊劑進(jìn)行高硬度鋼軌鋁熱焊接的方法包括以下步驟
(a)把砂型安裝到待焊的兩相鄰鋼軌的端部后，將裝有所述鋁熱焊劑的坩堝置于 所述砂型之上，然后通過(guò)加熱鋁熱焊劑引發(fā)鋁熱反應(yīng)，生成鋁熱鋼水；
(b)所述鋁熱鋼水通過(guò)融化所述坩鍋底部的自熔塞，澆鑄到所述砂型與所述兩相 鄰鋼軌的端部形成的封閉空腔中；
(c)澆鑄到所述封閉空腔中的鋁熱鋼水作為所述兩相鄰鋼軌的端部之間縫隙填充 金屬與其共同結(jié)晶，經(jīng)冷卻凝固后把兩鋼軌焊接成整體。
其中所述坩鍋?lái)敳糠胖糜雄徨伾w，所述坩鍋蓋包括向上凸起的排放蓋體；密封 連接所述排放蓋體內(nèi)排放通道的通道壁的擋蓋；以及通過(guò)所述通道壁連通所述擋蓋之上和 之下的排放通道的至少一個(gè)火焰排放道。
其中所述火焰排放道具有位于所述擋蓋之下的火焰排放入口和位于所述擋蓋之 上的火焰排放出口。
其中所述坩鍋內(nèi)放置有坩堝內(nèi)襯，該內(nèi)襯包括內(nèi)襯體；位于內(nèi)襯體底部中心位 置上的自熔塞孔；埋置在所述內(nèi)襯體底部中心位置并包圍所述自熔塞孔的金屬圈；以及塞 入所述自熔塞孔內(nèi)的所述自熔塞。
其中所述砂型的尺寸與待焊鋼軌外形尺寸一致；以及通過(guò)點(diǎn)燃高溫火柴加熱所述 焊劑。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果
(1)焊劑反應(yīng)穩(wěn)定。焊劑從點(diǎn)火到澆鑄的時(shí)間在27士5S，平靜時(shí)間5 IOS ；
(2)焊接接頭的硬度為320HB士 10HB，焊接接頭金屬平均抗拉強(qiáng)度大于830Mpa，實(shí) 物疲勞200萬(wàn)次不斷，適用于我國(guó)現(xiàn)在的75kg/mPG4鋼軌的鋁熱焊接。
(3)操作簡(jiǎn)單，方便易行。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是顯示本發(fā)明焊接方法的準(zhǔn)備階段的示意圖2顯示本發(fā)明焊接方法的澆鑄階段的示意圖3是顯示本發(fā)明焊接方法的凝固階段的示意圖4是顯示本發(fā)明使用的坩鍋蓋正面的示意圖5是顯示本發(fā)明使用的坩鍋蓋反面的示意圖6是顯示本發(fā)明使用的坩鍋內(nèi)襯的示意圖7是塞入自熔塞的坩鍋內(nèi)襯的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的高硬度鋼軌鋁熱焊劑由由鋁粉、氧化鐵及合金添加物均勻混合而成，用 于將兩段鋼軌焊接成整體。
鋁粉重量份可以為17 19，最好為18. 03，其活性鋁含量大于98%重量百分比，粒 度為30 60目。
氧化鐵在加熱軋制鋼材過(guò)程中氧化形成，其重量份可以為65 71，最好為67. 94，粒度為18 80目。
合金添加物包括鐵丸、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、釩鐵、鉬鐵、稀土合金，其中
鐵丸重量份可以為10 12，最好為10. 8，其含碳量為3% 3. 4%重量百分比，粒 度為10 18目；
硅鐵重量份可以為0. 24 0. 44，最好為0. ；34，其含硅量為72. 0 80. 0%重量百 分比，粒度為10 18目；
錳鐵重量份可以為1. 31 3. 31，最好為2. 31，其含錳量為65. 0 72. 0%重量百 分比，粒度為10 80目；
鉻鐵重量份可以為0.05 0. 17，最好為0. 11，其含鉻量為50% 55%重量百分 比，粒度為10 80目；
釩鐵重量份可以為0.06 0. 11，最好為0.09，其含釩量為50% 55%重量百分 比，粒度為10 80目；
鉬鐵重量份可以為0. 23 0. 29，最好為0.沈，其含鉬量為55% 60%重量百分 比，粒度為10 80目；
稀土合金重量份為0. 08 0. 14，最好為0.11，其含鉻稀土量為35 % 60 %重量 百分比，含硅量小于40%重量百分比，粒度為10 80目。
上述鐵丸最好是低S、P的鐵丸，比如S < 0. 07%，P < 0. 08%。
采用上述高硬度鋼軌鋁熱焊劑焊接鋼軌具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、焊劑反應(yīng)穩(wěn)定。焊劑從點(diǎn)火到澆鑄的時(shí)間在27士5S，平靜時(shí)間5 10S。
2、焊接接頭的硬度為320HB士 10HB，焊接接頭金屬平均抗拉強(qiáng)度大于830Mpa，實(shí) 物疲勞200萬(wàn)次不斷。適且于我國(guó)現(xiàn)在的75kg/mPG4鋼軌的鋁熱焊接。
3、焊接操作簡(jiǎn)便。
圖1至圖3分別顯示了本發(fā)明進(jìn)行鋼軌焊接的準(zhǔn)備階段、澆鑄階段和凝固階段。
需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的焊接方法不僅適用于本發(fā)明的高硬度鋼軌鋁熱焊劑，也 適用于其他焊劑。
如圖1至圖3所示，本發(fā)明的使用上述高硬度鋼軌鋁熱焊劑進(jìn)行高硬度鋼軌鋁熱 焊接的方法包括以下步驟
(a)把砂型2安裝到待焊的兩相鄰鋼軌的端部3后，將裝有所述鋁熱焊劑的坩堝5 置于所述砂型2之上，然后通過(guò)加熱鋁熱焊劑引發(fā)鋁熱反應(yīng)，生成鋁熱鋼水；
(b)所述鋁熱鋼水通過(guò)融化所述坩鍋5底部的自熔塞15，澆鑄到所述砂型2與所 述兩相鄰鋼軌的端部3形成的封閉空腔中；
(c)澆鑄到所述封閉空腔中的鋁熱鋼水作為所述兩相鄰鋼軌的端部3之間縫隙填 充金屬與其共同結(jié)晶，經(jīng)冷卻凝固后把兩鋼軌焊接成整體。
焊接完成后，可以進(jìn)行以下處理
開(kāi)箱將砂型和兩側(cè)的與軌底相連的鋼柱除去；
推瘤用推瘤機(jī)將焊接接頭軌頂和軌頭側(cè)面的焊接金屬除去；
打磨用打磨機(jī)打磨焊接接頭頂面和軌頭側(cè)面，使其與鋼軌母材相平順；
清理清理焊接金屬周?chē)纳靶汀?br> 本發(fā)明使用的干鍋可以是一次性坩堝。
由于鋼軌鋁熱焊劑的反應(yīng)溫度高，反應(yīng)激烈，焊劑在坩堝中發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中會(huì) 有大量的高溫顆粒飛濺并同時(shí)產(chǎn)生大量的火焰。飛濺出的顆粒中含有高溫熔渣和高溫鋼 水，這此高溫顆粒直接威脅焊接操作人員的安全，此外這此高溫顆粒還有可能落到焊接現(xiàn) 場(chǎng)周邊，帶來(lái)安全隱患，并威脅現(xiàn)場(chǎng)的安全。為此，本發(fā)明特別設(shè)置了一種防止高溫熔渣和 高溫鋼水飛濺的坩鍋蓋6。如圖1至圖3所示，該坩鍋蓋6放置在坩鍋5的頂部。
圖4顯示了本發(fā)明的坩鍋蓋6的正面結(jié)構(gòu)，圖5顯示了本發(fā)明的坩鍋蓋6的反面 結(jié)構(gòu)。
如圖4和圖5所示，本發(fā)明的坩鍋蓋6包括
向上凸起的排放蓋體10，用于向空中排放高溫高熱的煙子，該排放蓋體10內(nèi)部具 有一個(gè)排放通道；
密封連接所述排放蓋體10內(nèi)排放通道12的通道壁的擋蓋9，用于遮擋進(jìn)行鋼軌鋁 熱焊接產(chǎn)生的高溫顆粒和火焰；以及
通過(guò)所述通道壁連通所述擋蓋9之上和之下的排放通道12的至少一個(gè)火焰排放 道，也就是說(shuō)，該排放通道通過(guò)圖4所示的火焰排放入口 8和圖5所示火焰排放出口 15連 通擋蓋9上下的排放通道12。
本本發(fā)明利用擋蓋9阻擋飛濺的高溫顆粒和火焰，同時(shí)利用通過(guò)擋蓋9上下的通 道壁連通的火焰排放道排放火焰和高溫、高熱的煙子。
為了加強(qiáng)擋蓋9與通道壁連接的連接強(qiáng)度，排放蓋體9設(shè)有從通道壁延伸的用于 支撐所述擋蓋9的多個(gè)擋蓋支撐筋14，這樣可以有效避免擋蓋9與排放蓋體的分離，即可以 有效避免擋蓋9從排放蓋體10脫落。如圖5所示，擋蓋支撐筋14可以有四個(gè)。
如上所述，火焰排放道具有位于擋蓋9之下的火焰排放入口 15和位于所述擋蓋9 之上的火焰排放出口 8，以便坩鍋的火焰經(jīng)由火焰排放入口 15、火焰排放出口 8排放到大氣 里。
排放蓋體10的底部外沿具有與其成一體的環(huán)形邊沿11，該環(huán)形邊沿11可以與坩 鍋表面配合，防止固體飛濺物飛出。排放蓋體10具有從底面向外延伸的環(huán)形凸臺(tái)13，該環(huán) 形凸臺(tái)13向坩鍋5內(nèi)部伸出，即能起到水平定位坩鍋的作用，又可以防止固體顆粒物飛出。
圖1至圖3所示的坩鍋5內(nèi)放置有坩堝內(nèi)襯(未顯示)，普通的坩鍋內(nèi)襯在多次使 用后，其底部的自熔塞孔19將會(huì)變大，使得自熔塞無(wú)法正確安裝，造成坩堝內(nèi)襯無(wú)法使用。 為此本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)襯。圖6和圖7顯示了本發(fā)明的坩鍋內(nèi)襯的 結(jié)構(gòu)。
如圖6和圖7所示，坩鍋內(nèi)襯包括內(nèi)襯體16 ；位于內(nèi)襯體16底部中心位置上的 自熔塞孔18 ；埋置在所述內(nèi)襯體16底部中心位置并包圍所述自熔塞孔18的金屬圈17 ；以 及塞入所述自熔塞孔18內(nèi)的所述自熔塞19。
由于本實(shí)用新型在內(nèi)襯體1的底部埋置一金屬圈，使得該金屬圈與自熔塞7的外 壁接觸，所以該處溫度不會(huì)很高，而且金屬圈耐摩擦，不易磨損，可大大延長(zhǎng)多用坩堝內(nèi)襯 的使用壽命，使得本實(shí)用新型的鋼軌鋁熱焊接用多用坩堝內(nèi)襯可以重復(fù)使用。
實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)用新型的多用坩堝內(nèi)襯使用次數(shù)在50次以上，而且多用坩堝底部 的自熔塞孔不會(huì)發(fā)生過(guò)度磨損。
此外，圖1至圖3所示的砂型2的尺寸應(yīng)當(dāng)與待焊鋼軌外形尺寸一致。
另外，在上述步驟a)中，通過(guò)點(diǎn)燃高溫火柴加熱所述焊劑，以便引發(fā)鋁熱反應(yīng)，在 該反應(yīng)過(guò)程中，放出大量的熱熔化合金添加物，與反應(yīng)生成的鐵形成為鋼液，由于其密度大 沉于坩堝5底部，反應(yīng)生成的熔渣較輕而浮在上部，在很短時(shí)間內(nèi)，高溫的鋁熱鋼水熔化坩 堝底部的自熔塞19。
上述焊接方法可以使焊接接頭的硬度到達(dá)320HB士 10HB，焊接接頭金屬平均抗拉 強(qiáng)度大于830Mpa，實(shí)物疲勞200萬(wàn)次不斷。適且于我國(guó)現(xiàn)在的75kg/mPG4鋼軌的鋁熱焊接。
另一方面可以避免高溫顆粒直接威脅焊接操作人員的安全，加快焊接作業(yè)。
此外，本發(fā)明的坩鍋內(nèi)襯可以多次重復(fù)使用，因而可以節(jié)省焊接成本。
盡管上文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員 可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行各種修改。因此，凡按照本發(fā)明原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為 落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高硬度鋼軌鋁熱焊劑，由鋁粉、氧化鐵及合金添加物均勻混合而成。
2.如權(quán)利要求1所述的高硬度鋼軌鋁熱焊劑，其中所述鋁粉重量份為17 19，其活性 鋁含量大于98%重量百分比，粒度為30 60目。
3.如權(quán)利要求1所述的高硬度鋼軌鋁熱焊劑，其中所述氧化鐵在加熱軋制鋼材過(guò)程中 氧化形成，其重量份為65 71，粒度為18 80目。
4.如權(quán)利要求1所述的高硬度鋼軌鋁熱焊劑，其中所述合金添加物包括鐵丸、硅鐵、 錳鐵、鉻鐵、釩鐵、鉬鐵、稀土合金。
5.如權(quán)利要求4所述的高硬度鋼軌鋁熱焊劑，其中所述鐵丸重量份為10 12，其含碳量為3% 3. 4%重量百分比，粒度為10 18目； 所述硅鐵重量份為0. 24 0. 44，其含硅量為72. 0 80. 0%重量百分比，粒度為10 18目；所述錳鐵重量份為1. 31 3. 31，其含錳量為65. 0 72. 0%重量百分比，粒度為10 80目；所述鉻鐵重量份為0. 05 0. 17，其含鉻量為50% 55%重量百分比，粒度為10 80目；所述釩鐵重量份為0. 06 0. 11，其含釩量為50% 55%重量百分比，粒度為10 80目；所述鉬鐵重量份為0. 23 0.四，其含鉬量為55% 60%重量百分比，粒度為10 80目；所述稀土合金重量份為0. 08 0. 14，其含鉻稀土量為35 % 60 %重量百分比，含硅量 小于40%重量百分比，粒度為10 80目。
6.一種使用權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述高硬度鋼軌鋁熱焊劑進(jìn)行高硬度鋼軌鋁熱焊接 的方法，包括以下步驟(a)把砂型(2)安裝到待焊的兩相鄰鋼軌的端部(3)后，將裝有所述鋁熱焊劑的坩堝(5)置于所述砂型(2)之上，然后通過(guò)加熱鋁熱焊劑引發(fā)鋁熱反應(yīng)，生成鋁熱鋼水；(b)所述鋁熱鋼水通過(guò)融化所述坩鍋( 底部的自熔塞(15)，澆鑄到所述砂型(2)與 所述兩相鄰鋼軌的端部(3)形成的封閉空腔中；(c)澆鑄到所述封閉空腔中的鋁熱鋼水作為所述兩相鄰鋼軌的端部(3)之間縫隙填充 金屬與其共同結(jié)晶，經(jīng)冷卻凝固后把兩鋼軌焊接成整體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述坩鍋( 頂部放置有坩鍋蓋(6)，所述坩鍋蓋(6)包括向上凸起的排放蓋體(10)；密封連接所述排放蓋體(10)內(nèi)排放通道(1 的通道壁的擋蓋(9)；以及 通過(guò)所述通道壁連通所述擋蓋(9)之上和之下的排放通道(1 的至少一個(gè)火焰排放道。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述火焰排放道具有位于所述擋蓋(9)之下的火焰 排放入口(1 和位于所述擋蓋(9)之上的火焰排放出口(8)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述坩鍋(5)內(nèi)放置有坩堝內(nèi)襯，該內(nèi)襯包括 內(nèi)襯體(16)；位于內(nèi)襯體(16)底部中心位置上的自熔塞孔(18)；埋置在所述內(nèi)襯體(16)底部中心位置并包圍所述自熔塞孔(18)的金屬圈(17)；以及 塞入所述自熔塞孔(1 內(nèi)的所述自熔塞(19)。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述砂型O)的尺寸與待焊鋼軌外形尺寸一致；以 及通過(guò)點(diǎn)燃高溫火柴加熱所述焊劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高硬度鋼軌鋁熱焊劑以及焊接方法，鋁熱焊劑由鋁粉、氧化鐵及合金添加物組成。其中鋁粉為純鋁粉，活性鋁含量大于98％，粒度30～60目；氧化鐵在加熱軋制鋼材過(guò)程中氧化形成，粒度為18～80目；其它合金添加物包括鐵丸、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、釩鐵、鉬鐵、稀土合金。使用該焊劑進(jìn)行鋁熱焊接高硬度鋼軌的方法包括以下過(guò)程(a)將鋁熱焊劑裝入反應(yīng)坩堝中，點(diǎn)燃焊劑引發(fā)鋁熱反應(yīng)；(b)反應(yīng)生成的鋁熱鋼水澆鑄到砂型與待焊鋼軌形成的封閉空腔中；(c)鋁熱鋼水與鋼軌共同冷卻凝固而將兩端鋼軌焊成整體。本發(fā)明的鋁熱焊劑進(jìn)行焊接時(shí)，焊接接頭硬度大，焊劑反應(yīng)穩(wěn)定，能夠滿足高硬度鋼軌焊接的需要。
文檔編號(hào)B23K23/00GK102029486SQ200910093408
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者崔成林, 王寶秀, 遲俊杰, 高松福 申請(qǐng)人:北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司