高硬度钢轨铝热焊剂及其焊接方法 技术领域 本发明涉及一种钢轨铝热焊接用焊剂及焊接方法， 特别涉及一种高硬度钢轨的铝 热焊接用焊剂及其焊接方法。
背景技术
随着铁路线路重载运输的发展， 为提高钢轨的使用寿命， 减小钢轨磨耗， 采取了多 种方法。其中增加钢轨硬度是提高钢轨使用寿命的有效手段。随着钢轨硬度的增加， 耐磨 性增加， 越来越多的高硬度钢轨在线路上辅设使用， 因此发展高硬度钢轨铝热焊接技术成 为必然， 对铝热焊接高硬度钢轨用的铝热焊剂提出了要求。发明内容
本发明的首要目的在于提供一种高硬度钢轨铝热焊剂， 该高硬度钢轨铝热焊剂反 应稳定， 焊接接头硬度高， 满足高硬度钢轨铝热焊接的需要。 本发明的另一目的是提供一种使用高硬度钢轨铝热焊剂进行焊接的方法。
根据本发明第一方面， 高硬度钢轨铝热焊剂由由铝粉、 氧化铁及合金添加物均匀 混合而成。
其中， 所述铝粉重量份为 17 ～ 19， 其活性铝含量大于 98 ％重量百分比， 粒度为 30 ～ 60 目。
其中所述氧化铁在加热轧制钢材过程中氧化形成， 其重量份为 65 ～ 71， 粒度为 18 ～ 80 目。
其中所述合金添加物包括 ： 铁丸、 硅铁、 锰铁、 铬铁、 钒铁、 钼铁、 稀土合金， 其中 ：
所述铁丸重量份为 10 ～ 12， 其中含碳量为 3％～ 3.4％重量百分比， 粒度为 10 ～ 18 目 ；
所述硅铁重量份为 0.24 ～ 0.44， 其含硅量为 72.0 ～ 80.0％重量百分比， 粒度为 10 ～ 18 目 ；
所述锰铁重量份为 1.31 ～ 3.31， 其含锰量为 65.0 ～ 72.0％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
所述铬铁重量份为 0.05 ～ 0.17， 其含铬量为 50 ％～ 55 ％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
所述钒铁重量份为 0.06 ～ 0.11， 其含钒量为 50 ％～ 55 ％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
所述钼铁重量份为 0.23 ～ 0.29， 其中含钼量为 55％～ 60％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
所述稀土合金重量份为 0.08 ～ 0.14， 其中含铬稀土量为 35％～ 60％重量百分比， 含硅量小于 40％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目。
根据本发明第二方面， 使用上述高硬度钢轨铝热焊剂进行高硬度钢轨铝热焊接的
方法包括以下步骤 ：
(a) 把砂型安装到待焊的两相邻钢轨的端部后， 将装有所述铝热焊剂的坩埚置于 所述砂型之上， 然后通过加热铝热焊剂引发铝热反应， 生成铝热钢水 ；
(b) 所述铝热钢水通过融化所述坩锅底部的自熔塞， 浇铸到所述砂型与所述两相 邻钢轨的端部形成的封闭空腔中 ；
(c) 浇铸到所述封闭空腔中的铝热钢水作为所述两相邻钢轨的端部之间缝隙填充 金属与其共同结晶， 经冷却凝固后把两钢轨焊接成整体。
其中所述坩锅顶部放置有坩锅盖， 所述坩锅盖包括 ： 向上凸起的排放盖体 ； 密封 连接所述排放盖体内排放通道的通道壁的挡盖 ； 以及通过所述通道壁连通所述挡盖之上和 之下的排放通道的至少一个火焰排放道。
其中所述火焰排放道具有位于所述挡盖之下的火焰排放入口和位于所述挡盖之 上的火焰排放出口。
其中所述坩锅内放置有坩埚内衬， 该内衬包括 ： 内衬体 ； 位于内衬体底部中心位 置上的自熔塞孔 ； 埋置在所述内衬体底部中心位置并包围所述自熔塞孔的金属圈 ； 以及塞 入所述自熔塞孔内的所述自熔塞。
其中所述砂型的尺寸与待焊钢轨外形尺寸一致 ； 以及通过点燃高温火柴加热所述 焊剂。
本发明具有以下技术效果 ：
(1) 焊剂反应稳定。焊剂从点火到浇铸的时间在 27±5S， 平静时间 5 ～ 10S ；
(2) 焊接接头的硬度为 320HB±10HB， 焊接接头金属平均抗拉强度大于 830Mpa， 实 物疲劳 200 万次不断， 适用于我国现在的 75kg/mPG4 钢轨的铝热焊接。
(3) 操作简单， 方便易行。
下面结合附图对本发明进行详细说明。 附图说明
图 1 是显示本发明焊接方法的准备阶段的示意图 ； 图 2 显示本发明焊接方法的浇铸阶段的示意图 ； 图 3 是显示本发明焊接方法的凝固阶段的示意图 ； 图 4 是显示本发明使用的坩锅盖正面的示意图 ； 图 5 是显示本发明使用的坩锅盖反面的示意图 ； 图 6 是显示本发明使用的坩锅内衬的示意图 ； 图 7 是塞入自熔塞的坩锅内衬的示意图。具体实施方式
本发明的高硬度钢轨铝热焊剂由由铝粉、 氧化铁及合金添加物均匀混合而成， 用 于将两段钢轨焊接成整体。
铝粉重量份可以为 17 ～ 19， 最好为 18.03， 其活性铝含量大于 98％重量百分比， 粒 度为 30 ～ 60 目。
氧化铁在加热轧制钢材过程中氧化形成， 其重量份可以为 65 ～ 71， 最好为 67.94，粒度为 18 ～ 80 目。
合金添加物包括 ： 铁丸、 硅铁、 锰铁、 铬铁、 钒铁、 钼铁、 稀土合金， 其中 ：
铁丸重量份可以为 10 ～ 12， 最好为 10.8， 其含碳量为 3％～ 3.4％重量百分比， 粒 度为 10 ～ 18 目 ；
硅铁重量份可以为 0.24 ～ 0.44， 最好为 0.34， 其含硅量为 72.0 ～ 80.0％重量百 分比， 粒度为 10 ～ 18 目 ；
锰铁重量份可以为 1.31 ～ 3.31， 最好为 2.31， 其含锰量为 65.0 ～ 72.0％重量百 分比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
铬铁重量份可以为 0.05 ～ 0.17， 最好为 0.11， 其含铬量为 50％～ 55％重量百分 比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
钒铁重量份可以为 0.06 ～ 0.11， 最好为 0.09， 其含钒量为 50％～ 55％重量百分 比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
钼铁重量份可以为 0.23 ～ 0.29， 最好为 0.26， 其含钼量为 55％～ 60％重量百分 比， 粒度为 10 ～ 80 目 ；
稀土合金重量份为 0.08 ～ 0.14， 最好为 0.11， 其含铬稀土量为 35％～ 60％重量 百分比， 含硅量小于 40％重量百分比， 粒度为 10 ～ 80 目。 上述铁丸最好是低 S、 P 的铁丸， 比如 S ＜ 0.07％， P ＜ 0.08％。
采用上述高硬度钢轨铝热焊剂焊接钢轨具有以下优点 ：
1、 焊剂反应稳定。焊剂从点火到浇铸的时间在 27±5S， 平静时间 5 ～ 10S。
2、 焊接接头的硬度为 320HB±10HB， 焊接接头金属平均抗拉强度大于 830Mpa， 实 物疲劳 200 万次不断。适且于我国现在的 75kg/mPG4 钢轨的铝热焊接。
3、 焊接操作简便。
图 1 至图 3 分别显示了本发明进行钢轨焊接的准备阶段、 浇铸阶段和凝固阶段。
需要说明的是， 本发明的焊接方法不仅适用于本发明的高硬度钢轨铝热焊剂， 也 适用于其他焊剂。
如图 1 至图 3 所示， 本发明的使用上述高硬度钢轨铝热焊剂进行高硬度钢轨铝热 焊接的方法包括以下步骤 ：
(a) 把砂型 2 安装到待焊的两相邻钢轨的端部 3 后， 将装有所述铝热焊剂的坩埚 5 置于所述砂型 2 之上， 然后通过加热铝热焊剂引发铝热反应， 生成铝热钢水 ；
(b) 所述铝热钢水通过融化所述坩锅 5 底部的自熔塞 15， 浇铸到所述砂型 2 与所 述两相邻钢轨的端部 3 形成的封闭空腔中 ；
(c) 浇铸到所述封闭空腔中的铝热钢水作为所述两相邻钢轨的端部 3 之间缝隙填 充金属与其共同结晶， 经冷却凝固后把两钢轨焊接成整体。
焊接完成后， 可以进行以下处理 ：
开箱 ： 将砂型和两侧的与轨底相连的钢柱除去 ；
推瘤 ： 用推瘤机将焊接接头轨顶和轨头侧面的焊接金属除去 ；
打磨 ： 用打磨机打磨焊接接头顶面和轨头侧面， 使其与钢轨母材相平顺 ；
清理 ： 清理焊接金属周围的砂型。
本发明使用的干锅可以是一次性坩埚。
由于钢轨铝热焊剂的反应温度高， 反应激烈， 焊剂在坩埚中发生反应的过程中会 有大量的高温颗粒飞溅并同时产生大量的火焰。飞溅出的颗粒中含有高温熔渣和高温钢 水， 这此高温颗粒直接威胁焊接操作人员的安全， 此外这此高温颗粒还有可能落到焊接现 场周边， 带来安全隐患， 并威胁现场的安全。为此， 本发明特别设置了一种防止高温熔渣和 高温钢水飞溅的坩锅盖 6。如图 1 至图 3 所示， 该坩锅盖 6 放置在坩锅 5 的顶部。
图 4 显示了本发明的坩锅盖 6 的正面结构， 图 5 显示了本发明的坩锅盖 6 的反面 结构。
如图 4 和图 5 所示， 本发明的坩锅盖 6 包括 ：
向上凸起的排放盖体 10， 用于向空中排放高温高热的烟子， 该排放盖体 10 内部具 有一个排放通道 ；
密封连接所述排放盖体 10 内排放通道 12 的通道壁的挡盖 9， 用于遮挡进行钢轨铝 热焊接产生的高温颗粒和火焰 ； 以及
通过所述通道壁连通所述挡盖 9 之上和之下的排放通道 12 的至少一个火焰排放 道， 也就是说， 该排放通道通过图 4 所示的火焰排放入口 8 和图 5 所示火焰排放出口 15 连 通挡盖 9 上下的排放通道 12。 本本发明利用挡盖 9 阻挡飞溅的高温颗粒和火焰， 同时利用通过挡盖 9 上下的通 道壁连通的火焰排放道排放火焰和高温、 高热的烟子。
为了加强挡盖 9 与通道壁连接的连接强度， 排放盖体 9 设有从通道壁延伸的用于 支撑所述挡盖 9 的多个挡盖支撑筋 14， 这样可以有效避免挡盖 9 与排放盖体的分离， 即可以 有效避免挡盖 9 从排放盖体 10 脱落。如图 5 所示， 挡盖支撑筋 14 可以有四个。
如上所述， 火焰排放道具有位于挡盖 9 之下的火焰排放入口 15 和位于所述挡盖 9 之上的火焰排放出口 8， 以便坩锅的火焰经由火焰排放入口 15、 火焰排放出口 8 排放到大气 里。
排放盖体 10 的底部外沿具有与其成一体的环形边沿 11， 该环形边沿 11 可以与坩 锅表面配合， 防止固体飞溅物飞出。排放盖体 10 具有从底面向外延伸的环形凸台 13， 该环 形凸台 13 向坩锅 5 内部伸出， 即能起到水平定位坩锅的作用， 又可以防止固体颗粒物飞出。
图 1 至图 3 所示的坩锅 5 内放置有坩埚内衬 ( 未显示 )， 普通的坩锅内衬在多次使 用后， 其底部的自熔塞孔 19 将会变大， 使得自熔塞无法正确安装， 造成坩埚内衬无法使用。 为此本发明设计了一种具有特殊结构的坩锅内衬。图 6 和图 7 显示了本发明的坩锅内衬的 结构。
如图 6 和图 7 所示， 坩锅内衬包括 ： 内衬体 16 ； 位于内衬体 16 底部中心位置上的 自熔塞孔 18 ； 埋置在所述内衬体 16 底部中心位置并包围所述自熔塞孔 18 的金属圈 17 ； 以 及塞入所述自熔塞孔 18 内的所述自熔塞 19。
由于本实用新型在内衬体 1 的底部埋置一金属圈， 使得该金属圈与自熔塞 7 的外 壁接触， 所以该处温度不会很高， 而且金属圈耐摩擦， 不易磨损， 可大大延长多用坩埚内衬 的使用寿命， 使得本实用新型的钢轨铝热焊接用多用坩埚内衬可以重复使用。
实验表明， 本实用新型的多用坩埚内衬使用次数在 50 次以上， 而且多用坩埚底部 的自熔塞孔不会发生过度磨损。
此外， 图 1 至图 3 所示的砂型 2 的尺寸应当与待焊钢轨外形尺寸一致。
另外， 在上述步骤 a) 中， 通过点燃高温火柴加热所述焊剂， 以便引发铝热反应， 在 该反应过程中， 放出大量的热熔化合金添加物， 与反应生成的铁形成为钢液， 由于其密度大 沉于坩埚 5 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 19。
上述焊接方法可以使焊接接头的硬度到达 320HB±10HB， 焊接接头金属平均抗拉 强度大于 830Mpa， 实物疲劳 200 万次不断。 适且于我国现在的 75kg/mPG4 钢轨的铝热焊接。
另一方面可以避免高温颗粒直接威胁焊接操作人员的安全， 加快焊接作业。
此外， 本发明的坩锅内衬可以多次重复使用， 因而可以节省焊接成本。
尽管上文对本发明进行了详细说明， 但是本发明不限于此， 本技术领域技术人员 可以根据本发明的原理进行各种修改。 因此， 凡按照本发明原理所作的修改， 都应当理解为 落入本发明的保护范围。