铝热焊剂安全点火方式研究

王国章

（施密特钢轨技术（昆山）有限公司，江苏 苏州 215300）

1 铝热焊简介及其在钢轨焊接中的应用

1895年，德国汉斯·高德斯密特教授（Dr.Hans Goldschmidt）应用氧化－还原反应的原理发明了铝热焊技术；1914年，铝热焊（Thermit Welding）首次用于柏林有轨电车焊接。从此以后，铝热焊在全球的铁路系统钢轨焊接作业中成为主要的焊接方法之一。1966年，中国开始从德国Halle（Saale）工厂引进施密特铝热焊焊接技术。

铝热焊，利用铝粉与金属氧化铁的氧化－还原反应生成大量热的同时，还原出铁来熔化钢轨，经过6s～18s的镇静过程（主要表现为钢水下沉、氧化铝等焊渣上浮），与母材钢轨一起形成接头的一种特种焊焊接工艺。其主要的铝热反应方程式如下：

2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3+850KJ

据测算，在铝热焊接过程中，钢液的温度可达2500℃～3500℃；通过加入适当的冷金属添加剂，可以使钢液温度降至2000℃～2100℃左右。这样，既能够充分提高钢的生成率，也能够更好的控制焊缝及热影响区的冶金反应及金属结晶和组织相变，从而能够获得理想的珠光体加少量的铁素体的金相组织，达到中国国家铁路局对钢轨铝热焊焊接接头的全面质量要求。

2 SkV-Elite铝热焊工艺过程及焊接材料介绍

2002年，德国高德·斯密特集团在总结了过去一个世纪以来铝热焊经验的基础之上，优化了三注孔的SkV-F铝热焊工艺，从而推出了一款新的、短时间预热的SkV-Elite铝热焊工艺方法，其完整的工艺流程图如下。

图1 SkV-Elite铝热焊工艺过程

一次性使用的铝热焊主要焊接材料包括：①砂型，②分流塞，③一次性坩埚，④铝热焊剂，⑤点火器具（通常使用高温火柴），⑥封箱砂等。

在点火→铝热反应的工艺过程中，引燃铝热焊剂并且使得铝热反应能够持续、有效的进行是一个非常重要的环节，本文主要从铝热焊剂安全点火方式方面展开分析、讨论和研究。

3 现行铝热焊剂点火方式简介

目前，点燃铝热焊剂可以采用的方式、方法主要有如下：①盘状钨丝点火，②接触电阻点火，③电弧点火，④微波点火，⑤冲击载荷点火，⑥电火花点火，⑦化学点火，⑧激光点火，⑨高温火柴点火，⑩预热枪点火等十种。

一般情况下，在客户轨道铝热焊焊接现场，采用得比较多的、并且为广大铝热焊工普遍接受的主要点火方式为高温火柴点火与预热枪点火两种，其点火方式示意图分别如图2、图3。

图2 高温火柴点火示意图

图3 预热枪点火示意图

4 高温火柴点火及预热枪点火方式的优缺点分析

高温火柴，包括了引燃层和油漆层两层结构，主要由铝粉、镁粉、磷粉和适量的粘结剂组成，其燃烧温度在1000℃以上。

预热完成、将盛放了焊剂的一次性坩埚安装在侧模板上以后；在灼热的砂型浇注棒孔内侧擦燃高温火柴；快速而平稳地将高温火柴头2/3长度插入到铝热焊剂锥形顶部，点燃焊剂。

预热枪，是铝热焊接的主要的工具之一，其作用是用来对钢轨、砂型、分流塞和灰渣盘进行焊前预热。预热完成后，钢轨轨腰温度可以达到950℃～1000℃，其颜色为亮黄色；与此同时，预热枪也可以作为点燃铝热焊剂的点火器具使用。

预热完成、将盛放了铝热焊剂的一次性坩埚安装在侧模板上后，快速的用预热枪点燃焊剂。

高温火柴点火、预热枪点火两种方式的优缺点比较如下表。

表1 高温火柴点火和预热枪点火分析

相对而言，高温火柴点火方式比预热枪点火方式要好一些，在客户施工现场使用也多一些。但是，其局限性也是很明显的，尤其是在当前国内安全、环保要求愈发趋紧的大环境下，从工厂运输到客户铝热焊现场就是一个十分难以解决的、非常棘手的安全问题。所以说，研究、开发出一种更加高效、安全性能更好的、方便储存与运输的新型铝热焊剂点火方式，就显得十分的急迫和重要了。

5 热焊剂安全点火方式研究的目标及其结果

综合比较、分析了高温火柴点火与预热枪点火两种方式的优缺点，从钢轨铝热焊焊接技术不断提高的情况来看，很有必要研究、开发出一种适合储存运输的、铝热焊剂燃烧界面层进推移效果好的、点火效率高的、不会影响到铝热焊接头质量的、操作更加简便的新型铝热焊剂安全点火方式。

经过与德国高德·斯密特集团内各分公司的全球铝热焊专家多次研讨、反复论证，在中国公司研发小组成员的通力合作、不懈努力下，历经上百次的反复试验，不断的总结、完善、提高后，终于开发出了能够满足上述要求的“安啟塞”点火方式（Safe Start Cap）。经过小批量试产、试用后，定型的最终产品顺利的投入中国市场大量应用，全国各地的客户铝热焊工通过三年多来的现场实际使用，普遍的反映安啟塞点火效果良好，是一种安全、可靠、高效、操作方便、易于掌握的铝热焊剂点火方式。其点火方式示意图如图5。

图5 安啟塞点火示意图

6 一种安全的、可靠的铝热焊剂安啟塞点火方式

安啟塞点火方式点燃铝热焊剂的作业过程：①预热完成、将盛放了铝热焊剂的一次性坩埚安装在砂型侧模板上；②将安啟塞放置于三角支架上安装在一次性坩埚盖出尘口上方；③快速而准确的用预热枪点燃安啟塞；④1s～2s内，安啟塞点燃，竖直向下滴落的钢水在2s～3s内能够在不改变铝热焊剂混合均匀性、不吹乱铝热焊剂主要成分配比的前提下，点燃焊剂。

图4 焊剂安全检验示意图

安啟塞点火方式的核心在于――成功的开发出了一颗与铝热焊剂原始成份相近的、冷热金属及金属氧化物比例适当的、所用粘接剂不会产生额外的杂质及有害成份，从而影响到钢轨铝热焊焊接接头质量的圆锥台形状塞子。

圆锥台形状安啟塞的工厂内加工、制作流程图如下。

图6 圆锥台形状安啟塞的工艺流程

铝热焊剂安啟塞点火方式具有以下几个方面的特点：

（1）适合储存、运输。安啟塞的主要成分优于铝热焊剂，能够满足TB/T 1632.3-2019《钢轨焊接 第3部分：铝热焊接》800±10℃，30min不会反应的安全要求，不存在运输风险。

（2）点火效率高。安啟塞点燃后的3s～5s内，都能够100%成功地点燃铝热焊剂。

（3）铝热焊剂燃烧界面层进推移效果好。安啟塞点火时，不会吹乱铝热焊剂主要成分配比的均匀性，使得利用氧化－还原放热自增殖过程而进行的铝热反应比较平稳、燃烧界面层进推移效果良好。

（4）不影响铝热焊焊接接头质量。安啟塞的成分优于铝热焊剂，所使用的粘接剂优于砂型用料，并不会产生额外的杂质以及其他的有害成份从而导致铝热焊焊接接头出现夹渣、气孔、未焊合等质量缺陷。

（5）操作简便、技术易于掌握。安啟塞点火方式综合了高温火柴点火及预热枪点火的优点，经过施密特公司培训合格后上岗的铝热焊工不需要再进行特别的专门培训就可以很方便的高效完成客户现场在线铝热焊作业。

7 小结

铝热焊剂的安啟塞点火方式自从进入海内、外市场以来，至今已在客户施工现场成功的进行了二十万次以上的铝热焊焊接作业，无一例失败及不良反映。

实践充分证明：铝热焊剂的安啟塞点火方式（Safe Start Cap）是一种非常安全的、可靠的、操作简便的、易于掌握的新型铝热焊剂点火方式。