一种铝热焊焊剂及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种铝热焊焊剂，包含铁粉、氧化铁及合金添加，所述合金添加包括：C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V和铝粉；所述铝热焊焊剂各组分质量百分比为：C:0.10～0.25％，Si：1.0～1.6％，Mn:1.8～3％，Cr：0.5～1.0％，Ni:0.3～1.2％，Mo:0.2～0.6％，V:0.03～0.1％，铝粉17.8～19.2％，氧化铁60～67％以及余量的铁粉。本发明还进一步提供了该铝热焊焊剂在钢轨焊接上的应用。
【专利说明】
一种铝热焊焊剂及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及焊剂技术领域，特别涉及一种铝热焊焊剂，以及该铝热焊焊剂在钢轨 焊接工艺中的应用。
【背景技术】
[0002] 无缝线路(continuous welded rail)是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线 路，又称焊接长钢轨线路。与普通线路相比，无缝线路在长距离钢轨铺设段内消灭了轨缝， 从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车 车辆的使用寿命，减少了线路养护维修的工作量。在车辆过岔时，道岔采用焊接连接的情况 下，车轮对道岔部件的冲击作用大大减小，提高了道岔的使用寿命。特别是在高铁线路中， 栓接形式基本被淘汰。据有关部门统计，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长 25%的钢轨使用寿命，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。
[0003] 由于我国自主研发焊剂、焊接工艺起步比较晚，目前我国轨道交通市场高端、特种 焊剂多采用德国、法国焊剂。我国已有某些高校和科研机构对高端、特种焊剂进行了研究开 发，也有部分较成熟的产品问世。目前，焊剂的使用和选择面临的主要问题是，针对特种钢 轨和异质钢轨之间的焊接可供选择的焊剂几乎没有。而特种钢轨的使用、异质钢轨(轨道交 通配件)之间的配合使用是我国铁路发现不可回避的现象。特种钢轨焊接的关键在于:要求 焊剂成分及焊接后形成特定的组织；异质钢轨焊接的关键在于：要求焊接后形成的焊缝可 以到达成分过渡和组织过渡的效果。常见同质钢轨焊接为贝氏体钢轨之间的焊接或珠光体 钢轨的焊接。常见的异质钢轨焊接为贝氏体钢轨与珠光体钢轨之间的焊接。其中：
[0004] 贝氏体钢轨之间的焊接难点在于：要求焊接完成后焊缝处组织为贝氏体。目前市 场所售的焊剂焊接贝氏体钢时，由于成分限制，冷却过程必然穿过马氏体相变区，生成马氏 体，特别是钢轨现场焊接的情况下，焊缝处控冷难于进行，造成热影响区范围内生成马氏 体，组织不理想，影响钢轨使用性能。该影响主要表现为焊缝处硬脆、易生成白点(裂纹源）。
[0005] 贝氏体钢轨与珠光体钢轨之间的焊接难点在于:焊接过程中产生的高温形成的母 材热影响区较大，室温冷却条件下，热影响区易产生白点、应力微裂纹源，为钢轨的使用造 成隐患。该影响主要表现为焊缝处与热影响区组织不均、易生成白点（裂纹源），且两种钢轨 材质不同，成分过渡带难以预计组织形态。
[0006] 中国专利CN 104625480 A公开了一种钢轨铝热焊剂及其焊接方法。按重量百分比 计，其包含：铝粉18.4% ~18.8%、氧化铁67.0% ~67.6%、Crl .4% ~1.6%、NiO. 31 % ~ 0.33 %、M〇0.14%~0.16 %、余量为铸铁粒。该专利可以保证焊接焊缝为贝氏体组织，但是 并没有披露有关焊缝硬度过渡性的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个目的是提供一种铝热焊焊剂及其应用，可用于同质和异质钢轨的焊 接，实现焊缝处良好的硬度过渡。
[0008] 本发明的另一个目的是提供一种铝热焊焊剂及其应用，可用于同质和异质钢轨的 焊接，降低焊缝及焊接热影响区萌生白点及微裂纹的可能性。
[0009] 第一方面，本发明提供一种铝热焊焊剂，包含铁粉、氧化铁及合金添加，所述合金 添加包括:(：、3丨、]?11、0、附、]\1〇、￥和铝粉 ；
[0010] 所述铝热焊焊剂各组分质量百分比为:C: 0 · 10~0 · 25%，Si : 1 · 0~1 · 6%，Mn: 1 · 8 ~3%，0:0.5~1.0%，附：0.3~1.2%，]?〇:0.2~0.6%，￥:0.03~0.1%，铝粉17.8~ 19.2%，氧化铁60~67%以及余量的铁粉。
[0011]优选地，各组分质量百分比为：CilO%，Si:1.0%，Mn:2.3%，Cr:0.7%，Ni : 1.2%，Mo :0.2%，V: 0.03%，铝粉18.2%，氧化铁60%以及余量的铁粉。
[0012] 优选地，各组分质量百分比：(：:0.23%^:1.6%，]\111:3%，0:1%，附：0.3%，]\1〇: 0.6%，V:0.08%，铝粉17.8%，氧化铁67%余量的铁粉。
[0013] 优选地，所述的各组分的粒度为10~80目。
[0014] 第二方面，本发明提供一种第一方面及其各可能实现的方式中所述铝热焊焊剂在 钢轨焊接中的应用。
[0015] 优选地，所述钢轨焊接为同质钢轨之间的焊接。
[0016] 优选地，所述同质钢轨为贝氏体钢轨或珠光体钢轨。
[0017] 优选地，所述钢轨焊接为异质钢轨之间的焊接。
[0018] 优选地，所述异质钢轨之间的焊接为贝氏体钢轨和珠光体钢轨之间的焊接。
[0019] 第三方面，本发明提供一种第一方面及其各可能实现的方式中所述铝热焊焊剂在 焊接钢轨过程中的使用方法，所述使用方法包括：
[0020] (1)轨端处理和轨端对正；
[0021] (2)扣箱、封箱、坩埚安装、预热；
[0022] (3)浇注；
[0023] (4)拆模、推瘤和打磨；
[0024] (5)探伤、检查；以及
[0025] (6)恢复线路。
[0026] 本发明提供的一种铝热焊焊剂，在配方上进行了创新性的改进，使其能够适用于 特种钢轨焊接和异质钢轨焊接。该焊剂焊接后，焊缝在室温条件下冷却即可获得品质较好 的贝氏体组织，这特别有利于同质贝氏体钢轨之间的焊接。焊缝性能完全符合TBT1632.3-2005与TBT1632.1-2005标准。此外，使用本发明提供的铝热焊焊剂后，焊缝相对于母材的硬 度差较小，实现了良好的过渡性。并且，本发明提供的铝热焊焊剂还可以降低焊缝及焊接热 影响区萌生白点及微裂纹的可能性。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合【具体实施方式】 对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 本发明的主要构思是对铝热焊焊剂的配方进行改进，使其能够适用于同质钢轨和 异质钢轨的焊接。
[0029]铝热焊焊剂包含铁粉、氧化铁及合金添加，其中合金添加包括:C、Si、Mn、Cr、Ni、 Mo、V和铝粉。铝热焊焊剂各组分质量百分比为:C:0.10~0.25%，Si:1.0~1.6%，Mn:1.8~ 3%，0:0.5~1.0%，附：0.3~1.2%，]?〇:0.2~0.6%，￥:0.03~0.1%，铝粉17.8~19.2%， 氧化铁60~67%以及余量的铁粉。
[0030] 在某些实施例中，铝热焊焊剂各组分质量百分比为：C:0.10%，Si:1.0%，Mn: 2.3%，0:0.7%，附：1.2%，]?〇:0.2%，￥:0.03%，铝粉18.2%，氧化铁60%以及余量的铁 粉。
[0031 ] 在某些实施例中，铝热焊焊剂各组分质量百分比还可以为:C:0.23 %，Si:l.6%， Mn:3%，Cr:l%，Ni:0.3%，Mo:(h6%，V:(h08%，铝粉 17.8%，氧化铁67% 以及余量的铁粉。
[0032] 本发明实施例提供的铝热焊焊剂，既可以用于同质钢轨之间的焊接，例如:两条贝 氏体钢轨之间的焊接或两条珠光体钢轨之间的焊接;还可以用于异质钢轨之间的焊接，如 贝氏体钢轨和珠光体钢轨之间的焊接。
[0033] 本发明实施例还提供了本发明铝热焊焊剂的焊接方法，在实施该方法前，准备好 所需的机具和材料，进一步地，该方法包括如下的步骤：
[0034] (1)轨端处理和轨端对正；
[0035]轨端处理包括对轨端进行除锈去污处理和干燥处理。轨端的对正包括轨缝的调 整、尖点对正、水平对直。
[0036] (2)扣箱、封箱、坩埚安装、预热；
[0037] (3)浇注；
[0038] (4)拆模、推瘤和打磨；
[0039] 打磨步骤可以包括热打磨和冷打磨，打磨的次数可以是一次或多次。
[0040] (5)探伤、检查；以及
[0041 ] (6)恢复线路。
[0042] 上述焊接过程及焊接件的要求均按照标准TBT1632.3-2005与TBT1632.1-2005执 行。
[0043] 以下以两个本发明的具体实施例进一步说明本发明带来的有益效果，实施例中贝 氏体钢焊接接头均采用U20Mn2SiGrNiMo贝氏体钢，珠光体钢轨均采用U76CrRE珠光体钢轨。
[0044] 实施例1贝氏体钢同质钢轨焊接中的使用。
[0045] 贝氏体钢焊接接头两端均为贝氏体。
[0046] 本实施例提供的铝热焊焊剂，各组分质量百分比如下：
[0047]表1.实施例1铝热焊焊剂配方
[0049] 各组分的粒度为10~80目。
[0050] 采用本实施例提供的铝热焊焊剂焊接两个贝氏体钢焊接接头。
[0051 ]本实施例中的焊接过程及焊接件的要求均按照标准TBT1632. 3-2005与 TBTl632.1 -2005执行。以下数据若无特殊说明，则均以75kg/m钢轨测试获得。
[0052]实施例2贝氏体钢与珠光体钢异质钢轨焊接中的使用 [0053]所述的焊接接头两端分别为贝氏体钢与珠光体钢。
[0054]表2.实施例2铝热焊焊剂配方
[0057] 各组分的粒度为10~80目。
[0058]采用本实施例提供的铝热焊焊剂焊接两个焊接接头。其中一个为贝氏体钢焊接接 头(记为焊接接头1 )，另一个为珠光体钢焊接接头(记为焊接接头2)。
[0059]本实施例中的焊接过程及焊接件的要求均按照标准TBT1632. 3-2005与 TBTl632.1 -2005执行。以下数据若无特殊说明，则均以75kg/m钢轨测试获得。
[0060] 对比例1施密特焊剂应用于珠光体钢轨与贝氏体钢轨之间的焊接
[0061] 本对比例中，铝热焊实验采用施密特ZlOO焊剂。焊接过程及焊接件的要求均按照 标准TBT1632.3-2005与TBT1632.1-2005执行。贝氏体钢焊接接头记为焊接接头1，珠光体钢 焊接接头记为焊接接头2。
[0062] 对比例2
[0063]采用中国专利"一种钢轨铝热焊及其焊接方法"，申请号：201410805549.8中所述 焊剂作为本对比例提供的焊剂，焊接方法严格按照其说明书【具体实施方式】中所述操作。采 用本对比例提供的铝热焊焊剂焊接两个焊接接头。其中一个为贝氏体钢焊接接头(记为焊 接接头1)，另一个为珠光体钢焊接接头(记为焊接接头2)。
[0064] 实验效果对比
[0065] 1.实施例轨头硬度与焊缝处微观组织
[0066]实施例、对比例轨头硬度(HB)与焊缝处微观组织见表3。
[0067] 表3实施例、对比例轨头硬度(HB)与焊缝处微观组织见表1
[0070] 表3中数据均按标准规定方法测试获得。实施例1为同质贝氏体钢轨之间的焊接， 由于贝氏体钢为高强度特种钢材料，焊缝处机械性能应配合母材贝氏体的强度，适当提高， 保持焊接段机械性能均匀性。实施例2为异质贝氏体钢轨与珠光体钢轨之间焊接，焊缝处硬 度等机械性能应介于两种母材之间，合适的硬度差过渡，有利于焊接段性能配合。但是，由 于在焊接过程中，两侧钢轨的轨头至少一部分会与焊剂共同融化，焊剂在与钢轨过渡面处 形成新的界面相，此处焊剂与母材的合金化元素融合、溶解和析出，此过程中涉及两相间元 素的互相扩散、溶解、凝固时所产生内应力、堆砌密度等多种复杂因素影响，使得焊缝最终 的硬度均匀性难以预期。
【申请人】惊奇地发现，本发明提供的实施例1和2中的焊剂，可使得同 质铝热焊焊缝处硬度相对于母材变化率为2.2%~2.8 %。异质铝热焊焊缝处硬度相对于母 材变化率为3.2%~9.2%。同质钢轨间焊接实现了硬度均匀性的保持和良好的过渡。异质 钢轨之间的焊接保证了不同硬度之间的过渡，且均满足标准的要求。这可能与增加了合金 元素 Mo的含量，进而促进生成了中强碳化物有关，另一方面说明，焊剂的合金成分在与母材 共融的界面处，于母材合金元素在重新溶解和析出的过程中产生了某种协同作用。对比例1 中焊缝处硬度较母材硬度相差较大，过大的硬度差易形成明显的区间磨耗，焊缝组织构成 复杂，不满足标准规定中焊缝组织为贝氏体的要求。与对比例2中焊缝的硬度对比可发现， 对比例2焊缝处硬度趋近于珠光体母材硬度，贝氏体母材与焊缝处硬度差较大。
[0071] 本发明相对于专利"一种钢轨铝热焊及其焊接方法"（申请号：201410805549.8)增 加了合金元素 Mo的含量。合金元素 Mo是中强碳化物的形成促进元素，增加元素 Mo的含量有 助于提高焊缝处中强碳化物的含量。实施例1、2焊缝处硬度相对于对比例2明显提高了硬度 均匀性并保持了良好的过渡性，降低了该区域的硬度梯度。
[0072] 2.焊接热影响区宽度
[0073] 实施例、对比例中焊接热影响区宽度见表4。
[0074] 表4实施例、对比例中焊接热影响区宽度
[0075]
[0076]本发明相对于专利"一种钢轨铝热焊及其焊接方法"（申请号：201410805549.8)降 低了合金元素 Cr、Ni的含量。合金元素 Cr、Ni均为奥氏体相区稳定化合金，该合金的添加有 利于焊缝处奥氏体组织的稳定性，降低贝氏体相变驱动力，延长贝氏体转变时间，该过程多 需配合焊后热处理才能到达理想的贝氏体组织。本专利将焊剂中Cr、Ni的含量明显降低，保 证焊缝处凝固开始后即开始贝氏体转变，保证贝氏体转变驱动力，促进贝氏体转变的完成， 减少转变所需的时间，进而减小该过程热影响区的尺寸。
[0077] 由表4中数据可知，同质与异质焊接中，实施例1和实施例2提供的铝热焊焊剂使用 形成的热影响区均远远小于标准要求值。这样可以瞬间熔化焊接两端接头，限制焊接热量 的传导范围，减小焊接的热影响区尺寸，进而降低焊缝及焊接热影响区萌生白点及微裂纹 的可能性。对比例1、2中焊缝处热影响区宽度满足标准要求，但是相对于实施例中对应数据 明显偏大。
【申请人】通过大量工程实践发现，增加软化区宽度将扩大钢轨焊缝两端磨耗区间 的尺寸，造成单位时间内钢轨磨耗量增大，增加钢轨养护难度与养护频率，降低钢轨使用寿 命。
[0078] 3.焊缝处探伤结果
[0079]考察焊缝处缺陷时，各项操作均严格执行《钢轨焊缝超声波探伤TB-2658标准》中 的要求。超声探伤结果显示，实施例1和2分别提供的同质与异质焊接的焊缝处波形无异常。 对比例1中焊接共实验9组，其中1组焊缝处超声探伤显示波形异常，焊缝处刨开后检测结果 表明晶粒较粗大，组织复杂;一组有微裂纹，刨开后检测结果表明焊缝处存在夹杂、偏析，夹 杂物初步判定为Mn、Ni氧化物。
[0080] 4.结论
[0081] 本发明实施例提供的一种使用过程操作性强的铝热焊焊剂，使用后焊缝处组织为 贝氏体。本发明相对于专利"一种钢轨铝热焊及其焊接方法"（申请号：201410805549.8)增 加了合金元素 Mo的含量。合金元素 Mo是中强碳化物的形成促进元素，增加元素 Mo的含量有 助于提高焊缝处中强碳化物的含量。降低了合金元素 Cr、Ni的含量，保证焊缝处凝固开始后 即开始贝氏体转变，保证贝氏体转变驱动力，促进贝氏体转变的完成，减少转变所需的时 间，进而减小该过程热影响区的尺寸。分别考察同质焊接与异质焊接两种情况，实施例中数 据表明本发明提供的焊剂焊接后获得的焊缝完全满足相应标准之规定，焊缝处一软化区一 母材硬度变化波动较小，为无缝、高速线路的铺设提供保障。其中对焊接热影响区尺寸的控 制效果突出，降低了焊缝及焊接热影响区萌生白点及微裂纹的可能性，降低使用过程中钢 轨焊缝附近处的磨耗率，提高线路运行平顺性，延长钢轨寿命。
[0082]以上对本发明所提供的一种铝热焊焊剂及其应用进行了详细介绍。本文中应用了 具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本 发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的 前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰。这些改进和修饰也应当落入本发明权利要 求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种铝热焊焊剂，包含铁粉、氧化铁及合金添加，其特征在于，所述合金添加包括:C、 Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V 和铝粉； 所述铝热焊焊剂各组分质量百分比为：C: O . 10~O . 25 %，Si : 1.0 ~1.6 %，Mn : 1.8~ 3%，0:0.5~1.0%，附：0.3~1.2%，]?〇:0.2~0.6%，￥:0.03~0.1%，铝粉17.8~19.2%， 氧化铁60~67%以及余量的铁粉。2. 根据权利要求1所述的铝热焊焊剂，其特征在于，各组分质量百分比为：C:0.10%， Si:1.0%，Μη:2·3%，Cr:0.7%，Ni:1.2%，M〇:0.2%，V:0.03%，铝粉 18.2%，氧化铁60% 以 及余量的铁粉。3. 根据权利要求1所述的铝热焊焊剂，其特征在于，各组分质量百分比：C:0.23%，Si: 1.6%，]?11:3%，0:1%，附：0.3%，]\1〇:0.6%，￥:0.08%，铝粉17.8%，氧化铁67%余量的铁 粉。4. 根据权利要求1-3任一所述的铝热焊焊剂，其特征在于，所述的各组分的粒度为10~ 80目。5. 权利要求1-4所述铝热焊焊剂在钢轨焊接中的应用。6. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述钢轨焊接为同质钢轨之间的焊接。7. 根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述同质钢轨为贝氏体钢轨或珠光体钢 轨。8. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述钢轨焊接为异质钢轨之间的焊接。9. 根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述异质钢轨之间的焊接为贝氏体钢轨和 珠光体钢轨之间的焊接。10. -种权利要求1-4所述铝热焊焊剂在焊接钢轨过程中的使用方法，其特征在于，所 述使用方法包括： (1) 轨端处理和轨端对正； (2) 扣箱、封箱、坩埚安装、预热； (3) 浇注； (4) 拆模、推瘤和打磨； (5) 探伤、检查；以及 (6) 恢复线路。
【文档编号】B23K23/00GK105921881SQ201610341083
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】张绵胜
【申请人】张绵胜, 张志勇, 张志强, 衣爱丽