专利名称：钢轨铝热焊接系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种钢轨铝热焊接系统及方法，具体而言，其涉及一种宽轨缝钢轨铝热焊接系统及方法。
背景技术：
铺设无缝线路是适应铁路重载运输发展、减小列车对轨道冲击作用、延长轨道使用寿命的有效手段。钢轨铝热焊接技术是铁路无缝线路钢轨焊接的重要焊接技术之一，与其它钢轨焊接方法相比，接头的平顺性好，可以有效减小因轨道不平顺而产生的轮轨冲击。 此外钢轨铝热焊接方法具有设备简单、操作方便的特点，特别适合重载铁路高密度、大运量运输方式下，短时间的线路维修作业。钢轨铝热焊接技术还是联合结头、道岔、锁定焊、既有线应力放散、断轨抢修和日常换轨等工作中必须采用的钢轨焊接方法，因此钢轨铝热焊接技术是重载铁路新线建设和既有线维护不可替代的一种钢轨焊接方法。中国铁道科学研究院于1957年开始了钢轨铝热焊接技术的研究，1966年开始成批生产铝热焊剂用于湿模铝热焊接法。20世纪70年代中期，采用干型小焊筋快速预热工艺，并研制了中耐磨焊剂。20世纪80年代中期研究了定时预热工艺，并研制了高耐磨焊剂。 进入20世纪90年代，在铝热焊剂、焊接工艺和焊接装备上均有不同程度的改进。直到1997 年我国铁路大提速前，全路的铝热焊剂每年的用量仅为3000份左右。中国铁道部原工务局于1993年引进法国Railtech公司焊剂，经铁道科学研究院检验和鉴定合格，开始使用和推广法国Railtech公司焊剂。广铁集团于2000年应用德国Thermit公司SKV钢轨铝热焊技术，采用双侧顶浇铸，短时快速预热，大剂量焊剂及自熔塞和焊瘤推除等先进工艺，采用多次性坩埚或一次性坩埚，并具有坩埚支架为一体的特点。但是目前我国采用的钢轨铝热焊接技术其轨缝间隙宽度为23 30mm。基于上述技术瓶颈，目前线路伤损钢轨的处理方法是先将伤损部位切除，然后采用钢轨铝热焊接方法进行复焊。而钢轨铝热焊接要求的轨缝宽度为23 30mm，但是一般伤损切除后轨缝均大于30mm，所以须配一段长度为6m或12m以上的钢轨，然后调节两端的轨缝至23 30mm的范围内，再进行两端焊接修复。因此，现有技术中，其焊接轨缝间隙宽度有限，仅为23 30mm，当焊接轨缝间隙超过30mm时，必须配一段钢轨进行两个接头的焊接，因而需要耗费更多的焊接材料，并且焊接效率低下。
发明内容
本发明所欲解决的技术问题在于提供一种钢轨铝热焊接系统，其在超过30mm的宽轨缝的情况下无需采用配轨即可完成钢轨焊接。为解决所述技术问题，该钢轨铝热焊接系统包括砂型、布置在所述砂型上方的坩埚以及装于所述坩埚内的焊剂，所述砂型包括由型砂铸造的形状为多面体的本体，所述本体包括由耐火材料制成的底模和结构相同的左侧模和右侧模，所述左侧模和右侧模分别包
4括三个冒口，其中的两个冒口位于钢轨母材轨底角的外侧以使钢液能流经轨底角促进焊合，另外一个冒口位于轨底三角区靠近轨底角的位置并且在轨头部位与型腔内部相通从而同时补充轨底角区域和轨头区域钢液的凝固收缩。其中，所述左侧模和右侧模中还分别设置有用于排出型腔内气体的排出通道。其中，所述焊剂由各种组分均勻混合而成，所述组分包括氧化铁、铝粉、铁丸以及合金添加物。进一步地，所述合金添加物包括硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、钼铁和稀土合金，其中，所述硅铁含硅72重量％，粒度为10 80目；所述锰铁含锰68重量％，粒度为10 80目；所述铬铁含铬49重量％，粒度为10 80目；所述钒铁含钒50重量％，粒度为10 80目；所述钼铁含钼55重量％，粒度为10 80目；稀土合金含稀土 36重量％、含硅33重量％、粒度为10-80目。进一步地，对于50mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁 67. 94%、铝粉 18. 03%、铁丸 10. 80%、硅铁0. ；34 %、锰铁 2. 31 %、铬铁 0. 11%、钒铁 0.09%、钼铁0. %、稀土合金0. 11%。对于70mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁67. 59%、铝粉17. 94%、铁丸10. 85%、硅铁0. 39%、锰铁2. 48%、铬铁 0. 14%、钒铁0. 13%、钼铁0. 33%、稀土合金0. 15%。对于90mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁67. 13%、铝粉17. 82%、铁丸11. 10%、硅铁0. 46%、锰铁 2. 60%、铬铁0. 17%、钒铁0. 15%、钼铁0. 39%、稀土合金 0. 19%。本发明还提供一种利用上述述钢轨铝热焊接系统焊接钢轨的方法，其包括以下步骤检查钢轨端部情况，并清理钢轨端面；调节轨缝宽度及钢轨的起拱量；安装钢轨铝热焊接系统；预热所述钢轨和砂型；点火及浇注；在浇注结束后的预定时间内，将砂型侧模及底板托拆除，并将焊后的轨头的多余部分用推瘤机进行推瘤；在焊头彻底冷却后对其进行打磨。其中，对50mm和70mm的轨缝宽度，其起拱量为3-4mm ；对90mm的轨缝宽度，其起拱量为3. 5-4. 5mm,并且，对50mm的轨缝宽度，其预热时间为7-8分钟；对70mm的轨缝宽度， 其预热时间为7-9分钟；对90mm的轨缝宽度，其预热时间为8-10分钟。对50mm的轨缝宽度，在浇注结束后的10分钟内开箱并在浇注结束后的12分钟内进行推瘤；对70mm的轨缝宽度，在浇注结束后的16分钟内开箱并在浇注结束后的18分钟内进行推瘤；对90mm的轨缝宽度，在浇注结束后的120分钟内开箱并在浇注结束后的22分钟内进行推瘤。与现有技术相比，本发明的主要优点包括1、节约施工成本。目前的宽轨缝铁轨焊接需要焊接两个接头，而且还需要一根配轨，而本发明所述焊接系统只需焊接一个接头即可，所以效率更高，成本更低。CN 102554187 A说明书3/7 页2、节约施工时间。随着铁路提速和运量的加大，行车密度相应加大，节约线路维修时间是保障线路通行能力的关键因素之一。本发明由于焊接接头数量减少，因而可明显节约维修施工时间，最大地保障线路通行能力。
现参照以下附图对本发明的具体实施方式
予以详细说明，其中图1A-1C为依照本发明的焊接系统的工作流程图；图2为依照本发明的一种具体砂型的示意图；图3为图2所示砂型的左侧模(或者右侧模)的结构示意图；图4为图2所述砂型的左侧模(或者右侧模)从另一个视角的示意图；图5为图2所述砂型的剖视图。
具体实施例方式钢轨铝热焊焊接通过将铝热反应生成的液态金属浇铸到由与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中，经过熔化、结晶、冷却，将两段钢轨焊成整体。如图1所示，该焊接的过程大致可以分为装料、浇注和凝固三个步骤，所使用的钢轨铝热焊接系统包括砂型、布置在所述砂型上方的坩埚以及装于所述坩埚内的焊剂。所述焊剂包含各种原材料。为制得该焊剂，将各种原材料按配方进行称量，然后再使用混料机混合均勻并将混合均勻的焊剂封装即可。在一种具体实施例中，为制得所述焊剂所使用的各种原材料分别如下氧化铁加热轧制钢材过程中氧化形成，粒度为18 80目；铝粉纯铝粉，活性铝大于98%，粒度为30 60目；铁丸含碳3. 2重量％，含硫小于0. 04重量％，含磷小于0. 10重量％，粒度为10 18目；硅铁含硅重量72%，粒度为10 80目；锰铁含锰重量68%，粒度为10 80目；铬铁含铬重量49%，粒度为10 80目；钒铁含钒重量50%，粒度为10 80目；钼铁含钼重量55%，粒度为10 80目；稀土合金含稀土重量36 %，含硅重量33 %，粒度为10 80目。在具体的实施例中，上述原料的其他可能成分如下
合金名称碳％ 桂％ 锰％ 络％ IA % 钼％ 稀土 ％ P%S%
桂铁< 0.7 72 “ < 0. 5 ^<0.5 / — / ~ / ^<0.04 ^< 0. 02 余量为铁
锰铁 _ 6.5 1.0 68 / “ / ~7 /<0.20 < 0.03 _ 余量为铁
铬铁 —1.8 1. 3~ / —49 / / / <0.04 <0.03 余量为铁钒铁 —0.4 2.0~ / _/50 / / <0.07 <0.04 余量为铁
钼铁 —0.2 1.0~ / _// 55 / <0.08 <0.10 余量为铁
辐土合金 I / I 33 I 3.6 I / I / I / I 36 I / I / I 余量为铁
其中，原料一般主要控制主要元素的含量，以及S，P元素的含量要少。在配制焊剂时，所针对的待焊轨缝大小不同，所采用的各原材料的比例(重量百分比)也不同。通常而言，轨缝越大，氧化铁和铝粉的比例越小，而其中的合金添加物比例越大。以下表1为轨缝分别为50mm、70mm和90mm情况下各焊剂原材料的比例。表 权利要求
1.一种钢轨铝热焊接系统，其包括砂型、布置在所述砂型上方的坩埚以及装于所述坩埚内的焊剂，其特征在于，所述砂型包括由型砂铸造的形状为多面体的本体，所述本体包括由耐火材料制成的底模和结构相同的左侧模和右侧模，所述左侧模和右侧模分别包括三个冒口，其中的两个冒口位于钢轨母材轨底角的外侧以使钢液能流经轨底角促进焊合，另外一个冒口位于轨底三角区靠近轨底角的位置并且在轨头部位与型腔内部相通从而同时补充轨底角区域和轨头区域钢液的凝固收缩。
2.根据权利要求1所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，所述左侧模和右侧模中还分别设置有用于排出型腔内气体的排出通道。
3.根据权利要求1所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，所述焊剂由各种组分均勻混合而成，所述组分包括氧化铁、铝粉、铁丸以及合金添加物。
4.根据权利要求3所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，所述合金添加物包括硅铁、 锰铁、铬铁、钒铁、钼铁和稀土合金，其中，所述硅铁含硅72重量％，粒度为10 80目；所述锰铁含锰68重量％，粒度为10 80目； 所述铬铁含铬49重量％，粒度为10 80目； 所述钒铁含钒50重量％，粒度为10 80目； 所述钼铁含钼55重量％，粒度为10 80目； 稀土合金含稀土 36重量％、含硅33重量％、粒度为10-80目。
5.根据权利要求4所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，对于50mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁67. 94%、铝粉18. 03%、铁丸10. 80%、硅铁0. 34%, 锰铁2. 31%、铬铁0. 11%、钒铁0. 09%、钼铁0.、稀土合金0. 11%。
6.根据权利要求4所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，对于70mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁67. 59%、铝粉17. 94%、铁丸10. 85%、硅铁0. 39%, 锰铁2. 48%、铬铁0. 14%、钒铁0. 13%、钼铁0. 33%、稀土合金0. 15%。
7.根据权利要求4所述的钢轨铝热焊接系统，其特征在于，对于90mm的轨缝，所述焊剂中各组分的重量百分比分别为氧化铁67. 13%、铝粉17. 82%、铁丸11. 10%、硅铁0. 46%, 锰铁2. 60%、铬铁0. 17%、钒铁0. 15%、钼铁0. 39%、稀土合金0. 19%。
8.一种利用上述权利要求1-7中任一所述钢轨铝热焊接系统焊接钢轨的方法，其包括以下步骤检查钢轨端部情况，并清理钢轨端面； 调节轨缝宽度及钢轨的起拱量； 安装钢轨铝热焊接系统； 预热所述钢轨和砂型； 点火及浇注；在浇注结束后的预定时间内，将砂型侧模及底板托拆除，并将焊后的轨头的多余部分用推瘤机进行推瘤；在焊头彻底冷却后对其进行打磨。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对50mm和70mm的轨缝宽度，其起拱量为 3-4mm ；对90mm的轨缝宽度，其起拱量为3. 5-4. 5mm,并且，对50mm的轨缝宽度，其预热时间为7-8分钟；对70mm的轨缝宽度，其预热时间为7-9分钟；对90mm的轨缝宽度，其预热时间为8-10分钟。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对50mm的轨缝宽度，在浇注结束后的10 分钟内开箱并在浇注结束后的12分钟内进行推瘤；对70mm的轨缝宽度，在浇注结束后的 16分钟内开箱并在浇注结束后的18分钟内进行推瘤；对90mm的轨缝宽度，在浇注结束后的120分钟内开箱并在浇注结束后的22分钟内进行推瘤。
全文摘要
本发明提供了一种钢轨铝热焊接系统，该钢轨铝热焊接系统包括砂型、布置在所述砂型上方的坩埚以及装于所述坩埚内的焊剂，所述砂型包括由型砂铸造的形状为多面体的本体，所述本体包括由耐火材料制成的底模和结构相同的左侧模和右侧模，所述左侧模和右侧模分别包括三个冒口，其中的两个冒口位于钢轨母材轨底角的外侧以使钢液能流经轨底角促进焊合，另外一个冒口位于轨底三角区靠近轨底角的位置并且在轨头部位与型腔内部相通从而同时补充轨底角区域和轨头区域钢液的凝固收缩。本系统使得在超过30mm的宽轨缝的情况下无需采用配轨即可完成钢轨焊接。本发明还提供了一种利用上述述钢轨铝热焊接系统焊接钢轨的方法。
文档编号B22D19/04GK102554187SQ201210027339
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者崔成林, 杨艳玲, 王宝秀, 迟俊杰, 高松福 申请人:中国铁道科学研究院金属及化学研究所