顏　敏

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

鋁熱焊接專利技術(shù)綜述

顏敏

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

鋁熱焊接具有設(shè)備簡(jiǎn)單，作用時(shí)間短、占用空間小等眾多優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，從中國(guó)、國(guó)外的專利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的分布等多方面統(tǒng)計(jì)分析，闡述了鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)，追蹤了鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，重點(diǎn)針對(duì)鋁熱焊劑、鋁熱焊接過(guò)程中的砂型、鋁熱焊接等三大主要研究方向，對(duì)其技術(shù)方向和技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。

鋁熱焊接；鋁熱焊劑；砂型

1.概述

隨著鐵路運(yùn)輸提速和重載的發(fā)展，高密度、大運(yùn)量的運(yùn)輸方式減少了線路維修作業(yè)時(shí)間，對(duì)焊接方式靈活快速性的要求大大提高。與其他鋼軌焊接方法相比，鋼軌鋁熱焊接方法設(shè)備簡(jiǎn)單、接頭平順性高、作業(yè)時(shí)間短、焊接占用空間小，目前在聯(lián)合接頭、轍岔、鎖定焊、既有線應(yīng)力放散、斷軌搶修和日常換軌等工作中大都采用鋼軌鋁熱焊接，因此，鋼軌鋁熱焊接技術(shù)已成為鐵路新線建設(shè)和既有線維護(hù)不可或缺的一種焊接方法。

鋁熱焊接就是將鋁粉、氧化鐵和其他合金添加物配制成的鋁熱焊劑放在特制的反應(yīng)坩堝中，用高溫火柴點(diǎn)燃，引發(fā)鋁熱反應(yīng)。在反應(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，澆注到與鋼軌外形尺寸一致的砂型和局部預(yù)熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中，同時(shí)鋁熱鋼水本身又作為填充金屬，與熔化的鋼軌共同結(jié)晶、冷卻，將兩段鋼軌焊成整體。

2.鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠袊?guó)、國(guó)外申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域在中國(guó)的申請(qǐng)量重點(diǎn)分布在2004年以后，同時(shí)由于鋁熱焊接的重點(diǎn)申請(qǐng)國(guó)家為德國(guó)和日本，中國(guó)大陸在這方面基本上沒(méi)有相關(guān)研究，目前鋁熱焊接領(lǐng)域最主要的申請(qǐng)人即ELTH（德國(guó)施密特），基本上已經(jīng)壟斷該領(lǐng)域。在1986年～2004年期間，專利申請(qǐng)量不大且無(wú)明顯增長(zhǎng)勢(shì)頭，此時(shí)說(shuō)明鋁熱焊接技術(shù)剛剛引入我國(guó)，處于起步階段，市場(chǎng)需求還不大；在2004年～2012年期間，增長(zhǎng)幅度較大，屬于技術(shù)發(fā)展期，中國(guó)市場(chǎng)需求逐步打開(kāi)；在2012年～2014年，申請(qǐng)量浮動(dòng)不大，處于穩(wěn)定階段。其中2013年的申請(qǐng)量下降趨勢(shì)非常明顯，這是由于部分申請(qǐng)尚未公開(kāi)。

對(duì)鋁熱焊接技術(shù)在國(guó)外的專利申請(qǐng)出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，其發(fā)展過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：

（1）1965年～1995年：該階段的專利申請(qǐng)量逐漸增多且呈現(xiàn)增長(zhǎng)勢(shì)頭，這說(shuō)明此時(shí)鋁熱焊接得到人們?cè)絹?lái)越多的重視，此期間專利申請(qǐng)量基本上一直保持增長(zhǎng)的勢(shì)頭，特別是該階段1970年～1980年處于比較高的增長(zhǎng)率，這說(shuō)明此時(shí)處于技術(shù)的發(fā)展階段，初期的研究已逐漸形成技術(shù)成果大量產(chǎn)出，但該階段后期1980年～1995年申請(qǐng)量已經(jīng)開(kāi)始下降，這說(shuō)明技術(shù)急速發(fā)展后進(jìn)入了相對(duì)飽和階段；由于鋁熱焊接主要由德國(guó)用于斷軌修復(fù)，在二戰(zhàn)期間得到了重視，因此，二戰(zhàn)后大部分國(guó)家都進(jìn)行了鋁熱焊接的相關(guān)研究，使得第一階段前期鋁熱焊接技術(shù)得到了空前的發(fā)展。

（2）2000年～2015年：該階段前期2000年～2010年，專利申請(qǐng)量基本一直保持增長(zhǎng)勢(shì)頭，主要是由于當(dāng)時(shí)的模具發(fā)生了改變，一次性坩堝得到了廣泛研究與發(fā)展，焊接方法使用的范圍也進(jìn)行了擴(kuò)大，所以申請(qǐng)量較多，而2010年后，專利申請(qǐng)量明顯下降，但仍維持在較高的水平，說(shuō)明因?yàn)樾录夹g(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)兩年的迅速增長(zhǎng)之后進(jìn)入了平穩(wěn)期，技術(shù)產(chǎn)出保持穩(wěn)定。

3.鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)發(fā)展路線

在鋁熱焊接過(guò)程中，最重要的3個(gè)因素就是鋁熱焊劑的選擇、制備，砂型的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及鋁熱焊接工藝過(guò)程，只要三者都保證了，才能獲得性能良好的鋁熱焊縫。

3.1鋁熱劑

鋁熱焊接中的鋁熱焊劑剛開(kāi)始采用的鋁熱劑主要是鋁粉和氧化鐵，但是由于鋼軌鋁熱焊接接頭金屬為鑄造組織，其強(qiáng)度和韌性較鋼軌母材低，造成鋼軌鋁熱焊接技術(shù)的折斷率較高，研究人員通過(guò)在鋁熱焊劑中添加Fe-Mn合金（申請(qǐng)?zhí)枺篋E2333143A）、在鋁熱焊劑中添加C元素（申請(qǐng)?zhí)枺篊N86104534A；申請(qǐng)?zhí)枺篠U4468128A），通過(guò)增加焊接接頭金屬焊C量可以明顯提高接頭的硬度；此外，也有通過(guò)在鋁熱焊劑中添加MgO（申請(qǐng)?zhí)枺篊N201110057915），高溫下MgO被還原成單質(zhì)Mg并吸熱，低溫下Mg再被氧化成MgO并放熱的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鋁熱劑反應(yīng)過(guò)程中熱量的再分配，達(dá)到產(chǎn)熱均勻的目的；也有在鋁熱焊劑中添加鑭鈰合金粉（申請(qǐng)?zhí)枺篊N201210033509），從而解決現(xiàn)有鋼的放熱焊接存在接頭熱脆傾向大、有氣孔產(chǎn)生和氧化燒蝕的問(wèn)題。

3.2鋁熱焊接砂型

3.2.1鋁熱焊接砂型中的澆注系統(tǒng)形式

砂型與待焊鋼軌一起組成了鋁熱金屬凝固的型腔，在對(duì)鋼軌進(jìn)行鋁熱焊劑澆注過(guò)程中，澆注系統(tǒng)依次為：一側(cè)底澆式（申請(qǐng)?zhí)枺篋E2454184；申請(qǐng)?zhí)枺篣S19290375491；申請(qǐng)?zhí)枺篣S19910789368；申請(qǐng)?zhí)枺篫A2012000001498）、雙側(cè)底澆式（申請(qǐng)?zhí)枺篋E20006983；申請(qǐng)?zhí)枺篋E19637282；）、和雙側(cè)頂側(cè)式（申請(qǐng)?zhí)枺篋E2825139；申請(qǐng)?zhí)枺篋E19637283；申請(qǐng)?zhí)枺篊N200910093408；申請(qǐng)?zhí)枺篔P2009169150）3種。

3.2.2鋁熱焊接砂型中的坩堝的設(shè)計(jì)

鋼軌鋁熱焊接坩堝有兩種，即耐用多次坩堝（申請(qǐng)?zhí)枺篎R7233124；申請(qǐng)?zhí)枺篋E29701461；申請(qǐng)?zhí)枺篊N88103267A；申請(qǐng)?zhí)枺篊N201420229925）和一次性坩堝（申請(qǐng)?zhí)枺篎R8216129A；申請(qǐng)?zhí)枺篊N201120435409；申請(qǐng)?zhí)枺篊N201310477110；申請(qǐng)?zhí)枺篊N201420114044）。由于耐用多次坩堝的材質(zhì)主要為石英砂，成本低廉，所以在世界各國(guó)中使用較多，但是由于耐用多次坩堝工裝復(fù)雜，工藝煩瑣，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一次性坩堝使用方便，用后拋棄，因而陸續(xù)投入應(yīng)用。由于其成本較高，在世界其他國(guó)家的應(yīng)用并不是很廣泛。一次性坩堝主要有兩種形式，一種是外層鐵桶，內(nèi)層為烘干硬化的水玻璃砂，其主要優(yōu)點(diǎn)是適合于長(zhǎng)途運(yùn)輸，搬運(yùn)過(guò)程中不易破損。另一種形式的一次性坩堝是由樹(shù)脂（申請(qǐng)?zhí)枺篊N200810021873）或者易降解材料（申請(qǐng)?zhí)枺篊N200820065348）制作的，其突出優(yōu)點(diǎn)是使用后潰散性好，易于現(xiàn)場(chǎng)處理。

3.3鋁熱焊接工藝

鋁熱焊接工藝的發(fā)展大致可經(jīng)過(guò)普通鋁熱焊接工藝-焊后進(jìn)行熱處理-擠壓鋁熱焊接工藝三個(gè)發(fā)展路徑，具體分析如下：普通鋁熱焊接工藝（申請(qǐng)?zhí)枺篋E2333143；申請(qǐng)?zhí)枺篎R7233124）就是通過(guò)點(diǎn)燃鋁熱焊劑，發(fā)生鋁熱反應(yīng)，將熔融后的鋁熱焊劑澆注到待焊工件之間，完成對(duì)工件的焊接。

由于直接通過(guò)鋁熱焊接后的焊接接頭組織的強(qiáng)度和韌性相比母材較低，為了提高鋁熱焊接后接頭性能，相關(guān)人員研究了對(duì)待焊件鋁熱焊接后進(jìn)行熱處理（申請(qǐng)?zhí)枺篋E19619171A），可以通過(guò)對(duì)焊接后的工件吹氣體的方式進(jìn)行熱處理過(guò)程，以獲得致密的焊縫組織，或者通過(guò)對(duì)焊后的工件直接進(jìn)行空氣冷卻（申請(qǐng)?zhí)枺篔P2001065300；申請(qǐng)?zhí)枺篔P2002359171）或者吹壓縮空氣（申請(qǐng)?zhí)枺篋E4006071A），完成熱處理過(guò)程；或者加入冷卻劑（申請(qǐng)?zhí)枺篎R7411768），進(jìn)行快速冷卻，完成對(duì)工件的熱處理；或者通過(guò)控制焊后的冷卻速度（申請(qǐng)?zhí)枺篋E29812242）以完成對(duì)工件的熱處理。

但是隨著熱處理工藝的進(jìn)步，在焊縫接頭還是會(huì)存在一些夾雜，為了提高接頭的質(zhì)量，減少焊接金屬內(nèi)部的夾雜，擠壓鋁熱焊得到了研究和發(fā)展，例如在焊接銅時(shí)在周圍加壓（申請(qǐng)?zhí)枺篔P2003126729）或者在焊接鋼-鋼時(shí)施加壓力（申請(qǐng)?zhí)枺篊N201310164532）。擠壓鋁熱焊就是在鋁熱焊接金屬還未完全凝固的時(shí)候，將兩個(gè)待焊件向中間進(jìn)行擠壓，可以減少焊接金屬內(nèi)部的夾雜，而在未完全凝固狀態(tài)下施加外力作用，可以影響金屬枝晶的生長(zhǎng)，達(dá)到細(xì)化晶粒和提高接頭金屬性能的目的。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，鋁熱焊接技術(shù)的研發(fā)具體集中在德國(guó)的施密特公司，目前其申請(qǐng)量相對(duì)穩(wěn)定，該公司在鋁熱焊接技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)相對(duì)成熟，但其他國(guó)家申請(qǐng)數(shù)量偏少，目前中國(guó)在該方面技術(shù)也有少量研究，但在申請(qǐng)量方面以及研究深度方面都尚未達(dá)到一定的規(guī)模；從目標(biāo)市場(chǎng)申請(qǐng)量方面分析可以看出，中國(guó)在該領(lǐng)域的市場(chǎng)還是很有發(fā)展?jié)摿Φ?，中?guó)申請(qǐng)人也應(yīng)多研究和借鑒施密特公司的該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，增強(qiáng)我國(guó)該方面技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

［1］崔成林，高松福，遲俊杰，等.國(guó)內(nèi)外鋼軌鋁熱焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.鐵道建筑，2009（6）：96-100.

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