鐵路鋁熱焊最新技術（鐵路軌道鋁熱焊的由來與發展）

2023-11-02 11:13:03 3

鐵路軌道鋁熱焊的歷史可以追溯到19世紀末的德國。德國化學家約翰·威廉·戈德施密特(Johann Wilhelm Goldschmidt)發現了一種利用純鋁對金屬氧化物進行化學還原以生產純金屬的方法——鋁熱反應。這種反應是放熱的，可以設計成產生大量的熱能。到20世紀20年代早期，它作為連接鐵路軌道的焊接過程的一部分得到了應用。今天，鋁熱劑焊接鐵路軌道是世界範圍內的常規做法。用於安全可靠地建設支持重載貨運鐵路和高速客運鐵路的鐵路。

式1為鋼軌焊接中最常見的鋁熱反應;它產生了3350 kJ的熱量，達到了3100°C(5600°F)的理論最高溫度。

3Fe3O4 8Al Heat△ 9Fe 4Al2O3

圖1 -鋁熱劑鋼軌焊接過程的照片:a -鋼軌兩端之間的初始間隙;B -在封閉縫隙的模具上方的坩堝中進行的鋁熱反應;C -鋼軌焊縫經過修整和打磨後的最終外觀。(圖片由Gary T. Fry和Maryam Tavakoli提供。)

鋁熱劑焊接鐵路軌道本質上是一個鑄造過程。不需要外部電源，因為鑄造用的熔融金屬是通過鋁熱反應產生的。鋁熱劑導軌焊接套件的製造包含了焊接所需的所有必要材料。即使在偏遠地區，一個鋁熱劑鋼軌的焊接也可以由兩個焊接技術人員組成的團隊在短短45分鐘內完成。綜上所述，這些特性使鋁熱劑焊接成為現場連接鋼軌斷面的一種特別有吸引力的工藝。

要製作鋁熱劑鋼軌焊縫，將連接的兩個鋼軌兩端分別設置25毫米(1.0英寸)的間隙(根部開口)，然後由耐火材料分離式模具封閉。在用氧氣燃氣火炬預熱鋼軌/模具系統後，將一個含有適當數量的氧化鐵和鋁顆粒(以及鋼填料材料和其他合金和渣形成材料)的一次性耐火坩堝放置在模具的開口頂部。使用點火粉為鋁熱反應提供活化能。在坩堝中停留25至35秒後，鋼水充滿模具型腔並凝固連接鋼軌兩端。圖1顯示了鋁熱劑鋼軌焊接過程中的照片，包括初始間隙(圖1A)，坩堝中反應的峰值(圖1B)，以及經過修整和研磨後的最終成品焊縫(圖1C)。

滾動載荷下的疲勞裂紋

因其安全性、可靠性、便攜性、相對容易製造、安裝速度和成本效益，使鋁熱劑焊接軌道成為全球鐵路行業的主流和工業的主要組成部分。然而，就像所有承受重度循環負荷的鋼鐵合金一樣，鋁熱劑鋼軌焊縫在使用過程中會出現疲勞裂紋。事實上，由列車車輪通過引起的交變應力使疲勞斷裂是鐵軌焊縫的主要失效模式。

通過計算模型，有可能對施加在軌道焊縫的疲勞需求進行準確估計。圖2是鋁熱劑鋼軌焊縫的三維有限元模型渲染圖。圖3是在滾動的車輪下，鋁熱劑焊箍邊緣鋼軌中峰值von Mises等效應力分布的條紋圖。在鐵軌頭部的車輪-鐵軌接觸貼片內，接觸應變和應力最大，導致局部塑性變形，並在車輪和鐵軌表面發生相關損壞。在鋼軌運行面幾毫米以下，應力水平處於彈性範圍內，但高到足以造成高循環疲勞破壞。

圖2 滾動載荷下鋁熱劑鋼軌焊縫的三維有限元模型渲染圖：A -整體模型；B–帶焊縫環鑄造的焊縫特寫

由於接觸片附近的這些局部需求，疲勞缺陷最常發生在軌頭。然而，軌頭的疲勞裂紋不太可能導致軌道故障，因為超聲波軌道檢測設備在這些缺陷變得嚴重之前就能極其有效地發現它們，這樣就可以及時清除有缺陷的軌道部分。事實上，服務故障調查顯示，在北美I級貨運鐵路報告中大約90%的鋁熱劑焊接故障是由焊縫圈邊緣的焊縫腹板和底部區域形成的疲勞裂紋引起的。除其他因素外，在這些區域引起斷裂的疲勞缺陷的臨界尺寸可能非常小，有時小於3毫米（0.1英寸）。軌道中這些位置的缺陷在失效前很難在軌道中發現。