放热焊接的研究现状与发展趋势

郝俊珂，彭科学，寇星辉，马丙闯

昌吉学院物理与材料科学学院 新疆昌吉 831100

1 序言

1938年，美国查尔斯g 卡特博士研发了放热焊接工艺[1]。自研发成功后，该项工艺就被广泛应用。放热焊接又称为铝热焊接，其是利用化学反应作为热源，将熔融的金属放置在石墨模具的型腔中，从而实现两部分金属分子间结合的过程。其化学方程式（M代表金属）为

由于放热焊接间的分子结合，连接点的截面积是所连接接地材料截面积的两倍以上，连接点的机械强度、耐腐蚀能力、过载能力均等于甚至强于接地原材料[2]。其连接效果远优于传统的机械螺纹联接。按照放热焊剂种类，可将放热焊接分为3类：①铜导体的放热焊接。②铝导体的放热焊接。③铁和铁、钢和钢、铁和钢的放热焊接。放热焊接可以用于电气设备的接地工程处理、阴极防腐系统、石油化工工程建设和铁路交通建设等。随着放热焊接技术的广泛应用，已有许多学者开展该项技术的研究，本文将总结放热焊接的研究与应用现状，并预测其未来的发展趋势。

2 放热焊接应用现状

2.1 接地网中的放热焊接

为了保证电力设备的正常工作和操作人员的人身安全，接地网是电力系统常用的电力安全设施，接地网络埋在地下，使静电、雷电电流进入地下，以防止爆炸、火灾和触电事故的发生[3]。接地网通常采用纯铜或铜包钢材料，由于我国铜资源不丰富，所以目前我国使用的接地材料超过90%为镀锌钢[3]。接地的镀锌钢和铜之间的连接采用的是放热焊接的连接形式，如图1所示。

在国内，放热焊接技术已经通过武汉高压研究所、浙江电力试验所等部门产品质量监督检验中心的验证，并且应用到电力系统的重点工程中[1]。如天津临港工业区的塔接电源系统、六盘水供电系统[1]及昆明机场轻轨接地网等。在国外，放热焊接通过了UL标准验证，并且被IEEE Std80大纲等规程指定为接地系统中埋地导体连接方式[1]。

2.2 钢轨中的放热焊接

铁路基础设施是一个复杂的多用途系统，涉及土方工程、隧道、桥梁和轨道结构[4]。在铁路系统中，钢轨的焊接方法常采用放热焊接法。放热焊接由两部分组成：铸造工艺和钢轨焊接本身[5]，其工作过程如图2所示。

目前，已经有很多国家将放热焊接应用于铁轨连接。截止到2020年，印度铁路焊接轨道长度为90625.7km，其中，长轨道焊接为81912km，短轨道焊接为8713.7km[6]。沙特南北铁路全长约2400km，是重要的基础设施工程[7]，由我国工程人员承建。该项目所用的钢轨是我国生产的UIC60E1型钢轨。在进行现场操作时，采用来自法国的铝热焊接技术将铁轨连接成无缝线路。整个工程采用严格的技术和工艺要求，保证了铁路在高温、沙尘频繁的条件下仍然能够良好运行。放热焊接除了可以用于常温条件，还可以在低温冻土区条件下应用。青藏铁路在设计施工之初就选择铝热焊接作为铁轨的连接方式，但由于青藏高原地区温度低，致使大部分焊接接头出现了焊缝质量问题，焊缝存在夹渣、砂眼及气孔等缺陷[8]。针对以上问题，工程技术人员采用了两种方法来改善存在的问题：一是优化铝热焊剂和工艺；二是对焊接接头进行正火处理。这就大大提高了焊接接头的低温强度，并减少了夹渣、气孔及砂眼等缺陷的产生。综上可知，放热焊接不仅可以在常温条件下使用，也可以在低温和高温环境下使用，且不影响材料本身的力学性能。

2.3 其他行业应用

放热焊接除了在输电线路、供电站、车站及机场建设中被广泛应用，也被应用于景观建设、石油化工等行业。石化企业的大多数电气设备元器件采用的是集成电路和微电子电路，对雷电流、干扰信号和故障电流尤为敏感[9]。接地系统因其防雷电的特点，能够满足石油化工行业安全运行的要求。在抚顺石化公司80万t/年乙烯工程项目中，生产装备内的接地装置采用铜包钢材料，解决了电阻过高的问题[9]。放热焊接工艺也在沙特延布海岸景观工程中得到应用，接地系统的寿命和质量得到了沙特皇家委员会业主的认可[2]。国内港口工程建设高速发展，放热焊接作为门机钢轨焊接新技术，被应用于洋山深水港区三期工程中的门机钢轨焊接中[10]，取得了良好的效果。

3 放热焊接研究现状

通过对众多学者的文献研究后发现，当前针对放热焊接的研究主要集中在以下几个方面：放热焊接过程的数值模拟分析、放热焊接材料的选择及工艺流程等。

3.1 数值模拟分析

在现代的机械工程中，为了确定产品制造的最佳工艺，可采用数值模拟分析技术。常用的模拟分析软件包括：ANSYS、Procast、SOLIDCast、NovaFlow&Solid CV及PoligonSoft等。

印度学者SEN等[11]以UIC60钢轨为研究对象，运用数值模拟方法分析焊接接头的疲劳裂纹。铁轨之间主要是依靠摩擦进行能量转换，在摩擦过程中由于接触应力的作用会产生疲劳裂纹，因此正确预测接触应力是预防钢轨产生疲劳裂纹的重要手段。数值模拟分析能够对应力分布进行预测。研究人员采用ANSYS软件，对铁轨的应力分布实现了可视化。经过模拟分析后可得到，靠近接触表面的米塞斯应力的增加会对车轮和焊缝的疲劳裂纹产生负面影响；通过对裂纹的预测性研究，可以获得生产过程中的应力变化、弯曲载荷变化及焊缝硬化等变化情况。因此，可以提前采取预防措施来保证钢轨质量，防止疲劳裂纹产生。

黄尊地等[12]对焊接过程中温度的整体分布和对马氏体预防的预热保温范围要求进行了研究。焊接过程中存在的问题是焊接温度不均匀，形成影响钢材性能的马氏体和贝氏体组织。研究人员通过试验研究与模拟分析相结合的方法，验证了模拟分析技术的准确可靠性。已知马氏体出现的温度为150℃。通过数值模拟分析，钢轨焊接点左右各0.13m范围内温度＞150℃。在此范围内，控制预热温度可以防止马氏体组织的产生，有利于获得较好的焊接质量。

3.2 焊接材料

焊接材料的选用是决定生产成本高低和工程质量优劣的重要因素，这包括母材、焊剂和模具等。尽管铜及铜合金材料的生产成本高，但由于其优异的性能，近几年在接地网络中的使用比例逐渐提高。杜春阳等[13]对纯铜、镀锌钢及镀铜钢的材料性能进行了分析。通过比较发现，镀铜钢既具有纯铜的导电性能，又具有较好的经济性，因此可以应用在输电线路中。2010年12月，在天津临港工业区，镀铜钢首次应用到杆塔电源接地系统。该工程采用镀铜扁钢与杆塔连接，镀铜扁钢加工有安装孔，通过安装孔与杆塔接地系统连接，焊点采取“一”字焊点和“T”字焊点相结合的方式。通过这种方式，该系统的电阻大大降低，导电率也得到了提高。实践证明，采用镀铜钢作为接地材料比采用镀锌钢的使用寿命提高了5倍。与普通机械连接方法相比，施工费用大大降低。

和向钧等[14]介绍了放热焊接技术在昆明新机场停车楼轻轨接地网中的应用。该机场的接地网络铺设分为明铺和暗铺两种，其中暗铺采用了放热焊接工艺技术。接地网的连接方式主要有3种：“一”字形、“T”字形和“十”字形。在施工过程中，技术人员要遵守严格的技术要求和质量标准，保证接地电网连接的清洁度、尺寸精度和环境要求等。该项目采用的接地材料为纯铜，材料费用相对较高，与传统手工焊接相比，设备投资较大。但形成的接地网络导电能力是钢的10倍，耐腐蚀能力是镀锌钢的3倍，系统运行稳定，最终项目形成的综合效益较好。

冯拉俊等[15]采用焊粉对接地网络的放热焊接进行了研究。焊粉由还原剂、合金剂及造渣剂组成。不同的成分配比、焊粉粒径都会影响焊接效果。通过正交试验得到，焊粉正常引燃的直径为120μm；焊粉最优配比为50%CuO+18%Al+25%Cu+7%造渣剂。该焊粉与国外同类焊粉的焊接性能相当，且更加经济实惠。

3.3 工艺流程

放热焊接的操作具有严格的工艺流程和操作步骤，任何微小的差错都会造成不可挽回的损失，影响工程的质量。印度学者TRIPATHI等[16]以某段失效的钢轨为研究对象，钢轨之间以放热焊接工艺进行连接，分析了其失效的原因。该钢轨材料为含有铁素体-珠光体的高碳素钢880UTS。研究人员在该钢轨上取两段断裂的横断面，1号段的裂纹长度为150mm，2号段的裂纹长度78.5mm。通过冶金研究法，在室温下观察了钢轨的宏观组织和微观组织，测试了化学成分与力学性能。通过一系列的研究发现，钢轨的化学成分及力学性能符合要求，造成钢轨失效的原因主要是受到了焊接过程的影响。原因主要有两个：一是焊缝化学成分中Si和P含量较高，使熔池变脆；二是焊接时，过早将模具移除造成了非常高的残余应力，致使钢轨产生纵向断裂。

在我国，也有大量文献研究了放热焊接的工艺流程和质量控制方法。王超[17]介绍了咸阳60万t/年甲醇项目中的放热焊接工艺。好的焊接效果要求焊缝大小合适，表面光滑，接头颜色经过氧化层钢刷刷过之后是金黄至青铜色，镀锌表面焊接后的银白色也是正常色，接头气孔几乎没有或者很少。刘彦寿[18]介绍了抽水蓄能电站接地系统的放热焊接工艺流程，即：清理焊接接头→安装配套模具→倒入焊剂与引火粉→点火器点燃引火粉→脱出模具清理。同时，还分析了影响焊接质量的因素，主要包括被焊接物的清洁程度、模具的使用、焊剂使用量。实际应用表明，放热焊接操作简单、模具便于携带，焊接质量稳定，解决了工程中的连接问题。

4 发展趋势

当前，放热焊接过程的完成主要依靠人工。在施工现场的焊接接头质量检测，主要依靠外观检查的方法进行。因此，焊接质量的好坏完全由操作人员的技术水高低所决定。随着智能技术的发展，基于视觉传感器的在线实时监控，能够直接反映焊接过程中的焊接成形行为[19]，提高焊接质量。笔者认为这将是放热焊接检测技术发展的方向之一。同时，良好的焊接接头质量也离不开焊接设计。数值模拟分析技术通过建立焊接过程模型，能够直接反映焊接过程的成形行为，对于预测缺陷有重要意义。但目前该项技术主要应用在钢轨焊接之中，未来必然会扩展到电线电缆的建设之中。另外，绿色焊接是当前重点研究的新型高效焊接技术，其中焊剂的优化设计也是未来发展的一个方向，充分考虑金属材料冶金性能，合理选择金属元素，同样可以提高焊接质量[20]。目前已经得到验证的是硅元素，笔者认为未来还有更多的相关研究将投入其中。

综合来看，随着技术的发展，放热焊接技术不仅需要专注于技术本身的改善，还需要与多个学科领域进行交叉融合，如智能化技术、数字化技术及金属加工技术等，才能不断提高焊接质量，扩展应用领域范围。

5 结束语

绿色焊接是指旨在提高焊接质量、减少污染、节约能源的所有新型高效焊接技术。放热焊接最大的特点是无需外接能源和动力，并且携带方便、操作简单，符合绿色焊接低能耗的理念。虽然放热焊接操作简便，但在施工过程中要严格遵守工艺流程，严格选取焊接材料，采用合理科学的设计方案，同时注重焊接材料的化学成分控制等因素，才能保证获得长寿命、高质量的焊接接头。国内外的学者也对放热焊接进行了多方面的研究探索，众多研究也已经表明，放热焊接接头质量稳定，具有其他焊接不可比拟的优势。通过技术的不断改进，智能化和数值模拟分析技术的应用，放热焊接在未来的应用前景必将更加广阔。