鋁熱焊接專利技術綜述

顏　敏

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

鋁熱焊接專利技術綜述

顏敏

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

鋁熱焊接具有設備簡單，作用時間短、占用空間小等眾多優點，本文對鋁熱焊接技術領域的專利申請進行分析，從中國、國外的專利申請量、申請人的分布等多方面統計分析，闡述了鋁熱焊接技術領域的專利申請發展趨勢，追蹤了鋁熱焊接技術領域的發展脈絡，重點針對鋁熱焊劑、鋁熱焊接過程中的砂型、鋁熱焊接等三大主要研究方向，對其技術方向和技術手段的發展脈絡進行了梳理。

鋁熱焊接；鋁熱焊劑；砂型

1.概述

隨著鐵路運輸提速和重載的發展，高密度、大運量的運輸方式減少了線路維修作業時間，對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備簡單、接頭平順性高、作業時間短、焊接占用空間小，目前在聯合接頭、轍岔、鎖定焊、既有線應力放散、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，鋼軌鋁熱焊接技術已成為鐵路新線建設和既有線維護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坩堝中，用高溫火柴點燃，引發鋁熱反應。在反應過程中，放出大量的熱熔化合金添加物，與反應生成的鐵形成為鋼液，由于其密度大沉于坩堝底部，反應生成的熔渣較輕而浮在上部，在很短時間內，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熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中，同時鋁熱鋼水本身又作為填充金屬，與熔化的鋼軌共同結晶、冷卻，將兩段鋼軌焊成整體。

2.鋁熱焊接技術領域專利中國、國外申請量趨勢分析

鋁熱焊接技術領域在中國的申請量重點分布在2004年以后，同時由于鋁熱焊接的重點申請國家為德國和日本，中國大陸在這方面基本上沒有相關研究，目前鋁熱焊接領域最主要的申請人即ELTH（德國施密特），基本上已經壟斷該領域。在1986年～2004年期間，專利申請量不大且無明顯增長勢頭，此時說明鋁熱焊接技術剛剛引入我國，處于起步階段，市場需求還不大；在2004年～2012年期間，增長幅度較大，屬于技術發展期，中國市場需求逐步打開；在2012年～2014年，申請量浮動不大，處于穩定階段。其中2013年的申請量下降趨勢非常明顯，這是由于部分申請尚未公開。

對鋁熱焊接技術在國外的專利申請出現于20世紀中期，其發展過程可以分為兩個階段：

（1）1965年～1995年：該階段的專利申請量逐漸增多且呈現增長勢頭，這說明此時鋁熱焊接得到人們越來越多的重視，此期間專利申請量基本上一直保持增長的勢頭，特別是該階段1970年～1980年處于比較高的增長率，這說明此時處于技術的發展階段，初期的研究已逐漸形成技術成果大量產出，但該階段后期1980年～1995年申請量已經開始下降，這說明技術急速發展后進入了相對飽和階段；由于鋁熱焊接主要由德國用于斷軌修復，在二戰期間得到了重視，因此，二戰后大部分國家都進行了鋁熱焊接的相關研究，使得第一階段前期鋁熱焊接技術得到了空前的發展。

（2）2000年～2015年：該階段前期2000年～2010年，專利申請量基本一直保持增長勢頭，主要是由于當時的模具發生了改變，一次性坩堝得到了廣泛研究與發展，焊接方法使用的范圍也進行了擴大，所以申請量較多，而2010年后，專利申請量明顯下降，但仍維持在較高的水平，說明因為新技術的出現帶來兩年的迅速增長之后進入了平穩期，技術產出保持穩定。

3.鋁熱焊接技術領域專利技術發展路線

在鋁熱焊接過程中，最重要的3個因素就是鋁熱焊劑的選擇、制備，砂型的材質和結構以及鋁熱焊接工藝過程，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，其強度和韌性較鋼軌母材低，造成鋼軌鋁熱焊接技術的折斷率較高，研究人員通過在鋁熱焊劑中添加Fe-Mn合金（申請號：DE2333143A）、在鋁熱焊劑中添加C元素（申請號：CN86104534A；申請號：SU4468128A），通過增加焊接接頭金屬焊C量可以明顯提高接頭的硬度；此外，也有通過在鋁熱焊劑中添加MgO（申請號：CN201110057915），高溫下MgO被還原成單質Mg并吸熱，低溫下Mg再被氧化成MgO并放熱的過程，實現鋁熱劑反應過程中熱量的再分配，達到產熱均勻的目的；也有在鋁熱焊劑中添加鑭鈰合金粉（申請號：CN201210033509），從而解決現有鋼的放熱焊接存在接頭熱脆傾向大、有氣孔產生和氧化燒蝕的問題。

3.2鋁熱焊接砂型

3.2.1鋁熱焊接砂型中的澆注系統形式

砂型與待焊鋼軌一起組成了鋁熱金屬凝固的型腔，在對鋼軌進行鋁熱焊劑澆注過程中，澆注系統依次為：一側底澆式（申請號：DE2454184；申請號：US19290375491；申請號：US19910789368；申請號：ZA2012000001498）、雙側底澆式（申請號：DE20006983；申請號：DE19637282；）、和雙側頂側式（申請號：DE2825139；申請號：DE19637283；申請號：CN200910093408；申請號：JP2009169150）3種。

3.2.2鋁熱焊接砂型中的坩堝的設計

鋼軌鋁熱焊接坩堝有兩種，即耐用多次坩堝（申請號：FR7233124；申請號：DE29701461；申請號：CN88103267A；申請號：CN201420229925）和一次性坩堝（申請號：FR8216129A；申請號：CN201120435409；申請號：CN201310477110；申請號：CN201420114044）。由于耐用多次坩堝的材質主要為石英砂，成本低廉，所以在世界各國中使用較多，但是由于耐用多次坩堝工裝復雜，工藝煩瑣，近年來開發的一次性坩堝使用方便，用后拋棄，因而陸續投入應用。由于其成本較高，在世界其他國家的應用并不是很廣泛。一次性坩堝主要有兩種形式，一種是外層鐵桶，內層為烘干硬化的水玻璃砂，其主要優點是適合于長途運輸，搬運過程中不易破損。另一種形式的一次性坩堝是由樹脂（申請號：CN200810021873）或者易降解材料（申請號：CN200820065348）制作的，其突出優點是使用后潰散性好，易于現場處理。

3.3鋁熱焊接工藝

鋁熱焊接工藝的發展大致可經過普通鋁熱焊接工藝-焊后進行熱處理-擠壓鋁熱焊接工藝三個發展路徑，具體分析如下：普通鋁熱焊接工藝（申請號：DE2333143；申請號：FR7233124）就是通過點燃鋁熱焊劑，發生鋁熱反應，將熔融后的鋁熱焊劑澆注到待焊工件之間，完成對工件的焊接。

由于直接通過鋁熱焊接后的焊接接頭組織的強度和韌性相比母材較低，為了提高鋁熱焊接后接頭性能，相關人員研究了對待焊件鋁熱焊接后進行熱處理（申請號：DE19619171A），可以通過對焊接后的工件吹氣體的方式進行熱處理過程，以獲得致密的焊縫組織，或者通過對焊后的工件直接進行空氣冷卻（申請號：JP2001065300；申請號：JP2002359171）或者吹壓縮空氣（申請號：DE4006071A），完成熱處理過程；或者加入冷卻劑（申請號：FR7411768），進行快速冷卻，完成對工件的熱處理；或者通過控制焊后的冷卻速度（申請號：DE29812242）以完成對工件的熱處理。

但是隨著熱處理工藝的進步，在焊縫接頭還是會存在一些夾雜，為了提高接頭的質量，減少焊接金屬內部的夾雜，擠壓鋁熱焊得到了研究和發展，例如在焊接銅時在周圍加壓（申請號：JP2003126729）或者在焊接鋼-鋼時施加壓力（申請號：CN201310164532）。擠壓鋁熱焊就是在鋁熱焊接金屬還未完全凝固的時候，將兩個待焊件向中間進行擠壓，可以減少焊接金屬內部的夾雜，而在未完全凝固狀態下施加外力作用，可以影響金屬枝晶的生長，達到細化晶粒和提高接頭金屬性能的目的。

結語

通過以上分析可以看出，鋁熱焊接技術的研發具體集中在德國的施密特公司，目前其申請量相對穩定，該公司在鋁熱焊接技術領域已經相對成熟，但其他國家申請數量偏少，目前中國在該方面技術也有少量研究，但在申請量方面以及研究深度方面都尚未達到一定的規模；從目標市場申請量方面分析可以看出，中國在該領域的市場還是很有發展潛力的，中國申請人也應多研究和借鑒施密特公司的該領域的前沿技術，增強我國該方面技術的競爭實力。

［1］崔成林，高松福，遲俊杰，等.國內外鋼軌鋁熱焊接技術研究現狀和發展［J］.鐵道建筑，2009（6）：96-100.

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