放熱焊接的研究現狀與發展趨勢

郝俊珂，彭科學，寇星輝，馬丙闖

昌吉學院物理與材料科學學院 新疆昌吉 831100

1 序言

1938年，美國查爾斯g 卡特博士研發了放熱焊接工藝[1]。自研發成功后，該項工藝就被廣泛應用。放熱焊接又稱為鋁熱焊接，其是利用化學反應作為熱源，將熔融的金屬放置在石墨模具的型腔中，從而實現兩部分金屬分子間結合的過程。其化學方程式（M代表金屬）為

由于放熱焊接間的分子結合，連接點的截面積是所連接接地材料截面積的兩倍以上，連接點的機械強度、耐腐蝕能力、過載能力均等于甚至強于接地原材料[2]。其連接效果遠優于傳統的機械螺紋聯接。按照放熱焊劑種類，可將放熱焊接分為3類：①銅導體的放熱焊接。②鋁導體的放熱焊接。③鐵和鐵、鋼和鋼、鐵和鋼的放熱焊接。放熱焊接可以用于電氣設備的接地工程處理、陰極防腐系統、石油化工工程建設和鐵路交通建設等。隨著放熱焊接技術的廣泛應用，已有許多學者開展該項技術的研究，本文將總結放熱焊接的研究與應用現狀，并預測其未來的發展趨勢。

2 放熱焊接應用現狀

2.1 接地網中的放熱焊接

為了保證電力設備的正常工作和操作人員的人身安全，接地網是電力系統常用的電力安全設施，接地網絡埋在地下，使靜電、雷電電流進入地下，以防止爆炸、火災和觸電事故的發生[3]。接地網通常采用純銅或銅包鋼材料，由于我國銅資源不豐富，所以目前我國使用的接地材料超過90%為鍍鋅鋼[3]。接地的鍍鋅鋼和銅之間的連接采用的是放熱焊接的連接形式，如圖1所示。

在國內，放熱焊接技術已經通過武漢高壓研究所、浙江電力試驗所等部門產品質量監督檢驗中心的驗證，并且應用到電力系統的重點工程中[1]。如天津臨港工業區的塔接電源系統、六盤水供電系統[1]及昆明機場輕軌接地網等。在國外，放熱焊接通過了UL標準驗證，并且被IEEE Std80大綱等規程指定為接地系統中埋地導體連接方式[1]。

2.2 鋼軌中的放熱焊接

鐵路基礎設施是一個復雜的多用途系統，涉及土方工程、隧道、橋梁和軌道結構[4]。在鐵路系統中，鋼軌的焊接方法常采用放熱焊接法。放熱焊接由兩部分組成：鑄造工藝和鋼軌焊接本身[5]，其工作過程如圖2所示。

目前，已經有很多國家將放熱焊接應用于鐵軌連接。截止到2020年，印度鐵路焊接軌道長度為90625.7km，其中，長軌道焊接為81912km，短軌道焊接為8713.7km[6]。沙特南北鐵路全長約2400km，是重要的基礎設施工程[7]，由我國工程人員承建。該項目所用的鋼軌是我國生產的UIC60E1型鋼軌。在進行現場操作時，采用來自法國的鋁熱焊接技術將鐵軌連接成無縫線路。整個工程采用嚴格的技術和工藝要求，保證了鐵路在高溫、沙塵頻繁的條件下仍然能夠良好運行。放熱焊接除了可以用于常溫條件，還可以在低溫凍土區條件下應用。青藏鐵路在設計施工之初就選擇鋁熱焊接作為鐵軌的連接方式，但由于青藏高原地區溫度低，致使大部分焊接接頭出現了焊縫質量問題，焊縫存在夾渣、砂眼及氣孔等缺陷[8]。針對以上問題，工程技術人員采用了兩種方法來改善存在的問題：一是優化鋁熱焊劑和工藝；二是對焊接接頭進行正火處理。這就大大提高了焊接接頭的低溫強度，并減少了夾渣、氣孔及砂眼等缺陷的產生。綜上可知，放熱焊接不僅可以在常溫條件下使用，也可以在低溫和高溫環境下使用，且不影響材料本身的力學性能。

2.3 其他行業應用

放熱焊接除了在輸電線路、供電站、車站及機場建設中被廣泛應用，也被應用于景觀建設、石油化工等行業。石化企業的大多數電氣設備元器件采用的是集成電路和微電子電路，對雷電流、干擾信號和故障電流尤為敏感[9]。接地系統因其防雷電的特點，能夠滿足石油化工行業安全運行的要求。在撫順石化公司80萬t/年乙烯工程項目中，生產裝備內的接地裝置采用銅包鋼材料，解決了電阻過高的問題[9]。放熱焊接工藝也在沙特延布海岸景觀工程中得到應用，接地系統的壽命和質量得到了沙特皇家委員會業主的認可[2]。國內港口工程建設高速發展，放熱焊接作為門機鋼軌焊接新技術，被應用于洋山深水港區三期工程中的門機鋼軌焊接中[10]，取得了良好的效果。

3 放熱焊接研究現狀

通過對眾多學者的文獻研究后發現，當前針對放熱焊接的研究主要集中在以下幾個方面：放熱焊接過程的數值模擬分析、放熱焊接材料的選擇及工藝流程等。

3.1 數值模擬分析

在現代的機械工程中，為了確定產品制造的最佳工藝，可采用數值模擬分析技術。常用的模擬分析軟件包括：ANSYS、Procast、SOLIDCast、NovaFlow&Solid CV及PoligonSoft等。

印度學者SEN等[11]以UIC60鋼軌為研究對象，運用數值模擬方法分析焊接接頭的疲勞裂紋。鐵軌之間主要是依靠摩擦進行能量轉換，在摩擦過程中由于接觸應力的作用會產生疲勞裂紋，因此正確預測接觸應力是預防鋼軌產生疲勞裂紋的重要手段。數值模擬分析能夠對應力分布進行預測。研究人員采用ANSYS軟件，對鐵軌的應力分布實現了可視化。經過模擬分析后可得到，靠近接觸表面的米塞斯應力的增加會對車輪和焊縫的疲勞裂紋產生負面影響；通過對裂紋的預測性研究，可以獲得生產過程中的應力變化、彎曲載荷變化及焊縫硬化等變化情況。因此，可以提前采取預防措施來保證鋼軌質量，防止疲勞裂紋產生。

黃尊地等[12]對焊接過程中溫度的整體分布和對馬氏體預防的預熱保溫范圍要求進行了研究。焊接過程中存在的問題是焊接溫度不均勻，形成影響鋼材性能的馬氏體和貝氏體組織。研究人員通過試驗研究與模擬分析相結合的方法，驗證了模擬分析技術的準確可靠性。已知馬氏體出現的溫度為150℃。通過數值模擬分析，鋼軌焊接點左右各0.13m范圍內溫度＞150℃。在此范圍內，控制預熱溫度可以防止馬氏體組織的產生，有利于獲得較好的焊接質量。

3.2 焊接材料

焊接材料的選用是決定生產成本高低和工程質量優劣的重要因素，這包括母材、焊劑和模具等。盡管銅及銅合金材料的生產成本高，但由于其優異的性能，近幾年在接地網絡中的使用比例逐漸提高。杜春陽等[13]對純銅、鍍鋅鋼及鍍銅鋼的材料性能進行了分析。通過比較發現，鍍銅鋼既具有純銅的導電性能，又具有較好的經濟性，因此可以應用在輸電線路中。2010年12月，在天津臨港工業區，鍍銅鋼首次應用到桿塔電源接地系統。該工程采用鍍銅扁鋼與桿塔連接，鍍銅扁鋼加工有安裝孔，通過安裝孔與桿塔接地系統連接，焊點采取“一”字焊點和“T”字焊點相結合的方式。通過這種方式，該系統的電阻大大降低，導電率也得到了提高。實踐證明，采用鍍銅鋼作為接地材料比采用鍍鋅鋼的使用壽命提高了5倍。與普通機械連接方法相比，施工費用大大降低。

和向鈞等[14]介紹了放熱焊接技術在昆明新機場停車樓輕軌接地網中的應用。該機場的接地網絡鋪設分為明鋪和暗鋪兩種，其中暗鋪采用了放熱焊接工藝技術。接地網的連接方式主要有3種：“一”字形、“T”字形和“十”字形。在施工過程中，技術人員要遵守嚴格的技術要求和質量標準，保證接地電網連接的清潔度、尺寸精度和環境要求等。該項目采用的接地材料為純銅，材料費用相對較高，與傳統手工焊接相比，設備投資較大。但形成的接地網絡導電能力是鋼的10倍，耐腐蝕能力是鍍鋅鋼的3倍，系統運行穩定，最終項目形成的綜合效益較好。

馮拉俊等[15]采用焊粉對接地網絡的放熱焊接進行了研究。焊粉由還原劑、合金劑及造渣劑組成。不同的成分配比、焊粉粒徑都會影響焊接效果。通過正交試驗得到，焊粉正常引燃的直徑為120μm；焊粉最優配比為50%CuO+18%Al+25%Cu+7%造渣劑。該焊粉與國外同類焊粉的焊接性能相當，且更加經濟實惠。

3.3 工藝流程

放熱焊接的操作具有嚴格的工藝流程和操作步驟，任何微小的差錯都會造成不可挽回的損失，影響工程的質量。印度學者TRIPATHI等[16]以某段失效的鋼軌為研究對象，鋼軌之間以放熱焊接工藝進行連接，分析了其失效的原因。該鋼軌材料為含有鐵素體-珠光體的高碳素鋼880UTS。研究人員在該鋼軌上取兩段斷裂的橫斷面，1號段的裂紋長度為150mm，2號段的裂紋長度78.5mm。通過冶金研究法，在室溫下觀察了鋼軌的宏觀組織和微觀組織，測試了化學成分與力學性能。通過一系列的研究發現，鋼軌的化學成分及力學性能符合要求，造成鋼軌失效的原因主要是受到了焊接過程的影響。原因主要有兩個：一是焊縫化學成分中Si和P含量較高，使熔池變脆；二是焊接時，過早將模具移除造成了非常高的殘余應力，致使鋼軌產生縱向斷裂。

在我國，也有大量文獻研究了放熱焊接的工藝流程和質量控制方法。王超[17]介紹了咸陽60萬t/年甲醇項目中的放熱焊接工藝。好的焊接效果要求焊縫大小合適，表面光滑，接頭顏色經過氧化層鋼刷刷過之后是金黃至青銅色，鍍鋅表面焊接后的銀白色也是正常色，接頭氣孔幾乎沒有或者很少。劉彥壽[18]介紹了抽水蓄能電站接地系統的放熱焊接工藝流程，即：清理焊接接頭→安裝配套模具→倒入焊劑與引火粉→點火器點燃引火粉→脫出模具清理。同時，還分析了影響焊接質量的因素，主要包括被焊接物的清潔程度、模具的使用、焊劑使用量。實際應用表明，放熱焊接操作簡單、模具便于攜帶，焊接質量穩定，解決了工程中的連接問題。

4 發展趨勢

當前，放熱焊接過程的完成主要依靠人工。在施工現場的焊接接頭質量檢測，主要依靠外觀檢查的方法進行。因此，焊接質量的好壞完全由操作人員的技術水高低所決定。隨著智能技術的發展，基于視覺傳感器的在線實時監控，能夠直接反映焊接過程中的焊接成形行為[19]，提高焊接質量。筆者認為這將是放熱焊接檢測技術發展的方向之一。同時，良好的焊接接頭質量也離不開焊接設計。數值模擬分析技術通過建立焊接過程模型，能夠直接反映焊接過程的成形行為，對于預測缺陷有重要意義。但目前該項技術主要應用在鋼軌焊接之中，未來必然會擴展到電線電纜的建設之中。另外，綠色焊接是當前重點研究的新型高效焊接技術，其中焊劑的優化設計也是未來發展的一個方向，充分考慮金屬材料冶金性能，合理選擇金屬元素，同樣可以提高焊接質量[20]。目前已經得到驗證的是硅元素，筆者認為未來還有更多的相關研究將投入其中。

綜合來看，隨著技術的發展，放熱焊接技術不僅需要專注于技術本身的改善，還需要與多個學科領域進行交叉融合，如智能化技術、數字化技術及金屬加工技術等，才能不斷提高焊接質量，擴展應用領域范圍。

5 結束語

綠色焊接是指旨在提高焊接質量、減少污染、節約能源的所有新型高效焊接技術。放熱焊接最大的特點是無需外接能源和動力，并且攜帶方便、操作簡單，符合綠色焊接低能耗的理念。雖然放熱焊接操作簡便，但在施工過程中要嚴格遵守工藝流程，嚴格選取焊接材料，采用合理科學的設計方案，同時注重焊接材料的化學成分控制等因素，才能保證獲得長壽命、高質量的焊接接頭。國內外的學者也對放熱焊接進行了多方面的研究探索，眾多研究也已經表明，放熱焊接接頭質量穩定，具有其他焊接不可比擬的優勢。通過技術的不斷改進，智能化和數值模擬分析技術的應用，放熱焊接在未來的應用前景必將更加廣闊。