[发明专利]一种贝氏体钢铝热焊的焊接材料及焊接工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属焊接技术领域，具体涉及一种新的贝氏体钢铝热焊焊接材料及焊接工艺。

背景技术

珠光体钢轨虽然可通过合金化或热处理技术工艺提高强度，但已接近极限，无法从根本上解决在提高强度的同时保持较好韧性的问题，更无法满足铁路高速、重载对钢轨及道岔轨越来越高的技术要求。贝氏体钢强度高、韧性好，显示出强度和韧塑性的极好配合，尤其韧性好，是珠光体钢的2～5倍。它的出现解决了钢轨强度、韧性、塑性、加工性能同时满足要求的技术难题。

无缝线路既是轨道结构进步的重要标志，也是当今世界高速、重载铁路轨道结构的最佳选择。无缝线路可以延长钢轨的使用寿命，中国铁道科学研究院对我国京山、长大、京包、哈长等线使用50kg/m的无缝线路与普通线路大修周期进行调查，发现无缝线路的钢轨使用寿命延长1.25倍，轨枕寿命延长1.26倍。此外，无缝线路可减少养护维修劳力和材料，减少列车运行能耗，减少铺设附加费用。因此，无缝线路的综合技术经济效果突出。

钢轨焊接是无缝线路的关键技术。如果焊缝金属不能跟母体钢轨很好地熔合，会导致焊接接头强度、硬度等性能达不到要求，给列车的运行带来安全隐患。我国最早采用电弧焊，后来采用了铝热焊、气压焊和接触焊。铝热焊具有短流程、高效率作业的特点，在短时间内依靠铝和氧化铁的铝热反应，产生大量热量，生成铁和氧化铝，获得钢水，对焊缝进行浇铸。铝热焊已经在无缝钢轨焊接中得到普遍应用。

焊接材料(也称为铝热焊剂)和焊接工艺是影响铝热焊焊接效果主要因素。不同焊接材料和焊接工艺条件下得到的焊缝金属的成分和微观组织不同，宏观表现为焊缝的力学性能等的差异。如果焊缝化学成分与母材的组成差异较大时，会在焊缝熔合区产生明显缺陷。因此，理想的焊缝应该化学组成与母材相近、微观结构相近、力学性能相当。

现有技术多有关于焊接材料的研究报道，如公开号CN102029486A(公开日2011年4月27日)、名称为“高硬度钢轨铝热焊剂及其焊接方法”的中国发明申请，公开了一种高硬度钢轨铝热焊剂以及焊接方法，铝热焊剂由铝粉、氧化铁及合金添加物组成。其中铝粉为纯铝粉，活性铝含量大于98％，粒度30～60目；氧化铁在加热轧制钢材过程中氧化形成，粒度为18～80目；其它合金添加物包括：铁丸、硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、钼铁、稀土合金。该焊接材料适用于焊接75kg/mPG4珠光体钢轨，焊接接头的硬度仅到达320HB±10HB。随着贝氏体钢的出现，现有技术中出现了可以用于贝氏体钢焊接的焊接材料。如公开号CN104625480A(公开日2015年5月20日)、名称为“一种钢轨铝热焊剂及其焊接方法”的中国发明申请，公开了一种用于铁道钢轨的具有贝氏体组织、高强度的铝热焊剂及其焊接方法。所述铝热焊剂，按重量百分比计，其包含铝粉18.4％～18.8％、氧化铁67.0％～67.6％、Cr1.4％～1.6％、Ni0.31％～0.33％、Mo0.14％～0.16、余量为铸铁丸。经过测试，该铝热焊剂得到的焊缝硬度还是偏低(327HB左右)，与贝氏体母体钢轨的硬度(360HB～430HB)仍然有较大的差距。

为了更好地满足我国现阶段及未来无缝线路设计思路和提高重载铁路装备关键技术的需要，需要开发出新的适合贝氏体钢轨的铝热焊接材料及焊接工艺。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种贝氏体钢铝热焊的焊接材料及焊接工艺。该焊接材料得到的焊缝金属为贝氏体组织，焊缝化学成分与贝氏体钢轨母材相近，焊接接头的力学性能突出，硬度(＞340HB)与贝氏体钢材匹配，完全满足现行标准TB1632.3-2014的要求。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种贝氏体钢铝热焊的焊接材料，由铝粉、氧化铁、铸铁丸和合金添加物组成，合金添加物包括锰铁、铬铁、硅铁和钼铁；以所述焊接材料的重量为基准，各组分的重量百分比含量为：铝粉18％～19％，氧化铁68％～69％，锰铁2.7％～2.8％，铬铁0.6％～0.7％，硅铁1.1％～1.2％，钼铁0.4％～0.6％，其余为铸铁丸。

更优选的，所述贝氏体钢与珠光体钢铝热焊接材料，各组分的重量百分比含量为：铝粉18.8％，氧化铁68.8％，锰铁2.79％，铬铁0.62％，硅铁1.12％，钼铁0.5％，其余为铸铁丸。

优选的，所述铝粉的粒度10～80目，Al含量大于98.5％。

优选的，所述氧化铁的粒度为30～60目，FeO含量为55％～70％。

优选的，所述锰铁中Mn含量不低于65％。