铝热焊接专利技术综述

颜　敏

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163）

铝热焊接专利技术综述

颜敏

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163）

铝热焊接具有设备简单，作用时间短、占用空间小等众多优点，本文对铝热焊接技术领域的专利申请进行分析，从中国、国外的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，阐述了铝热焊接技术领域的专利申请发展趋势，追踪了铝热焊接技术领域的发展脉络，重点针对铝热焊剂、铝热焊接过程中的砂型、铝热焊接等三大主要研究方向，对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。

铝热焊接；铝热焊剂；砂型

1.概述

随着铁路运输提速和重载的发展，高密度、大运量的运输方式减少了线路维修作业时间，对焊接方式灵活快速性的要求大大提高。与其他钢轨焊接方法相比，钢轨铝热焊接方法设备简单、接头平顺性高、作业时间短、焊接占用空间小，目前在联合接头、辙岔、锁定焊、既有线应力放散、断轨抢修和日常换轨等工作中大都采用钢轨铝热焊接，因此，钢轨铝热焊接技术已成为铁路新线建设和既有线维护不可或缺的一种焊接方法。

铝热焊接就是将铝粉、氧化铁和其他合金添加物配制成的铝热焊剂放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃，引发铝热反应。在反应过程中，放出大量的热熔化合金添加物，与反应生成的铁形成为钢液，由于其密度大沉于坩埚底部，反应生成的熔渣较轻而浮在上部，在很短时间内，高温的铝热钢水熔化坩埚底部的自熔塞，浇注到与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中，同时铝热钢水本身又作为填充金属，与熔化的钢轨共同结晶、冷却，将两段钢轨焊成整体。

2.铝热焊接技术领域专利中国、国外申请量趋势分析

铝热焊接技术领域在中国的申请量重点分布在2004年以后，同时由于铝热焊接的重点申请国家为德国和日本，中国大陆在这方面基本上没有相关研究，目前铝热焊接领域最主要的申请人即ELTH（德国施密特），基本上已经垄断该领域。在1986年～2004年期间，专利申请量不大且无明显增长势头，此时说明铝热焊接技术刚刚引入我国，处于起步阶段，市场需求还不大；在2004年～2012年期间，增长幅度较大，属于技术发展期，中国市场需求逐步打开；在2012年～2014年，申请量浮动不大，处于稳定阶段。其中2013年的申请量下降趋势非常明显，这是由于部分申请尚未公开。

对铝热焊接技术在国外的专利申请出现于20世纪中期，其发展过程可以分为两个阶段：

（1）1965年～1995年：该阶段的专利申请量逐渐增多且呈现增长势头，这说明此时铝热焊接得到人们越来越多的重视，此期间专利申请量基本上一直保持增长的势头，特别是该阶段1970年～1980年处于比较高的增长率，这说明此时处于技术的发展阶段，初期的研究已逐渐形成技术成果大量产出，但该阶段后期1980年～1995年申请量已经开始下降，这说明技术急速发展后进入了相对饱和阶段；由于铝热焊接主要由德国用于断轨修复，在二战期间得到了重视，因此，二战后大部分国家都进行了铝热焊接的相关研究，使得第一阶段前期铝热焊接技术得到了空前的发展。

（2）2000年～2015年：该阶段前期2000年～2010年，专利申请量基本一直保持增长势头，主要是由于当时的模具发生了改变，一次性坩埚得到了广泛研究与发展，焊接方法使用的范围也进行了扩大，所以申请量较多，而2010年后，专利申请量明显下降，但仍维持在较高的水平，说明因为新技术的出现带来两年的迅速增长之后进入了平稳期，技术产出保持稳定。

3.铝热焊接技术领域专利技术发展路线

在铝热焊接过程中，最重要的3个因素就是铝热焊剂的选择、制备，砂型的材质和结构以及铝热焊接工艺过程，只要三者都保证了，才能获得性能良好的铝热焊缝。

3.1铝热剂

铝热焊接中的铝热焊剂刚开始采用的铝热剂主要是铝粉和氧化铁，但是由于钢轨铝热焊接接头金属为铸造组织，其强度和韧性较钢轨母材低，造成钢轨铝热焊接技术的折断率较高，研究人员通过在铝热焊剂中添加Fe-Mn合金（申请号：DE2333143A）、在铝热焊剂中添加C元素（申请号：CN86104534A；申请号：SU4468128A），通过增加焊接接头金属焊C量可以明显提高接头的硬度；此外，也有通过在铝热焊剂中添加MgO（申请号：CN201110057915），高温下MgO被还原成单质Mg并吸热，低温下Mg再被氧化成MgO并放热的过程，实现铝热剂反应过程中热量的再分配，达到产热均匀的目的；也有在铝热焊剂中添加镧铈合金粉（申请号：CN201210033509），从而解决现有钢的放热焊接存在接头热脆倾向大、有气孔产生和氧化烧蚀的问题。

3.2铝热焊接砂型

3.2.1铝热焊接砂型中的浇注系统形式

砂型与待焊钢轨一起组成了铝热金属凝固的型腔，在对钢轨进行铝热焊剂浇注过程中，浇注系统依次为：一侧底浇式（申请号：DE2454184；申请号：US19290375491；申请号：US19910789368；申请号：ZA2012000001498）、双侧底浇式（申请号：DE20006983；申请号：DE19637282；）、和双侧顶侧式（申请号：DE2825139；申请号：DE19637283；申请号：CN200910093408；申请号：JP2009169150）3种。

3.2.2铝热焊接砂型中的坩埚的设计

钢轨铝热焊接坩埚有两种，即耐用多次坩埚（申请号：FR7233124；申请号：DE29701461；申请号：CN88103267A；申请号：CN201420229925）和一次性坩埚（申请号：FR8216129A；申请号：CN201120435409；申请号：CN201310477110；申请号：CN201420114044）。由于耐用多次坩埚的材质主要为石英砂，成本低廉，所以在世界各国中使用较多，但是由于耐用多次坩埚工装复杂，工艺烦琐，近年来开发的一次性坩埚使用方便，用后抛弃，因而陆续投入应用。由于其成本较高，在世界其他国家的应用并不是很广泛。一次性坩埚主要有两种形式，一种是外层铁桶，内层为烘干硬化的水玻璃砂，其主要优点是适合于长途运输，搬运过程中不易破损。另一种形式的一次性坩埚是由树脂（申请号：CN200810021873）或者易降解材料（申请号：CN200820065348）制作的，其突出优点是使用后溃散性好，易于现场处理。

3.3铝热焊接工艺

铝热焊接工艺的发展大致可经过普通铝热焊接工艺-焊后进行热处理-挤压铝热焊接工艺三个发展路径，具体分析如下：普通铝热焊接工艺（申请号：DE2333143；申请号：FR7233124）就是通过点燃铝热焊剂，发生铝热反应，将熔融后的铝热焊剂浇注到待焊工件之间，完成对工件的焊接。

由于直接通过铝热焊接后的焊接接头组织的强度和韧性相比母材较低，为了提高铝热焊接后接头性能，相关人员研究了对待焊件铝热焊接后进行热处理（申请号：DE19619171A），可以通过对焊接后的工件吹气体的方式进行热处理过程，以获得致密的焊缝组织，或者通过对焊后的工件直接进行空气冷却（申请号：JP2001065300；申请号：JP2002359171）或者吹压缩空气（申请号：DE4006071A），完成热处理过程；或者加入冷却剂（申请号：FR7411768），进行快速冷却，完成对工件的热处理；或者通过控制焊后的冷却速度（申请号：DE29812242）以完成对工件的热处理。

但是随着热处理工艺的进步，在焊缝接头还是会存在一些夹杂，为了提高接头的质量，减少焊接金属内部的夹杂，挤压铝热焊得到了研究和发展，例如在焊接铜时在周围加压（申请号：JP2003126729）或者在焊接钢-钢时施加压力（申请号：CN201310164532）。挤压铝热焊就是在铝热焊接金属还未完全凝固的时候，将两个待焊件向中间进行挤压，可以减少焊接金属内部的夹杂，而在未完全凝固状态下施加外力作用，可以影响金属枝晶的生长，达到细化晶粒和提高接头金属性能的目的。

结语

通过以上分析可以看出，铝热焊接技术的研发具体集中在德国的施密特公司，目前其申请量相对稳定，该公司在铝热焊接技术领域已经相对成熟，但其他国家申请数量偏少，目前中国在该方面技术也有少量研究，但在申请量方面以及研究深度方面都尚未达到一定的规模；从目标市场申请量方面分析可以看出，中国在该领域的市场还是很有发展潜力的，中国申请人也应多研究和借鉴施密特公司的该领域的前沿技术，增强我国该方面技术的竞争实力。

［1］崔成林，高松福，迟俊杰，等.国内外钢轨铝热焊接技术研究现状和发展［J］.铁道建筑，2009（6）：96-100.

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