铝热焊接砂型冒口及预热试验方法与流程

1.本发明涉及铝热焊接技术领域，更具体地，涉及一种铝热焊接砂型冒口及预热试验方法。


背景技术：

2.钢轨铝热焊接技术是铁路无缝线路钢轨焊接的重要焊接技术之一，目前国内普遍应用的铝热焊接材料有三种，分别是德国thermit焊接材料、法国qpcj焊接材料和国产ztk
‑ⅰ
型焊接材料，焊接材料主要包括铝热焊剂、砂型、坩埚等，钢轨铝热焊接砂型与待焊接的2段钢轨围成的空腔，构成了钢水浇注的浇注系统。砂型是浇注系统的重要组成部分，其中砂型冒口是一个储存铝热钢水的空腔，主要作用是存储在铝热钢水凝固过程中由于体积变化而需要补偿的金属液，以防止在焊筋处出现收缩类缺陷。
3.现有技术中，目前普速线路天窗点要求维修天窗双线不应小于120min、单线不应少于90min，在此天窗点下要求下，国产ztk-1型焊接材料受到极大制约，当前国产焊采用的ztk-1型砂型上设置有用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，该砂型轮廓下表面开设有尺寸为32mm
×
13mm，面积为416mm2的方形冒口，该方形冒口被浇筑完铝热钢水后，在该方形冒口的外侧边沿形成接头残余冒口棒，此处的接头残余冒口棒的打磨量大，打磨费事；另外，在去除接头残余冒口棒的过程中容易造成焊筋缺肉，从而会咬伤轨底角钢轨母材。
4.因此，有必要解决上述问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种铝热焊接砂型冒口及预热试验方法，以减少接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且预热试验方法进一步地验证了上述铝热焊接砂型冒口处具有良好的预热效果，从而保证了焊接接头的力学性能。
6.基于上述目的，本发明提供一种铝热焊接砂型冒口，包括用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，所述砂型轮廓下表面上开设有对称设置的第一冒口和第二冒口，所述第一冒口和所述第二冒口在砂型的内部连通汇聚在一起，所述第一冒口和所述第二冒口的开口面积之和小于416mm2。
7.可选的，所述砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在所述第一侧线和所述第二侧线之间的横线，当所述第一冒口和所述第二冒口的形状均为长方形时，所述第一冒口位于所述第一侧线一侧，所述第二冒口位于所述第二侧线一侧，所述第一冒口到所述第一侧线的最短距离为8mm，所述第二冒口到所述第二侧线的最短距离为8mm，所述第一冒口和所述第二冒口到所述横线的中心所在的水平线的最短距离均为6mm，所述第一冒口和所述第二冒口的长度均为l1,8.5mm≤l1＜16mm，宽度均为l2，l2≤12.5mm。
8.可选的，所述砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在所述第一侧线和所述第二侧线之间的横线，当所述第一冒口和所述第二冒口均为椭圆形时，
所述第一冒口的中心到所述第一侧线的距离为d1，12.25mm≤d1≤14.25mm，所述第二冒口的中心到所述第二侧线的距离为d2，12.25mm≤d2≤14.25mm，所述第一冒口的中心和所述第二冒口的中心到所述横线的中心所在的水平线的最短距离均为12.25mm，所述第一冒口和所述第二冒口的的长轴为a,12.5mm≤a＜16mm,所述第一冒口和所述第二冒口的的短轴为b，8.5mm≤b＜12.5mm。
9.可选的，所述砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在所述第一侧线和所述第二侧线之间的横线，当所述第一冒口和所述第二冒口均为圆形时，所述第一冒口的圆心或中心到所述第一侧线的距离为d3，12.25mm≤d3≤14.25mm，所述第二冒口的圆心到所述第二侧线的距离为d4，12.25mm≤d4≤14.25mm，所述第一冒口的圆心和所述第二冒口的圆心到所述横向的中心所在的水平线的最短距离均为12.25mm，所述第一冒口和所述第二冒口的直径均为d,8.5mm≤d＜12.5mm。
10.基于同一发明构思，本发明还提供一种铝热焊接砂型冒口预热试验方法，试验前述任一技术方案所述的铝热焊接砂型冒口，包括预热模拟试验和预热试验流程，所述预热模拟试验包括以下步骤：步骤一、将开设有所述铝热焊接砂型冒口的砂型与待焊钢轨按照1∶1建立实体模型并进行流体域模型网格划分；步骤二、设置燃烧温度及流固耦合热模拟方法；步骤三、设置加热时间，进入迭代计算；步骤四、分析流场模拟结果；步骤五、分析预热模拟结果。所述预热试验流程包括以下步骤：步骤一、制作试验用的测温钢轨；步骤二、预埋热电偶，连接温度检测仪；步骤三、设置各预热参数，进行预热试验，测量温度；步骤四、分析试验结果，判断是否与模拟温度分布结果一致。
11.本发明提供的铝热焊接砂型冒口及预热试验方法，铝热焊接砂型冒口包括用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，砂型轮廓下表面上开设有对称设置的第一冒口和第二冒口，对称设置的第一冒口和第二冒口保证了在向第一冒口和第二冒口内浇筑铝热钢水时的补缩效果，将第一冒口和第二冒口的开口面积之和设置成小于416mm2以及将第一冒口和第二冒口在砂型的内部连通汇聚在一起，从而当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，减少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且预热试验方法进一步地验证了上述铝热焊接砂型冒口处具有良好的预热效果，从而保证了焊接接头的力学性能。
附图说明
12.下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
13.图1为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口的结构示意图；
14.图2为图1在a-a处的剖视图；
15.图3为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口的正视图；
16.图4为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中预热模拟试验的流程图；
17.图5为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中预热试验流程的流程图；
18.图6为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中流体域模型网格图；
19.图7为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中模拟完成端面温度分布结果示意图；
20.图8为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中待测钢轨上测量点端面位置分布图。
21.图9为本发明一实施例的铝热焊接砂型冒口预热试验方法中待测钢轨上不同钻孔处的温度测量结果。
22.附图标记说明：
23.1：砂型轮廓下表面；2：第一冒口；3：第二冒口；4：第一侧线；5：第二侧线；6：横线。
具体实施方式
24.下面结合实施例对本发明进行详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
25.如图1和图2所示，本发明提供的铝热焊接砂型冒口，包括用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，所述砂型轮廓下表面上开设有对称设置的第一冒口和第二冒口，所述第一冒口和所述第二冒口在砂型的内部连通汇聚在一起，所述第一冒口和所述第二冒口的开口面积之和小于416mm2。
[0026][0027][0028]
需要说明的是：416mm2为现有技术中的方形冒口的开口面积。
[0029]
本发明提供的铝热焊接砂型冒口，铝热焊接砂型冒口包括用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，砂型轮廓下表面上开设有对称设置的第一冒口和第二冒口，对称设置的第一冒口和第二冒口保证了在向第一冒口和第二冒口内浇筑铝热钢水时的补缩效果，将第一冒口和第二冒口的开口面积之和设置成小于416mm2以及将第一冒口和第二冒口在砂型的内部连通汇聚在一起，从而当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，减少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材。
[0030]
如图1至图3所示，砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在第一侧线和第二侧线之间的横线，当第一冒口和第二冒口的形状均为长方形时，第一冒口位于第一侧线一侧，第二冒口位于第二侧线一侧，第一冒口到第一侧线的最短距离为8mm，第二冒口到第二侧线的最短距离为8mm，第一冒口和第二冒口到横线的中心所在的水平线的最短距离均为6mm，第一冒口和第二冒口的长度均为l1,8.5mm≤l1＜16mm，宽度均为l2，l2≤12.5mm。本实施例中，第一冒口和第二冒口的开口面积之和不近小于416mm2，从而当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，较少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且当第一冒口和第二冒口的形状为长方形时，只需要对现有方形砂型模具进行改进即可使用，提高了铝热焊接砂型冒口的加工操作方便性。
[0031]
如图1至图3所示，砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在第一侧线和第二侧线之间的横线，当第一冒口和第二冒口均为椭圆形时，第一冒口的中心到第一侧线的距离为d1，12.25mm≤d1≤14.25mm，第二冒口的中心到第二侧线的距离为d2，12.25mm≤d2≤14.25mm，第一冒口的中心和第二冒口的中心到横线的中心所在的水平线的最短距离均为12.25mm，第一冒口和第二冒口的的长轴为a,12.5mm≤a＜16mm,第一冒口和第二冒口的的短轴为b，8.5mm≤b＜12.5mm。本实施例中，第一冒口和第二冒口的开口面积之和不近小于416mm2，从而当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，较少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且当第一冒口和第二冒口的形状为圆形时，减少了由于冒口形状几何的突变可能造成的浇注死角，提高了铝热焊接砂型冒口的结构稳定性。
[0032]
如图1至图3所示，砂型轮廓下表面包括相对设置的第一侧线、第二侧线以及连接在第一侧线和第二侧线之间的横线，当第一冒口和第二冒口均为圆形时，第一冒口的圆心或中心到第一侧线的距离为d3，12.25mm≤d3≤14.25mm，第二冒口的圆心到第二侧线的距离为d4，12.25mm≤d4≤14.25mm，第一冒口的圆心和第二冒口的圆心到横向的中心所在的水平线的最短距离均为12.25mm，第一冒口和第二冒口的直径均为d,8.5mm≤d＜12.5mm。本实施例中，第一冒口和第二冒口的开口面积之和小于416mm2，当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，较少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且当第一冒口和第二冒口的形状为圆形时，减少了由于冒口形状几何的突变可能造成的浇注死角，并且圆形冒口更便于加强边缘的预热效果的试验，进一步地提高了铝热焊接砂型冒口的结构稳定性。
[0033]
如图1至图5所示，基于同一发明构思，本发明一实施例中还提供一种铝热焊接砂型冒口预热试验方法，试验前述任一实施例的铝热焊接砂型冒口，包括预热模拟试验和预热试验流程，所述预热模拟试验包括以下步骤：步骤一、将开设有铝热焊接砂型冒口的砂型与待焊钢轨按照1∶1建立实体模型并进行流体域模型网格划分；步骤二、设置燃烧温度及流固耦合热模拟方法；步骤三、设置加热时间，进入迭代计算；步骤四、分析流场模拟结果；步骤五、分析预热模拟结果。所述预热试验流程包括以下步骤：步骤一、制作试验用的测温钢轨；步骤二、预埋热电偶，连接温度检测仪；步骤三、设置各预热参数，进行预热试验，测量温度；步骤四、分析试验结果，判断是否与模拟温度分布结果一致。
[0034]
本发明一实施例中，首先，向现有技术中砂型为ztk
‑ⅰ
型，尺寸为32mm
×
13mm，面积为416mm2的方形冒口内浇筑完铝热钢水后，在该方形冒口的外侧边沿形成接头残余冒口棒，对该接头残余冒口棒进行打磨，平均打磨量为11787mm3，打磨时间为553s，且不同接头焊在该方形冒口处后均产生溢流飞边，溢流飞边打磨时间差别较大，最短打磨时间为301s，最长打磨时间601s，平均打磨时间447s；然后，通过数值模拟软件对开设有铝热焊接砂型冒口的砂型进行预热模拟，选取第一冒口和第二冒口均为尺寸为8.5mm
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12.5mm的两个长方形冒口，第一冒口和第二冒口之间在开口处的间隔厚度为18mm，通过数值模拟软件，对砂型进行预热模拟观察待焊钢轨端面各部位温度状态。采用三维软件建立开设有铝热焊接砂型冒口的砂型与待焊钢轨的1：1实体模型并进行流体域模型网格划分如图6所示。模型采用
60kg/m钢轨及ztk-1n砂型，两段钢轨预留间隙30mm，预热器出口端面距离钢轨顶面50mm，如图7所示，气体出口共32孔，每孔直径为1.1mm，与现有技术中的铝热焊专用预热器保持一致；最后，进行预热测温试验，由于铝热焊接采用的是氧气-丙烷混合气体，燃烧后的火焰加热，无法直接测量钢轨端面温度，因此，只能通过钻孔测量距离端面一定距离的钢轨内部温度。试验前提前将待测钢轨进行钻孔处理，共计钻孔数量为12个，测量点端面位置分布如图8所示，孔洞距离钢轨端面5mm，分别将热电偶穿入孔洞中进行测温，本试验用k型热电偶测温范围为-200℃-1200℃，温度采集仪采集步距为1s，预热完成后，将采集到的温度导出进行结果分析；预热试验中预热器距离钢轨顶面50mm，钢轨预留轨缝30mm，以轨头顶面为准，预热用氧气压力为0.3mpa，丙烷压力为0.1mpa，将温度测量结果绘图如图9所示，由图9可看出，预热过程中，温度整体分布结果为：随预热时间的增加，钢轨端面各测点温度逐渐升高，其中轨头部位略低于轨腰等其他部位，钢轨端面各部位温度分布较均匀，与模拟结果温度分布状态、温度结果基本相同。
[0035]
结合ztk
‑ⅰ
型铝热焊接操作工艺特点与本预热试验结果，分别选取预热时间为210s、240s、270s时的三处时间节点端面各部位温度分布进行汇总分析，取1-4号点平均温度为轨头温温度，取5-8号点平均温度为轨腰温，取9-12号点平均温度为轨底温温度。结果如表1所示。
[0036]
表1预热温度结果
[0037][0038][0039]
由表1可看出：预热时间增加，端面温度基本均匀上升，预热时间为210s、240s、270s，时，端面平均温度满足标准要求：预热温度宜为700-1000℃。
[0040]
由于良好预热是保证接头力学性能的重要环节，因此进行不同预热时间条件下的焊接试验，焊接完成后测量并计算打磨量、记录打磨时间、进行接头力学性能试验。不同预热时间试验：采用ztk-1型铝热焊接材料，焊剂型号为t3，试验用60kg/m u75v钢轨。焊接工具包括专用预热装置、夹具装置、对正装置等，焊接试验采用与预热试验相同各参数，选取预热试验中符合要求的210s、240s、270s三组预热时间参数各焊接接头3个，焊接接头完成后6min30 s拆除模具，8min30 s推瘤。推瘤后去除冒口棒，计算打磨量，记录打磨时间等数据。表2为不同预热时间下冒口打磨量。
[0041]
表2不同预热时间冒口打磨量
[0042][0043]
由表2数据可看出，当预热时间为210s时，焊后冒口打磨量为4817mm3，计算得出比原ztk-1砂型焊后冒口打磨量减少59％；预热时间为240s和270s，焊接完成后，焊后接头冒口打磨量较为接近，分别为5454mm3和5596mm3，计算得出比原ztk-1砂型焊后冒口打磨量减少54％和53％。
[0044]
铝热焊接头的静弯强度是影响接头服役效果的重要指标，因此对采用ztk-1n型砂型各个焊接工艺下的焊后接头进行静弯强度试验。不同预热时间静弯性能：试验采用yaw-3000j钢轨静弯压力试验机，静弯试验支距为1m，焊缝居中，焊缝中心承受集中载荷，接头加载直至断裂。每组预热时间参数焊接的3根接头中2根轨头受压，1根轨头受拉，共测试9根钢轨接头结果见表3所示。
[0045]
表3不同预热时间接头静弯试验结果
[0046][0047]
用肉眼和放大镜观察静弯后的断口形貌，9根接头未发现超标缺陷。tb/t 1632.3-2019中规定：60kg/m，980mpa级钢轨铝热焊接头应满足：轨头受压f≥1300kn，fmax≥10mm，轨头受拉f≥1200kn，fmax≥10mm。结果显示：各接头静弯结果均满足标准要求，且随预热时间增加，静弯值有所上升。
[0048]
结合焊后接头的打磨量进行分析：预热时间为210s时，打磨量及打磨时间最短，焊后接头静弯值最低，临近标准要求；预热时间为240s时，打磨量及打磨时间较210s有一定增加，焊后接头静弯值有较大提高；预热时间为270s时，焊后接头静弯值最大，但此时打磨量也最大，打磨时间最长，不利于现场天窗作业。综合考虑焊后接头冒口及溢流飞边打磨时间和接头静弯强度两因素，预热时间宜采用240s。
[0049]
铝热焊接头的抗拉强度是影响接头服役效果的重要指标，采用预热时间为240s的焊接工艺进行焊接试验，焊接1个接头，序号为h10(试验时分别选取9根试样)。依据tb/t 1632.1-2014对h10号接头取拉伸试样进行试验，分别记录抗拉强度，取9根试样的抗拉强度平均值rm作为试验结果。试验结果如表4所示。
[0050]
表4拉伸试验结果
[0051][0052]
结果显示：当预热时间为240s，接头抗拉强度满足标准要求。
[0053]
本发明提供的铝热焊接砂型冒口及预热试验方法，铝热焊接砂型冒口包括用于贴合钢轨轨底上表面的砂型轮廓下表面，砂型轮廓下表面上开设有对称设置的第一冒口和第二冒口，对称设置的第一冒口和第二冒口保证了在向第一冒口和第二冒口内浇筑铝热钢水时的补缩效果，将第一冒口和第二冒口的开口面积之和设置成小于416mm2以及将第一冒口和第二冒口在砂型的内部连通汇聚在一起，从而当向第一冒口和第二冒口内浇筑完铝热钢水后，在去除第一冒口和第二冒口的外侧边沿形成的接头残余冒口棒时，减少了对接头残余冒口棒的打磨量和打磨时间，从而避免了在打磨去除接头残余冒口棒的过程中咬伤轨底角钢轨母材，并且预热试验方法进一步地验证了上述铝热焊接砂型冒口处具有良好的预热效果，从而保证了焊接接头的力学性能。
[0054]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。