铁路轨道铝热焊的历史可以追溯到19世纪末的德国。德国化学家约翰·威廉·戈德施密特(Johann Wilhelm Goldschmidt)发现了一种利用纯铝对金属氧化物进行化学还原以生产纯金属的方法——铝热反应。这种反应是放热的，可以设计成产生大量的热能。到20世纪20年代早期，它作为连接铁路轨道的焊接过程的一部分得到了应用。今天，铝热剂焊接铁路轨道是世界范围内的常规做法。用于安全可靠地建设支持重载货运铁路和高速客运铁路的铁路。

式1为钢轨焊接中最常见的铝热反应;它产生了3350 kJ的热量，达到了3100°C(5600°F)的理论最高温度。

3Fe3O4 8Al Heat△ 9Fe 4Al2O3

图1 -铝热剂钢轨焊接过程的照片:a -钢轨两端之间的初始间隙;B -在封闭缝隙的模具上方的坩埚中进行的铝热反应;C -钢轨焊缝经过修整和打磨后的最终外观。(图片由Gary T. Fry和Maryam Tavakoli提供。)

铝热剂焊接铁路轨道本质上是一个铸造过程。不需要外部电源，因为铸造用的熔融金属是通过铝热反应产生的。铝热剂导轨焊接套件的制造包含了焊接所需的所有必要材料。即使在偏远地区，一个铝热剂钢轨的焊接也可以由两个焊接技术人员组成的团队在短短45分钟内完成。综上所述，这些特性使铝热剂焊接成为现场连接钢轨断面的一种特别有吸引力的工艺。

要制作铝热剂钢轨焊缝，将连接的两个钢轨两端分别设置25毫米(1.0英寸)的间隙(根部开口)，然后由耐火材料分离式模具封闭。在用氧气燃气火炬预热钢轨/模具系统后，将一个含有适当数量的氧化铁和铝颗粒(以及钢填料材料和其他合金和渣形成材料)的一次性耐火坩埚放置在模具的开口顶部。使用点火粉为铝热反应提供活化能。在坩埚中停留25至35秒后，钢水充满模具型腔并凝固连接钢轨两端。图1显示了铝热剂钢轨焊接过程中的照片，包括初始间隙(图1A)，坩埚中反应的峰值(图1B)，以及经过修整和研磨后的最终成品焊缝(图1C)。

滚动载荷下的疲劳裂纹

因其安全性、可靠性、便携性、相对容易制造、安装速度和成本效益，使铝热剂焊接轨道成为全球铁路行业的主流和工业的主要组成部分。然而，就像所有承受重度循环负荷的钢铁合金一样，铝热剂钢轨焊缝在使用过程中会出现疲劳裂纹。事实上，由列车车轮通过引起的交变应力使疲劳断裂是铁轨焊缝的主要失效模式。

通过计算模型，有可能对施加在轨道焊缝的疲劳需求进行准确估计。图2是铝热剂钢轨焊缝的三维有限元模型渲染图。图3是在滚动的车轮下，铝热剂焊箍边缘钢轨中峰值von Mises等效应力分布的条纹图。在铁轨头部的车轮-铁轨接触贴片内，接触应变和应力最大，导致局部塑性变形，并在车轮和铁轨表面发生相关损坏。在钢轨运行面几毫米以下，应力水平处于弹性范围内，但高到足以造成高循环疲劳破坏。

图2 滚动载荷下铝热剂钢轨焊缝的三维有限元模型渲染图：A -整体模型；B–带焊缝环铸造的焊缝特写

由于接触片附近的这些局部需求，疲劳缺陷最常发生在轨头。然而，轨头的疲劳裂纹不太可能导致轨道故障，因为超声波轨道检测设备在这些缺陷变得严重之前就能极其有效地发现它们，这样就可以及时清除有缺陷的轨道部分。事实上，服务故障调查显示，在北美I级货运铁路报告中大约90%的铝热剂焊接故障是由焊缝圈边缘的焊缝腹板和底部区域形成的疲劳裂纹引起的。除其他因素外，在这些区域引起断裂的疲劳缺陷的临界尺寸可能非常小，有时小于3毫米（0.1英寸）。轨道中这些位置的缺陷在失效前很难在轨道中发现。

图3 铝热剂钢轨焊缝接箍边缘临界位置峰值冯米塞斯等效应力条纹图

结论

铝热剂轨道焊缝被认为是铁路货运和客运轨道的安全、可靠和具有成本效益的部件，包括重载货运和高速客运。重要的是优先研究改进铁路管理和检查技术，以减轻故障的发生。

Advance brazing先进焊接技术

,