淺談高速鐵路移動式鋼軌閃光焊接參數的影響

黃祥

【摘 要】 列車運行速度的不斷提高對無縫線路的質量要求也越來越高，而鋼軌焊接接頭的質量是無縫線路質量的關鍵。然而，影響鋼軌焊接接頭質量的因素眾多，特別是焊接參數中部分控制量的差異會極大的影響焊接質量，因此移動式鋼軌閃光焊機在工藝調節方面首要控制點就是工藝的主控參數。

【關鍵詞】 高速鐵路 移動式 鋼軌閃光焊 影響參數

目前主流的鋼軌閃光焊焊機焊接進度是由動夾具的位移來控制的：高壓階段的位移達到設定值進入低壓階段，低壓階段位移值達到設定值就進入加速閃光和頂鍛階段。對于連續閃光焊而言工藝參數有很多個參數，每一個參數的對焊接結果（采用落錘數為判斷標準）的影響如下：

1 焊接時間的影響

總焊接時間是指從閃光開始到頂鍛完全結束所需要的時間。從控制的角度，各階段的焊接時間也同等重要。在連續閃光焊時總焊接時間包括激發閃光時間、連續閃光時間、加速閃光時間和頂鍛時間。連續閃光時間過長，鋼軌縱向散熱時間增長，熱影響區域寬度就會增大，容易造成軌端過熱，產生過燒等缺陷，頂鍛量也不易受控。連續閃光焊總焊接時間過小，可能會引起加熱不足。脈動閃光焊時，總焊接時間包括激發閃光時間、脈動閃光加熱時間、連續閃光時間、加速閃光時間和頂鍛時間。脈動閃光焊接時間過長，由于脈動閃光加熱效率高，更容易造成端面過熱情況的發生。在閃光焊的各階段時間的控制中，需要配合各階段的燒化量和燒化速度，三者合理的匹配才能夠獲得加熱、散熱、損耗良好的可重現性。

2 焊接電壓的影響

焊接電壓是決定鋼軌熱量最基本最重要的焊接工藝參數之一，通過改變焊接電壓可以顯著地改變焊接時間和沿鋼軌長度方向的熱梯度以及閃光過程的穩定性，并且可以引起閃光燒化量的差異。閃光過程中焊接電流不是一個常數而是隨著焊接電壓與接觸電阻比值的變化而變化，變化范圍比較大，這實際體現了閃光過程中端面的接觸狀態的差異。如果焊機送進速度不變，提高焊接電壓會導致閃光過程間斷，這是因為觸點燒化爆炸后，新的觸點來不及重新建立，焊接端面處于一個斷路過程，容易使鋼軌端面在外界氣體的影響下發生氧化，形成缺陷。當焊接電壓較低時，將導致送進速度大于燒化速度，發生短路，使閃光不能順利進行，較大的觸點形成較大的過梁，隨后導致形成較大的火口，頂鍛時，火口不能被塑性狀態下的金屬薄層所覆蓋，將嚴重影響接頭的質量，同時還會導致焊接時間加長，加熱區域變寬，并有可能形成過燒等缺陷。

3 焊接電流的影響

鋼軌閃光加熱燒化過程中，端面間的接觸點大小和數量在不斷變化，即接觸電阻在不斷的變化。在鋼軌焊接的某個階段，鉗口的輸入電壓值是恒定的，根據歐姆定律，焊接電流隨焊接電阻的變化而變化。接觸電阻大時，焊接電流小；反之接觸電阻小時，焊接電流大。當鋼軌端面觸點急劇增大或增多時，接觸電阻降低，導致焊接電流增大，過梁未被燒斷時，將會引起鋼軌閃光端面短路。但是同時，如果限制了所有短路的發生，那么鋼軌將得不到有效的加熱。因此為保證閃光加熱的順利進行，就需要對焊接電流不斷地進行反饋調整。當端面短路超過允許的范圍時，將鋼軌端面分開；當端面分開使閃光中斷時，又將端面靠近而進行閃光加熱。在焊接過程中保持端面的焊接電流在一定范圍內。閃光初期的端面電阻小，電流波動大，因而該階段的閃光是不穩定的。經過一段時間的閃光，鋼軌端面溫度升高，電流減少，變化的幅度也減小，即進入穩定、連續的閃光加熱階段。燒化后期，端面溫度更高，焊接電流又減少，需要加速燒化才能維持穩定、激烈的閃光，提供相應的保護氣氛，所以此時為了不因為電流增大而拉開端面、破壞保護，因而加速燒化階段的后退電流一般設定的較高或者關閉后退控制功能。

4 頂鍛量的影響

頂鍛的作用是封閉鋼軌端面的間隙、排除液態金屬層及其表面的氧化物雜質，使火口完全封閉，焊縫得到一定的塑性變形，從而使鋼軌界面消失，形成共同晶粒。頂鍛量包括加速閃光結束瞬間兩端面間隙、爆破留下的凹坑、液態金屬層尺寸及變形量。加大頂鍛留量有利于徹底排除液態金屬和夾雜物，保證足夠的變形量。但鋼軌因為軋制生產，而具有方向性，如使得晶粒脫離軋制方向，扭曲過大，其力學性能較差的部分，將處在受力方向上，不利于接頭質量。一般建議最大扭曲角不應超過80°，使液態金屬剛擠出接口呈“第三唇”即可。頂鍛量過小時，鋼軌過熱金屬殘留在焊口中的數量較多，接口金屬毛刺極少。當頂鍛量適中時，焊口金屬因擠壓變形發生鋼軌均勻流動，形成均勻分層特征的焊瘤毛刺，露出第三唇。頂鍛量鋼軌過大，焊頭金屬橫向變形過量，塑性區受到過分擠壓，接頭的韌性就會降低，可能產生平齊的斷口。

5 頂鍛速度和頂鍛力的影響

頂鍛是一個快速的鍛擊過程，其目的之一是將氧化物擠出接頭，氧化物必須在接頭冷卻到某溫度之前被擠出以減少鋼軌接縫處液體金屬冷卻而造成氧化物排出的困難。因此頂鍛前期封閉鋼軌端面的間隙，防止被氧化的過程應愈快愈好，如果頂鍛前期速度太小，鋼軌在合縫的瞬間，空氣侵入鋼軌間隙，會產生氧化夾渣等缺陷。但頂鍛合縫之后的繼續變形階段，頂鍛速度過快則金屬流動時間短，端部高溫高塑性金屬來不及充分流動，易出現墩粗情況，影響焊接質量。只有當頂鍛速度適中時，端部高溫高塑性金屬才會充分流動，焊瘤毛刺呈現出露出第三唇的特征。頂鍛力是為了達到預定的塑性變形量而施加的力，其值隨鋼軌的熱強性能和加熱溫度分布而異。頂鍛力也可通過采樣接頭形變抗力獲得，接頭的形變抗力隨頂鍛速度的增加而增大，也隨頂鍛量的增加而增大。選擇頂鍛參數時，若頂鍛量或頂鍛速度取值偏大，則頂鍛力也應增大，才能保證良好的頂鍛效果。頂鍛力、頂鍛量和溫度分布狀態三者之間僅二項為獨立參數，剩下一項是它們的函數。當頂鍛力固定后，可用測量實際頂鍛量來判別加熱溫度分布的波動。反之，當頂鍛量固定時，可用測量頂鍛力來判別溫度分布。

6 帶電頂鍛時間的影響

整個頂鍛過程包括帶電頂鍛和無電頂鍛兩部分。在頂鍛開始后的短時間內，為保持軌端的高溫狀態，使頂鍛易于完成，熔化金屬便于從接口排出，使火口完全封閉，在頂鍛開始時不切斷電流，控制通電時間，此時間即為帶電頂鍛時間。該時間過長，會導致接頭過熱，同時增重焊接電源負擔。通電時間太短，接頭處的部分凸起的無法被加熱，會引起頂鍛抗力增加，端面內的氧化物夾渣不易排除干凈，易造成缺陷。

7 結語

鋼軌閃光焊接是流水線作業，應強化焊接過程控制，從焊前檢查、焊前除銹、焊接、精矯直、精磨和外觀質量檢驗等各崗位進行控制，層層把關。制定崗位職責，完善生產工藝，從關鍵崗位關鍵環節分析原因查找不足，提高生產效率和生產質量，達到在過程中對外觀質量的控制與提升。

參考文獻

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