磁浮鋼鋁復合軌焊接復合技術分析

孫維星 王鐵環 黃 倩 孔凡軍 繩 賀(中國鐵建電氣化局集團有限公司,100036,北京//第一作者,高級工程師)

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磁浮鋼鋁復合軌焊接復合技術分析

孫維星 王鐵環 黃 倩 孔凡軍 繩 賀
(中國鐵建電氣化局集團有限公司,100036,北京//第一作者,高級工程師)

摘 要介紹了磁浮鋼鋁復合軌的焊接復合方式,重點分析了復合方式的可行性、焊接工裝設計和制造的關鍵工藝。通過力學計算和加工件性能檢測得到了沿線路方向和垂直線路方向的鋼鋁結合性能(均大于行業標準要求)。確定了焊接復合方式的可行性;復合時采用雙側同步自動焊接技術,設計了專用焊接工裝設備,上側及左右兩側滾輪同時夾緊進行焊接,確定了最佳的焊接方法和焊接工藝參數。

關鍵詞磁浮交通;鋼鋁復合軌;復合方式

Author′s address China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.,Ltd.,100036,Beijing,China

在磁浮交通領域,供電軌主要以鋼鋁復合軌為主。與城市軌道交通車輛授流方式不同,磁浮列車一般采用側部接觸受流方式,其特有的受流方式決定其供電軌的軌型特點。C型鋼鋁復合軌散熱性好、安裝方便、線路外觀布局緊湊、不易存留污垢[1],更適用于磁浮領域。目前國內C型鋼鋁復合軌主要采用擠壓復合的方式,其核心技術來自德國。本文介紹一種自主研發的C型鋼鋁復合軌,并重點對其焊接復合技術進行分析。

1　焊接復合軌力學分析

圖1為鋼鋁復合軌結構示意圖。其中不銹鋼帶包在鋁軌的外面,鋁軌上表面有0.3°的拱形坡度,通過熱擠壓成型,C型不銹鋼帶和不銹鋼條分別通過冷彎、冷拔成型。C型不銹鋼帶和不銹鋼條通過焊接實現連接,利用焊接時不銹鋼帶的收縮使不銹鋼和鋁軌的貼合更加緊密。行業標準CJ/T 414—2012《城市軌道交通鋼鋁復合導電軌技術要求》中規定:鋼鋁結合性能(長度為60 mm鋼鋁復合軌所能抵抗的最大載荷),沿線路方向抗拉力≥10 k N,垂直軌面方向抗拔力≥15 k N。下面通過理論計算和試驗檢測分別對鋼鋁復合軌的鋼鋁結合性能進行分析。

圖1　鋼鋁復合軌結構示意圖

1.1理論計算

首先計算沿線路方向的抗拉力。假設鋁軌對不銹鋼焊接為約束作用,不銹鋼條與鋁軌凹槽之間的摩擦力先忽略不計,只計算上表面的摩擦力。經分析可知,接頭形式為角接接頭,但分析焊縫形狀及熔敷情況,與對接接頭的焊縫形式更為接近,故建立焊縫對接模型來近似計算。鋼鋁復合軌沿線路方向抗拉力與焊縫的橫向收縮力有關,根據文獻[2],焊縫橫向收縮力可近似用下式表示:

式中:

σB——橫向收縮應力;

ΔB——橫向收縮量;

E——彈性模量;

B——不銹鋼板的長度;

A——不銹鋼板的橫截面積。

橫向收縮量可近似由下式得到:

式中:

α——線膨脹系數;

qω——單位長度焊縫熱輸入;

c——比熱容;

δ——板厚;

焊縫單位長度熱功率為:

式中:

q——有效熱功率;

ηh——熱功率系數;

U——焊接電壓;

I——焊接電流;

υ——焊接速度。

將相應數值代入式(1)～(5)計算可得:FB= 60.8 k N

不銹鋼板兩側為對稱結構,因此對其中一側進行分析,受力分析圖如圖2所示。不銹鋼和鋁合金軌體之間正壓力

不銹鋼和鋁軌上表面摩擦力

經計算得Ff=12.4 k N,該值大于行業標準要求的10 k N。

下面對垂直線路方向抗拔力進行計算。經分析,對焊縫接頭靜載強度進行校核即可。對于角焊縫,破壞發生在有效截面上,即焊縫兩焊腳面交線(ab)與有效厚度he組成的截面abcd(hf為焊腳),如圖3所示。故角焊縫強度校核,針對有效截面進行,理論上所有ab的平面中abcd面積最小,因此為最危險截面

。

圖2　受力分析圖

圖3　有效截面及受力分析圖

取焊縫長度l為60 mm,由圖3受力分析可知,有效截面上有與焊縫長度方向垂直的正應力σv和剪應力τv,故

經查詢手冊,06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼常溫下許用應力為137 MPa,自動焊焊縫金屬許用應力約為母材的0.65倍[2],經計算為89.05 MPa,故σ小于焊縫金屬許用應力,滿足使用要求。

綜上分析可知:C型鋼鋁復合軌采用焊接復合的方式,鋼鋁結合性能理論可行。

1.2加工件性能檢測

鋼鋁復合軌樣品經鐵道部質量監督檢驗中心接觸網零部件檢驗站按行業標準CJ/T 414—2012要求進行檢測,鋼鋁結合性能(長度為60 mm鋼鋁復合軌所能抵抗的最大載荷)沿線路方向抗拉力和垂直線路方向抗拔力平均值分別為20.13 k N 和50.09 k N。

綜上,通過理論計算和加工件的性能檢測,鋼鋁結合性能均達到行業標準和設計要求,焊接復合的方式可行。

2　復合軌制造工藝分析

2.1工裝設計

C型鋼鋁復合軌采用焊接復合方式,焊接時軌體移動,焊槍位置不變。圖4為焊接成型組對固定設備結構示意圖。復合時,將裝配好的軌體置于焊接成型組對固定設備輥道工作臺上,隨著軌體的移動,上部及左右兩側多組輥輪依次夾緊,雙側同步進行自動焊接。焊接成型組對固定設備的設計,使不銹鋼和鋁軌在機械夾緊的狀態下進行焊接復合,提高了鋼鋁結合面的密貼度,減小了接觸電阻,有利于接觸軌導電性能的提高。

圖4　焊接成型組對固定設備結構示意圖

2.2焊機選擇

C型鋼鋁復合軌所用焊機為全數字式IGBT(絕緣柵雙極晶體管)逆變控制直流脈沖焊機,其脈沖控制程序可以循環輸出高電流(峰值電流)與低電流(基值電流),通過周期性變化的脈沖電流來控制熔滴過渡的形式和焊接熱輸入。

該焊機具有完美的起弧性能及熔深控制性能,可以實現低飛濺焊接。其獨特的不銹鋼專用脈沖波形控制,可以實現各種不銹鋼焊絲可靠的熔滴過渡,表現出良好的焊接效果,實現高速焊接。

2.3復合制造的關鍵工藝

C型鋼鋁復合軌主要包括鋁軌本體,C型不銹鋼帶和不銹鋼條,復合時,將不銹鋼帶和不銹鋼條分別裝配到鋁軌本體上,在液壓夾緊裝置作用下雙側同步進行自動化焊接。

(1)材料的裝配精度是焊接復合工藝穩定的保證。鋁軌本體、C型不銹鋼帶和不銹鋼條尺寸的穩定性和均勻性是保證焊接質量穩定的關鍵。目前常見的開放式冷彎模具得到的冷彎鋼帶尺寸不穩定, C型鋼帶兩側豎直高度相差較大。針對此問題,研發了封閉式高精度冷彎模具,保證冷彎后不銹鋼帶尺寸的穩定性,C型鋼帶兩側高度差控制在0.1 mm以內。從而依據C型不銹鋼帶的尺寸匹配鋁軌的尺寸,進而匹配不銹鋼條的尺寸,保證軌體各部分的裝配精度,提高焊接質量的穩定性。

(2)選擇合適的焊接方法及焊接工藝。對于奧氏體不銹鋼,由于其熱導率小,線膨脹系數和電阻率大,焊接時需要小電流和能量集中的焊接方法。脈沖電流可以有效控制熱輸入,改善接頭性能,既可使母材得到較大的熔深,又可控制總的平均電流在較低的水平,焊縫金屬及熱影響區金屬的過熱都比較小,從而使焊接接頭具有良好的韌性,減少了裂紋的傾向。焊接工藝參數的調節及匹配也很關鍵,除考慮不銹鋼的焊接外,還要盡量減少熱量對鋁軌本體的影響。經多次焊接試驗,得到優化的焊接參數為:焊接電流170 A,焊接電壓20.2 V,焊接速度900 mm/min。

(3)焊接變形的控制也是C型鋼鋁復合軌生產中的關鍵工藝。焊接成型組對固定設備的設計,可以保證焊接時焊槍位置不變,軌體在多組液壓夾緊裝置作用下向前移動,焊接完成的軌體在行進過程中進行冷卻,可以迅速降低軌體溫度,既保證了生產效率,也可以控制軌體變形,滿足其安裝和使用要求。

3　結語

焊接型磁浮鋼鋁復合軌利用焊接收縮原理進行復合,經理論計算和加工件的力學性能檢測得到其鋼鋁結合性能符合行業標準要求。焊接成型組對固定工裝設備的設計可以使鋁軌和不銹鋼帶在夾緊狀態下進行焊接復合,減小了鋼鋁結合面的過渡電阻,提高了復合效果。鋼鋁復合軌各組成部分材料的裝配精度、焊接方法和焊接工藝的選擇以及焊接變形的控制是復合制造工藝的關鍵。焊接型鋼鋁復合軌及附件產品已經實現批量生產,希望能更多地應用到我國的磁浮線路供電設備生產中。

參考文獻

[1] 王財華.鋼鋁復合導電軌在磁浮交通工程中的應用[J].城市軌道交通研究,2011(10):92.

[2] 方洪淵.焊接結構學[M].北京:機械工業出版社,2008.

Analysis of Welding Composite Technology for Maglev Steel-aluminum Composite Rail

Sun Weixing,Wang Tiehuan,Huang Qian,Kong Fanjun, Sheng He

AbstractThe welding composite mode of maglev steel-aluminum composite rail is introduced,the feasibility of the composite mode,the key technologies in welding equipment design and manufacture are mainly analyzed. Through mechanical calculation and sample performance test,steel-aluminum bounding properties of the direction and the vertical lines along the route are obtained,both are greater than the industry requirements,thus the feasibility of the welding composite mode is desided.By using the bilateral synchronous automatic welding technology,the special welding tooling equipment is designed,which is clamped by the upper,the left and right sides of the roller at the same time for welding,and the best welding method and the optimized process parameters are confirmed at the same time.

Key wordsmaglev;steel-aluminum composite rail;composite mode

(收稿日期:2015-08-24)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.023

中圖分類號U213.9+2∶U 237