K系列固定焊機頂鍛系統改造及頂鍛工藝

鄒良甫

（廣鐵集團廣州工務大修段，廣東廣州510100）

0 前言

K系列固定式閃光焊機由烏克蘭巴頓研究所研制，采用脈動焊接工藝，具有焊接設備安裝體積小、生產效率高等特點。本研究以廣州工務大修段紅海焊軌廠使用的K1000焊機為例，在設備投入使用期間，針對不同的鋼種，焊接工藝參數差別較大，特別是針對U75V類軌種，焊接工藝范圍窄，工藝調試難度大，型式檢驗鋼軌成本消耗大，在分析研究了工藝參數、設備系統配件、落錘斷口等因素后發現：不斷調試工藝參數仍然不能很好地解決各類焊接缺陷，并且調整至一定范圍，仍達不到預期的效果。因此，從焊接設備油路系統方面探索改進頂鍛油路和頂鍛程序的技術可行性，在此基礎上調整工藝參數和匹配關系，以期獲得合格、穩定的焊接質量。

1 試驗條件

K1000固定式鋼軌閃光焊機采用脈動焊接工藝，分為預閃、閃光一、閃光二、閃光三、閃光四、加速一、加速二、頂鍛、保壓9個階段，局部曲線放大后，加速和頂鍛階段如圖1所示。

圖1 焊接曲線閃光加速和頂鍛階段部分

脈動閃光焊工藝是交流閃光對焊的一種特殊工藝。閃光焊主要由閃光階段和頂鍛階段組成。閃光的主要作用是加熱工件；而頂鍛過程是在閃光階段結束時，立即對工件施加足夠的頂鍛壓力，接口間隙迅速減小，過梁停止爆破，即進入頂鍛階段。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過梁爆破后留下的火口，同時擠出端面的液態金屬及氧化夾雜物，使潔凈的塑性金屬緊密接觸，并使接頭區產生一定的塑性變形，以促進再結晶的進行，形成共同晶粒，獲得牢固的接頭。

2 設備改進試驗

2.1 焊接質量現狀

在實際生產中，批量焊接鋼軌進行型式試驗時，出現焊頭落錘不合格，集中表現為焊接缺陷，如大小約為1 mm×1 mm類發散型小灰斑、肉眼未見明顯缺陷，以及三角區和軌底角過燒組織等，各類典型焊接缺陷如圖2所示。

大面積的焊頭質量不達標，表明K1000鋼軌焊接設備逐步老化。若采用這種狀態的K1000焊機完成U75V類鋼軌焊接任務具有嚴重的局限性。

圖2 影響焊接質量的焊接缺陷

上述四種缺陷（見圖2）一般都會導致落錘性能不合格，嚴重影響焊頭質量，因此，消除類似焊頭缺陷對提高焊頭質量尤為重要。首先可采用工藝參數調試的辦法來解決問題，從改善焊接溫度場、閃光劇烈連續程度、頂鍛量擠壓變形等幾個方面進行了多次調整試驗，以期提高焊頭質量，但均不能有效地解決此類問題，而同種鋼軌采用GAAS80/580型焊機，能夠得到良好的焊頭質量，排除了母材成份原因；然后考慮從設備性能方面，針對焊接設備的關鍵系統和部件可能存在的問題進行優化來解決問題。

2.2 焊接頂鍛油路改造

經過不斷摸索和測試，目標鎖定在機械部分，特別是控制部分，優化頂鍛控制程序和頂鍛油路設計。

2.2.1 頂鍛過程伺服閥控制調整

在閃光階段完成后，打開所有的油路來實現快速頂鍛過程，提高頂鍛過程的瞬間頂鍛力，在廠方的支持下，修改PLC控制程序，如圖3所示。K1000焊機出廠設置屬性為受控頂鍛，靠經驗設置頂鍛量的具體數值，頂鍛力在完成頂鍛量的目標值后即撤出程序。本次修改采用頂鍛量和頂鍛力互控的模式，如果頂鍛量達到，同時頂鍛力到達數值后，方可達成頂鍛目標。

圖3 伺服閥控制的PLC程序

2.2.2 頂鍛和保壓過程控制優化

通過改變蓄能器的壓力和加載時間，提高保壓力的時間量值以及調整帶電頂鍛時間。優化前的蓄能器油路見圖4a，未最大程度地利用蓄能器，1路變2路，油路增大；增加一個二位四通的液壓閥，起開關作用，見圖4b，在頂鍛瞬間，打開蓄能器。

2.2.3 頂鍛階段參數匹配優化

焊接所需頂鍛力隨頂鍛量、頂鍛速度的增加而增大，隨焊口溫度的降低而升高，前期不斷的閃光電流過梁加熱焊口金屬，待焊口金屬溫度合適時，進入頂鍛階段，因為頂鍛量過小時，熱金屬殘留在焊頭接口中的數量較多，接口金屬毛刺極少；但頂鍛量過大，焊頭金屬橫向變形過量，也會降低接頭性能，同時在焊接高合金鋼時，頂鍛速度過慢，焊口金屬毛刺越多，在焊接設備頂鍛機構機械參數能夠滿足的條件下，適當提高帶電頂鍛時間和保壓時間，匹配好頂鍛力、頂鍛速度、頂鍛量等參數，促使焊口金屬充分進行交互結晶和形變再結晶，可獲得優質的焊接接頭。優化油路結構后，保障了頂鍛速度和頂鍛保壓力，合理配置控制程序，為焊接工藝參數的調整提供了設備基礎，通過改造頂鍛油路，精確控制頂鍛過程，并定期檢測蓄能器壓力，調整后重新優化頂鍛階段的控制工藝參數如表1所示。

圖4 頂鍛油路改造前后對比

3 落錘情況對比

改進后明顯提高了焊接頂鍛過程的頂鍛速度，頂鍛過程響應快，能快速封閉焊口，同時保持在高溫下完成頂鍛，焊口金屬流動好，有利于控制和減少灰斑缺陷，因此焊接接頭內部質量顯著提高，依據TB/T 1632-2014規定：采用1 t重錘頭，從5.2 m高度錘擊，1次不斷為合格。改造后進行抽樣落錘，確定設備狀態和工藝參數匹配良好，試驗結果為批量型式檢驗提供依據，前后抽樣對比情況見表2，頂鍛系統改良前后落錘情況統計見表3、表4，后期落錘情況符合規定，連續78頭1次錘擊不斷，焊接缺陷局部存在，但是大幅減少，滿足生產要求。

表1 頂鍛階段匹配參數優化前后對比

表2 鋼軌焊頭落錘試驗效果對比

表3 優化前缺陷總類統計

表4 優化后缺陷統計

4 結論

（1）對K系列焊機的頂鍛機構進行改造，提高了頂鍛速度，取得良好的保壓效果，為U75V類鋼軌和耐蝕軌等高強度合金鋼的焊接提供了新思路。

（2）根據工廠現場具體工況和周邊條件，實際改造設備是可行的。

（3）焊接設備是硬件基礎，工藝參數是控制程序，設備狀態和工藝參數相互關聯，互相影響，需要共同完善，互相匹配，方可獲得優質的焊接接頭。