中頻逆變直流焊軌技術研究

張銀龍 張 琨 王雪華 張保軍

1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，4300632.上海一帶軌道焊接科技有限公司，上海，2001203.武漢利德測控技術股份有限公司，武漢，430070

0 引言

目前，我國鐵路軌道焊接設備仍在沿用20世紀80年代的技術，基本上采用烏克蘭和瑞士施拉特兩種類型的焊機，這兩種設備都是工頻焊接電源。

由于鋼軌的橫截面為非絕對對稱型材(軌頂部分面積約為2 784 mm2，軌底部分面積約為2 696 mm2)，故當焊接進入連續閃光階段時，軌底部分較軌頂已明顯過熔，當閃光段段完成施以頂鍛力時，由于熔化程度的差異，軌頂已頂實，而軌底還無法頂實，軌底在數倍于軌頂散熱面積作用下迅速冷凝。由此，常見的焊接質量缺陷往往都集中在軌底及軌腰底的三角區域。

同時，由于移動式交流電源特有的集膚效應現象以及固定式三相次級整流非純直流特性，焊接穩定性控制較難。

在國外，目前除了俄羅斯等部分國家仍在使用交流焊軌機外，歐美發達國家都已采用中頻逆變直流電源的移動焊軌機。歐美等國在2002年左右已全面停止了三相次級整流焊機的生產，以中頻逆變直流電源替代，并將中頻逆變直流移動式焊軌機改進設計為固定式和移動式兩用的焊軌機。

我國在2002年引進了中頻焊接技術，2004年開始應用于各行業的焊接加工，如航空、航天、汽車工業、動車車廂等，該技術焊接質量穩定可靠、效果顯著。

1 中頻逆變直流技術

1.1 整流技術

中頻電源包括兩大部分：①各種功率的中頻變壓器；②與功率相匹配的中頻控制器。

中頻變壓器由三部分組成，即初級繞組、次級繞組及整流部分。冷卻形式為強迫內冷。

在中頻控制器的輸入端接入480 V/60 Hz或380 V/50 Hz的三相交流電，經過控制器的N次逆變(亦稱“倒相”)，在控制器的輸出端輸出一個650 V/1 000 Hz或500 V/1 000 Hz的中頻率交流電，該交流電接入中頻變壓器的初級輸入端。中頻變壓器的次級端產生一個頻率為1 000 Hz的低電壓交流電(如9.0 V、10.0 V、13.01 V等)，然后對該中頻率的交流電以單相全波整流的方式整流，最終在中頻變壓器輸出終端得到一個微微波動的焊接電流，其波形見圖1，控制原理見圖2。

圖1 中頻逆變電流波形圖Fig.1 Current waveform of IF inverter

圖2 中頻控制原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of if control principle

1.2 技術優勢分析

中頻逆變直流焊接的優點如下[1-4]：

(1)焊接電流控制更精確，響應速度快，焊接質量穩定性好。焊接電流密集均勻，熔透率高，受環境氣候影響較小。

(2)無明顯集膚效應現象，鋼軌橫截面上電流密度分布均勻，落錘合格率明顯提高。

(3)焊接環境數據實時記錄，如環境溫度、空氣濕度、實時風速、焊接參數等即時記錄，并可存檔備案。

(4)兼容非同牌號鋼軌焊接加工且工藝強度不變。

(5)移動式中頻焊軌機可在線以常規方式進行鎖定軌焊接，無需移開工程車。

(6)具有“C”系數報警功能，發現有質量凝點的焊頭可及時警報。

2 高鐵鋼軌中頻逆變直流焊機研發

國內早期鐵路鋼軌焊接設備主要采用單用焊軌車，如圖3所示，以交流電源為主，流經焊接接頭處的電流不均勻，容易在焊軌的結合面產生灰斑，導致落錘試驗中斷軌現象頗多，并且無規律可循。國外中頻逆變直流焊軌機多為移動形式，可滿足在線上作業需求，如圖4所示。

圖3 早期交流鐵路單用焊軌車Fig.3 Early single-use welded rail car for AC railway

圖4 公鐵兩用焊軌車Fig.4 Railroad dual-purpose welding rail car

我國高鐵建設周期緊湊，線路里程遠大于國外，因此高鐵鋼軌的大量焊接作業是在焊軌基地完成的，即在基地焊接成500 m長鋼軌后再運輸至現場焊成無縫鋼軌。為了滿足我國高鐵的快速發展需求，不僅需要研發移動式中頻直流焊機，同樣也急需在固定式中頻直流焊接領域取得技術突破。

基于此，課題組立足國內既有的固定式三相次級直流焊軌機，分析了存在的缺陷及漏洞，進行了中頻逆變直流焊機的研發。其中，移動式中頻驗證焊軌機的研發于2015年底完成，工藝強度測試合格率100%；固定式中頻驗證焊軌機的研發于2017年7月完成，樣機模型見圖5。經該焊機焊接的高鐵鋼軌，工藝強度測試合格率100%，多為二錘不斷。

圖5 自主研發的固定式中頻逆變直流閃光焊軌機Fig.5 Self-developed fixed MF inverter DC flash welding machine

2.1 焊機機械結構

(1)動架和靜架。機架為靜架，變壓器安裝在靜架左側，頂鍛裝置為動架，與頂鍛油缸連接。頂鍛過程中，頂鍛油缸動作，通過動架與靜架之間的滑道推動動架向前移動，將動架夾持鋼軌與靜架夾持鋼軌擠壓在一起。動架與靜架之間電路通過匯流排連接，動靜架鋼軌接觸瞬間在鋼軌端面產生焊接閃光，動靜架其他接觸部位均進行絕緣。

(2)作用邊對中和起拱量調節裝置。焊機動靜架均設置有作用邊對中機構，安裝在焊機鉗口附近。通過操作面板的操作，將兩待焊鋼軌夾持后，升降油缸動作，將對中機構放下，與鋼軌接觸，控制系統控制對中機構拉桿動作，對待焊鋼軌軌頭側面施加作用力，將兩待焊鋼軌的作用邊對齊，實現鋼軌焊接的作用邊對中。

(3)夾持機構。焊機夾持采用軌腰夾緊方式。鋼軌走行到位后，鋼軌縱向位置檢測信號傳感器顯示燈亮，通過操作面板按鈕，控制系統指示夾持油缸動作，夾持機構向中間收緊，將夾持塊壓在鋼軌軌腰表面，實現鋼軌的夾持。在設計夾持塊時，考慮了頂鍛過程中夾持塊與鋼軌間打滑和夾傷鋼軌的問題。

(4)推凸機構。推凸機構包括推凸刀及其相關安裝和動作機構，推凸刀由4個部分組成，分為頂刀、左腰刀、右腰刀、底刀。在焊接過程中，分開/合攏油缸動作，將推凸機構與鋼軌分開成一定角度，并保持一定距離；頂鍛階段完成后，推凸刀分開/合攏油缸動作，推凸刀合攏環貼鋼軌表面，推凸油缸動作，將推凸機構推出，鏟除頂鍛過程中在焊接接頭部位擠壓出的金屬。

2.2 焊機中頻變壓器

中頻變壓器是中頻逆變直流焊機的核心部件，該項技術長期被國外掌控。本文團隊經過多年創新研發，于2016年完成的產品樣機模型如圖6所示。該樣機性能測試結果不亞于美國ROMAN公司產品的性能，部分指標已超越國外先進水平，如焊機的中頻變壓器采用的硅鋼片厚度為0.15 mm，輸出電流更穩，響應速度優于ROMAN公司、BOSCH公司產品的響應速度(中頻硅鋼片厚度為0.2 mm)。

圖6 國產化的中頻變壓器Fig.6 Domestic intermediate frequency transformer

大功率中頻控制器的研發于2017年8月完成，如圖7所示，其工作原理如圖8所示，研發的產品部分指標優于國外先進產品。

圖7 國產化的中頻控制器Fig.7 Domestic IF controller

圖8 國產化的中頻控制器工作過程示意圖Fig.8 Working process diagram of domestic IF controller

2.3 控制系統設計

對于控制系統的設計，在保留原控制方式的前提下，增加了全程焊接次級電流實測及顯示功能，功能模塊顯示界面見圖9，其測量點為被焊鋼軌。

圖9 次級電流實測界面(工件實測)Fig.9 Interface of secondary current measurement

焊接過程中除了電流因素之外，還有許多因素是不可忽略的，如焊接加工時環境溫度變化、空氣濕度的大小、焊加工過程中的供電網波動和焊接過程中次級電流分流變化等。這些因素都會明顯影響焊縫強度。

為了得到更加真實、準確的結果，本文研發的焊機具備焊接環境條件、工藝參數即時記錄和存檔的功能。

3 試驗結果分析

為了檢驗產品的可靠性，對該設備焊接后的鋼軌進行了試驗分析，并強制斷開鋼軌焊縫，測量了相關性能參數，試驗樣品見圖10。

圖10 鋼軌焊縫強制斷開后的斷面圖片(未作正火處理，5.2m三錘未斷)Fig.10 Cross-section picture of rail weld after forced disconnection(no normalizing treatment, 5.2m triple hammer not broken)

從圖10中可以觀察出，焊接質量穩定、常積聚缺陷區的灰斑和裂紋基本消除。

對焊接加工的鋼軌U71MN進行落錘檢測，15對鋼軌一次全部合格，合格率達100%。

試驗表明，本文研發的中頻逆變直流焊機具有以下特點：

(1)5.2 m的一錘合格率為100%，多為二錘不斷。

(2)在冷卻系統出水溫度高于攝氏零度的前提下，可正常進行焊接加工工作。

(3)軌頂側對齊后，軌底錯位量允許值小于等于1.5 mm。

(4)軌頂面對齊后，軌底落差值允許小于等于0.6 mm。

(5)焊接后的鋼軌焊縫無下沉現象。

4 結論

本文研發的中頻逆變直流焊軌機中的中頻變壓器和中頻逆變控制器均已完全國產化，性能持平國外先進產品，部分指標優于國外同類產品，焊軌機具備以下特點：

(1)焊接電流密集，受工作環境氣候的影響較小。

(2)無明顯的集膚效應，鋼軌橫截面上電流密度分布均勻，落錘合格率顯著提高。

(3)焊接過程可控，精度高。

(4)工作效率高，每件接頭焊接時間不大于170 s。