閃光焊焊接過(guò)程熱效率與接頭落錘試驗(yàn)性能研究

唐佑綿 丁向陽(yáng) 文勇亮 葛秋波

1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司張家界工務(wù)段，湖南張家界 427007；2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州工務(wù)大修段，廣州 510100；3.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工電檢測(cè)所，廣州 510088；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081

移動(dòng)式脈動(dòng)閃光焊為無(wú)縫線路鋼軌的一種焊接工藝，被廣泛應(yīng)用于新建鐵路、大修換軌和既有線更換重傷鋼軌［1-3］。由于閃光爆破，焊接過(guò)程中熱量會(huì)流失，而焊接參數(shù)對(duì)焊接熱效率有直接影響。從近年研究成果［4-10］來(lái)看，參數(shù)調(diào)整思路基本沿著大熱量、大頂鍛量發(fā)展。熱輸入過(guò)大意味著需要輸入更大的電壓、電流以及保持更長(zhǎng)的短路時(shí)間且閃光強(qiáng)烈，母材消耗過(guò)多，易造成加熱不均勻、熱影響區(qū)較寬、晶粒組織較粗、成分偏析等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至造成過(guò)燒和未焊合。隨著柴油發(fā)電機(jī)服役時(shí)間延長(zhǎng)，其輸出功率相應(yīng)下降，服役8年的移動(dòng)閃光焊機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)輸出功率下降20%［11］。此外，脈動(dòng)閃光焊機(jī)單機(jī)功率一般在450 kW以上，屬于高能耗設(shè)備。如何提高焊接熱效率并降低能耗已成為迫切需要解決的問(wèn)題。本文以60 kg/m U71MnG鋼軌作為研究材料，從提高焊接熱效率、保證焊接質(zhì)量等方面對(duì)現(xiàn)有工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)落錘試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)組參數(shù)與U71MnG鋼軌的匹配性。

1 熱效率對(duì)比試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料、儀器和方法

材料采用2020年6月生產(chǎn)的U71MnG鋼軌，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。截取兩段長(zhǎng)0.7 m的鋼軌，采用閃光焊接工藝將其焊接在一起形成接頭，即本次試驗(yàn)的試件。試驗(yàn)儀器有落錘試驗(yàn)機(jī)、撓度尺、光電測(cè)溫儀、UN?200脈動(dòng)閃光焊機(jī)、中頻感應(yīng)熱處理機(jī)、探傷儀等。

表1 U71MnG鋼軌中化學(xué)成分 %

閃光焊接與落錘試驗(yàn)嚴(yán)格按照TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接 第1部分：通用技術(shù)條件》和TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第2部分：閃光焊》中相關(guān)要求進(jìn)行。落錘高度3.1 m，在1 t錘頭自由落體錘下單個(gè)試件大于等于2次不斷視為合格，連續(xù)15個(gè)試件不斷視為通過(guò)落錘試驗(yàn)。試驗(yàn)組、對(duì)照組各17個(gè)試件，兩個(gè)組各有2個(gè)備用試件。

1.2 熱效率計(jì)算方法

假設(shè)不考慮焊機(jī)阻抗與感抗的作用時(shí)焊機(jī)輸入熱量為Q，閃光爆破拋射出的液態(tài)金屬物質(zhì)所包含的熱量為Q1，剩下的熱量作為焊接所需的熱源，則在不考慮焊件向空氣中散熱時(shí)熱效率η［12］為

式中：H為鋼軌端面面積，取7 745 mm2；L為閃光焊接過(guò)程中母材損耗長(zhǎng)度，由焊機(jī)位移傳感器采集，mm；ρ為鋼軌密度，取7 829.95 kg/m3；C為鋼軌的比熱容，1 300℃時(shí)C=691 kJ/（kg·℃）；Tf和T0分別為鋼軌熔點(diǎn)和初始溫度，設(shè)為1 300℃和20℃；S為鋼軌的熔化潛熱，設(shè)為300 J/g。Ui、Ii、ti分別為第i階段的電壓、電流和時(shí)間，可通過(guò)焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)組參數(shù)在對(duì)照組的基礎(chǔ)上考慮提高焊接過(guò)程的熱效率。試驗(yàn)組參數(shù)設(shè)置思路：①在滿足不產(chǎn)生黏滯性短路的條件下設(shè)定最低電壓與電流，壓縮焊接時(shí)間，盡量降低閃光爆破強(qiáng)度，提高脈動(dòng)閃光的熱效率。②焊縫處按照較陡的溫度梯度控制加熱時(shí)間和加熱總量。UN?200脈動(dòng)閃光焊機(jī)的焊接分11個(gè)階段：前期（階段1）為閃平，中期（階段2—階段4）為脈動(dòng)加熱，末期（階段5—階段9）為加速閃光，第10階段為頂鍛，第11階段為保壓。需要注意的是，1.2節(jié)的熱效率計(jì)算方法僅適用于頂鍛前各階段。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、極差分析、參數(shù)微調(diào)優(yōu)選試驗(yàn)組參數(shù)。

第1階段—第8階段試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，第9階段試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。其中：V1i、V2i、V3i、V4i分別為第1階段—第8階段鋼軌送進(jìn)速度；I1i、I2i、I3i、I4i分別為對(duì)應(yīng)于V1i、V2i、V3i、V4i的反饋電流（i=1，2，…，8）。

表2 第1階段—第8階段試驗(yàn)參數(shù)

表3 第9階段試驗(yàn)參數(shù)

第1階段—第8階段焊接采用時(shí)間與位移雙控，任一項(xiàng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)進(jìn)入下一階段。第9階段以時(shí)間控制，時(shí)長(zhǎng)7.5 s。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 鋼軌損耗量和熱效率

鋼軌焊接過(guò)程中試驗(yàn)組鋼軌損耗量與熱效率關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。可知：焊接前期、中期、末期熱效率與鋼軌損耗量成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。熱效率排序總體上為中期≥前期＞末期。這是由于前期和中期焊接端面處液態(tài)過(guò)梁的爆破較為溫和，大部分接觸電阻產(chǎn)生的熱量都傳入焊件內(nèi)部，因而熱效率高。15個(gè)試件前期、中期平均熱效率分別為89.6%和94.6%。末期熱效率降低，部分試件熱效率降至0.04%，這是因?yàn)槟┢陂W光爆破極強(qiáng)烈，接觸電阻產(chǎn)生的熱量還來(lái)不及傳入焊件內(nèi)部就隨著拋射金屬離開(kāi)焊接端面。

圖1 試驗(yàn)組焊接過(guò)程中熱效率與鋼軌損耗量（單位：mm）

試驗(yàn)組與對(duì)照組試件各期次的平均鋼軌損耗量（以母材損耗的長(zhǎng)度計(jì)）、平均熱效率見(jiàn)表4。可知：對(duì)照組鋼軌損耗量在前期、中期、末期分別是試驗(yàn)組的1.19、2.55、1.12倍；相較于對(duì)照組，試驗(yàn)組在前期、中期、末期共減少母材消耗34.6%；試驗(yàn)組的熱效率在前期、中期、末期分別比對(duì)照組提高2.5%、5.7%和11.3%。試驗(yàn)組的熱效率末期提高得更顯著。

表4 15個(gè)試件各期次平均鋼軌損耗量與平均熱效率對(duì)比

1.4.2 熱輸入值

取試驗(yàn)組與對(duì)照組各15個(gè)試件熱輸入值算術(shù)平均，結(jié)果見(jiàn)表5。可見(jiàn)：試驗(yàn)組焊接中期平均熱輸入值為3.80 MJ，占整個(gè)焊接過(guò)程總熱輸入值的59.6%。這是因?yàn)樵囼?yàn)組焊接中期電壓設(shè)定值較低，焊接端面在接觸—閃光—分離過(guò)程中不易激發(fā)出強(qiáng)烈閃光，因而被閃光爆破帶走的熱量相對(duì)較少，更多熱量進(jìn)入焊件內(nèi)部。整個(gè)焊接過(guò)程試驗(yàn)組總熱輸入值為對(duì)照組的56.6%，表明試驗(yàn)組參數(shù)降低能耗效果顯著。

表5 試驗(yàn)組與對(duì)照組平均熱輸入值對(duì)比

2 落錘試驗(yàn)

15個(gè)試件承受2錘未斷后使用切割機(jī)開(kāi)口再落錘，觀察斷口宏觀形態(tài)（圖2），斷口無(wú)未焊合、過(guò)燒、夾渣缺陷。7個(gè)試件斷口未見(jiàn)明顯缺陷，8個(gè)試件斷口僅有一個(gè)灰斑，灰斑面積在3.0～7.5 mm2，符合規(guī)范要求（灰斑面積不大于10 mm2）。

圖2 試驗(yàn)組試件開(kāi)口再落錘斷口宏觀形態(tài)

3 結(jié)論

1）可根據(jù)鋼軌損耗量、熱輸入值等指標(biāo)確定脈動(dòng)閃光焊前期、中期和末期熱效率水平。熱效率計(jì)算方法較貼合生產(chǎn)實(shí)際情況，數(shù)據(jù)易獲取，且計(jì)算簡(jiǎn)便。

2）熱效率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接前期、中期、末期熱效率與鋼軌消耗成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。總體上各期次熱效率依次是中期≥前期＞末期。焊接前期、中期、末期試驗(yàn)組熱效率分別比對(duì)照組提高2.5%、5.7%和11.3%。試驗(yàn)組中期熱輸入值為3.8 MJ，占整個(gè)焊接過(guò)程總熱輸入值的59.6%；整個(gè)焊接過(guò)程試驗(yàn)組總熱輸入值為對(duì)照組的56.6%：表明試驗(yàn)組參數(shù)降低能耗效果顯著。

3）落錘試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)組承受2錘未斷，開(kāi)口再落錘斷口無(wú)未焊合、過(guò)燒、夾渣缺陷，斷口灰斑較少，單個(gè)灰斑面積未超過(guò)10 mm2，符合規(guī)范要求。試驗(yàn)組參數(shù)與U71MnG軌的匹配度良好。