摘要: 本文介紹了UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī)焊接工藝參數(shù)的選擇,及調(diào)整主要參數(shù)克服焊接鋼軌產(chǎn)生的缺陷。通過(guò)一組實(shí)例闡述鋼軌焊接參數(shù)的選擇,對(duì)今后鋼軌閃光焊機(jī)焊接具有參考作用。

　　關(guān)鍵詞：UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī),鋼軌焊接工藝參數(shù),選擇

　　閃光焊是現(xiàn)代軌道交通無(wú)縫線路鋪設(shè)施工中進(jìn)行鋼軌連接的主要方法，該方法采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式;焊接工藝參數(shù)易于控制和調(diào)整;工藝穩(wěn)定,接頭質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高,是目前焊接鋼軌的最佳方式。一般的閃光對(duì)焊的基本程序可以分成預(yù)熱、閃光(亦稱(chēng)燒化)、頂鍛、保持和休止等階段。連續(xù)閃光對(duì)焊時(shí)無(wú)預(yù)熱階段。我公司使用的是UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī)。采用連續(xù)閃光焊接。焊接參數(shù)的選擇是一個(gè)型試實(shí)驗(yàn)的過(guò)程,對(duì)于鋼軌焊接來(lái)說(shuō)是基礎(chǔ),直接影響焊軌質(zhì)量。

　　一、UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī)焊接工藝參數(shù)：

　　影響無(wú)縫鋼軌連續(xù)閃光焊接質(zhì)量的主要因素就是焊接參數(shù)。焊接工藝參數(shù)主要有：時(shí)間、電壓、電流、位移、前進(jìn)速度、后退速度。如下：

　　UG——高壓燒化電壓值(V)

　　UD——低壓燒化電壓值(V)

　　v1——鋼軌送進(jìn)初速度(mm/s)

　　v2——鋼軌短路時(shí)的分離速度(mm/s)

　　v3——鋼軌送進(jìn)燒化的末速度(mm/s)

　　t1——高電壓燒化時(shí)間(s)

　　t2——低電壓燒化時(shí)間(s)

　　t3——加速燒化時(shí)間(s)

　　t4——帶電頂鍛時(shí)間(s)

　　t∑——焊接總時(shí)間(s)

　　P1——液壓系統(tǒng)低壓工作壓力(MPa)

　　P2——液壓系統(tǒng)高壓工作壓力(MPa)

　　L——頂鍛量(mm)

　　鋼軌閃光焊焊接參數(shù)的調(diào)整實(shí)際是各個(gè)焊接參數(shù)的優(yōu)化匹配過(guò)程。為了獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，焊接工藝參數(shù)的調(diào)整與定位應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下條件：

　　(1)、軌焊接端頭必須有足夠的加熱區(qū)和適當(dāng)?shù)臏囟忍荻龋�并確保焊接端面溫度分布均勻。

　　(2)、確保鋼軌焊接閃光過(guò)程連續(xù)而穩(wěn)定。

　　(3)、鋼軌焊接端面必須有足夠的塑性變形。

　　二、UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī)焊接主要參數(shù)的選擇：

　　UN5-150Z鋼軌閃光焊機(jī)焊接主要參數(shù)的選擇，是通過(guò)對(duì)UN5-150Z集裝箱式鋼軌閃光焊機(jī)連續(xù)閃光焊接工藝曲線分析，及鋼軌落錘型試實(shí)驗(yàn)及檢查鋼軌閃光對(duì)焊后接頭外觀等因素進(jìn)行選擇:

　　(一)、焊接電壓的選擇

　　連續(xù)閃光焊機(jī)通過(guò)自藕變壓器調(diào)整輸出電壓大小，確保向焊接變壓器提供合適的電壓數(shù)值，焊接過(guò)程電壓如圖1所示。焊接初期，鋼軌處于冷態(tài)，電阻小、電流大，電流產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)迅速，激發(fā)閃光需要較大功率，一般采用高電壓焊接。經(jīng)過(guò)幾次大的電流脈沖后，鋼軌端面溫度上升，這時(shí)接觸電阻增大，焊接電流減小，觸點(diǎn)數(shù)量增多并逐步擴(kuò)展到整個(gè)端面，焊接過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定燒化階段。穩(wěn)定燒化階段焊機(jī)只需選用較低的電壓就可以維持連續(xù)穩(wěn)定的閃光，所以這一階段采用低電壓焊接。當(dāng)鋼軌端部加熱區(qū)形成一定寬度，即達(dá)到溫度的動(dòng)平衡以后，需要以激烈而穩(wěn)定的閃光營(yíng)造保護(hù)氣氛，避免鋼軌端面的液態(tài)金屬膜被氧化而產(chǎn)生焊接缺陷，焊接電壓便恢復(fù)到初始高電壓。一般高電壓選用390～430V，低電壓選用310～340V之間。

　　

　　(二)、焊接時(shí)間的調(diào)整

　　鋼軌焊接過(guò)程中各階段的時(shí)間控制非常關(guān)鍵，主要有：閃光初期高壓燒化時(shí)間、低壓燒化時(shí)間、燒化末期高壓時(shí)間、加速燒化時(shí)間、帶電頂鍛時(shí)間和無(wú)電頂鍛(保壓)時(shí)間等，各階段時(shí)間長(zhǎng)短的調(diào)整對(duì)焊接質(zhì)量影響不盡相同。例如：加速燒化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)縮小加熱區(qū)寬度，帶電頂鍛時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則容易誘發(fā)過(guò)熱缺陷，無(wú)電流頂鍛時(shí)間短就會(huì)導(dǎo)致塑性變形不充分，這些都會(huì)惡化焊接質(zhì)量。一般情況下各階段焊接時(shí)間選用范圍如表1所示：

　　(三)、速度調(diào)整

　　焊機(jī)對(duì)所有型號(hào)鋼軌在閃光燒化時(shí)期的送進(jìn)速度基本相同，均在0.2~0.22mm/s范圍內(nèi)變動(dòng)。速度過(guò)高，加熱效率降低;速度過(guò)低，不能維持連續(xù)穩(wěn)定的閃光。因此，鋼軌端面燒化速度應(yīng)與焊機(jī)動(dòng)架送進(jìn)速度匹配。調(diào)整可調(diào)變阻器的阻值，可以改變電機(jī)放大機(jī)的輸出電壓，送進(jìn)速度與之對(duì)應(yīng)，同步增減。頂鍛時(shí)的合縫速度即頂鍛速度要求越快越好，一般不小于20～25mm/s，否則鋼軌端面容易被氧化而產(chǎn)生焊接缺陷。帶電頂鍛時(shí)的速度取決于鋼軌端面的溫度、頂鍛壓力和頂鍛電流。

　　分離速度的調(diào)整分兩種情況，一種是調(diào)整動(dòng)夾具的后退速度，一般取0.9～1.0mm/s;另一種是焊接過(guò)程中鋼軌軌端接觸后的分離速度，一般出廠前已經(jīng)調(diào)好，不用再調(diào)。

　　(四)、壓力調(diào)整

　　液壓系統(tǒng)壓力的調(diào)整主要有：系統(tǒng)低壓、系統(tǒng)高壓、頂鍛壓力等。液壓系統(tǒng)壓力是按照程序設(shè)計(jì)變化的，在加速燒化前和推瘤動(dòng)作完成后系統(tǒng)壓力相同。通過(guò)主令控制器跨線開(kāi)關(guān)的閉合實(shí)現(xiàn)高、低油壓的轉(zhuǎn)換。液壓系統(tǒng)的頂鍛壓力是指頂鍛時(shí)頂鍛缸的油壓，根據(jù)鋼軌的截面面積并通過(guò)焊接試驗(yàn)選取，一般取4Kg/mm2。

　　(五)、頂鍛量

　　頂鍛量是連續(xù)閃光焊中非常重要的工藝參數(shù)。連續(xù)鋼軌焊機(jī)采用了可控頂鍛，通過(guò)鋼軌試焊確定頂鍛量。鋼軌材質(zhì)不同、截面積不同，頂鍛量也就不同。焊接60Kg/m鋼軌時(shí)頂鍛量一般調(diào)整為11～13mm;(60Kg/m)U71Mn鋼軌頂鍛量一般為11mm左右，(60Kg/m)攀鋼U75V鋼軌頂鍛量一般為13mm左右。

　　三、選擇合理焊接參數(shù)克服閃光焊接主要缺陷：

　　鋼軌閃光焊產(chǎn)生的缺陷一般分為：內(nèi)部缺陷、外部缺陷和金屬組織缺陷。內(nèi)部缺陷包括：灰斑、未焊合、裂紋、過(guò)燒、焊縫夾雜物等;外部缺陷包括：錯(cuò)位、低塌和電極灼傷等;金屬組織缺陷包括馬氏體、晶粒粗大等。

　　(1)、閃光焊裂紋產(chǎn)生的主要原因及解決辦法

　　軌腳端部裂紋是在焊縫軌腳兩端出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。為軌腳端部裂紋的斷口，可以看出，軌腳邊緣顏色較深，有氧化現(xiàn)象，這說(shuō)明，焊接過(guò)程結(jié)束，在接頭冷卻過(guò)程種中，這種缺陷已經(jīng)形成，另外，也說(shuō)明這是一種沒(méi)有焊合的缺陷。這種缺陷對(duì)焊接接頭的整體強(qiáng)度影響很大，會(huì)大大降低接頭的抗沖擊強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，焊縫一旦產(chǎn)生這種缺陷，鋼軌接頭將無(wú)法通過(guò)落錘試驗(yàn)，因此，這是一種較為危險(xiǎn)的焊接缺陷。

　　軌腳端部裂紋多數(shù)與焊接工藝有關(guān)。例如，焊接頂鍛量不足，使軌腳部位的擠壓面積小于鋼軌端面;推凸和保壓的時(shí)間過(guò)短，造成塑性變形量不足;焊接加熱的時(shí)間不夠長(zhǎng)，造成加熱的范圍過(guò)窄等。另外，電源電壓的大幅度波動(dòng)也是一個(gè)不可忽視的因素，例如大幅度下降，使得焊接接頭的熱輸入大幅度下降，也有可能產(chǎn)生這類(lèi)缺陷。

　　防止方法：克服軌腳端部裂紋的主要方法是進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的調(diào)整。由于調(diào)整焊接工藝參數(shù)是一個(gè)與焊機(jī)的性能指標(biāo)、電網(wǎng)狀況和焊接基礎(chǔ)知識(shí)有關(guān)的較為綜合的技術(shù)。大致的調(diào)整方法是提高焊接的頂鍛量，延長(zhǎng)推凸和保壓的時(shí)間，或者延長(zhǎng)焊接加熱的時(shí)間等。

　　(2)、 閃光焊過(guò)燒產(chǎn)生的主要原因及解決辦法

　　過(guò)燒是焊接時(shí)加熱溫度過(guò)高，局部金屬加熱到達(dá)固相線與液相線之間溫度而造成的晶界偏析和燒熔。過(guò)燒是焊接接頭最危險(xiǎn)的缺陷之一，常出現(xiàn)在軌底兩側(cè)的軌腳位置。輕度過(guò)燒時(shí)出現(xiàn)細(xì)小炭黑斑點(diǎn)，嚴(yán)重過(guò)燒時(shí)出現(xiàn)黑色蜂窩狀組織。鋼軌閃光焊和氣壓焊都有可能出現(xiàn)過(guò)燒缺陷。

　　鋼軌閃光焊產(chǎn)生過(guò)燒的防止方法：①降低高壓階段的電壓;②縮短高電壓階段焊接時(shí)間;③縮短帶電頂鍛時(shí)間;④延長(zhǎng)頂鍛時(shí)間;⑤降低加速燒化階段的最高電壓等。

　　(3)、焊縫夾雜物

　　夾雜物在鋼軌閃光焊的分布特點(diǎn)是：分布在焊縫之中，并且顆粒狀。將焊縫打斷后，在宏觀下觀察，顏色較深，可視為灰斑的一種。

　　閃光焊氧化物夾雜的產(chǎn)生原因較多，并且規(guī)律比較難以掌握，一般認(rèn)為是鋼軌在焊接過(guò)程中，焊縫處有時(shí)形成硅酸鹽類(lèi)的非金屬物質(zhì)，少量聚集在閃光弧坑的底部，當(dāng)最終的頂鍛完成后，沒(méi)有將非金屬物質(zhì)擠出，使其滯留在焊縫中，這樣就形成了焊縫夾雜物。

　　夾雜物的產(chǎn)生與以下幾種原因有關(guān)：一是與鋼軌母材的成分有關(guān)。實(shí)踐表明，硅(Si)含量高的鋼軌，閃光焊縫中的灰斑出現(xiàn)的概率也相應(yīng)提高。二是與焊接時(shí)所用的頂鍛力有關(guān)，頂鍛力過(guò)小，鋼軌端面的表面氧化物顆粒未完全擠出，使用它們存留在接頭中。防止方法：注意鋼軌的化學(xué)成分，Si含量應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，不應(yīng)含量超標(biāo)或分布不均勻。注意焊接工藝參數(shù)，鋼軌端面加熱要均勻，頂鍛位移量和壓力要保證。

　　(4)、閃光焊灰斑產(chǎn)生的主要原因及解決辦法

　　一部分灰斑產(chǎn)生的原因是由于鋼軌中存在Si、Mn、Al等合金元素，加之焊接工藝參數(shù)不合理，使得焊接時(shí)尤其是連續(xù)閃光末期保護(hù)不好，導(dǎo)致Si、Mn、Al等元素被氧化而形成夾雜物缺陷，在頂鍛時(shí)，熔化的金屬與這些夾雜物一起被擠壓，沿工件徑向流動(dòng)，未被排擠干凈而殘留在焊縫中的氧化物，就形成了斷口上的灰斑。通過(guò)調(diào)整參數(shù)以減少灰斑。

　　因此調(diào)整焊接工藝參數(shù)是一個(gè)與焊機(jī)的性能指標(biāo)、電網(wǎng)狀況和焊接基礎(chǔ)知識(shí)有關(guān)的較為綜合的技術(shù)。確定合適的焊接工藝參數(shù)會(huì)提高鋼軌焊接質(zhì)量，減少鋼軌閃光焊產(chǎn)生的缺陷。

　　四、UN5-150Z 鋼軌閃光焊機(jī)焊接參數(shù)的選擇實(shí)例：

　　在昌九城際鐵路焊軌施工中，采用攀鋼U75V、60KG鋼軌，用UN5-150Z 鋼軌閃光焊機(jī)施焊，原始焊接工藝參數(shù)(表2)及曲線圖(圖2)。

　　從表2及圖4可以看出：

　　低壓一從焊機(jī)電流中的曲線圖(圖2)得知低壓一短路次數(shù)較多，短路時(shí)間較長(zhǎng)，將前進(jìn)速度和后退速度調(diào)大(7800——>7950,-2100——>-2200)，這種現(xiàn)象液橋積聚能量很大，當(dāng)拉開(kāi)時(shí)液橋爆裂閃光有可能會(huì)連鋼軌炸出一個(gè)小坑，形成氣孔或灰斑。電流成階梯試的降下，然后緩緩升高，形成很好的緩沖。有利于積蓄足夠熱量，對(duì)以后的低壓二，加速，頂鍛做充足的準(zhǔn)備。

　　由圖像中(圖2)低壓一階段的電流可以看出電流偏低，焊縫的晶粒粗大，硬度，瞬間沖擊能力都會(huì)大大降低，還會(huì)因?yàn)榉e蓄熱量會(huì)不足，導(dǎo)致在焊接過(guò)程軌端會(huì)有殘留物質(zhì)或凹凸不平，容易產(chǎn)生灰斑。因此焊接參數(shù)必須調(diào)整。

　　調(diào)整辦法：利用空載試驗(yàn)在低壓一的電壓調(diào)高(80——>105)，使絕大部分電流的峰值在630A以上，少許超過(guò)690A。從圖中低壓一還可知道，基本都處在短路階段，前一個(gè)階段閃光還沒(méi)結(jié)束，后一階段又開(kāi)始閃光了，說(shuō)明，前進(jìn)速度明顯大于后退速度，這樣閃光較劇烈，會(huì)帶走焊縫間大量的熱量，同樣導(dǎo)致熱量積蓄不足。圖像中7~17秒這段時(shí)間，并未閃光，完全短路，無(wú)法將軌端里的夾雜物燒化，閃光，無(wú)法產(chǎn)生熱量，容易造成灰斑或夾雜物。即將前進(jìn)速度改小(7950——>7900)，后退速度改大(-2200——>-2250)。30~32秒電流降的太快，對(duì)頂鍛有影響。

　　調(diào)整后低壓一階段閃光就比較均勻，積蓄了充足的熱量，在圖中30~32秒中(即低壓一轉(zhuǎn)換到低壓二的過(guò)程)，電流也比較穩(wěn)定的下降。唯一的不足就是從低壓二至加速頂鍛過(guò)程中，電流的增長(zhǎng)過(guò)緩，特別是在加速頂鍛時(shí)(42~44秒)的電流不夠大(一般在200A附近)，電流不夠大，最后的閃光不夠劇烈，無(wú)法將焊縫中的氧氣完全燃燒，則在高溫下鐵與氧氣將會(huì)形成氧化鐵即灰斑。但是在加速頂鍛中，電流的峰值也不允許太高(一般在400A以下)，否則會(huì)帶走大量的熱量。加速頂鍛時(shí)電流掉下來(lái)，即沒(méi)有閃光，肯定有殘留的氧氣在里面形成灰斑。通過(guò)增大加速極限(4780——>4950)和提高前進(jìn)速度(2060——>2260)

　　低壓一始終處于短路階段，沒(méi)有火花，鋼軌端面沒(méi)閃光，端面的氧化物等一些雜質(zhì)沒(méi)有被火花一起帶出，雖然在低壓二，加速，頂鍛時(shí)有劇烈的閃光，能將一些雜質(zhì)帶出，但是不夠完全。低壓一的長(zhǎng)時(shí)間短路，沒(méi)經(jīng)過(guò)火花將熱量帶出，一直積蓄在兩端面之間，會(huì)形成過(guò)燒，影響鋼軌的焊接質(zhì)量。

　　從焊接圖(圖2)低壓一的前15秒還是非常均勻，15秒至25秒較差，此時(shí)就要關(guān)注低壓二、加速、頂鍛的圖像，低壓一轉(zhuǎn)變低壓二出現(xiàn)了電流間斷，在加速電流幾乎沒(méi)什么變化，沒(méi)呈上升的趨勢(shì)，特別是頂鍛時(shí)間提前短路，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的概率比較高，在頂鍛和電流沒(méi)有同步的時(shí)候，空氣最容易進(jìn)入，形成灰斑。通過(guò)降低加速極限來(lái)解決(4950——>4850)。

　　經(jīng)過(guò)上述調(diào)整最終焊接參數(shù)選擇如下：

　　調(diào)整后，焊接工藝曲線如下圖(圖3)：

　　圖3---焊機(jī)電流曲線圖

　　這種焊接圖像是比較好的，落錘后不斷，鋸開(kāi)后看焊縫斷面一部分焊

　　縫未出現(xiàn)灰斑，一部分出現(xiàn)1*2，1*3的灰斑，且不在最薄弱的軌角邊，焊縫質(zhì)量居于穩(wěn)定。這組參數(shù)2009年應(yīng)用在昌九城際鐵路現(xiàn)場(chǎng)施工中，所焊焊縫合格率達(dá)到98%以上。2010年8月開(kāi)通至今焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。

　　五、結(jié)束語(yǔ)：

　　移動(dòng)式連續(xù)閃光焊機(jī)焊接鋼軌選擇合理的焊接參數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，是對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合分折的過(guò)程。其選擇和確定是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。只有選擇合理的焊接參數(shù)通過(guò)鋼軌型試實(shí)驗(yàn)和超聲波探傷等方法檢驗(yàn)，才能確保鋼軌焊接質(zhì)量。因此焊接參數(shù)選擇是確保鋼軌焊接質(zhì)量主要因素。

　　參考文獻(xiàn)

　　(1)TBT/1632.1-2005，鋼軌焊接——第一部分：《通用技術(shù)條件》北京：中國(guó)鐵道出版社，2005

　　(2)盧祖文.《客運(yùn)專(zhuān)線鐵路軌道》北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.