丁 韋,白國慶,李 力,高文會(huì),宋宏圖

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

移動(dòng)式鋼軌閃光焊設(shè)備及工藝

丁 韋,白國慶,李 力,高文會(huì),宋宏圖

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

介紹了鋼軌現(xiàn)場焊接所使用的移動(dòng)式鋼軌閃光焊設(shè)備以及典型的焊接工藝,并對(duì)當(dāng)前焊接工藝的焊接熱輸入、移動(dòng)閃光焊接頭質(zhì)量影響因素、接頭熱處理和平直度等問題進(jìn)行了分析。

移動(dòng)式 鋼軌閃光焊 設(shè)備 工藝

0 前言

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,鋼軌現(xiàn)場焊接中鋁熱焊和氣壓焊將大量被自動(dòng)化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的移動(dòng)閃光焊代替[1]。近幾年,我國的移動(dòng)式鋼軌閃光焊發(fā)展十分迅速,應(yīng)用范圍大幅度提高。

鋼軌移動(dòng)閃光焊設(shè)備主要特點(diǎn)是自帶發(fā)電機(jī)或行走機(jī)構(gòu),大致可以分為集裝箱式、公路/鐵路自行車式和鐵路自行車式。集裝箱式焊接設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是成本較低,運(yùn)輸較為靈活和方便;公路/鐵路自行車式焊接設(shè)備的轉(zhuǎn)移較為方便,可不依賴牽引車自己在公路或鐵路上行走,但成本較高,上、下鐵路也需要一定的配合條件;鐵路自行車式鋼軌移動(dòng)閃光焊設(shè)備在鐵路上應(yīng)用比較方便,焊接效率較高。缺點(diǎn)是公路運(yùn)輸或轉(zhuǎn)移比較麻煩。

1 移動(dòng)閃光焊設(shè)備

1.1 集裝箱式

集裝箱式鋼軌閃光焊機(jī)較早應(yīng)用于歐洲和美國。集裝箱一端為發(fā)電機(jī),另一端將焊機(jī)機(jī)頭固定于可旋轉(zhuǎn)和升降的吊裝系統(tǒng)。焊機(jī)主要采用烏克蘭巴頓焊接研究所的 K355閃光焊機(jī),后來逐步被 K900以上閃光焊機(jī)取代,如 K900、K920和 K922等。美國 HOLLAND公司的閃光焊機(jī)是在原烏克蘭巴頓的 K355焊機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的,焊機(jī)的機(jī)頭和控制系統(tǒng)都經(jīng)過了相應(yīng)的改進(jìn),焊機(jī)的名稱為 K355H-SS。

我國目前也可以生產(chǎn)集裝箱式移動(dòng)閃光焊軌機(jī),如 LR1200和 UN5-150Z型集裝箱式移動(dòng)閃光焊軌機(jī)。LR1200型集裝箱式移動(dòng)閃光焊軌機(jī)的機(jī)頭與 K922相近,但在控制系統(tǒng)和軟件方面有一定的改進(jìn),目前已經(jīng)在城市輕軌工程中使用。UN5-150Z型集裝箱式移動(dòng)閃光焊軌機(jī)是在 K900基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,現(xiàn)在增加保壓推凸功能,焊接電壓采用了雙路控制方法,提高了焊接系統(tǒng)的功率因數(shù)。自主開發(fā)了焊機(jī)的軟件系統(tǒng)。目前該焊機(jī)也已經(jīng)應(yīng)用于鐵路和城市輕軌的鋼軌焊接中。

集裝箱式移動(dòng)閃光焊機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本比自行車式要低一些,重量也比較輕,因此在我國被工程局大量采用。值得一提的是目前我國城市輕軌的鋼軌焊接大多數(shù)采用閃光焊現(xiàn)場焊接的方法,也就是將 25 m鋼軌直接鋪設(shè)在線路上,然后將集裝箱式移動(dòng)閃光焊機(jī)運(yùn)到現(xiàn)場,鋼軌焊接在線上直接完成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不建焊軌基地,節(jié)省時(shí)間和成本。

1.2 公路/鐵路自行車式

公路/鐵路自行車式移動(dòng)焊軌車可以自己行走,國內(nèi)目前還沒有這種焊軌車。瑞士施拉特公司較早就生產(chǎn)公路、鐵路自行車式移動(dòng)焊軌車。焊機(jī)采用 AMS60移動(dòng)式閃光焊焊機(jī)。近年來,美國 Caterpillar公司研發(fā)了一種直流逆變移動(dòng)閃光焊機(jī)。中頻逆變方法為：將三相工頻交流電整流成直流電,然后逆變成1 200 Hz的交流電通向焊接變壓器,次級(jí)電壓經(jīng)過整流后進(jìn)行焊接。采用中頻逆變的優(yōu)點(diǎn)是三相負(fù)載平衡,系統(tǒng)的功率因數(shù)高,機(jī)頭上的變壓器體積小,并且焊接接頭質(zhì)量好。逆變電源在鋼軌閃光焊領(lǐng)域中是技術(shù)最為先進(jìn)的焊接電源,代表著未來鋼軌閃光焊發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場鋼軌閃光焊的直流焊接,做到了焊接電源的三相平衡,同時(shí)還減輕了機(jī)頭重量。當(dāng)然,這種焊接電源的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜,電源的可靠性還有待于進(jìn)一步觀察。

1.3 鐵路自行車式

早期奧地利的普拉塞公司生產(chǎn)的移動(dòng)式焊軌車裝配的是烏克蘭巴頓焊接研究所生產(chǎn)的 K 355焊機(jī)。K355焊機(jī)只能采用連續(xù)閃光工藝,焊接高強(qiáng)度鋼軌接頭質(zhì)量受到一定限制。我國已經(jīng)有兩家公司研發(fā)出了鐵路自行車式移動(dòng)式閃光焊軌車,焊機(jī)采用進(jìn)口的K922型移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)。

2 移動(dòng)閃光焊工藝

2.1 連續(xù)閃光工藝

連續(xù)閃光焊從焊接開始,鋼軌端面一直進(jìn)行連續(xù)不斷的閃光,依靠連續(xù)閃光對(duì)鋼軌進(jìn)行加熱,直到頂鍛。連續(xù)閃光焊接工藝可以分為四個(gè)階段：第一階段為不穩(wěn)定閃光階段(或稱預(yù)熱閃光階段);第二階段為穩(wěn)定閃光階段(或稱為連續(xù)閃光階段);第三階段為加速燒化階段;第四階段為頂鍛及保壓階段。連續(xù)閃光焊接的優(yōu)點(diǎn)是焊接電流較小,加熱主要依靠閃光時(shí)接觸電阻通過電流產(chǎn)生。由于閃光時(shí)的接觸電阻較大,相同焊接電壓下的焊接電流則相對(duì)較小,因此,焊接變壓器的負(fù)載較小。也正是由于接觸電阻大和焊接電流小,使得連續(xù)閃光焊工藝存在明顯缺點(diǎn),這就是對(duì)焊接接頭的加熱效率較低,加熱寬度較窄,焊接時(shí)間長,故不適合焊接高強(qiáng)度鋼軌。

2.2 脈動(dòng)閃光工藝

脈動(dòng)閃光焊接工藝可以分為五個(gè)階段：第一階段為不穩(wěn)定脈動(dòng)閃光階段(預(yù)熱閃光階段);第二階段為穩(wěn)定脈動(dòng)閃光階段;第三階段為連續(xù)閃光階段;第四階段為加速燒化階段;第五階段為頂鍛和保壓階段。為了獲得較為理想的脈動(dòng)閃光過程,第一和第二階段參數(shù)還可以進(jìn)一步分解成若干段。

脈動(dòng)閃光焊接工藝起源于烏克蘭巴頓焊接研究所,早期的焊接脈沖采用機(jī)械振動(dòng)的方法獲得,由于機(jī)械振動(dòng),會(huì)造成焊機(jī)早期疲勞損壞,因此,沒有使用價(jià)值。隨著閃光焊機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,PLC和液壓伺服技術(shù)被引入焊機(jī)生產(chǎn),焊機(jī)的控制水平有了很大的提高,在此基礎(chǔ)上,脈動(dòng)閃光工藝得以發(fā)展。到目前為止,K型焊機(jī)絕大多數(shù)都已經(jīng)采用脈動(dòng)閃光焊接工藝焊接鋼軌。

脈動(dòng)閃光焊接工藝的缺點(diǎn)是焊接時(shí)的短路總時(shí)間較長,焊接電流大,因此,焊接變壓器的負(fù)載很大。另一方面,焊接電源采用單相交流,因此,電源的偏載現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

一般認(rèn)為,脈動(dòng)閃光工藝比連續(xù)閃光工藝有利于焊接質(zhì)量的提高[2]。筆者曾經(jīng)在固定式閃光焊機(jī)上進(jìn)行過兩種工藝的對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)閃光工藝的焊接熱輸入明顯大于連續(xù)閃光工藝。進(jìn)一步的落錘試驗(yàn)結(jié)果表明,大熱輸入的焊接接頭抗沖擊強(qiáng)度明顯高于小熱輸入接頭。

3 移動(dòng)閃光焊接頭質(zhì)量影響因素

近期,對(duì)鋼軌移動(dòng)閃光焊進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研工作,發(fā)現(xiàn)了一些帶有普遍規(guī)律的問題,其中有一些問題對(duì)焊接質(zhì)量有較大影響。

3.1 焊接熱輸入選擇

本試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)脈動(dòng)工藝進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)(見表1)。雖然焊接都采用脈動(dòng)閃光工藝,但是焊接熱輸入有較大差別?！懊}動(dòng)工藝 1”的有效焊接熱輸入為13 643 kJ,“脈動(dòng)工藝 2”的有效焊接熱輸入為17 569 kJ,“脈動(dòng)工藝 2”的有效焊接熱輸入比“脈動(dòng)工藝 1”提高 29%。

表1 U 75V鋼軌閃光熱輸入 k J

落錘試驗(yàn)結(jié)果如下所示(見表 2)。“脈動(dòng)工藝 1”落錘試驗(yàn)進(jìn)行了 11個(gè),其中 5個(gè)合格,6個(gè)不合格,合格率只有 45%?！懊}動(dòng)工藝 2”落錘試驗(yàn)進(jìn)行了 9個(gè),其中 8個(gè)合格,1個(gè)不合格,合格率上升到 89%。由此看來,一定要重視移動(dòng)鋼軌閃光焊的熱輸入問題。

表2 U 75V脈動(dòng)閃光工藝落錘試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)當(dāng)引起注意的是,一些客觀因素往往會(huì)引起焊接熱輸入下降。例如 K922焊機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間使用后,有一組匯流排可能會(huì)出現(xiàn)開裂,使得回路銅截面積下降,焊接電流減小,從而導(dǎo)致焊接熱輸入下降。解決這一問題的方法是更換匯流排。另一原因是與電極接觸的鋼軌表面部位的除銹不徹底有關(guān)。由于焊接電流達(dá)到幾萬安培,同時(shí)電壓較低,因此,鋼軌表面除銹不徹底就會(huì)使次級(jí)回路的總電阻增加,電流下降。焊接部位的熱輸入大幅度下降。

3.2 接頭熱處理

現(xiàn)場移動(dòng)鋼軌閃光焊的接頭熱處理目前只能采用火焰加熱方法,并且普遍采用氣壓焊的加熱器,人工控制火焰和時(shí)間。熱處理以后不進(jìn)行噴風(fēng)處理,因此,又使焊接接頭的硬度會(huì)低于母材。與工廠焊接的中頻熱處理 +噴風(fēng)相比較存在一定差距。試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表 4和表 5?？傮w看現(xiàn)場移動(dòng)鋼軌閃光焊的焊接接頭硬度略低于固定式鋼軌閃光焊。

表3 U 75V閃光焊接頭軌頂面硬度 HB

表4 U 75V閃光焊接頭縱斷面硬度 HRC

表5 U 75V閃光焊接頭移動(dòng)與固定硬度對(duì)比

3.3 接頭平直度

焊接接頭平直度測量以前一直采用直尺 +塞尺,因此,測量結(jié)果誤差較大,并且只能反映三點(diǎn)(即兩端和接頭中部)。本次測量試驗(yàn)采用了進(jìn)口專用的平直度測量儀,可以記錄焊接接頭 1m范圍內(nèi)的所有平直度情況。但對(duì)于鋼軌母材進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn),基本在 ±0.1 mm范圍內(nèi),說明平直度測量儀或鋼軌本身也存在一定誤差。為此將規(guī)定測量下限擴(kuò)大到了 -0.1mm。

由于現(xiàn)場焊機(jī)焊接的對(duì)中、矯直和打磨手段有限,因此,移動(dòng)式鋼軌閃光焊的接頭平直度很難與固定式相比。為此,對(duì)某城市地鐵的移動(dòng)式鋼軌閃光焊的接頭進(jìn)行了測量,共檢測接頭4 608個(gè),其中,移動(dòng)閃光焊接頭4 378個(gè),接頭平直度在 -0.1～0.3 mm范圍的為1 171個(gè),占總數(shù)的 27%。這一結(jié)果與施工單位用“直尺 +塞尺”方法測量的結(jié)果存在很大差距。經(jīng)過分析認(rèn)為采用“平直度測量儀”的結(jié)果更為可信。同時(shí),采用同一把測量儀對(duì)京津城際的固定焊進(jìn)行測量,京津城際的結(jié)果接頭平直度都在 -0.1～0.3mm范圍內(nèi)。

對(duì)部分超出 -0.1～0.3 mm移動(dòng)閃光焊接頭進(jìn)行再次打磨。整修合格率達(dá)到 74%。

4 結(jié)論

1)移動(dòng)式鋼軌閃光焊在我國的發(fā)展速度很快,集裝箱焊機(jī)和焊軌列車已經(jīng)可以自主生產(chǎn),該方法將成為我國鋼軌現(xiàn)場焊接的主要手段;

2)焊接工藝試驗(yàn)表明,采用脈動(dòng)閃光工藝更有利于確保焊接熱輸入,從而提高高強(qiáng)度鋼軌的焊接接頭的抗沖擊能力;

3)移動(dòng)閃光焊接頭由于現(xiàn)場焊接條件所限,其熱處理質(zhì)量和平直度質(zhì)量的穩(wěn)定性與固定式閃光焊比較還存在一定差距,有待于進(jìn)一步研究和完善。

[1]耿錦,潘聲啟,張虎.時(shí)速 300 km鐵路客運(yùn)專線長鋼軌焊接施工方案[J].中國鐵路,2005(8)：64-68.

[2]王新年,戴虹,呂其兵.鋼軌高效化閃光焊技術(shù)[J].電焊機(jī),2005,35(5)：50-54.

[3]李怡.移動(dòng)閃光焊接配合長鋼軌運(yùn)輸自卸車換鋪無縫線路施工技術(shù)[J].鐵道建筑,2008(5)：91-93.

U213.9+2

B

1003-1995(2010)02-0106-03

2009-07-21;

2009-11-15

鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2007Y 156)。

丁韋(1960— ),男,浙江鎮(zhèn)海人,研究員。

(責(zé)任審編 王天威)