任金雷,崔成林

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

鋁熱焊接焊前預熱作為鋁熱焊的一個重要環(huán)節(jié)，其作用是消除模具中殘余濕氣以及提高模具和鋼軌的溫度。預熱過程直接影響鋁熱焊焊接接頭的質量[1-2]。鋁熱焊的預熱主要受到軌縫大小、預熱時間、預熱溫度等多方面因素影響。

文獻[3]總結出當焊接與預熱條件相同時，焊接軌縫寬度為24～30 mm時，焊接質量最好；文獻[4]總結出當預熱時間為2.5～5.5 min，預熱時間對焊縫處的化學成分幾乎沒有影響，顯微組織變化也不大，均為珠光體和鐵素體兩相組織。關于鋁熱焊預熱溫度的的范圍，文獻[5]指出在預熱過程中要密切關注鋼軌狀態(tài)，尤其是軌腰位置，預熱完成時軌腰溫度應為950～1 000 ℃，顏色呈亮黃色。

鋁熱焊預熱采用的是氧氣-丙烷燃燒火焰加熱，多年來主要通過對預熱氣體的壓力調節(jié)來控制加熱火焰的狀態(tài)。缺點是現(xiàn)場需要經(jīng)驗豐富的操作人員進行調節(jié)，不同焊接操作人員對預熱氣體壓力的控制存在較大不同，且預熱過程中需不斷調節(jié)預熱噴槍的開關狀態(tài)，使鋁熱焊焊接接頭質量受人為因素影響較大。

為了降低鋁熱焊預熱過程中人為因素對焊接接頭質量的影響，本文設計了一種基于PLC(Programmable Logic Controlle，簡稱PLC)控制器的預熱控制系統(tǒng)對鋁熱焊預熱過程進行控制。

1 預熱控制系統(tǒng)

1.1 預熱控制系統(tǒng)簡介

該預熱控制系統(tǒng)主要由質量流量控制器(流量計)、下位機PLC和上位機(觸摸屏)組成。其工作原理是：下位機PLC根據(jù)上位機指令對質量流量控制器發(fā)出命令，質量流量控制器根據(jù)指令做出相應調節(jié)，調節(jié)完成后PLC將質量流量控制器調節(jié)后的數(shù)據(jù)實時反饋至上位機，實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)從發(fā)出指令到調節(jié)完成并將數(shù)據(jù)反饋至上位機的整個過程，響應時間僅2 s。圖1為該預熱控制系統(tǒng)控制原理示意。

圖1 預熱控制系統(tǒng)控制原理示意

該系統(tǒng)對預熱氣體的流量進行監(jiān)測控制，優(yōu)點是可實時監(jiān)測、控制鋼軌鋁熱焊預熱過程中氣體的流量參數(shù)；充分量化預熱過程中的預熱參數(shù)指標，便于現(xiàn)場操作；具有低壓報警裝置，當預熱氣體壓力低于預設壓力值時，低壓警報裝置自動鳴響；具有USB數(shù)據(jù)傳輸端口，可實時記錄流量傳輸數(shù)據(jù)。圖2為該預熱控制系統(tǒng)的結構示意。

1-氧氣入口; 2-低壓報警器; 3-丙烷入口; 4-USB插口; 5-電源插口; 6-丙烷出口; 7-流量閥門; 8-氧氣出口; 9-觸摸屏圖2 預熱控制系統(tǒng)結構示意

1.2 預熱控制系統(tǒng)的應用

該預熱控制系統(tǒng)于2017年6月應用在高原地區(qū)槽型鋼軌鋁熱焊接試驗(德令哈有軌電車項目)中。參考文獻[6]對鋼軌鋁熱焊軌縫寬度、預熱噴槍高度、預熱時間的研究，為減少自變量個數(shù)，縮短預熱系統(tǒng)調節(jié)時間，方便焊接人員操作，提高鋁熱焊接效率，在對槽型鋼軌鋁熱焊接調試過程中將預熱噴槍高度調節(jié)至50 mm，軌縫大小為28～30 mm，預熱時間擬定為270 s。試驗所用鋼軌為59R2槽型軌，材質為U75V。利用預熱控制系統(tǒng)對預熱氣體流量進行調試。預熱調試方案如圖3所示，預熱調試方案參數(shù)及結果見表1。

圖3 預熱調試方案

方案編號噴槍高度/mm軌縫寬度/mm流量/(L/min)上部下部氧氣丙烷預熱時間/s預熱結果111535270欠預熱212035270軌頭欠預熱312040270軌頭欠預熱450302812540270預熱均勻512545270預熱均勻613045270軌底角過預熱713550270軌頭過預熱

調試過程采用控制變量法，分別對預熱氣體氧氣和丙烷進行調節(jié)，當鋼軌軌頭欠預熱時，增大丙烷流量；當鋼軌軌底欠預熱時，增大氧氣流量。由圖3(a)可看到鋼軌軌頭、軌底角均呈現(xiàn)黑色，為欠預熱，因此增大預熱氣體流量；由圖3(b)、圖3(c)可看出鋼軌軌頭呈現(xiàn)黑色，為欠預熱，增大丙烷流量；圖3(d)、圖3(e) 中整個鋼軌橫斷面呈現(xiàn)亮紅色至亮黃色，為理想預熱狀態(tài)。為了確定預熱氣體的流量參數(shù)范圍，繼續(xù)增大氣體流量，由圖3(f)可看到鋼軌軌底角區(qū)域呈融化趨勢，為過預熱現(xiàn)象；圖3(g)中可看到鋼軌軌頭部分區(qū)域呈熔化趨勢，為過預熱趨勢。根據(jù)預熱調試過程中各氣體流量參數(shù)與相應鋼軌預熱狀態(tài)的結果對比分析，最終確定當氧氣流量為125 L/min，丙烷流量為40～45 L/min時預熱效果最佳，如圖3(d)、圖3(e)所示。

2 型式檢驗

2.1 型式檢驗焊接試驗

2017年6月22日至26日，在德令哈有軌電車T2試驗段場地，應用該預熱系統(tǒng)在已調試好的預熱參數(shù)下進行鋼軌鋁熱焊現(xiàn)場焊接，焊接采用ZTK-Ⅰ槽型軌砂型和焊劑[7]。試驗所用鋼軌型號為59R2，材質為U75V，共計17根。焊接參數(shù)見表2。

表2 鋁熱焊型式檢驗接頭焊接參數(shù)

其中，軌縫寬度均為上部30 mm，下部28 mm。預熱噴槍高度為50 mm。實際焊接過程中由于天氣、溫度的影響可適當將預熱時間延長10～40 s。澆注后5 min 拆除卡具，8 min 30 s推瘤，并進行熱打磨和冷打磨，觀察焊接接頭外觀質量，并進行超聲波探傷。在此預熱參數(shù)下所焊接試件平直度和表面質量符合標準規(guī)定，試件進行超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

依據(jù)《城市軌道用槽型鋼軌鋁熱焊接質量檢驗標準》(CECS 430:2016)[8]進行59R2槽型鋼軌鋁熱焊接頭的性能檢驗。檢驗項目有靜彎、斷口、疲勞、硬度、拉伸和金相組織檢驗，所用到的主要設備主要有：YAW-3000J鋼軌靜彎壓力試驗機、液壓脈動疲勞試驗機、CMT5305電子萬能試驗機、布氏硬度計、洛氏硬度計、萊卡金相顯微鏡。

2.2 靜彎試驗

靜彎試驗的支距為1.0 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中載荷，接頭加載直至斷裂。共測試10根鋼軌接頭，其中8根軌頭受壓，2根軌頭受拉。試驗結果見表3。

表3 焊接接頭靜彎試驗結果

用肉眼和放大鏡對斷口形貌進行觀察，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。CECS 430：2016要求，靜彎試驗中軌頭受壓時靜彎值F≥1 100 kN，撓度fmax≥10 mm;軌頭受拉時靜彎值F≥1 000 kN，撓度fmax≥10 mm。試驗結果滿足標準要求。

2.3 疲勞試驗

依據(jù)CECS 430：2016疲勞試驗規(guī)定，焊接接頭支距為1.0 m，載荷Fmin=60 kN，F(xiàn)max=300 kN。載荷作用于支距中央的焊縫處，軌頭向上。試驗頻率f=5 Hz，應力循環(huán)系數(shù)r=0.2。試驗結果見表4。

表4 焊接接頭疲勞試驗結果

連續(xù)測試3根鋼軌鋁熱焊接頭，所有接頭均循環(huán)加載2×106次，未斷裂，滿足CECS 430：2016要求。

2.4 拉伸試驗

依據(jù)CECS 430：2016對1689-14號焊接接頭試件取樣進行拉伸試驗,試樣直徑為6 mm。試驗結果見表5。

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

接頭軌頭和軌底部位抗拉強度高，均>780 MPa，滿足CECS 430：2016要求。

2.5 硬度試驗

在軌頂面焊縫中心橫向位置對1689-15號焊接接頭試件取樣測試焊縫硬度，檢測3點的布氏硬度，計算硬度平均值，記為焊縫硬度；在焊縫兩側母材上分別檢測3點，計算平均硬度值，記為母材平均硬度Hp。檢測結果見表6。

表6 焊接接頭軌頂面硬度測量結果 HB

焊縫金屬硬度為299 HB，母材金屬硬度306 HB，滿足CECS 430：2016要求。

2.6 顯微組織

對1689-17號焊接接頭試件取樣測試顯微組織，取樣位置依據(jù)CECS 430：2016標準要求，軌頭2處，軌底1處。

標準要求焊縫、熱影響區(qū)不應出現(xiàn)馬氏體及魏氏組織；焊縫顯微組織應為珠光體加少量鐵素體組織。

根據(jù)焊接接頭顯微組織照片來看，焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見異常組織,滿足CECS 430：2016要求。

3 結語

采用基于PLC控制器的預熱控制系統(tǒng)調整預熱氣體參數(shù)，可有效控制鋼軌鋁熱焊預熱過程，并對預熱過程中的流量參數(shù)進行實時記錄，解決了鋁熱焊焊前預熱參數(shù)缺失的問題。該系統(tǒng)成功應該于高原槽型軌鋁熱焊接中，且所焊接接頭在型式檢驗中力學性能、顯微組織均滿足CECS 430：2016要求。

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[8]中國工程建設標準化協(xié)會.CECS 430：2016 城市軌道用槽型鋼軌鋁熱焊接質量檢驗標準[S].北京:中國計劃出版社,2016.