鄒良甫

（廣鐵集團(tuán)廣州工務(wù)大修段，廣東廣州510100）

0 前言

K系列固定式閃光焊機(jī)由烏克蘭巴頓研究所研制，采用脈動(dòng)焊接工藝，具有焊接設(shè)備安裝體積小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。本研究以廣州工務(wù)大修段紅海焊軌廠使用的K1000焊機(jī)為例，在設(shè)備投入使用期間，針對(duì)不同的鋼種，焊接工藝參數(shù)差別較大，特別是針對(duì)U75V類軌種，焊接工藝范圍窄，工藝調(diào)試難度大，型式檢驗(yàn)鋼軌成本消耗大，在分析研究了工藝參數(shù)、設(shè)備系統(tǒng)配件、落錘斷口等因素后發(fā)現(xiàn)：不斷調(diào)試工藝參數(shù)仍然不能很好地解決各類焊接缺陷，并且調(diào)整至一定范圍，仍達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，從焊接設(shè)備油路系統(tǒng)方面探索改進(jìn)頂鍛油路和頂鍛程序的技術(shù)可行性，在此基礎(chǔ)上調(diào)整工藝參數(shù)和匹配關(guān)系，以期獲得合格、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

1 試驗(yàn)條件

K1000固定式鋼軌閃光焊機(jī)采用脈動(dòng)焊接工藝，分為預(yù)閃、閃光一、閃光二、閃光三、閃光四、加速一、加速二、頂鍛、保壓9個(gè)階段，局部曲線放大后，加速和頂鍛階段如圖1所示。

圖1 焊接曲線閃光加速和頂鍛階段部分

脈動(dòng)閃光焊工藝是交流閃光對(duì)焊的一種特殊工藝。閃光焊主要由閃光階段和頂鍛階段組成。閃光的主要作用是加熱工件；而頂鍛過(guò)程是在閃光階段結(jié)束時(shí)，立即對(duì)工件施加足夠的頂鍛壓力，接口間隙迅速減小，過(guò)梁停止爆破，即進(jìn)入頂鍛階段。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過(guò)梁爆破后留下的火口，同時(shí)擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使接頭區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，以促進(jìn)再結(jié)晶的進(jìn)行，形成共同晶粒，獲得牢固的接頭。

2 設(shè)備改進(jìn)試驗(yàn)

2.1 焊接質(zhì)量現(xiàn)狀

在實(shí)際生產(chǎn)中，批量焊接鋼軌進(jìn)行型式試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)焊頭落錘不合格，集中表現(xiàn)為焊接缺陷，如大小約為1 mm×1 mm類發(fā)散型小灰斑、肉眼未見(jiàn)明顯缺陷，以及三角區(qū)和軌底角過(guò)燒組織等，各類典型焊接缺陷如圖2所示。

大面積的焊頭質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，表明K1000鋼軌焊接設(shè)備逐步老化。若采用這種狀態(tài)的K1000焊機(jī)完成U75V類鋼軌焊接任務(wù)具有嚴(yán)重的局限性。

圖2 影響焊接質(zhì)量的焊接缺陷

上述四種缺陷（見(jiàn)圖2）一般都會(huì)導(dǎo)致落錘性能不合格，嚴(yán)重影響焊頭質(zhì)量，因此，消除類似焊頭缺陷對(duì)提高焊頭質(zhì)量尤為重要。首先可采用工藝參數(shù)調(diào)試的辦法來(lái)解決問(wèn)題，從改善焊接溫度場(chǎng)、閃光劇烈連續(xù)程度、頂鍛量擠壓變形等幾個(gè)方面進(jìn)行了多次調(diào)整試驗(yàn)，以期提高焊頭質(zhì)量，但均不能有效地解決此類問(wèn)題，而同種鋼軌采用GAAS80/580型焊機(jī)，能夠得到良好的焊頭質(zhì)量，排除了母材成份原因；然后考慮從設(shè)備性能方面，針對(duì)焊接設(shè)備的關(guān)鍵系統(tǒng)和部件可能存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化來(lái)解決問(wèn)題。

2.2 焊接頂鍛油路改造

經(jīng)過(guò)不斷摸索和測(cè)試，目標(biāo)鎖定在機(jī)械部分，特別是控制部分，優(yōu)化頂鍛控制程序和頂鍛油路設(shè)計(jì)。

2.2.1 頂鍛過(guò)程伺服閥控制調(diào)整

在閃光階段完成后，打開(kāi)所有的油路來(lái)實(shí)現(xiàn)快速頂鍛過(guò)程，提高頂鍛過(guò)程的瞬間頂鍛力，在廠方的支持下，修改PLC控制程序，如圖3所示。K1000焊機(jī)出廠設(shè)置屬性為受控頂鍛，靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置頂鍛量的具體數(shù)值，頂鍛力在完成頂鍛量的目標(biāo)值后即撤出程序。本次修改采用頂鍛量和頂鍛力互控的模式，如果頂鍛量達(dá)到，同時(shí)頂鍛力到達(dá)數(shù)值后，方可達(dá)成頂鍛目標(biāo)。

圖3 伺服閥控制的PLC程序

2.2.2 頂鍛和保壓過(guò)程控制優(yōu)化

通過(guò)改變蓄能器的壓力和加載時(shí)間，提高保壓力的時(shí)間量值以及調(diào)整帶電頂鍛時(shí)間。優(yōu)化前的蓄能器油路見(jiàn)圖4a，未最大程度地利用蓄能器，1路變2路，油路增大；增加一個(gè)二位四通的液壓閥，起開(kāi)關(guān)作用，見(jiàn)圖4b，在頂鍛瞬間，打開(kāi)蓄能器。

2.2.3 頂鍛階段參數(shù)匹配優(yōu)化

焊接所需頂鍛力隨頂鍛量、頂鍛速度的增加而增大，隨焊口溫度的降低而升高，前期不斷的閃光電流過(guò)梁加熱焊口金屬，待焊口金屬溫度合適時(shí)，進(jìn)入頂鍛階段，因?yàn)轫斿懥窟^(guò)小時(shí)，熱金屬殘留在焊頭接口中的數(shù)量較多，接口金屬毛刺極少；但頂鍛量過(guò)大，焊頭金屬橫向變形過(guò)量，也會(huì)降低接頭性能，同時(shí)在焊接高合金鋼時(shí)，頂鍛速度過(guò)慢，焊口金屬毛刺越多，在焊接設(shè)備頂鍛機(jī)構(gòu)機(jī)械參數(shù)能夠滿足的條件下，適當(dāng)提高帶電頂鍛時(shí)間和保壓時(shí)間，匹配好頂鍛力、頂鍛速度、頂鍛量等參數(shù)，促使焊口金屬充分進(jìn)行交互結(jié)晶和形變?cè)俳Y(jié)晶，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。優(yōu)化油路結(jié)構(gòu)后，保障了頂鍛速度和頂鍛保壓力，合理配置控制程序，為焊接工藝參數(shù)的調(diào)整提供了設(shè)備基礎(chǔ)，通過(guò)改造頂鍛油路，精確控制頂鍛過(guò)程，并定期檢測(cè)蓄能器壓力，調(diào)整后重新優(yōu)化頂鍛階段的控制工藝參數(shù)如表1所示。

圖4 頂鍛油路改造前后對(duì)比

3 落錘情況對(duì)比

改進(jìn)后明顯提高了焊接頂鍛過(guò)程的頂鍛速度，頂鍛過(guò)程響應(yīng)快，能快速封閉焊口，同時(shí)保持在高溫下完成頂鍛，焊口金屬流動(dòng)好，有利于控制和減少灰斑缺陷，因此焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量顯著提高，依據(jù)TB/T 1632-2014規(guī)定：采用1 t重錘頭，從5.2 m高度錘擊，1次不斷為合格。改造后進(jìn)行抽樣落錘，確定設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)匹配良好，試驗(yàn)結(jié)果為批量型式檢驗(yàn)提供依據(jù)，前后抽樣對(duì)比情況見(jiàn)表2，頂鍛系統(tǒng)改良前后落錘情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3、表4，后期落錘情況符合規(guī)定，連續(xù)78頭1次錘擊不斷，焊接缺陷局部存在，但是大幅減少，滿足生產(chǎn)要求。

表1 頂鍛階段匹配參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

表2 鋼軌焊頭落錘試驗(yàn)效果對(duì)比

表3 優(yōu)化前缺陷總類統(tǒng)計(jì)

表4 優(yōu)化后缺陷統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）對(duì)K系列焊機(jī)的頂鍛機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，提高了頂鍛速度，取得良好的保壓效果，為U75V類鋼軌和耐蝕軌等高強(qiáng)度合金鋼的焊接提供了新思路。

（2）根據(jù)工廠現(xiàn)場(chǎng)具體工況和周邊條件，實(shí)際改造設(shè)備是可行的。

（3）焊接設(shè)備是硬件基礎(chǔ)，工藝參數(shù)是控制程序，設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，互相影響，需要共同完善，互相匹配，方可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。