張揚(yáng)，呂其兵，王曉，陶啟明

摘要：固定PLC掃描周期，基于伺服電磁閥，實(shí)現(xiàn)了一種基于電流反饋的鋼軌交流閃光焊新型加熱控制方式：焊機(jī)機(jī)頭動(dòng)端夾鉗在固定振動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)變速送進(jìn)運(yùn)動(dòng)的加熱控制方式，實(shí)現(xiàn)鋼軌端面的快速高質(zhì)量加熱。采用紅外熱像儀采集原脈動(dòng)加熱工藝與該加熱工藝高壓階段即將結(jié)束時(shí)的溫度場(chǎng)并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：同樣的加熱時(shí)間條件下，新型加熱控制方式高溫區(qū)域?qū)挾容^原脈動(dòng)閃光焊增加了13.82%以上。結(jié)合焊接曲線可知，新型加熱控制方式通過提升最小電流值、減少斷路時(shí)間的方式提高了加熱效率，可快速建立高溫溫度場(chǎng)寬度。

關(guān)鍵詞：鋼軌交流閃光焊;焊接溫度場(chǎng);加熱控制

中圖分類號(hào)：U213.9+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0085-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.16

0? ? 前言

2017年底，我國(guó)高鐵總里程占世界總量66.3%[1]，這代表著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)里程碑式的階段。隨著我國(guó)高鐵的不斷建設(shè)，無縫線路逐漸走進(jìn)了人們的視野。無縫線路指一種長(zhǎng)鋼軌線路，是由多根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊接在一起形成的，具有乘坐舒適、維修費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)[2]，鋼軌焊接是無縫線路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比較其他鋼軌焊接方式而言，閃光焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)線路實(shí)際生產(chǎn)中最常用的鋼軌焊接方式，截至2010年底，占比高達(dá)87%以上[3]。

根據(jù)鋼軌閃光焊的加熱方式，可將其分為預(yù)熱閃光焊、脈動(dòng)閃光焊和連續(xù)閃光焊[4]。預(yù)熱閃光焊通過鋼軌端面多次短路來加熱，該加熱方式主要被直流焊機(jī)采用，其加熱寬度合適，焊縫晶粒均勻，但是所需電源功率大[5];連續(xù)閃光焊的特點(diǎn)是焊接電流小，焊接效率較低;脈動(dòng)閃光焊采用較寬脈沖預(yù)熱，會(huì)出現(xiàn)一定時(shí)間的短路，對(duì)變壓器負(fù)載大，且短路時(shí)間低于預(yù)熱閃光焊，焊接效果總體上優(yōu)于連續(xù)閃光焊[6]。

鋼軌閃光焊溫度場(chǎng)寬度及加熱效率對(duì)焊接質(zhì)量的影響包括以下幾方面：（1）溫度場(chǎng)過寬會(huì)導(dǎo)致晶粒變粗，過窄會(huì)出現(xiàn)馬氏體，因此合適的焊接接頭溫度場(chǎng)寬度與梯度可以確保高碳當(dāng)量的鋼軌焊接接頭不出現(xiàn)馬氏體組織，并且不出現(xiàn)粗晶粒組織。（2）閃光焊不使用保護(hù)氣，主要依靠液橋爆破進(jìn)行自我保護(hù)，因此高溫端面的高效保護(hù)十分重要。文中結(jié)合各控制方式的特點(diǎn)，研制出一種通過提高加熱效率來實(shí)現(xiàn)快速加熱，從而獲得高保護(hù)效果，并獲得頂鍛前高溫端面平整性的控制方式，具有良好的工程價(jià)值。

1 新型加熱控制方式的模型及實(shí)現(xiàn)

原脈動(dòng)閃光焊及連續(xù)閃光焊的控制模型示意如圖1所示，其表達(dá)式為

式中 v為動(dòng)夾鉗的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度（單位：mm/s）;I為實(shí)時(shí)采集的焊接變壓器一次電流;I1為工藝參數(shù)中的電流一（單位：A）;I2為工藝參數(shù)中的電流二（單位：A）;I3為工藝參數(shù)中的電流三（單位：A）;v前進(jìn)和v后退分別為工藝參數(shù)中的動(dòng)夾鉗前進(jìn)速度（單位：mm/s）和后退速度（單位：mm/s）。為了便于PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，工藝參數(shù)中的后退速度均設(shè)為正值，PLC中計(jì)算時(shí)對(duì)其取負(fù)。

與脈動(dòng)閃光焊原控制方式通過實(shí)時(shí)電流計(jì)算動(dòng)夾鉗速度的被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)不同，新型加熱控制方式通過在固定振幅上疊加一個(gè)變送進(jìn)速度來實(shí)現(xiàn)動(dòng)夾鉗的自主振動(dòng)加送進(jìn)，從而完成焊接。UN5-150ZB系列焊機(jī)的預(yù)閃、高壓Ⅰ和高壓Ⅱ階段合并起來為建立焊接溫度場(chǎng)的階段[7]，預(yù)閃的主要作用是閃平端面，有利于后續(xù)焊接時(shí)鋼軌全端面均勻接觸加熱，高壓Ⅰ和高壓Ⅱ則是主要對(duì)接頭進(jìn)行加熱以便形成合適的溫度場(chǎng)，從而防止出現(xiàn)有害組織，有利于氧化物缺陷的擠出，便于接下來低壓階段的連續(xù)閃光。因此只在高壓Ⅰ和高壓Ⅱ階段使用新型控制模型，其余階段使用原控制模型。

1.1 動(dòng)夾鉗的固定振動(dòng)模型

采用伺服電磁閥加PLC運(yùn)算控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)夾鉗固定振動(dòng)功能，動(dòng)夾鉗按圖2所示的固定振動(dòng)的位移-時(shí)間曲線進(jìn)行固定振動(dòng)，各參數(shù)可以通過計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)含義為：f為振動(dòng)頻率（單位：Hz）;A1為振動(dòng)送進(jìn)方向的振幅（單位：mm）;A2為回拉方向的振幅（單位：mm）;t1和t2分別為振幅A1的送進(jìn)時(shí)間和回拉時(shí)間（單位：ms）;t3和t4分別為A2的送進(jìn)時(shí)間和回拉時(shí)間（單位：ms）。

1.2 基于電流反饋和固定振動(dòng)的高壓階段加熱控制模型

上述動(dòng)夾鉗固定振幅的振動(dòng)整體沒有送進(jìn)，不能形成接觸加熱燒化，因此要采用振動(dòng)+伺服閥送進(jìn)的方式。由于鋼軌在不同階段的溫度場(chǎng)不一樣，形成液態(tài)過梁需要再輸入的能量也不一樣，所以，不同階段伺服閥的送進(jìn)速度也是變化的，為此提出了基于電流反饋控制伺服電磁閥運(yùn)動(dòng)加固定振動(dòng)的模式：在固定振動(dòng)上疊加一個(gè)沿動(dòng)夾鉗前進(jìn)方向的變送進(jìn)速度，該速度的設(shè)置值參考實(shí)際燒化速度。并且為了保證焊接的正常進(jìn)行，使用電流反饋控制動(dòng)夾鉗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止鋼軌間隙過大導(dǎo)致的閃光中斷和過小導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間短路現(xiàn)象。新型加熱控制方式新增了一個(gè)后退速度，目的是防止長(zhǎng)時(shí)間短路的出現(xiàn)，在工藝參數(shù)設(shè)置中將其稱為后退速度2，原后退速度稱為后退速度1。

由于拉線式位移傳感器的辨別精度僅為0.1 mm，因此將圖2中固定振幅的位移-時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為速度-時(shí)間曲線，通過控制速度來替代控制位移，從而實(shí)現(xiàn)控制模型?；陔娏鞣答伜臀灰苽鞲衅鞣答伒男滦图訜峥刂颇Ｐ捅磉_(dá)式為

式中 v后退1和v后退2分別為工藝參數(shù)中的動(dòng)夾鉗后退速度1和后退速度2（單位：mm·s-1）;v振動(dòng)為固定振動(dòng)此時(shí)對(duì)應(yīng)的速度（單位：mm·s-1）;v變根據(jù)試驗(yàn)和原脈動(dòng)焊接過程曲線確定（單位：mm·s-1）。該模型的控制思路如下：當(dāng)I≤I1時(shí)，動(dòng)夾鉗按固定速度前進(jìn)，I2≤I≤I3時(shí)，動(dòng)夾鉗按固定的后退速度1后退，I>I3時(shí)，動(dòng)夾鉗按固定的后退速度2后退，當(dāng)I1

1.3 基于PLC固定掃描周期的固定振動(dòng)頻率精確控制及速度計(jì)算

PLC的定時(shí)器存在誤差，對(duì)于需要毫秒級(jí)的高速響應(yīng)的影響很大，當(dāng)動(dòng)作線圈在觸點(diǎn)前面時(shí)，最大誤差為+T0（T0為掃描周期的時(shí)間[8]）。在已知本焊接系統(tǒng)綜合響應(yīng)延遲時(shí)間小于10 ms的前提下，可將PLC的掃描周期固定為10 ms，以實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)計(jì)時(shí)。

由圖2可知，固定振動(dòng)分為4個(gè)階段，可將其稱為t1、t2、t3、t4階段。則各階段由位移對(duì)應(yīng)到速度的計(jì)算公式如式（3）所示。以A1= A2為例，固定振動(dòng)疊加v變后的速度-時(shí)間曲線如圖4所示。

式中 vt1、vt2、vt3和vt4分別為振動(dòng)t1、t2、t3、t4階段對(duì)應(yīng)的動(dòng)夾鉗速度（單位：mm·s-1）。

v變的計(jì)算需要在完成一個(gè)振動(dòng)周期后進(jìn)行，原因是為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)穩(wěn)定性，若每個(gè)10 ms結(jié)束后均計(jì)算v變，則v變可能會(huì)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)發(fā)生多次變化，輸出到閥上會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。使用振動(dòng)各階段的動(dòng)夾鉗速度，通過10 ms標(biāo)志位，即可實(shí)現(xiàn)PLC實(shí)現(xiàn)新型控制模型的速度計(jì)算子程序，其流程如圖5所示。其中，D10為10 ms計(jì)時(shí)的標(biāo)志位，在每個(gè)掃描周期中+1，即可表示以10 ms為刻度的時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證運(yùn)轉(zhuǎn)正常，在按下焊接啟動(dòng)鍵時(shí)，通過上升沿觸發(fā)指令執(zhí)行D10置0的指令。t1、t2、t3和t4的值對(duì)應(yīng)到寄存器為Dt1、Dt2、Dt3和Dt4，寄存器中保存各階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間，單位為10 ms，可以與D10直接進(jìn)行比較來判斷振動(dòng)的階段。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為60 kg/m級(jí)的U75V軌，其主要化學(xué)成分如表1所示。

2.2 焊接分組及對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置

采用原脈動(dòng)閃光焊參數(shù)焊接接頭記為A001，工藝參數(shù)如表2所示。新型焊接工藝設(shè)計(jì)了A002、A003和A004三組焊接接頭，工藝參數(shù)如表3所示，固定振動(dòng)控制參數(shù)如表4所示，對(duì)應(yīng)的固定振動(dòng)滿足t1=t2=t3=t4，A1=A2。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 基于焊接過程曲線的分析

A001-A004的焊接曲線如圖6所示。由圖可知，新型加熱控制方式下的A002-A004三組接頭較原脈動(dòng)閃光焊下的A001的改善為：（1）短路電流減少，較長(zhǎng)時(shí)間短路幾乎消失，焊接變壓器的負(fù)載降低;（2）最小電流提升，高壓階段100 A以下的焊接電流占比減少，斷路時(shí)間減少。以上兩點(diǎn)由新型加熱控制方式的振動(dòng)所導(dǎo)致，均有利于高溫端面保護(hù)和端面平整性能提升。

3.2 焊接溫度場(chǎng)的提升

選取A001-A004高壓第20 s軌頂和軌腰的高溫區(qū)溫度場(chǎng)寬度作為加熱效率的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，焊接溫度場(chǎng)高溫區(qū)寬度實(shí)測(cè)如圖7所示。

提取分析焊接溫度場(chǎng)，軌頂?shù)母邷貐^(qū)寬度如表5所示，軌腰的高溫區(qū)寬度如表6所示。由表5、表6可知，A002-A004較A001而言，高溫區(qū)寬度最少增加了13.82%。固定時(shí)間下，新型加熱控制方式三組接頭的高溫溫度場(chǎng)寬度均高于原脈動(dòng)閃光焊的一組接頭，因此新型加熱控制方式的加熱效率高于原脈動(dòng)閃光焊。

4 結(jié)論

（1）新型加熱控制方式在同樣加熱時(shí)間條件下，高溫區(qū)寬度較原脈動(dòng)工藝增加了13.82%以上，實(shí)現(xiàn)了快速加熱。

（2）新型加熱控制方式通過振動(dòng)的方式提升了最小電流值，減少了斷路時(shí)間，減小了短路電流峰值和持續(xù)時(shí)間，有利于高溫端面保護(hù)和端面平整性能提升。

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