唐佑綿 丁向陽 文勇亮 葛秋波

1.中國鐵路廣州局集團有限公司張家界工務段，湖南張家界 427007；2.中國鐵路廣州局集團有限公司廣州工務大修段，廣州 510100；3.中國鐵路廣州局集團有限公司工電檢測所，廣州 510088；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081

移動式脈動閃光焊為無縫線路鋼軌的一種焊接工藝，被廣泛應用于新建鐵路、大修換軌和既有線更換重傷鋼軌［1-3］。由于閃光爆破，焊接過程中熱量會流失，而焊接參數(shù)對焊接熱效率有直接影響。從近年研究成果［4-10］來看，參數(shù)調整思路基本沿著大熱量、大頂鍛量發(fā)展。熱輸入過大意味著需要輸入更大的電壓、電流以及保持更長的短路時間且閃光強烈，母材消耗過多，易造成加熱不均勻、熱影響區(qū)較寬、晶粒組織較粗、成分偏析等問題，嚴重時甚至造成過燒和未焊合。隨著柴油發(fā)電機服役時間延長，其輸出功率相應下降，服役8年的移動閃光焊機的柴油發(fā)電機輸出功率下降20%［11］。此外，脈動閃光焊機單機功率一般在450 kW以上，屬于高能耗設備。如何提高焊接熱效率并降低能耗已成為迫切需要解決的問題。本文以60 kg/m U71MnG鋼軌作為研究材料，從提高焊接熱效率、保證焊接質量等方面對現(xiàn)有工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并通過落錘試驗驗證試驗組參數(shù)與U71MnG鋼軌的匹配性。

1 熱效率對比試驗

1.1 試驗材料、儀器和方法

材料采用2020年6月生產的U71MnG鋼軌，其化學成分見表1。截取兩段長0.7 m的鋼軌，采用閃光焊接工藝將其焊接在一起形成接頭，即本次試驗的試件。試驗儀器有落錘試驗機、撓度尺、光電測溫儀、UN?200脈動閃光焊機、中頻感應熱處理機、探傷儀等。

表1 U71MnG鋼軌中化學成分 %

閃光焊接與落錘試驗嚴格按照TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接 第1部分：通用技術條件》和TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第2部分：閃光焊》中相關要求進行。落錘高度3.1 m，在1 t錘頭自由落體錘下單個試件大于等于2次不斷視為合格，連續(xù)15個試件不斷視為通過落錘試驗。試驗組、對照組各17個試件，兩個組各有2個備用試件。

1.2 熱效率計算方法

假設不考慮焊機阻抗與感抗的作用時焊機輸入熱量為Q，閃光爆破拋射出的液態(tài)金屬物質所包含的熱量為Q1，剩下的熱量作為焊接所需的熱源，則在不考慮焊件向空氣中散熱時熱效率η［12］為

式中：H為鋼軌端面面積，取7 745 mm2；L為閃光焊接過程中母材損耗長度，由焊機位移傳感器采集，mm；ρ為鋼軌密度，取7 829.95 kg/m3；C為鋼軌的比熱容，1 300℃時C=691 kJ/（kg·℃）；Tf和T0分別為鋼軌熔點和初始溫度，設為1 300℃和20℃；S為鋼軌的熔化潛熱，設為300 J/g。Ui、Ii、ti分別為第i階段的電壓、電流和時間，可通過焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。

1.3 試驗參數(shù)設定

試驗組參數(shù)在對照組的基礎上考慮提高焊接過程的熱效率。試驗組參數(shù)設置思路：①在滿足不產生黏滯性短路的條件下設定最低電壓與電流，壓縮焊接時間，盡量降低閃光爆破強度，提高脈動閃光的熱效率。②焊縫處按照較陡的溫度梯度控制加熱時間和加熱總量。UN?200脈動閃光焊機的焊接分11個階段：前期（階段1）為閃平，中期（階段2—階段4）為脈動加熱，末期（階段5—階段9）為加速閃光，第10階段為頂鍛，第11階段為保壓。需要注意的是，1.2節(jié)的熱效率計算方法僅適用于頂鍛前各階段。通過正交試驗設計、極差分析、參數(shù)微調優(yōu)選試驗組參數(shù)。

第1階段—第8階段試驗參數(shù)見表2，第9階段試驗參數(shù)見表3。其中：V1i、V2i、V3i、V4i分別為第1階段—第8階段鋼軌送進速度；I1i、I2i、I3i、I4i分別為對應于V1i、V2i、V3i、V4i的反饋電流（i=1，2，…，8）。

表2 第1階段—第8階段試驗參數(shù)

表3 第9階段試驗參數(shù)

第1階段—第8階段焊接采用時間與位移雙控，任一項達到設定值時自動進入下一階段。第9階段以時間控制，時長7.5 s。

1.4 試驗結果分析

1.4.1 鋼軌損耗量和熱效率

鋼軌焊接過程中試驗組鋼軌損耗量與熱效率關系曲線見圖1?？芍汉附忧捌?、中期、末期熱效率與鋼軌損耗量成顯著負相關關系。熱效率排序總體上為中期≥前期＞末期。這是由于前期和中期焊接端面處液態(tài)過梁的爆破較為溫和，大部分接觸電阻產生的熱量都傳入焊件內部，因而熱效率高。15個試件前期、中期平均熱效率分別為89.6%和94.6%。末期熱效率降低，部分試件熱效率降至0.04%，這是因為末期閃光爆破極強烈，接觸電阻產生的熱量還來不及傳入焊件內部就隨著拋射金屬離開焊接端面。

圖1 試驗組焊接過程中熱效率與鋼軌損耗量（單位：mm）

試驗組與對照組試件各期次的平均鋼軌損耗量（以母材損耗的長度計）、平均熱效率見表4?？芍簩φ战M鋼軌損耗量在前期、中期、末期分別是試驗組的1.19、2.55、1.12倍；相較于對照組，試驗組在前期、中期、末期共減少母材消耗34.6%；試驗組的熱效率在前期、中期、末期分別比對照組提高2.5%、5.7%和11.3%。試驗組的熱效率末期提高得更顯著。

表4 15個試件各期次平均鋼軌損耗量與平均熱效率對比

1.4.2 熱輸入值

取試驗組與對照組各15個試件熱輸入值算術平均，結果見表5?？梢姡涸囼灲M焊接中期平均熱輸入值為3.80 MJ，占整個焊接過程總熱輸入值的59.6%。這是因為試驗組焊接中期電壓設定值較低，焊接端面在接觸—閃光—分離過程中不易激發(fā)出強烈閃光，因而被閃光爆破帶走的熱量相對較少，更多熱量進入焊件內部。整個焊接過程試驗組總熱輸入值為對照組的56.6%，表明試驗組參數(shù)降低能耗效果顯著。

表5 試驗組與對照組平均熱輸入值對比

2 落錘試驗

15個試件承受2錘未斷后使用切割機開口再落錘，觀察斷口宏觀形態(tài)（圖2），斷口無未焊合、過燒、夾渣缺陷。7個試件斷口未見明顯缺陷，8個試件斷口僅有一個灰斑，灰斑面積在3.0～7.5 mm2，符合規(guī)范要求（灰斑面積不大于10 mm2）。

圖2 試驗組試件開口再落錘斷口宏觀形態(tài)

3 結論

1）可根據(jù)鋼軌損耗量、熱輸入值等指標確定脈動閃光焊前期、中期和末期熱效率水平。熱效率計算方法較貼合生產實際情況，數(shù)據(jù)易獲取，且計算簡便。

2）熱效率對比試驗結果表明，焊接前期、中期、末期熱效率與鋼軌消耗成顯著負相關關系。總體上各期次熱效率依次是中期≥前期＞末期。焊接前期、中期、末期試驗組熱效率分別比對照組提高2.5%、5.7%和11.3%。試驗組中期熱輸入值為3.8 MJ，占整個焊接過程總熱輸入值的59.6%；整個焊接過程試驗組總熱輸入值為對照組的56.6%：表明試驗組參數(shù)降低能耗效果顯著。

3）落錘試驗結果表明，試驗組承受2錘未斷，開口再落錘斷口無未焊合、過燒、夾渣缺陷，斷口灰斑較少，單個灰斑面積未超過10 mm2，符合規(guī)范要求。試驗組參數(shù)與U71MnG軌的匹配度良好。