鋼軌閃光焊 技術(shù) 焊縫 傷損_圖文

1、閃光焊工作原理及鋼軌焊頭一、什么是閃光焊閃光焊也稱接觸焊，是在電阻對焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。焊接開始時(shí)，兩個(gè)金屬工件端面接觸，通過端面的接觸點(diǎn)導(dǎo)電，接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱加熱工件端部，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，工件接觸面的金屬熔化形成液態(tài)金屬層，通過外加縱向力擠出液態(tài)金屬，并使高溫金屬產(chǎn)生塑性變形，在結(jié)合面產(chǎn)生共同晶粒，獲得致密的熱鍛組織形成對接接頭。1. 閃光的形成過程在金屬工件相互靠近的過程中，端面間一些相互突出的凸點(diǎn)首先接觸，電流從這些接觸點(diǎn)通過時(shí)，由于導(dǎo)電面積突然減小，造成電流線彎曲與收 縮從而形成了接觸電阻，如圖1所示。 圖1 閃光面的接觸點(diǎn) 這些小接觸點(diǎn)的電阻很大，電流流過時(shí)被迅速加熱、熔

2、化，形成一個(gè)個(gè)液體金屬過梁，這些金屬過梁將熱量傳入焊件的內(nèi)部。每個(gè)過梁都存在液態(tài)表面張力、徑向壓縮效應(yīng)力、電磁引力和電磁斥力的作用，徑向壓縮力與流過過梁的電流強(qiáng)度平方成正比，在這些力的作用下過梁直徑減小，電流密度急劇增大，溫度迅速上升，使過梁內(nèi)部出現(xiàn)金屬蒸氣。金屬蒸氣使液體過梁體積急劇膨脹而爆破，熔化的金屬微粒從對口間隙中飛濺出來，形成了飛濺的火花。爆破后的位置留下一定深度的火口，為鄰近產(chǎn)生過梁創(chuàng)造了條件。閃光過程就是焊接端面不斷產(chǎn)生液態(tài)金屬過梁又連續(xù)不斷的爆破過程，并伴隨有工件金屬的燒損。2. 閃光的作用（1）加熱焊件。閃光過程中金屬液體過梁的電阻熱和過梁爆破時(shí)一部分噴射熔滴飛濺到對口面上帶

3、來的熱量對焊件加熱。（2）燒掉焊件端面上的贓物和不平之處。因此也就可以降低焊接前對焊件端面的打磨要求，用手提砂輪粗打磨即可。（3）金屬的液體過梁爆破時(shí)產(chǎn)生的高壓力、金屬蒸氣及CO 、CO 2氣體形成了保護(hù)氣氛，減低了焊件端面間隙中氣體介質(zhì)的氧化能力。（4）閃光后期，焊件斷面形成液態(tài)金屬覆蓋層，為頂鍛時(shí)排除端面的氧化物和過熱金屬提供了有利條件。3. 獲得閃光對焊優(yōu)質(zhì)接頭的條件（1）后期閃光過程不出現(xiàn)閃光中斷，加速燒化時(shí)閃光穩(wěn)定、激烈，有良好的保護(hù)氣氛。（2）焊接端頭應(yīng)形成足夠的加熱區(qū)和適當(dāng)?shù)?、均勻的溫度梯度；斷面溫度均勻。因此要求鋼軌端面垂直度（斜度）不大?.8mm ，高速軌的端面垂直度不大于

4、0.6mm 。（3）焊接端面要有足夠的塑性變形區(qū)。二、鋼軌閃光焊鋼軌閃光焊接按照閃光過程的特征分為連續(xù)閃光焊、預(yù)熱閃光焊、脈動(dòng)閃光焊三種類型。1. 連續(xù)閃光焊 圖2 連續(xù)閃光焊曲線圖2是K 型焊軌機(jī)連續(xù)閃光焊接過程記錄曲線，記錄有焊接電壓、電流、力、位移四個(gè)主要焊接參數(shù)與時(shí)間關(guān)系，從圖中可見，焊接過程中的焊接電流是連續(xù)的。焊接中期閃光電流穩(wěn)定在100200安培（焊接變壓器初級(jí)電流），動(dòng)架夾持鋼軌送進(jìn)穩(wěn)定，焊接壓力值恒定，位移是一條斜線。連續(xù)閃光焊分為預(yù)閃、低電壓閃光、加速閃光燒化、頂鍛、鍛壓（保持）五個(gè)階段。預(yù)閃的作用有二個(gè)：一是閃平鋼軌傾斜的端面、使隨后開始的焊接過程保持全斷面接觸閃光；二是

5、對鋼軌端面預(yù)加熱，減少焊接初期不穩(wěn)定閃光時(shí)間。連續(xù)閃光焊的主要焊接參數(shù)有：焊接時(shí)間、焊接電壓變化程序、燒化速度、燒化末速、反饋電流、頂鍛量。加速燒化是頂鍛前的重要階段，加速時(shí)間和加速末速是重要的參數(shù)。2. 預(yù)熱閃光焊預(yù)熱閃光焊的焊接階段有：閃平、預(yù)熱、燒化、加速燒化、頂鍛和鍛壓、后熱。圖3是第四代GAAS80焊機(jī)預(yù)熱閃光焊記錄曲線，記錄有焊接壓力、焊接電流、位移和時(shí)間的關(guān)系。預(yù)熱過程是加熱鋼軌的主要階段。 圖3 預(yù)熱閃光焊記錄曲線3. 脈動(dòng)閃光焊圖4是脈動(dòng)閃光焊記錄曲線，記錄有焊接壓力、焊接電流、位移和時(shí)間的關(guān)系。脈動(dòng)閃光焊與連續(xù)閃光焊相比較，其閃光過程中幾乎沒有過梁的自發(fā)爆破現(xiàn)象；在加熱鋼軌

6、的主要階段，閃光電流是不連續(xù)的。在焊接過程中它跟蹤的是電阻、電流；閃光燒化過程中焊接電流與送進(jìn)速度無關(guān)；燒化過程的送進(jìn)油壓是脈動(dòng)的。脈動(dòng)閃光焊已逐漸取代連續(xù)閃光焊，用于鋼軌焊接全過程大約2分多鐘。線路上移動(dòng)焊軌主要采用脈動(dòng)閃光焊方式。 圖4 線路上拉伸鋼軌焊接脈動(dòng)閃光焊曲線三、焊接參數(shù)調(diào)節(jié)功能1. 電壓的調(diào)節(jié)焊接電壓（焊接變壓器次級(jí)電壓）是決定鋼軌加熱狀態(tài)的基本焊接參數(shù)，它可以顯著地改變焊接時(shí)間和鋼軌的溫度梯度（不同斷面溫度之差）分布以及閃光過程的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的閃光過程是具有很細(xì)小的過梁尺寸和火口深度。 結(jié)合焊接過程選擇適合的電壓是很重要的。焊接電壓增高，則焊接電流增大，閃光過程也就更加激烈，

7、大尺寸的過梁爆破，造成大量熔化金屬的飛濺，使鋼軌端面的加熱深度減小，火口的深度加大，端面溫度分布不均勻，不能形成良好的焊接接頭；反之，當(dāng)焊接電壓較低時(shí)，焊接電流減小，將導(dǎo)致鋼軌送進(jìn)速度大于閃光燒化速度，易出現(xiàn)短路。2. 反饋電流的調(diào)節(jié)穩(wěn)定的閃光燒化是通過焊接電流的反饋進(jìn)行控制。閃光初期，可能出現(xiàn)一次或幾次較大的短路電流，它與焊接電源功率、鋼軌焊接回路阻抗、鋼軌端面接觸面積、及鋼軌初始溫度有關(guān)。在以后的低電壓閃光階段一般不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷；在加速燒化閃光階段也不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷。頂鍛前出現(xiàn)閃光電流短路或斷路都會(huì)影響焊接接頭質(zhì)量。3. 加速燒化加速閃光燒化過程是焊接循環(huán)必不可少的一個(gè)階段，也是頂鍛前的

8、重要階段，加速時(shí)間和加速末速是重要的焊接參數(shù)。加速使鋼軌端面接觸的觸點(diǎn)增多，形成過梁的爆破也逐漸激烈，可以看到激烈的火花飛濺。激烈的閃光能夠形成良好的保護(hù)氣氛，為頂鍛創(chuàng)造了良好條件。加速閃光燒化階段通常是切斷電流反饋控制，或加大反饋電流值。預(yù)熱閃光焊加速程度應(yīng)比連續(xù)閃光焊和脈動(dòng)閃光焊的加速程度大一些。4. 頂鍛和鍛壓頂鍛量、頂鍛時(shí)間、頂鍛力是重要的焊接參數(shù)。頂鍛過程分為兩個(gè)階段：（1）有電流頂鍛。該階段是在通電狀態(tài)下進(jìn)行的，以保證鋼軌端部的溫度并有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。帶電頂鍛時(shí)間通常設(shè)置在0.5秒1.2秒，時(shí)間長一點(diǎn)有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。（2）無電流頂鍛。該階段是在切斷

9、電壓（實(shí)際上是切斷電流）后，繼續(xù)保持頂鍛壓力，使液態(tài)金屬及氧化物夾雜徹底被擠出，并排除過熱金屬，使焊縫繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，形成致密的焊接接頭。頂鍛壓力的大小取決于鋼軌材質(zhì)的高溫性能和鋼軌的加熱狀態(tài)及加熱區(qū)的分布。國外資料介紹，900 MPa的高碳軌頂鍛壓力為60 MPa(60kg/m鋼軌頂力約為4647噸 ；1100 MPa的合金軌頂鍛壓力為7080MPa （60kg/m鋼軌頂力約為5462噸）。頂鍛力過小，夾雜物不容易排凈，塑性變形不足；頂鍛力過大，則塑性區(qū)被過分?jǐn)D壓，晶紋彎曲，接頭沖擊性能下降。頂鍛開始的合縫速度（頂鍛速度）應(yīng)越快越好，以防止端面氧化。頂鍛速度應(yīng)大于30mm/s。四、鋼軌焊接

10、熱循環(huán)1. 焊接熱源鋼軌焊接是焊接回路的電流通過鋼軌內(nèi)部電阻和端部電阻所產(chǎn)生的電阻熱來實(shí)現(xiàn)的，遵循焦耳-楞次定律的變化，其熱量可以近似用如下公式表示: Q=0.24I2(Rc +2Rg t式中： Q 總熱量(calI通過鋼軌的電流（A ）R c 焊件端面的接觸電阻（）R g 焊件內(nèi)部電阻（）t 通電時(shí)間（t ）焊接開始時(shí)，鋼軌處于環(huán)境溫度下的冷態(tài)，內(nèi)部電阻R g 很小，接觸電阻R c 相對較大，隨著加熱溫度的升高，并在焊接壓力作用下, 接觸端面產(chǎn)生塑性變形，促使接觸表面氧化膜破壞和純金屬接觸面積不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致接觸電阻很快減少，焊接電流增大。隨著加熱溫度的升高，又使得鋼軌端部電阻增大，導(dǎo)致鋼軌端

11、部熱量最大，溫度也最高。2. 焊接熱循環(huán) 在焊接熱源作用下，鋼軌焊接端頭某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化過程稱為“焊接熱循環(huán)”。鋼軌縱向距離焊縫不同位置各點(diǎn)被快速加熱、冷卻的速度是不相同的，最高加熱溫度（峰值溫度）也是不相同的。圖5是GAAS80/580焊機(jī)焊接60kg/m鋼軌距離焊縫1mm 處的熱循環(huán)曲線。通過焊縫熱循環(huán)曲線可以觀察到焊接峰值溫度、冷卻速度（800冷卻到500的平均冷卻速度）。 圖5 60kg/m U76NbRE鋼軌預(yù)熱閃光焊熱循環(huán)記錄曲線(預(yù)熱14次 試驗(yàn)表明，無論采用哪種閃光焊方式，焊縫的峰值溫度均在1300左右，而冷卻速度與焊接工藝和環(huán)境溫度有關(guān)。根據(jù)鐵科院金化所以往的科研試驗(yàn)結(jié)

12、果統(tǒng)計(jì)， 60kg/m鋼軌閃光焊接頭的冷卻速度在0.91.2/s ,低于U71Mn 、U75V(PD3、U76NbRE(BNbRE鋼軌鋼出現(xiàn)馬氏體組織的臨界冷卻速度。不同牌號(hào)鋼軌的臨界冷卻速度是通過鋼廠提供焊接CCT 圖獲取的。高合金鋼軌在低溫環(huán)境焊接時(shí)，需要增加后熱來降低焊縫冷卻速度。2. 焊縫和熱影響區(qū)焊接接頭是由焊接區(qū)和毗鄰的鋼軌母材構(gòu)成的，焊接區(qū)又劃分為焊縫和熱影響區(qū)，其力學(xué)性能差于鋼軌母材。（1）焊縫: 焊縫很窄，寬度只有零點(diǎn)幾毫米，宏觀照片上焊縫是一條白線（見圖6a ）, 是一層氧化脫碳的貧碳層，金相組織是珠光體和少量的網(wǎng)狀鐵素體（見圖6b ），硬度低落較大。（2）熱影響區(qū)（HAZ

13、 ）：熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)是焊接高溫形成的過熱區(qū)，其晶粒粗大，該區(qū)金屬硬度高、塑性和韌性差。細(xì)晶區(qū)是焊接溫度小于1000正火區(qū)，晶粒較細(xì)，該區(qū)金屬塑性和韌性較好。不完全重結(jié)晶區(qū)又稱為部分相變區(qū)，其晶粒大小不一。熱影響區(qū)對稱分布焊縫兩側(cè)，總寬度約40mm 左右。圖6a 是精加工后焊頭縱向板宏觀照片，焊縫兩側(cè)白色影線之間區(qū)域是熱影響區(qū)。 圖6a 焊縫及熱影響區(qū)宏觀形貌 圖6b 焊縫金相組織五、焊接接頭熱處理1. 熱處理作用鋼軌分為熱軋軌和熱處理軌。熱處理軌焊接后接頭的硬化層消失，原有的強(qiáng)度和韌性降低。對焊后接頭再次加熱，然后噴風(fēng)處理加速其冷卻來恢復(fù)損失的強(qiáng)度、硬度和韌

14、性。在國外，熱軋軌焊后不再進(jìn)行正火或熱處理, 我國鐵路早期焊軌也不進(jìn)行焊后正火，由于八十年代后新牌號(hào)鋼軌出現(xiàn)，焊后接頭較難通過落錘檢驗(yàn), 正火后焊頭韌性提高，相對提高了落錘通過幾率。1 焊后正火：正火目的是將焊接熱循環(huán)過程形成的粗晶細(xì)化，提高韌性；正火也會(huì)改善焊接殘余應(yīng)力的分布。正火過程是焊頭重新經(jīng)受一次加熱升溫和自然冷卻的熱循環(huán)，峰值溫度宜限制在950。峰值溫度低會(huì)降低接頭強(qiáng)度和出現(xiàn)低硬度。圖7是焊頭正火前后硬度對比：正火前的焊頭軌頂面硬度高于鋼軌母材，低硬度區(qū)很窄，其寬度不到10mm ；U71Mn 、PD3(U75V焊頭正火后的軌頂面縱向出現(xiàn)約80mm 寬度低硬度區(qū)，對高速列車運(yùn)行是不利的

15、。 圖7 焊接接頭正火前后軌頭縱向硬度分布曲線正火應(yīng)注意：1焊縫溫度低于500時(shí)再重新加熱；2正火熱影響區(qū)寬度應(yīng)在70mm 左右并完全覆蓋焊接熱影響區(qū)；3正火最高溫度不超過950。 不同牌號(hào)鋼軌具有不同最佳正火溫度，最佳溫度應(yīng)是強(qiáng)度和硬度的優(yōu)化組合。鋼軌在閃光焊時(shí)經(jīng)歷了復(fù)雜的熱、力學(xué)過程，它會(huì)對焊頭造成不同于鋼軌母材的影響。 圖8 焊頭正火溫度與沖擊韌度的熱模擬試驗(yàn)結(jié)果圖8是在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱模擬試樣的常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可見U71Mn 鋼軌與焊頭最佳溫度是不相同的，其焊頭正火溫度應(yīng)選擇在910950。2 焊后熱處理:正火后的焊頭沖擊韌性得到大幅提高，但是強(qiáng)度和硬

16、度降低, 焊頭整體性能未得到明顯改善。正火熱影響區(qū)硬度未達(dá)到鋼軌母材的90或更低時(shí)，會(huì)形成運(yùn)行線路上的低接頭。列車經(jīng)過低接頭產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，加速焊頭損毀。熱處理的目的是通過加熱焊接接頭到最佳溫度后，進(jìn)行噴風(fēng)冷卻，從而得到具有細(xì)片狀珠光體組織，獲得較高硬度值。熱處理主要工藝參數(shù)有峰值溫度、噴風(fēng)壓力、噴風(fēng)開始溫度、噴風(fēng)結(jié)束溫度等。通過工藝參數(shù)調(diào)整使焊頭的硬度、拉伸及沖擊性能達(dá)到TB/T1632.2-2005的質(zhì)量要求。開始噴風(fēng)的軌頭溫度不宜低于850，噴風(fēng)結(jié)束的軌頭溫度不宜高于500。噴風(fēng)最高冷卻速度與鋼軌化學(xué)成分有關(guān)，U71Mn 最高冷速2.5s -1；U75V 最高冷速3.0s -1；否則會(huì)出

17、現(xiàn)馬氏體組織。在相同冷速下，加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變后的硬度也越高。這是由于隨著奧氏體化溫度的升高，奧氏體更為穩(wěn)定，使得珠光體轉(zhuǎn)變溫度降低，得到較細(xì)珠光體組織。鋼軌預(yù)熱閃光焊工藝(GAAS80/580一、GAAS80焊機(jī)概述該焊機(jī)是直流焊機(jī)，第一個(gè)字母G 表示直流，第二個(gè)字母A 表示閃光，第三個(gè)字母A 表示自動(dòng)，第四個(gè)字母S 表示鐵路，80表示頂鍛力是80噸。我國鐵路從八十年初引進(jìn)第一代焊機(jī)至今已經(jīng)進(jìn)口到第五代焊機(jī)。早期是GAAS/700型，控制裝置是DX200(DX300和PY100，額定功率700KVA ，現(xiàn)在的GAAS80/580額定功率580KVA （暫載率50），焊接全過程計(jì)算機(jī)控制，并安

18、裝有專用制圖軟件，記錄焊接全過程主要焊接參數(shù)隨時(shí)間變化過程。焊機(jī)動(dòng)架與主機(jī)架各有一組內(nèi)、外對中臂組成的對中機(jī)構(gòu), 自動(dòng)將焊接軌進(jìn)行對正，當(dāng)軌端出現(xiàn)尺寸偏差時(shí)，仍需要焊工憑視覺感官再次調(diào)整軌頭工作面對中精度。二、焊接回路焊機(jī)使用三相380伏交流電源。兩組焊接變壓器與可控硅三相調(diào)壓、大功率二級(jí)管整流器組組成焊接電源，分別通過導(dǎo)電母排與夾持鋼軌軌頭、軌底兩組電極饋電，空載時(shí)的六相整流輸出脈動(dòng)直流電壓較高，參見圖1。 圖1 焊接全過程電壓變化曲線 (14次預(yù)熱、2次后熱從圖中可見，空載電壓10伏, 閃光電壓設(shè)置850時(shí), 實(shí)際閃光電壓約6.3伏。前3次預(yù)熱電壓設(shè)置400，后11次設(shè)置450。焊機(jī)制造廠

19、專家要求預(yù)熱相位控制應(yīng)小于590.預(yù)熱閃光焊的焊接回路電流很大，預(yù)熱電流一般可達(dá)到6萬安培左右，頂鍛電流瞬時(shí)最高可達(dá)到10萬安培左右，要求焊接回路電器元件須有很好的冷卻，帶走其產(chǎn)生的大量電阻熱。焊接變壓器、可控硅和整流器的冷卻是使用獨(dú)立的第三級(jí)冷水機(jī)系統(tǒng)。對于大功率二極管我們曾用分流器和0.5級(jí)磁電式電壓表單獨(dú)對其檢測，當(dāng)電流100A 時(shí)的壓降U=0.7V；當(dāng)電流200A 時(shí)的壓降U=0.8V；大于其說明書的0.2V 。因此設(shè)置的閃光電壓相位控制不能太小，我們曾將閃平電壓減小到550左右，發(fā)現(xiàn)閃光火花很不穩(wěn)定。由于焊接電流大，就需要焊接軌與電極接觸部位打磨良好，露出鋼軌的金屬光澤，減小與焊機(jī)電

20、極之間接觸電阻。三、焊機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊機(jī)全套設(shè)備安裝完畢之后、在使用前必須進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)調(diào)節(jié)是對焊機(jī)的油壓傳感器、位移傳感器和電流傳感器進(jìn)行調(diào)試，對傳感信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。自動(dòng)調(diào)節(jié)也是對機(jī)器的彈性所產(chǎn)生的位移偏差進(jìn)行補(bǔ)償。隨機(jī)攜帶的標(biāo)準(zhǔn)工件（黃鋼軌）是校準(zhǔn)鋼軌，用于標(biāo)定焊接電流脈沖。在下列情況下也必須進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)：(1更換全套Swep06控制裝置；（2）更換位移傳感器或移動(dòng)過位移傳感器又重新安裝之后；（3）更換傳感器電路板（NM 板）之后；（4）焊機(jī)大修之后、鑒定之前。自動(dòng)調(diào)節(jié)項(xiàng)目共有8項(xiàng)，分別是壓力傳感器前側(cè)零位調(diào)節(jié)、壓力傳感器后側(cè)零位調(diào)節(jié)、頂鍛油缸活塞面積比、標(biāo)稱力、位移零位調(diào)節(jié)、位移校準(zhǔn)、機(jī)器

21、彈性和電流調(diào)節(jié)。開始自調(diào)之前, 必須按規(guī)定的順序進(jìn)行準(zhǔn)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)完成之后，在Swep06控制裝置前面顯示窗口顯示自調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的誤差。調(diào)節(jié)結(jié)果顯示“L ”, 表示該項(xiàng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確；調(diào)節(jié)結(jié)果顯示“H ”, 表示該項(xiàng)調(diào)節(jié)未達(dá)到規(guī)定的精度。如果第8項(xiàng)結(jié)果顯示“H ”表示電流調(diào)節(jié)未達(dá)到規(guī)定的精度，可能是校準(zhǔn)鋼軌與焊機(jī)電極的接觸表面導(dǎo)電不良。四、焊接過程控制焊接控制系統(tǒng)主要由控制器Swep06和可編程控制器PLC 組成，Swep06、具備有焊接指令、檢測控制和顯示裝置，能對自身和外部系統(tǒng)進(jìn)行檢測和診斷，對焊接過程實(shí)施計(jì)算機(jī)程序控制。PLC 是執(zhí)行Swep06的指令，由可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定

22、時(shí)和計(jì)數(shù)等；通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制執(zhí)行元件完成焊接過程。焊接開始之前，Swep06發(fā)出指令，PLC 執(zhí)行對鋼軌的夾持對中，對中完畢PLC 再將指令反饋到Swep06，Swep06進(jìn)行焊接準(zhǔn)備的確認(rèn)并執(zhí)行焊接程序。焊接結(jié)束，Swep06再將信息反饋回PLC,PLC 確認(rèn)后開始執(zhí)行夾鉗升起、推凸并檢查動(dòng)架后退條件是否具備。條件具備時(shí), 再發(fā)出后退指令給Swep06, 動(dòng)架退回原始位置等待下一次焊接指令。圖2為Swep06控制焊接過程示意圖。三相交流電源采用雙向可控硅調(diào)壓，經(jīng)過焊接變壓器組降壓和次級(jí)六相整流，再通過匯流排和電極將電流輸送到被夾持的鋼軌。動(dòng)架的驅(qū)動(dòng)由伺服控制系統(tǒng)執(zhí)行。焊接

23、主要工藝參數(shù)電壓、電流、位移、速度、壓力分別通過可控硅相位控制、電流傳感器、位移傳感器、油壓傳感器的信號(hào)采集，再經(jīng)過電子電路轉(zhuǎn)換、輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處 理結(jié)果由屏幕顯示實(shí)際焊接參數(shù)。 圖2焊接過程示意圖Swep06的一個(gè)焊接程序最多分為10個(gè)步驟（0110STEP ），可選6種不同的步驟類型（0106CODE ）。每個(gè)步驟設(shè)置的參數(shù)中，電壓、電流、壓力、速度是以千分?jǐn)?shù)( 表示，不代表真實(shí)的數(shù)值量。輸入和顯示的時(shí)間量、位移量是真實(shí)的數(shù)值，時(shí)間單位是秒、位移單位是毫米。位移的零點(diǎn)就是基本步驟中所確定的基準(zhǔn)點(diǎn)。基本步驟是第一步驟（01STEP ），其步驟類型的代碼是01（01CODE ）

24、。 閃光步驟類型的代碼是02（02CODE ），它設(shè)置在預(yù)熱之前稱為“閃平”，設(shè)置在預(yù)熱后稱為“燒化”。它分為第一處理段和第二處理段，兩段設(shè)置的焊接參數(shù)項(xiàng)相同，數(shù)值可以相同也可以不同。閃平是第二步驟（02STEP ），它通常只在第一處理段設(shè)置焊接參數(shù)。在預(yù)熱后的燒化階段，通常在兩個(gè)處理段均設(shè)置不同的參數(shù)。當(dāng)?shù)诙幚矶蔚拈W光速度大于第一處理段閃光速度時(shí)，燒化速度是遞增的，即加速燒化（漸進(jìn)閃光）。閃平不僅是閃平鋼軌端面斜度，而且具有較強(qiáng)的加熱作用。電流設(shè)定值（反饋電流）和閃光速度的匹配會(huì)影響到加熱效率。閃平之初出現(xiàn)大電流脈沖，有可能是鋼軌端面接觸面大造成的，但是經(jīng)常出現(xiàn)較長時(shí)間大電流脈沖，就應(yīng)考慮

25、上述兩參數(shù)匹配是否合理。預(yù)熱步驟類型的代碼是04（04CODE ）。每次預(yù)熱脈沖的電流加熱時(shí)間包括快速閃光時(shí)間?？焖匍W光的移相值最大，它用于閃除鋼軌端面氧化膜、閃平凸凹和均勻端面電流密度。其時(shí)間通常選擇1秒左右。如果預(yù)熱后期熱量過高，會(huì)導(dǎo)致鋼軌向后過量移動(dòng)，超過變形極限，就可能丟失預(yù)熱脈沖。頂鍛步驟類型的代碼是06(06CODE。頂鍛分為快速頂鍛和后頂鍛兩個(gè)階段。頂鍛之初，伺服閥以最大的設(shè)置速度響應(yīng), 隨之頂鍛閥提供足夠的油量快速頂鍛。當(dāng)采用自由頂鍛時(shí)，后頂鍛階段的 “走行極限”應(yīng)設(shè)置較大數(shù)值。五、看焊接記錄曲線 圖3 超規(guī)范的焊接記錄曲線圖3是某個(gè)焊頭的記錄曲線，它是由繪圖軟件根據(jù)采集的焊接

26、數(shù)據(jù)繪制而成。圖中的紅色細(xì)線標(biāo)識(shí)參數(shù)值的最大值和最小值，當(dāng)某個(gè)參數(shù)的實(shí)際值超過最大值或最小值時(shí)，則在其附近用小的紅色長方塊顯示，并標(biāo)出數(shù)值。從上圖可以看到超規(guī)范的參數(shù)有：第一次預(yù)熱時(shí)間、燒化時(shí)間、頂鍛電流、頂鍛量、有電流頂鍛時(shí)間、鍛壓時(shí)間。焊接規(guī)范的限定范圍（最大值和最小值），通常是根據(jù)型式試驗(yàn)落錘檢驗(yàn)的效果制定出來的。也可以參考其他同型號(hào)焊機(jī)焊接相同牌號(hào)鋼軌的規(guī)范，再通過焊接試驗(yàn)及落錘結(jié)果進(jìn)行修正。焊接規(guī)范的限定范圍太窄，將會(huì)出現(xiàn)較多錯(cuò)判焊頭；焊接規(guī)范的限定范圍太寬，也會(huì)出現(xiàn)一些漏判焊頭。在正常焊軌生產(chǎn)中，若出現(xiàn)超規(guī)范焊頭，應(yīng)當(dāng)鋸切重焊。焊接工位及焊接缺陷一、焊接工位1. 焊前除銹工位對待焊

27、軌的端面以及與焊機(jī)電極接觸的部位除銹的目的是去其表面污垢和銹蝕、氧化皮，最大限度減少與焊機(jī)電極之間的接觸電阻。鋼絲刷輪式除銹機(jī)雖然對鋼軌母材的磨削量小, 但是不能磨除待焊軌表面的氧化層, 導(dǎo)致接觸電阻大而影響鋼軌端面加熱效果。因此，后續(xù)應(yīng)使用角向拋光機(jī)磨除氧化皮，露出金屬光澤。除銹長度應(yīng)大于焊機(jī)電極長度，軌底除銹寬度應(yīng)大于電極寬度, 并認(rèn)真檢查軌底的除銹質(zhì)量。2. 焊接工位焊接軌應(yīng)以軌頂和側(cè)工作邊為基準(zhǔn)對中，并檢查鋼軌端部扭曲；扭曲允 許偏差可參照鐵標(biāo)TB/T1632.2-2005表1接頭錯(cuò)邊量最大允許值。電極灼傷只發(fā)生在焊機(jī)電極與鋼軌接觸的導(dǎo)電部位，是由于電極與鋼軌接觸不良或存在殘?jiān)?，在焊?/p>

28、開始出現(xiàn)的“灼傷”或“打火”而產(chǎn)生馬氏體、滲銅現(xiàn)象。“灼傷”或“打火”會(huì)在軌面和電極留有痕跡。打火的焊渣嵌入電 極后，其硬度比銅鉗口硬度高，鼓出電極面，若不磨平還會(huì)“打火”。由于灼傷部位常出現(xiàn)在軌底且距離焊縫100毫米之外，不易被發(fā)現(xiàn)。每個(gè)焊工焊后必須檢查軌底、軌頂和電極表面，對導(dǎo)電不良電極面要及時(shí)修磨或更換。為了預(yù)防電極灼傷, 焊工要在壓緊鋼軌前仔細(xì)清理上下電極鉗口及定位螺栓孔；二次壓緊鋼軌前再次清理鋼軌底面及鉗口電極面，將吸附的焊渣清理干凈。發(fā)現(xiàn)灼傷的焊頭必須鋸切處置。焊工要注意觀察焊接全過程，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)終止焊接。焊后要立即檢查焊接記錄曲線和參數(shù)，曲線異常和參數(shù)超出工藝規(guī)范時(shí)要查找原因。

29、3. 焊后打磨鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)TB/T1632.2-2005中要求“應(yīng)沿鋼軌縱向打磨，鋼軌打磨表面不應(yīng)出現(xiàn)打磨灼傷”?？v向打磨是指手持砂輪打磨時(shí)，火花沿著鋼軌縱向飛出。細(xì)打磨時(shí)，仿形打磨機(jī)沿著鋼軌縱向移動(dòng)。長時(shí)間用力打磨同一位置時(shí)，局部鋼軌表面會(huì)迅速升溫、又快速冷卻，易出現(xiàn)打磨灼傷。需要區(qū)分軌溫在300左右打磨時(shí)出現(xiàn)的發(fā)藍(lán)與打磨灼傷是不同的。軌底打磨要仔細(xì)，不僅要磨除推凸余量，還要磨除軌底角的圓弧，消除可能存在的“過燒”缺陷。4. 正火工位中頻感應(yīng)加熱過程中存在透入式和傳導(dǎo)式加熱，透入式是使鋼軌表面渦流強(qiáng)度大、升溫快, 表層隨著溫度升高到居里點(diǎn)而失去磁性，渦流不斷向內(nèi)層遷移，高溫不斷向深度移動(dòng)，失

30、磁的部分依靠傳導(dǎo)式加熱，升溫慢，熱損失大。當(dāng)感應(yīng)圈縱向偏離焊縫時(shí)，感應(yīng)加熱也隨之偏離焊縫，造成焊縫兩側(cè)溫升偏差大；噴風(fēng)頭對不正焊縫噴風(fēng)，會(huì)造成焊縫兩側(cè)冷卻效果偏差大，這些現(xiàn)象都將導(dǎo)致焊縫兩側(cè)硬度不對稱、軟化區(qū)寬度不同。峰值溫度低、加熱停止與開始噴風(fēng)間隔時(shí)間長、感應(yīng)圈與鋼軌表面間隙不均勻也都會(huì)影響到焊頭熱處理效果。正火溫度低、未達(dá)到金屬相變溫度時(shí)（未正透），觀察落錘斷口的金屬光澤會(huì)有明顯不同。5. 平直度與不平度我國鐵路鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中的平直度要求見表1。鋼軌平直度允許偏差 表1 鋼軌焊接接頭的TB/T1632.1-2005標(biāo)準(zhǔn)中平直度要求見表2.焊頭平直度允許偏差 表2 從以上兩表內(nèi)容可見焊接接頭平

31、直度（直線度）要求是很高的。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱處理以后又設(shè)置了細(xì)磨、時(shí)效、矯直、精磨和修磨工序。平直度檢驗(yàn)合格的焊頭并不能保證線路運(yùn)行的平直度，排除線路因素外，焊頭正火、熱處理效果差將導(dǎo)致硬度低、軟化區(qū)寬，形成線路上低接頭。這種內(nèi)部質(zhì)量差所引發(fā)的焊頭外觀缺陷是不可逆轉(zhuǎn)的。在鐵標(biāo)對鋼軌的表面質(zhì)量要求中，允許存在的“熱態(tài)下形成的鋼軌縱向?qū)虬骞蝹⒛ズ?、熱刮傷、縱裂、氧化皮壓入”的最大深度:1軌頭踏面0.5mm(高速鐵路用軌0.35mm, 2鋼軌其他部位0.5mm ；冷態(tài)下形成的鋼軌劃痕、碰傷的深度：1軌頭踏面和軌底面0.4mm(高速鐵路用軌0.3mm ，2鋼軌其他部位0.5mm 。在TB/T

32、1632.1-2005的標(biāo)準(zhǔn)要求中，“焊接接頭及其附近鋼軌表面不應(yīng)有裂紋、明顯壓痕、劃傷、碰傷”，顯然高于鋼軌的表面質(zhì)量要求。在焊接標(biāo)準(zhǔn)中的不平度要求比較低，其測量范圍只限定在焊縫兩側(cè)各100mm 長度范圍，直尺與軌頭頂面間隙不大于0.2mm 為合格。二、焊接缺陷1. 外觀質(zhì)量缺陷焊接接頭的外觀缺陷包括兩類，一類是焊接加工造成的，另一類是鋼軌外形尺寸偏差造成的。閃光焊的外觀缺陷主要是接頭錯(cuò)邊（錯(cuò)口）和平直度偏差。出現(xiàn)錯(cuò)邊的工位通常是發(fā)生在焊接工位。出現(xiàn)錯(cuò)邊與焊工操作、焊機(jī)工況有關(guān)。焊接標(biāo)準(zhǔn)中的允許錯(cuò)邊量要求0.5mm ，主要考慮K 型鋼軌移動(dòng)焊機(jī)不能實(shí)現(xiàn)以工作邊為基準(zhǔn)的水平對中?；厥褂霉潭ㄊ?/p>

33、焊機(jī)，均能實(shí)現(xiàn)以工作邊為基準(zhǔn)水平對中，因此錯(cuò)變量須嚴(yán)格要求小于0.5mm ，高速鐵路應(yīng)限制在0.2mm 以內(nèi)，以減少焊頭矯直、精磨量。推凸缺陷：推凸到焊縫另一側(cè)鋼軌表面形成的舌狀包邊，相當(dāng)于一個(gè)尖劈，出現(xiàn)應(yīng)力集中，會(huì)造成在線路上焊頭早期疲勞斷裂，這種推凸缺陷與推刀、鋼軌的外形尺寸偏差相關(guān)聯(lián)。推凸刀熱刮傷軌頂面或軌底面，刮傷缺陷無法修復(fù)時(shí)，只能鋸切焊頭重 焊。此類缺陷常發(fā)生在移動(dòng)閃光焊。應(yīng)注意重焊時(shí)的溫度不要高于50；溫度高需要澆水冷卻時(shí)，其澆水溫度不能高于400。2. 內(nèi)部質(zhì)量缺陷（1）過燒缺陷過燒產(chǎn)生與下列因素有關(guān)：頂鍛前的鋼軌端面液態(tài)金屬層厚薄不均勻；焊接端頭的溫度梯度陡，縱向沒有足夠的塑

34、性變形區(qū)；頂鍛時(shí)的鋼軌端面過熱熔渣未完全擠凈形成過燒組織。過燒的破壞作用相當(dāng)于多個(gè)碎裂紋存在軌底焊縫和近縫區(qū)。過燒常常出現(xiàn)在軌底和軌底上、下角位置，超聲波探傷比較容易探查出這種缺陷。（2）裂紋焊接裂紋分為冷裂紋和熱裂紋。焊接冷裂紋是在較低溫度形成的，通常是指在溫度低于200時(shí)產(chǎn)生的，又稱之為低溫裂紋。馬氏體的數(shù)量是產(chǎn)生冷裂紋（微裂紋）的重要原因；冷裂紋的產(chǎn)生還與應(yīng)力或應(yīng)變有關(guān)，凡是在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大拉伸應(yīng)變的部位或應(yīng)變集中部位，容易產(chǎn)生冷裂紋。線路移動(dòng)閃光焊的焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋主要是熱裂紋，其斷裂面有明顯的高溫氧化特征（黑色-藍(lán)色）。裂紋常起源于軌腰, 向軌頭或軌底發(fā)展。 起裂的原

35、因是焊接接頭在高溫狀態(tài)下（焊后或正火）受到縱向張拉力。（3）微量馬氏體鋼軌中馬氏體是高碳馬氏體，又稱片狀馬氏體。它與鋼軌母材中C 、Mn 、Si 、V 等元素偏析相關(guān)聯(lián)。鋼軌經(jīng)過焊接熱循環(huán)作用，這些元素偏析會(huì)加重，如果出現(xiàn)在近縫區(qū)，即使在正常的冷卻速度也會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的馬氏體組織。圖1是U76NbRE 鋼軌焊頭出現(xiàn)的微量馬氏體金相照片，從左到右的5個(gè)維氏硬度測點(diǎn)分別為321HV 、524HV 、603HV 、358HV 、345HV, 其中第二、三點(diǎn)是馬氏體硬度。進(jìn)一步用掃描電鏡分析馬氏體成分，其中Mn 含量達(dá)2.14%，超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)1.20%的Mn 含量近一倍；稀土La (鑭 的含量達(dá)1.92

36、%、Ce(鈰 的含量達(dá)2.00%，均已大大超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)要求0.023%的含量。 圖1 焊縫區(qū)馬氏體組織（400）馬氏體如果存在軌頭位置，這些微量馬氏體伴隨的微裂紋在運(yùn)營線路上就會(huì)形成危險(xiǎn)的核傷。（4）灰斑灰斑是允許存在的缺陷，但是其面積大小有限制。灰斑只是出現(xiàn)在焊縫面，呈現(xiàn)平的和光滑的形貌。U71Mn 鋼軌焊頭焊縫端面上的灰斑是無光澤的，U75V 鋼軌焊頭焊縫端面上的灰斑是光亮的?；野呖梢猿霈F(xiàn)在焊縫斷面任何位置，當(dāng)出現(xiàn)在軌頭時(shí)，其成分中含有的 硅酸鹽夾雜物在運(yùn)營線路中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并以此為核心發(fā)展成縱橫向裂紋形成核傷。3. 灰斑的形成機(jī)理及焊接工藝調(diào)整在英國Network Rail的鋼軌焊接

37、生產(chǎn)規(guī)范中（2003年第3版）對灰斑的定義是：flat spot(平斑 。我國稱這種“平斑”為灰斑?；野唠m然對屈服強(qiáng)度沒有明顯的影響，但使得斷裂強(qiáng)度有所下降；延伸率明顯減小。國內(nèi)外同行對灰斑的起因還未取得一致的看法，最早Brrett 認(rèn)為是與氧化物有關(guān)的缺陷，Savage 早期也傾向于這種意見，后來Savage 等研究了各種參數(shù)對閃光焊質(zhì)量的影響后，認(rèn)為熔化凹坑（火口）中液態(tài)金屬成分的改變是這種缺陷產(chǎn)生的原因。頂鍛時(shí)，在較深的熔化的凹坑中，液態(tài)金屬被封閉而不能排擠出，成為一薄層，并出現(xiàn)成分不同的區(qū)域。國內(nèi)對灰斑形成的原因也有不同的看法。原西南反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)院的周邦新曾對12Cr1MoV 鋼

38、管閃光后的灰斑用電子探針對其中的夾雜物做過分析，主要成分是SiO 2和MnO 。對于灰斑的金相，Savage 曾報(bào)導(dǎo)在碳鋼閃光焊灰斑周圍，總是有馬氏體，這可能就是因?yàn)镸n 含量增加而提高了淬透性的緣故。在閃光焊頂鍛時(shí)，熔化的金屬與氧化物一起被擠壓，并沿著垂直工件的邊緣方向流動(dòng)，未被排擠干凈殘留在焊縫中的氧化物就形成了斷口上的灰斑。氧化物在頂鍛時(shí)是否容易被擠出，主要決定于擠壓量和它的流動(dòng)性，流動(dòng)性又取決于氧化物的溫度及成分。氧化物的成分與鋼中合金成分及含量有關(guān)。鋼的化學(xué)成分對產(chǎn)生灰斑有一定的影響。焊接溫度高時(shí)，氧化物的流動(dòng)性好，容易被擠出。因而用移相的辦法降低閃光焊的電壓時(shí)，灰斑明顯增加。因此，

39、在鋼軌焊接的加速燒化階段通常是選擇較高的焊接電壓和較高的反饋電流。大多數(shù)灰斑在接頭加熱溫度較低時(shí)出現(xiàn)。焊接端面的加熱溫度、頂鍛量、頂鍛加速度及鋼中合金成分等對形成灰斑有影響。提高頂鍛時(shí)的加速度，即使氧化物排擠不干凈，也可進(jìn)一步使其呈彌散分布，因而提高頂鍛加速度對 保證焊接質(zhì)量也有幫助。沈陽鐵路局與中科院金屬所在1987年2月的“金屬學(xué)報(bào)”上發(fā)表文章，對灰斑的成分和焊接工藝的影響進(jìn)行了分析：用掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)灰斑與基體的顯微形貌截然不同，這兩種不同的斷口形貌說明灰斑與基體斷口是由不同斷裂機(jī)制引起的。X 射線能譜分析發(fā)現(xiàn)灰斑中的Si 含量較基體高35倍；Mn 含量較基體 高510倍；Fe 的含量較基體低。在灰斑斷口上Si 、Mn 等元素的分布僅在灰斑中某些部位富集；并以形成含Si 、Mn 相的形式而富集。對于碳鋼來說，這種相一般應(yīng)為含Mn 的硅酸鹽夾雜物，常見的有兩種：MnSiO 3；MnAl 2Si 3O 12。在灰斑中的夾雜物分布是不均勻的。在加速閃光燒化