摘要: 本文介紹了UN5-150Z鋼軌閃光焊機焊接工藝參數的選擇,及調整主要參數克服焊接鋼軌產生的缺陷。通過一組實例闡述鋼軌焊接參數的選擇,對今后鋼軌閃光焊機焊接具有參考作用。

　　關鍵詞：UN5-150Z鋼軌閃光焊機,鋼軌焊接工藝參數,選擇

　　閃光焊是現代軌道交通無縫線路鋪設施工中進行鋼軌連接的主要方法，該方法采用自動化生產方式;焊接工藝參數易于控制和調整;工藝穩定,接頭質量好,生產效率高,是目前焊接鋼軌的最佳方式。一般的閃光對焊的基本程序可以分成預熱、閃光(亦稱燒化)、頂鍛、保持和休止等階段。連續閃光對焊時無預熱階段。我公司使用的是UN5-150Z鋼軌閃光焊機。采用連續閃光焊接。焊接參數的選擇是一個型試實驗的過程,對于鋼軌焊接來說是基礎,直接影響焊軌質量。

　　一、UN5-150Z鋼軌閃光焊機焊接工藝參數：

　　影響無縫鋼軌連續閃光焊接質量的主要因素就是焊接參數。焊接工藝參數主要有：時間、電壓、電流、位移、前進速度、后退速度。如下：

　　UG——高壓燒化電壓值(V)

　　UD——低壓燒化電壓值(V)

　　v1——鋼軌送進初速度(mm/s)

　　v2——鋼軌短路時的分離速度(mm/s)

　　v3——鋼軌送進燒化的末速度(mm/s)

　　t1——高電壓燒化時間(s)

　　t2——低電壓燒化時間(s)

　　t3——加速燒化時間(s)

　　t4——帶電頂鍛時間(s)

　　t∑——焊接總時間(s)

　　P1——液壓系統低壓工作壓力(MPa)

　　P2——液壓系統高壓工作壓力(MPa)

　　L——頂鍛量(mm)

　　鋼軌閃光焊焊接參數的調整實際是各個焊接參數的優化匹配過程。為了獲得優質的焊接接頭，焊接工藝參數的調整與定位應當滿足以下條件：

　　(1)、軌焊接端頭必須有足夠的加熱區和適當的溫度梯度，并確保焊接端面溫度分布均勻。

　　(2)、確保鋼軌焊接閃光過程連續而穩定。

　　(3)、鋼軌焊接端面必須有足夠的塑性變形。

　　二、UN5-150Z鋼軌閃光焊機焊接主要參數的選擇：

　　UN5-150Z鋼軌閃光焊機焊接主要參數的選擇，是通過對UN5-150Z集裝箱式鋼軌閃光焊機連續閃光焊接工藝曲線分析，及鋼軌落錘型試實驗及檢查鋼軌閃光對焊后接頭外觀等因素進行選擇:

　　(一)、焊接電壓的選擇

　　連續閃光焊機通過自藕變壓器調整輸出電壓大小，確保向焊接變壓器提供合適的電壓數值，焊接過程電壓如圖1所示。焊接初期，鋼軌處于冷態，電阻小、電流大，電流產生的熱量傳導迅速，激發閃光需要較大功率，一般采用高電壓焊接。經過幾次大的電流脈沖后，鋼軌端面溫度上升，這時接觸電阻增大，焊接電流減小，觸點數量增多并逐步擴展到整個端面，焊接過程進入穩定燒化階段。穩定燒化階段焊機只需選用較低的電壓就可以維持連續穩定的閃光，所以這一階段采用低電壓焊接。當鋼軌端部加熱區形成一定寬度，即達到溫度的動平衡以后，需要以激烈而穩定的閃光營造保護氣氛，避免鋼軌端面的液態金屬膜被氧化而產生焊接缺陷，焊接電壓便恢復到初始高電壓。一般高電壓選用390～430V，低電壓選用310～340V之間。

　　

　　(二)、焊接時間的調整

　　鋼軌焊接過程中各階段的時間控制非常關鍵，主要有：閃光初期高壓燒化時間、低壓燒化時間、燒化末期高壓時間、加速燒化時間、帶電頂鍛時間和無電頂鍛(保壓)時間等，各階段時間長短的調整對焊接質量影響不盡相同。例如：加速燒化時間過長會縮小加熱區寬度，帶電頂鍛時間過長則容易誘發過熱缺陷，無電流頂鍛時間短就會導致塑性變形不充分，這些都會惡化焊接質量。一般情況下各階段焊接時間選用范圍如表1所示：

　　(三)、速度調整

　　焊機對所有型號鋼軌在閃光燒化時期的送進速度基本相同，均在0.2~0.22mm/s范圍內變動。速度過高，加熱效率降低;速度過低，不能維持連續穩定的閃光。因此，鋼軌端面燒化速度應與焊機動架送進速度匹配。調整可調變阻器的阻值，可以改變電機放大機的輸出電壓，送進速度與之對應，同步增減。頂鍛時的合縫速度即頂鍛速度要求越快越好，一般不小于20～25mm/s，否則鋼軌端面容易被氧化而產生焊接缺陷。帶電頂鍛時的速度取決于鋼軌端面的溫度、頂鍛壓力和頂鍛電流。

　　分離速度的調整分兩種情況，一種是調整動夾具的后退速度，一般取0.9～1.0mm/s;另一種是焊接過程中鋼軌軌端接觸后的分離速度，一般出廠前已經調好，不用再調。

　　(四)、壓力調整

　　液壓系統壓力的調整主要有：系統低壓、系統高壓、頂鍛壓力等。液壓系統壓力是按照程序設計變化的，在加速燒化前和推瘤動作完成后系統壓力相同。通過主令控制器跨線開關的閉合實現高、低油壓的轉換。液壓系統的頂鍛壓力是指頂鍛時頂鍛缸的油壓，根據鋼軌的截面面積并通過焊接試驗選取，一般取4Kg/mm2。

　　(五)、頂鍛量

　　頂鍛量是連續閃光焊中非常重要的工藝參數。連續鋼軌焊機采用了可控頂鍛，通過鋼軌試焊確定頂鍛量。鋼軌材質不同、截面積不同，頂鍛量也就不同。焊接60Kg/m鋼軌時頂鍛量一般調整為11～13mm;(60Kg/m)U71Mn鋼軌頂鍛量一般為11mm左右，(60Kg/m)攀鋼U75V鋼軌頂鍛量一般為13mm左右。

　　三、選擇合理焊接參數克服閃光焊接主要缺陷：

　　鋼軌閃光焊產生的缺陷一般分為：內部缺陷、外部缺陷和金屬組織缺陷。內部缺陷包括：灰斑、未焊合、裂紋、過燒、焊縫夾雜物等;外部缺陷包括：錯位、低塌和電極灼傷等;金屬組織缺陷包括馬氏體、晶粒粗大等。

　　(1)、閃光焊裂紋產生的主要原因及解決辦法

　　軌腳端部裂紋是在焊縫軌腳兩端出現開裂的現象。為軌腳端部裂紋的斷口，可以看出，軌腳邊緣顏色較深，有氧化現象，這說明，焊接過程結束，在接頭冷卻過程種中，這種缺陷已經形成，另外，也說明這是一種沒有焊合的缺陷。這種缺陷對焊接接頭的整體強度影響很大，會大大降低接頭的抗沖擊強度。試驗表明，焊縫一旦產生這種缺陷，鋼軌接頭將無法通過落錘試驗，因此，這是一種較為危險的焊接缺陷。

　　軌腳端部裂紋多數與焊接工藝有關。例如，焊接頂鍛量不足，使軌腳部位的擠壓面積小于鋼軌端面;推凸和保壓的時間過短，造成塑性變形量不足;焊接加熱的時間不夠長，造成加熱的范圍過窄等。另外，電源電壓的大幅度波動也是一個不可忽視的因素，例如大幅度下降，使得焊接接頭的熱輸入大幅度下降，也有可能產生這類缺陷。

　　防止方法：克服軌腳端部裂紋的主要方法是進行焊接工藝參數的調整。由于調整焊接工藝參數是一個與焊機的性能指標、電網狀況和焊接基礎知識有關的較為綜合的技術。大致的調整方法是提高焊接的頂鍛量，延長推凸和保壓的時間，或者延長焊接加熱的時間等。

　　(2)、 閃光焊過燒產生的主要原因及解決辦法

　　過燒是焊接時加熱溫度過高，局部金屬加熱到達固相線與液相線之間溫度而造成的晶界偏析和燒熔。過燒是焊接接頭最危險的缺陷之一，常出現在軌底兩側的軌腳位置。輕度過燒時出現細小炭黑斑點，嚴重過燒時出現黑色蜂窩狀組織。鋼軌閃光焊和氣壓焊都有可能出現過燒缺陷。

　　鋼軌閃光焊產生過燒的防止方法：①降低高壓階段的電壓;②縮短高電壓階段焊接時間;③縮短帶電頂鍛時間;④延長頂鍛時間;⑤降低加速燒化階段的最高電壓等。

　　(3)、焊縫夾雜物

　　夾雜物在鋼軌閃光焊的分布特點是：分布在焊縫之中，并且顆粒狀。將焊縫打斷后，在宏觀下觀察，顏色較深，可視為灰斑的一種。

　　閃光焊氧化物夾雜的產生原因較多，并且規律比較難以掌握，一般認為是鋼軌在焊接過程中，焊縫處有時形成硅酸鹽類的非金屬物質，少量聚集在閃光弧坑的底部，當最終的頂鍛完成后，沒有將非金屬物質擠出，使其滯留在焊縫中，這樣就形成了焊縫夾雜物。

　　夾雜物的產生與以下幾種原因有關：一是與鋼軌母材的成分有關。實踐表明，硅(Si)含量高的鋼軌，閃光焊縫中的灰斑出現的概率也相應提高。二是與焊接時所用的頂鍛力有關，頂鍛力過小，鋼軌端面的表面氧化物顆粒未完全擠出，使用它們存留在接頭中。防止方法：注意鋼軌的化學成分，Si含量應在標準要求的范圍內，不應含量超標或分布不均勻。注意焊接工藝參數，鋼軌端面加熱要均勻，頂鍛位移量和壓力要保證。

　　(4)、閃光焊灰斑產生的主要原因及解決辦法

　　一部分灰斑產生的原因是由于鋼軌中存在Si、Mn、Al等合金元素，加之焊接工藝參數不合理，使得焊接時尤其是連續閃光末期保護不好，導致Si、Mn、Al等元素被氧化而形成夾雜物缺陷，在頂鍛時，熔化的金屬與這些夾雜物一起被擠壓，沿工件徑向流動，未被排擠干凈而殘留在焊縫中的氧化物，就形成了斷口上的灰斑。通過調整參數以減少灰斑。

　　因此調整焊接工藝參數是一個與焊機的性能指標、電網狀況和焊接基礎知識有關的較為綜合的技術。確定合適的焊接工藝參數會提高鋼軌焊接質量，減少鋼軌閃光焊產生的缺陷。

　　四、UN5-150Z 鋼軌閃光焊機焊接參數的選擇實例：

　　在昌九城際鐵路焊軌施工中，采用攀鋼U75V、60KG鋼軌，用UN5-150Z 鋼軌閃光焊機施焊，原始焊接工藝參數(表2)及曲線圖(圖2)。

　　從表2及圖4可以看出：

　　低壓一從焊機電流中的曲線圖(圖2)得知低壓一短路次數較多，短路時間較長，將前進速度和后退速度調大(7800——>7950,-2100——>-2200)，這種現象液橋積聚能量很大，當拉開時液橋爆裂閃光有可能會連鋼軌炸出一個小坑，形成氣孔或灰斑。電流成階梯試的降下，然后緩緩升高，形成很好的緩沖。有利于積蓄足夠熱量，對以后的低壓二，加速，頂鍛做充足的準備。

　　由圖像中(圖2)低壓一階段的電流可以看出電流偏低，焊縫的晶粒粗大，硬度，瞬間沖擊能力都會大大降低，還會因為積蓄熱量會不足，導致在焊接過程軌端會有殘留物質或凹凸不平，容易產生灰斑。因此焊接參數必須調整。

　　調整辦法：利用空載試驗在低壓一的電壓調高(80——>105)，使絕大部分電流的峰值在630A以上，少許超過690A。從圖中低壓一還可知道，基本都處在短路階段，前一個階段閃光還沒結束，后一階段又開始閃光了，說明，前進速度明顯大于后退速度，這樣閃光較劇烈，會帶走焊縫間大量的熱量，同樣導致熱量積蓄不足。圖像中7~17秒這段時間，并未閃光，完全短路，無法將軌端里的夾雜物燒化，閃光，無法產生熱量，容易造成灰斑或夾雜物。即將前進速度改小(7950——>7900)，后退速度改大(-2200——>-2250)。30~32秒電流降的太快，對頂鍛有影響。

　　調整后低壓一階段閃光就比較均勻，積蓄了充足的熱量，在圖中30~32秒中(即低壓一轉換到低壓二的過程)，電流也比較穩定的下降。唯一的不足就是從低壓二至加速頂鍛過程中，電流的增長過緩，特別是在加速頂鍛時(42~44秒)的電流不夠大(一般在200A附近)，電流不夠大，最后的閃光不夠劇烈，無法將焊縫中的氧氣完全燃燒，則在高溫下鐵與氧氣將會形成氧化鐵即灰斑。但是在加速頂鍛中，電流的峰值也不允許太高(一般在400A以下)，否則會帶走大量的熱量。加速頂鍛時電流掉下來，即沒有閃光，肯定有殘留的氧氣在里面形成灰斑。通過增大加速極限(4780——>4950)和提高前進速度(2060——>2260)

　　低壓一始終處于短路階段，沒有火花，鋼軌端面沒閃光，端面的氧化物等一些雜質沒有被火花一起帶出，雖然在低壓二，加速，頂鍛時有劇烈的閃光，能將一些雜質帶出，但是不夠完全。低壓一的長時間短路，沒經過火花將熱量帶出，一直積蓄在兩端面之間，會形成過燒，影響鋼軌的焊接質量。

　　從焊接圖(圖2)低壓一的前15秒還是非常均勻，15秒至25秒較差，此時就要關注低壓二、加速、頂鍛的圖像，低壓一轉變低壓二出現了電流間斷，在加速電流幾乎沒什么變化，沒呈上升的趨勢，特別是頂鍛時間提前短路，這種現象出現的概率比較高，在頂鍛和電流沒有同步的時候，空氣最容易進入，形成灰斑。通過降低加速極限來解決(4950——>4850)。

　　經過上述調整最終焊接參數選擇如下：

　　調整后，焊接工藝曲線如下圖(圖3)：

　　圖3---焊機電流曲線圖

　　這種焊接圖像是比較好的，落錘后不斷，鋸開后看焊縫斷面一部分焊

　　縫未出現灰斑，一部分出現1*2，1*3的灰斑，且不在最薄弱的軌角邊，焊縫質量居于穩定。這組參數2009年應用在昌九城際鐵路現場施工中，所焊焊縫合格率達到98%以上。2010年8月開通至今焊縫質量穩定。

　　五、結束語：

　　移動式連續閃光焊機焊接鋼軌選擇合理的焊接參數是一個系統工程，是對各個參數進行綜合分折的過程。其選擇和確定是一個值得探索的問題。只有選擇合理的焊接參數通過鋼軌型試實驗和超聲波探傷等方法檢驗，才能確保鋼軌焊接質量。因此焊接參數選擇是確保鋼軌焊接質量主要因素。

　　參考文獻

　　(1)TBT/1632.1-2005，鋼軌焊接——第一部分：《通用技術條件》北京：中國鐵道出版社，2005

　　(2)盧祖文.《客運專線鐵路軌道》北京：中國鐵道出版社，2005.