钢轨气压焊的回火研究

喻红梅，戴 虹，刘拥军

(西南交通大学 焊接研究所，四川 成都 610031)

钢轨气压焊的回火研究

喻红梅，戴 虹，刘拥军

(西南交通大学 焊接研究所，四川 成都 610031)

气压焊是钢轨现场焊接的主要方法之一。新型的移动式气压焊轨机具有焊接质量稳定、焊接速度快、自动化程度高、无油烟环保的优点，适用于新线和既有线的工地、桥梁、隧道轨道铺设施工工程单元焊、锁定焊复杂工况。回火是气压焊氧、乙炔混合气体燃烧特有的现象，如何避免回火对提高移动式气压焊轨机焊接效率有很大影响。在分析移动式气压焊轨机气路的基础上，根据钢轨焊接工艺所要求的参数，以及气体使用压力安全范围、气流稳定性要求，分别从气瓶连接方式、回火防止器、质量流量控制器等环节进行优化，提出了避免回火的有效方法。

气压焊；回火；质量流量控制器

0 前言

近年来，随着无缝线路的快速发展，对钢轨焊接的要求越来越高，不仅焊缝质量要达到铁道部标准，同时也要求提高焊接效率。钢轨气压焊是钢轨焊接的主要方法之一。其原理是通过气体火焰(主要是氧、乙炔混合气体)对两根紧贴的、清洁的钢轨端面进行紧密贴合加热，待钢轨焊口被加热到塑性状态，金属原子具有了足够的“活化能”，可以跃迁贴合面，发生相互急剧扩散，立即对焊口进行加压顶锻，使焊口金属在高温、高压条件下充分挤压变形，焊接表面之间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，达到分子之间的金属键连接，完成重新再结晶，从而使待焊钢轨形成牢固的冶金连结的焊接接头[1]。

由于气压焊的主要能量来源于混合气体的燃烧加热，因此对气路要求比较高，要求整个气路能够连续、稳定、精确地提供一定比例的氧—乙炔混合气体。气路中的任何一个环节出现问题，均有可能出现回火现象。回火不仅影响焊接接头质量，且影响焊接效率。因此研究分析整个气压焊气路，对避免回火、提高焊接效率十分有益。

1 回火成因

回火是火焰向乙炔的来路倒流的现象，如火焰的流速过低、火焰中乙炔的含量过低、管路堵塞等都会造成回火，回火现象产生的原因还需从气体燃烧的理论进行分析。

气体燃烧过程主要包括混合(即气体燃料与助燃空气的混合)、着火和燃烧三个阶段，其中混合阶段的速度最慢，因此混合阶段是气体燃烧过程的主要矛盾[2]。由于混合速度和混合的完全程度对燃烧速度和燃烧的完全程度起着决定作用。火焰分为内焰和外焰，由加热器中喷出的氧—乙炔混合气体燃烧形成内焰面，同时在内焰面上未完全燃烧的乙炔靠射流从周围空气当中吸入氧气，并与之混合后继续燃烧，形成外焰面。内焰根部的稳定性直接影响到火焰的稳定性，它与火焰的喷出速度和火焰的燃烧速度有关，当火焰的喷出速度等于火焰的燃烧速度时，火焰达到动态平衡，这是钢轨气压焊要求的火焰；当火焰的喷出速度小于火焰的燃烧速度，火焰根部向加热器内移动，返回加热器甚至混火枪内，形成回火；当火焰的喷出速度大于火焰的燃烧速度，火焰不能完全燃烧，所形成的热量达不到钢轨塑性变形的温度。因此要解决回火问题首先要控制好气体流量，使加热器内能够获得稳定、流量准确的混合气体。

2 影响气压焊回火的因素

2.1 移动式气压焊轨机主要气路系统

要解决回火的问题，首先要根据气压焊轨车供气系统分析引起回火故障的主要因素。气压焊轨机的气路系统如图1所示。乙炔是利用电解石与水作用产生的气体，乙炔气体内含有硫化氢(H2S)和磷化氢(H2P)等杂质。因此，为尽量减少气体中所含的杂质对焊接质量的影响，移动式气压焊轨机的乙炔供气部分使用汇流排将18个乙炔气瓶并联，以得到稳定的乙炔压力和流量，最大限度地提高乙炔气体的使用效率。同时，9个氧气瓶并联。氧气和乙炔气体经过减压阀，通过5个并联的回火防止器，由质量流量器控制器按照PLC设定值对气体流量进行控制，通过焊机气路系统送到加热器。其中质量流量控制器、回火防止器品质状态在气路系统中起着重要的作用，对引起回火有着很大的影响。

图1 气压焊气路系统

2.2 气体流量控制器对回火的影响

根据质量流量控制器的开通特性，合理选择质量流量控制器，在很大程度上可避免回火。移动式气压焊机选用电流型质量流量控制器。该质量流量控制器具有精度高、重复性好、响应速度快、工作压力宽等特点。氧—乙炔气体开起、关闭、清洗和阀控调节等的主要调节原理如图2所示。由驱动调节机构实现对气路阀门开口大小的控制(阀控)、气体的清洗、调节、关闭等。当要求关闭或清洗时，直接控制驱动机构执行关闭或开起动作；当需要对流量实施阀控调节时，驱动调节机构与流量传感器和放大比较电路组成闭环负反馈控制，给定值由另三个控制单元提供。实际流量大小由传感器信号放大，送给显示模块显示。

图2 质量流量控制器原理

质量流量控制器通过PLC和D/A模块，借助外围辅助电路，既能给MFC提供各种开关量控制信号，又能供给大小可调的模拟量信号，从而达到用软件程序对气压焊过程中的氧—乙炔气体的灵活控制[3]。

MFC自身调节精度约±2%，在给定电压受到外界干扰时，会影响质量流量控制器控制度。每个质量流量控制器出厂时本身的开通特性稍有不同，根据氧—乙炔特性合理选择质量流量控制器。为保证乙炔气体较为稳定地供气，应选择设定值上升过程较为平稳的质量流量控制器。在使用前首先进行开通特性的测试检验，针对六个同一批次出厂的质量流量控制器进行开通特性测试结果如图3所示。

然后，根据质量流量计的开通响应时间和稳定性，将质量流量控制器配对分为三组，如表1所示。

质量流量控制器是一种精密仪器，一般在室内使用，而移动气压焊轨机经常在现场作业(环境较为恶劣)，以及在运输过程和使用过程都可能发生零漂，零漂可能使得实际流量与焊接工艺设定值发生较大偏差，因此应定期对质量流量计进行调零。如果人机界面显示值不为0，则需调节质量流量控制器的调零电位器，使其显示值趋于0。

图3 质量流量控制器开通特性

表1 质量流量计配对

2.3 回火防止器品质和连接方法的影响

车体和焊机的气路上，回火防止器的连接方式、个数对供气压力有影响。表2为回火防止器不同连接方法的气路减压试验结果。可见，三个回火防止器串联使用，会导致供气压力损失近45%；两个以上的回火防止器并联，损失压力值相等，损失值89.47%，供气压力越小，到达加热器的乙炔气体流量与焊接工艺要求值偏差越大，流速越慢，引起回火可能性就越大。若有气路堵塞，易发生回火。

表2 回火防止器减压试验

移动式气压焊轨机车体气路系统氧气—乙炔分别采用五个并联的干式回火防止器，氧气用回火防止器最大压力0.3 MPa，乙炔用回火防止器最大压力0.15MPa。为减少压力损失，焊机气路系统分别采用一个干式回火防止器。回火防止器安装时应注意检查阻力小、无堵塞，连接处要拧紧，不允许有气体渗漏。

2.4 火流量对回火的影响

质量流量控制器的满量程为200 SLM，自身调节精度±2%，焊接工艺要求用的氧气—乙炔流量约100 SLM。当流量低于20 SLM时，无法达到精确控制，流量上下波动很大。小流量点火时，极易发生回火。分别设置两组点火流量[氧∶乙炔比例11∶20(小流量)，25∶48(中流量)]进行对比，其结果是 25∶48 的中流量点火不容易回火，如表3所示。

2.5 气路过渡接头对回火的影响

表3 小流量和中流量点火试验

气体经过多个硬管和软管连接管路。在这些接头处，由于管径的突变，气体流动中若受到阻力，造成受阻，致使流速不一致，引起不连续供气，使加热器内火焰的乙炔气体不稳定，火焰的喷出速度小于火焰的燃烧速度，火焰根部向加热器内移动，返回加热器，可能发生回火现象。因此接头越多，越容易引起回火。解决措施是：接头过渡处应尽量圆滑；使用软管的地方，应尽量不要小半径弯折，保持气路通畅。

3 现场焊接回火预防和解决办法

(1)至少六个乙炔瓶通过汇流排并联，保证乙炔气流稳定，同时可最大限度地提高乙炔使用效率。

(2)按照氧—乙炔的特性，合理选择配对质量流量控制器，乙炔应选用上升和稳定过程比较平稳质量流量控制器。乙炔若选用波动较大的质量流量控制器，就越容易回火。

定期调整质量流量控制器零点，防止零漂过大，影响质量流量控制器控制精度。

(3)焊接前应检查气路接头处有无漏气现象，具体方法是用肥皂水涂在接头处，有气泡说明接头处漏气，无气泡则表示接头密封性能良好。

焊接前应保证焊机气路软管内无杂质，不受弯折，使气体能够流动通畅。

焊接前进行试火，观察加热器的火孔有无堵塞，若有火孔堵塞，需使用专用通针进行疏通。定期清洗加热器和混合枪，更换焊机气路系统的软管，以免杂质堵塞。

(4)回火时，应立即关闭乙炔、氧气的截止阀，也就是需要将正在以较大回火吹力的助燃气体全部切断，混合枪内最后的氧气和乙炔燃烧。乙炔和外面空气是隔绝的，不能燃烧，在枪内熄灭。

(5)回火经常发生在气压焊焊接点火阶段，焊接过程中以及正火过程中。

若焊接点火阶段发生回火，回火产生的杂质及碳化物有可能污染钢轨端面。严重的回火必须清洗加热器、混合枪和更换焊接气路软管，重新处理钢轨端面。

若焊接过程中120 s以后发生的回火现象，可以重新点火，继续焊接。

4 结论

(1)回火产生的主要原因是火焰的喷出速度和燃烧速度的关系，只有火焰的喷出速度等于火焰的燃烧速度，形成动态平衡，才能达到焊接工艺要求。

(2)解决回火必须提供稳定、准确的气流。六瓶乙炔、三瓶氧气通过汇流排并联使用，能有效保证乙炔稳定的气流稳定性。

(3)经过合理选择回火防止器，配对质量流量控制器等，GPW－1200型移动式气压焊轨机在青藏线累计焊接180余个焊头未出现回火现象。

[1]戴 虹，易跃华，黄建平，等.新型气压焊轨机参数采集及质量管理管理系统[J].电焊机.1999，29(5)：83－85.

[2]裴秀娟.谈回火问题及解决办法[J].全国性建材科技期刊，1999(5)：32－33.

Study on flashback of rail gas pressure welding

YU Hong-mei，DAI Hong，LIU Yong-jun
(Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas pressure welding is one of main methods of rail welding.New types of gas pressure welding engineering vehicle have good quality of welded joints，quick welding and high degree of automation，no fumes and clean，which apply to unit welding，lock welding，bridge，tunnel and other complex conditions of new－built railway and existing line.Flashback is the gas pressure using oxygen and acetylene welding gas mixture burns as a phenomenon peculiar to the heat source.How to avoid flashback has great influence on welding efficiency of the gas pressure welding engineering vehicle.Based on rail welding process parameters requirements,safe use of gas pressure and flow stability requirements,separately from the cylinder connection，flame arrester，mass flow controller to optimize，and then the article propose the way to avoid flashback.

gas pressure welding；flashback；mass flow controller

TG453＋.2

A

1001－2303(2011)03－0079－04

2010－11－03

收稿日期：铁道部科技资助项目(2006G019)

喻红梅(1983—)，女，四川资阳人，在读硕士，主要从事焊接设备及其自动化方面的研究工作。