钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊工艺及装备研究

宋宏图，李 力，丁 韦，季关钰

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081；2.北京京隆华科技开发有限公司，北京 100081)

钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊工艺及装备研究

宋宏图1，李 力1，丁 韦1，季关钰2

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081；2.北京京隆华科技开发有限公司，北京 100081)

无缝线路建设的大范围展开迫切需要性能、质量、生产效率相匹配的原位焊接方法，目前使用最多的为铝热焊和电弧焊。介绍了窄间隙电弧焊在钢轨焊接中的应用，并重点对电弧位置实时检测技术和自保护药芯焊丝自动钢轨窄间隙电弧焊工艺及装备进行了说明。进行接头性能试验，结果表明：采用钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊焊接的接头性能良好，完全超过另外一种原位焊接方法铝热焊的接头性能，能够通过铝热焊不能通过的落锤试验，拉伸性能也强于铝热焊，冲击性能大幅度优于目前使用的闪光焊、气压焊和铝热焊。

窄间隙电弧焊；钢轨；自保护药芯焊丝；电弧位置实时检测；接头性能试验

0 前言

目前在无缝线路建设中，钢轨焊接闪光焊居主导地位。然而实现无缝线路的另一关键环节——线上钢轨原位焊接，还存在一定难度。由于设备等原因，闪光焊在原位焊接(主要指单元轨节锁定及道岔区的焊接)时的应用尚不具备条件，只有采用铝热焊和电弧焊。铝热焊工艺相对简单，但焊缝的铸造组织和母材容易造成过热是其难以克服的两大根本问题，从而直接影响了接头的整体性能，特别是落锤试验性能，成为目前焊接接头运行中折损率最高的一种焊接方法。钢轨窄间隙电弧焊已有较长的发展历史，其中尤以日本技术突出。电弧焊作为最基本的焊接方法，由于其焊缝性能高、质量可靠而被广泛应用，焊条电弧焊实际上也是最早被试验和应用的钢轨焊接方法，只是由于钢轨断面形状复杂，材质的可焊性差，因此对焊接人员的焊接技术要求高、焊接时间长，并且存在人为因素而使焊接质量不稳定的问题，因此有必要研究开发全自动控制的钢轨电弧焊接设备和工艺。

1 技术基础和存在的问题[1－2]

1963年美国俄亥俄州Battelle研究所首先开发出窄间隙焊接技术，该技术并不是严格意义上的新焊接方法，准确地说是利用现有弧焊方法的一种焊接方式，将各种弧焊方法的优缺点和特性直接遗传给窄间隙焊接技术。窄间隙焊接技术一般采用I形或U形坡口，进行每层1～2道的多层焊接。其优点主要有：(1)焊缝截面积大幅度减小(50%～80%)，显著提高焊接效率，节省焊材；(2)热输入相对较小，冷却速度较快，接头的残余应力、残余变形明显减小，焊接热影响区的塑性损伤极小，一次焊缝组织晶粒更细，热影响区小，接头力学性能高，对防止裂纹等焊接缺陷有一定好处。窄间隙焊适合于厚板、大截面接头焊接，在焊接领域存在巨大的应用潜力和广阔的应用范围。同时窄间隙焊接也有一定缺点，如窄坡口内电弧电场分布发生改变以及工艺因素的干扰(如焊丝偏离中心过大，送丝速度不均造成电弧长度变化较大，焊接参数选择不当等)仍容易导致缺陷的产生。窄间隙焊接中，最容易产生的缺陷是两侧壁未熔合，而一旦产生焊接缺陷，在狭窄的坡口内进行修复显然极其困难，这个缺点需采取合理的焊接工艺和硬件手段予以消除。

窄间隙焊接的坡口面角度极小，焊炬与坡口侧壁间的距离极小，传统的跟踪技术将不再适应窄间隙条件下的跟踪精度和响应速度要求。视觉传感对电弧位置实时检测的技术具有信息量大、无滞后、直观等优点，成为对窄间隙焊接自动控制的首选。钢轨的窄间隙焊接可以利用视觉传感器检测电弧位置与坡口的偏差作为焊枪对中信息，实现焊缝跟踪及闭环控制，进而达到自动控制的目的。

现场原位焊接时需要较好的抗风能力，否则容易产生缺陷，利用自保护药芯焊丝焊接可以有效地克服不抗风的缺点，其特点是所有形成气体和熔渣以及防止氧化和氮化的成分都在药芯中，因此不需要保护气体或焊剂，因此十分适合现场焊接。近期的试验表明：药芯焊丝的使用极大改善了飞溅大的状况，药芯焊丝窄间隙电弧焊焊接电弧稳定，熔滴过渡均匀，熔敷速度高，焊缝成形良好，焊道表面光滑，熔宽大，侧壁熔合良好。图1为焊后接头整体外观，图2为轨腰处接头外观。

图1 焊后接头整体外观

图2 轨腰处接头外观

2 材料、工艺和装备[3－5]

为解决已有问题，本研究使用自保护药芯焊丝在基于电弧位置实时检测与对中视觉闭环自动控制技术的平台下，进行钢轨自动窄间隙电弧焊接，用以满足无缝线路线上原位快速焊接的需要。要求的焊接接头性能指标主要有：(1)落锤试验，连续十个一锤不断(落锤高度 3.1 m，锤重 1 t)；(2)静弯试验，正向八个(1 300 kN不断)，反向两个(1 200 kN不断)；(3)疲劳试验，最大载荷/最小载荷 350 kN/70 kN，支距1.0 m，200万次不断；(4)接头抗拉强度大于等于800 MPa；(5)冲击功 AKU≥6.0 J。

采用的焊接材料为φ 1.6 mm JCTD－33型自保护药芯焊丝，直流正接，焊接时电弧呈喷射状，飞溅少，工艺性良好。焊丝熔敷金属化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

表1 药芯焊丝熔敷金属化学成分%

表2 药芯焊丝熔敷金属力学性能

研发的窄间隙焊接系统如图3所示。系统净重(不包括发电机组及焊接电源)小于等于100 kg，焊接60kg/m钢轨时间(不包括对轨等准备工作)约25min，刚结束焊接时的焊缝如图4所示。焊后对接头进行正火处理。正火工艺为：采取气－液化气火焰加热方式，氧气压力 0.6 MPa，液化气压力 0.03～0.07 MPa，氧气流量约4000L/h。加热时间6min，加热至900℃～950℃，空冷。图5为热处理后的轨头焊缝金相组织，左侧为钢轨母材，组织为珠光体加少量铁素体，右侧为焊缝，组织为贝氏体。

图3 窄间隙焊接系统

3 接头性能试验

对焊接接头进行落锤、静弯、疲劳、拉伸、冲击等试验。试验结果如下：

(1)落锤试验。

连续十个接头均一锤未断，其中五个接头两锤未断，断口均未发现缺陷，落锤断口如图6所示。

图4 高温态焊接接头

图5 正火后轨头熔合线组织(200×)

图6 落锤断口(正火后接头)

(2)静弯试验。

连续十个接头均满足要求指标，压断之后观察断口，均未发现缺陷，试验结果如表3所示，静弯断口如图7所示。

(3)疲劳试验。

三个接头均达到了疲劳试验要求。

表3 静弯试验结果

图7 静弯断口(未正火接头)

(4)拉伸试验。

拉伸试验取样分别取自轨头、轨腰和轨底部位，试验结果如表4所示。抗拉强度全部高于要求的800 MPa。

表4 拉伸试验结果

(5)冲击试验。

冲击试验取样分别取自轨头、轨腰和轨底部位，试验结果见表5。冲击功远高于要求的6.0 J。

表5 冲击试验结果

4 结论

(1)通过集成窄间隙电弧焊、自保护药芯焊丝和电弧位置实时检测控制技术，研发出的钢轨自动窄间隙电弧焊接系统具有一定抗风能力，能较好地摆脱人为因素的影响，可实现快速原位焊接。有利于解决制约无缝线路建设的原位焊接问题。

(2)采用钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊焊接的接头性能良好，全面超过了另外一种原位焊接方法铝热焊的接头性能，能够通过铝热焊不能通过的落锤试验，拉伸性能也强于铝热焊，冲击性能大幅度优于目前使用的闪光焊、气压焊和铝热焊。

(3)为保证焊接接头质量，应采用合理的焊接工艺，尽可能采用较低的焊接规范。焊接设备必须带有反馈跟踪的电弧控制，可实时调整电弧位置，保证良好熔深。

基于电弧位置实时检测控制技术的钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊具有较大的钢轨原位焊接应用前景，应加以推广应用。

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Technology and equipment development of self-shielded flux cored narrow gap arc rail welding

SONG Hong-tu1，LI Li1，DING Wei1，JI Guan-yu2
(1.Metals and Chemistry Research Institute of China Academy of Rail Sciences，Beijing 100081，China；2.Beijing Jing Long Hua Science and Technology Develop Ltd，Beijing 100081，China)

Higher joint quality and performance good production efficiency in situ rail welding method should be developed for jointless railway wide construction.Nowadays most ways in used are thermit welding and arc welding.In this paper，narrow gap arc welding used in rail welding is introduced，especially on our study of automatic narrow gap arc rail welding using self-shielded flux cored wire and based on arc position vision detection.Joint properties is overall better than another method thermit welding of in situ welding joint performance，can pass through the drop hammer test，tensile properties is also stronger than thermit welding，the impact performance significantly better than the currently used flash welding，gas pressure welding and thermit welding.

narrow gap arc welding；rail；self-shielded flux cored wire；arc position vision detection；joint property testing

TG422.3

A

1001－2303(2011)03－0091－04

2010－02－26；

2010－12－15

铁道部科技研究开发计划资助项目(2008G001－C)

宋宏图(1979—)，满族，男，河北承德人，助理研究员，硕士，主要从事钢轨焊接、车体材料焊接相关焊接设备及材料的研发工作。