浅谈高速铁路移动式钢轨闪光焊接参数的影响

黄祥

【摘 要】 列车运行速度的不断提高对无缝线路的质量要求也越来越高，而钢轨焊接接头的质量是无缝线路质量的关键。然而，影响钢轨焊接接头质量的因素众多，特别是焊接参数中部分控制量的差异会极大的影响焊接质量，因此移动式钢轨闪光焊机在工艺调节方面首要控制点就是工艺的主控参数。

【关键词】 高速铁路 移动式 钢轨闪光焊 影响参数

目前主流的钢轨闪光焊焊机焊接进度是由动夹具的位移来控制的：高压阶段的位移达到设定值进入低压阶段，低压阶段位移值达到设定值就进入加速闪光和顶锻阶段。对于连续闪光焊而言工艺参数有很多个参数，每一个参数的对焊接结果（采用落锤数为判断标准）的影响如下：

1 焊接时间的影响

总焊接时间是指从闪光开始到顶锻完全结束所需要的时间。从控制的角度，各阶段的焊接时间也同等重要。在连续闪光焊时总焊接时间包括激发闪光时间、连续闪光时间、加速闪光时间和顶锻时间。连续闪光时间过长，钢轨纵向散热时间增长，热影响区域宽度就会增大，容易造成轨端过热，产生过烧等缺陷，顶锻量也不易受控。连续闪光焊总焊接时间过小，可能会引起加热不足。脉动闪光焊时，总焊接时间包括激发闪光时间、脉动闪光加热时间、连续闪光时间、加速闪光时间和顶锻时间。脉动闪光焊接时间过长，由于脉动闪光加热效率高，更容易造成端面过热情况的发生。在闪光焊的各阶段时间的控制中，需要配合各阶段的烧化量和烧化速度，三者合理的匹配才能够获得加热、散热、损耗良好的可重现性。

2 焊接电压的影响

焊接电压是决定钢轨热量最基本最重要的焊接工艺参数之一，通过改变焊接电压可以显著地改变焊接时间和沿钢轨长度方向的热梯度以及闪光过程的稳定性，并且可以引起闪光烧化量的差异。闪光过程中焊接电流不是一个常数而是随着焊接电压与接触电阻比值的变化而变化，变化范围比较大，这实际体现了闪光过程中端面的接触状态的差异。如果焊机送进速度不变，提高焊接电压会导致闪光过程间断，这是因为触点烧化爆炸后，新的触点来不及重新建立，焊接端面处于一个断路过程，容易使钢轨端面在外界气体的影响下发生氧化，形成缺陷。当焊接电压较低时，将导致送进速度大于烧化速度，发生短路，使闪光不能顺利进行，较大的触点形成较大的过梁，随后导致形成较大的火口，顶锻时，火口不能被塑性状态下的金属薄层所覆盖，将严重影响接头的质量，同时还会导致焊接时间加长，加热区域变宽，并有可能形成过烧等缺陷。

3 焊接电流的影响

钢轨闪光加热烧化过程中，端面间的接触点大小和数量在不断变化，即接触电阻在不断的变化。在钢轨焊接的某个阶段，钳口的输入电压值是恒定的，根据欧姆定律，焊接电流随焊接电阻的变化而变化。接触电阻大时，焊接电流小；反之接触电阻小时，焊接电流大。当钢轨端面触点急剧增大或增多时，接触电阻降低，导致焊接电流增大，过梁未被烧断时，将会引起钢轨闪光端面短路。但是同时，如果限制了所有短路的发生，那么钢轨将得不到有效的加热。因此为保证闪光加热的顺利进行，就需要对焊接电流不断地进行反馈调整。当端面短路超过允许的范围时，将钢轨端面分开；当端面分开使闪光中断时，又将端面靠近而进行闪光加热。在焊接过程中保持端面的焊接电流在一定范围内。闪光初期的端面电阻小，电流波动大，因而该阶段的闪光是不稳定的。经过一段时间的闪光，钢轨端面温度升高，电流减少，变化的幅度也减小，即进入稳定、连续的闪光加热阶段。烧化后期，端面温度更高，焊接电流又减少，需要加速烧化才能维持稳定、激烈的闪光，提供相应的保护气氛，所以此时为了不因为电流增大而拉开端面、破坏保护，因而加速烧化阶段的后退电流一般设定的较高或者关闭后退控制功能。

4 顶锻量的影响

顶锻的作用是封闭钢轨端面的间隙、排除液态金属层及其表面的氧化物杂质，使火口完全封闭，焊缝得到一定的塑性变形，从而使钢轨界面消失，形成共同晶粒。顶锻量包括加速闪光结束瞬间两端面间隙、爆破留下的凹坑、液态金属层尺寸及变形量。加大顶锻留量有利于彻底排除液态金属和夹杂物，保证足够的变形量。但钢轨因为轧制生产，而具有方向性，如使得晶粒脱离轧制方向，扭曲过大，其力学性能较差的部分，将处在受力方向上，不利于接头质量。一般建议最大扭曲角不应超过80°，使液态金属刚挤出接口呈“第三唇”即可。顶锻量过小时，钢轨过热金属残留在焊口中的数量较多，接口金属毛刺极少。当顶锻量适中时，焊口金属因挤压变形发生钢轨均匀流动，形成均匀分层特征的焊瘤毛刺，露出第三唇。顶锻量钢轨过大，焊头金属横向变形过量，塑性区受到过分挤压，接头的韧性就会降低，可能产生平齐的断口。

5 顶锻速度和顶锻力的影响

顶锻是一个快速的锻击过程，其目的之一是将氧化物挤出接头，氧化物必须在接头冷却到某温度之前被挤出以减少钢轨接缝处液体金属冷却而造成氧化物排出的困难。因此顶锻前期封闭钢轨端面的间隙，防止被氧化的过程应愈快愈好，如果顶锻前期速度太小，钢轨在合缝的瞬间，空气侵入钢轨间隙，会产生氧化夹渣等缺陷。但顶锻合缝之后的继续变形阶段，顶锻速度过快则金属流动时间短，端部高温高塑性金属来不及充分流动，易出现墩粗情况，影响焊接质量。只有当顶锻速度适中时，端部高温高塑性金属才会充分流动，焊瘤毛刺呈现出露出第三唇的特征。顶锻力是为了达到预定的塑性变形量而施加的力，其值随钢轨的热强性能和加热温度分布而异。顶锻力也可通过采样接头形变抗力获得，接头的形变抗力随顶锻速度的增加而增大，也随顶锻量的增加而增大。选择顶锻参数时，若顶锻量或顶锻速度取值偏大，则顶锻力也应增大，才能保证良好的顶锻效果。顶锻力、顶锻量和温度分布状态三者之间仅二项为独立参数，剩下一项是它们的函数。当顶锻力固定后，可用测量实际顶锻量来判别加热温度分布的波动。反之，当顶锻量固定时，可用测量顶锻力来判别温度分布。

6 带电顶锻时间的影响

整个顶锻过程包括带电顶锻和无电顶锻两部分。在顶锻开始后的短时间内，为保持轨端的高温状态，使顶锻易于完成，熔化金属便于从接口排出，使火口完全封闭，在顶锻开始时不切断电流，控制通电时间，此时间即为带电顶锻时间。该时间过长，会导致接头过热，同时增重焊接电源负担。通电时间太短，接头处的部分凸起的无法被加热，会引起顶锻抗力增加，端面内的氧化物夹渣不易排除干净，易造成缺陷。

7 结语

钢轨闪光焊接是流水线作业，应强化焊接过程控制，从焊前检查、焊前除锈、焊接、精矫直、精磨和外观质量检验等各岗位进行控制，层层把关。制定岗位职责，完善生产工艺，从关键岗位关键环节分析原因查找不足，提高生产效率和生产质量，达到在过程中对外观质量的控制与提升。

参考文献

[1]高文会.钢轨闪光焊接头平直度控制技术[J].铁道建筑，2010，11（9）：103-107.

[2]李志强.浅谈高速铁路厂焊钢轨焊接接头外观质量控制[J].科技风，2010，25（11）：112-114.