新型脉冲电流闪光焊工艺,突破钢轨闪光焊的关键技术难题

小编 2022-06-23 16:04:27 710

  近日,记者从西南交通大学获悉,西南交通大学吕其兵教授团队与成都艾格机电设备有限责任公司合作,针对钢轨闪光焊工艺、质量控制和装备开展了系统深入的研究,从五个方面突破了钢轨闪光焊的关键技术难题。其中,揭示了焊接馈电夹持方式、工艺参数对温度场的影响规律,并提出了通过控制液态过梁阻值实现最大加热功率输出的钢轨交流闪光焊技术。

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  此外,团队合作开发了新型脉冲电流闪光焊工艺,首次提出了以闪光率评价高温金属防氧化效果的方法,建立了以闪光率、能量输入等为特征量的焊接质量评价体系,研发了基于神经网络的焊接接头质量三级监控平台。同时,团队基于新型脉冲电流闪光焊工艺及控制要求,开发了集机、电、液及自动控制于一体的钢轨闪光焊成套技术,研制了具有自主知识产权、适用于高原、长大隧道等各种工况的系列焊轨装备。

  由于钢轨闪光焊设备牵涉机械、液压、电气控制及计算机测控,系统复杂,技术含量高,直到现在基地钢轨闪光焊还大量采用进口瑞士施拉特公司的GAAS80—580直流焊机和乌克兰巴顿研究所的K系列交流焊机,国内基地闪光焊装备仅有上海局使用国产的UN5-150G工厂闪光焊机。因此,拥有中国自主知识产权的闪光焊接装备及焊接工艺具有重大意义。

  “2006年之前,中国钢轨闪光焊接装备全部依赖高价进口,能供工程应用的成熟钢轨焊接工艺及质量控制技术国内处于空白。”该研究团队相关负责人介绍,当时国外技术卡脖子,设备采购和售后服务价格昂贵,且进口装备与技术保密,焊接工艺不适合我国钢轨材料要求,导致焊轨质量难以保证。同时,售后不及时,严重制约无缝线路建设进度和效率。

  为解决这些问题,从上个世纪90年代开始,吕其兵团队从钢轨闪光焊焊接工艺对焊接接头质量的影响研究入手,开展钢轨闪光焊技术与装备研究,分析进口设备的问题并进行改进,最终实现了“自己的高铁自己焊”。

  目前,吕其兵团队的这项技术成果已累计销售130多台套,广泛应用于京沪高铁、西成高铁、川藏铁路等国家重大工程和北京、上海等城市轨道交通工程建设,并在与美国、乌克兰、瑞士等国际一流钢轨焊接设备供应商的竞争中,获得了大量订单,出口到新加坡、印度、印度尼西亚、阿联酋、阿塞拜疆等10多个国家和地区,实现销售7亿多元人民币。

  吕其兵(右)介绍焊接装备技术受访者供图

  轨道焊接团队研制的钢轨闪光焊装备在京沪高铁建设中应用受访者供图

  【基础知识】闪光焊的工艺原理及特点

  焊件装配成对接接头,接通电源,并使其断面逐渐移近至局部接触,在电阻加热下使断面金属熔化并飞出,形成闪光,直至端部在一定深度范围内达到预定温度时,迅速施加顶锻力完成焊接的方法称为“闪光焊”。

  1、闪光的过程

  闪光过程就是焊接端面不断产生液态金属过梁又连续不断的爆破过程,并伴随有工件金属的烧损。

  2、闪光的作用

  (1)加热焊件。闪光过程中金属液体过梁的电阻热和过梁爆破时一部分喷射熔滴飞溅到对口面上带来的热量对焊件加热。

  (2)烧掉焊件端面上的赃物和不平之处。因此也就可以降低焊接前对焊件端面的打磨要求,用手提砂轮粗打磨即可。

  (3)金属的液体过梁爆破时产生的高压力、金属蒸气及CO、CO2气体形成了保护气氛,减低了焊件端面间隙中气体介质的氧化能力。

  (4)闪光后期,焊件断面形成液态金属覆盖层,为顶锻时排除端面的氧化物和过热金属提供了有利条件。

  3、闪光焊的分类

  闪光焊可分为连续闪光焊、预热闪光焊及脉动闪光焊。

  连续闪光焊

  施加电压后,一个工件不停顿的向前缓慢推进,保持闪光过程持续不断直至顶锻。这是最常用的又比较简单的方法,适用于低碳钢工件、或截面积不很大的工件的对焊。

  焊接阶段:预闪、低电压闪光、加速闪光烧化、顶鍛、锻压(保持)五个阶段。

  预闪的作用:一是闪平钢轨倾斜的端面、使随后开始的焊接过程保持全断面接触闪光;二是对钢轨端面预加热,减少焊接初期不稳定闪光时间。

  焊接参数:焊接时间、焊接电压变化程序、烧化速度、烧化末速、反馈电流、顶鍛量。加速烧化是顶锻前的重要阶段,加速时间和加速末速是重要的参数。

  预热闪光焊

  施加电压后,两个工件一次或多次迅速接触,又迅速分开,形成断续闪光(闪光预热),然后转入稳定的连续闪光过程,直至顶锻。

  焊接阶段:闪平、预热、烧化、加速烧化、顶锻和鍛压、后热。

  生热方式有三种,一是焊件端面紧密接触,断续通电;二是通电后焊接端面交替接触闪光和分开,每次短路接触时及施加一定压力;三是焊件交替接触闪光和分开,最终完成焊接接头。

  脉动闪光焊

  闪光过程中几乎没有过梁的自发爆破现象;在加热钢轨的主要阶段,闪光电流是不连续的。在焊接过程中它跟踪的是电阻、电流;闪光烧化过程中焊接电流与送进速度无关;烧化过程的送进油压是脉动的。

  脉动闪光焊已逐渐取代连续闪光焊,用于钢轨焊接全过程大约2分多钟。线路上移动焊轨主要采用脉动闪光焊方式。

  4、工艺参数选择原则

  钢轨闪光焊工艺参数的原则,应从以下几点来考虑:

  1、必须在两待焊轨两端建立应有的加热区和适当的温度剃度来保证钢轨端面上的温度分部均匀;2、设法使钢轨焊缝,接触处的金属,在闪光加热过程中不被氧化;3、钢轨焊接接头的两边应有足够的塑性变形区。

  5常见缺陷及预防措施

  (1)疏松

  疏松一般发生在半熔化区里,疏松区域会聚集着夹杂物,使钢轨的力学性下降。

  预防措施

  加大顶锻力及延长无电顶锻时间;减少伸出及导热加热时间;减少焊接时间来减少疏松产生的机会。

  (2)未焊透

  断口特征是局部呈现平坦区域,使强度、塑性、冲击性大大降低。

  预防措施

  加大顶锻压力及加热时间;加快顶锻速度,延长有电顶锻时间。

  (3)过热及过烧

  局部温度过高时,造成局部过热致使奥氏体晶粒长大或直接产生氧化致使焊缝的强度降低。

  预防措施

  降低热输入;加大顶锻压力,减小有电顶锻时间。

  (4)夹渣

  烧化过程和顶锻开始时,如形成高熔点氧化物顶锻时没有从焊缝中挤走,则形成夹渣。

  预防措施

  加大顶锻力和顶锻速度。

  (5)无光泽灰斑

  断口表面呈扁平不规则形状,颜色为灰色和深灰色,没有金属光泽,多出现于钢轨轨底角。

  预防措施

  采用较慢的烧化速度;降低二次电压;提高顶锻压力和顶锻量。


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