鋼軌自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)窄間隙電弧焊工藝及裝備研究

宋宏圖，李 力，丁 韋，季關(guān)鈺

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.北京京隆華科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100081)

鋼軌自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)窄間隙電弧焊工藝及裝備研究

宋宏圖1，李 力1，丁 韋1，季關(guān)鈺2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.北京京隆華科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100081)

無(wú)縫線路建設(shè)的大范圍展開(kāi)迫切需要性能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率相匹配的原位焊接方法，目前使用最多的為鋁熱焊和電弧焊。介紹了窄間隙電弧焊在鋼軌焊接中的應(yīng)用，并重點(diǎn)對(duì)電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)鋼軌窄間隙電弧焊工藝及裝備進(jìn)行了說(shuō)明。進(jìn)行接頭性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用鋼軌自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)窄間隙電弧焊焊接的接頭性能良好，完全超過(guò)另外一種原位焊接方法鋁熱焊的接頭性能，能夠通過(guò)鋁熱焊不能通過(guò)的落錘試驗(yàn)，拉伸性能也強(qiáng)于鋁熱焊，沖擊性能大幅度優(yōu)于目前使用的閃光焊、氣壓焊和鋁熱焊。

窄間隙電弧焊；鋼軌；自保護(hù)藥芯焊絲；電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)；接頭性能試驗(yàn)

0 前言

目前在無(wú)縫線路建設(shè)中，鋼軌焊接閃光焊居主導(dǎo)地位。然而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫線路的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)——線上鋼軌原位焊接，還存在一定難度。由于設(shè)備等原因，閃光焊在原位焊接(主要指單元軌節(jié)鎖定及道岔區(qū)的焊接)時(shí)的應(yīng)用尚不具備條件，只有采用鋁熱焊和電弧焊。鋁熱焊工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但焊縫的鑄造組織和母材容易造成過(guò)熱是其難以克服的兩大根本問(wèn)題，從而直接影響了接頭的整體性能，特別是落錘試驗(yàn)性能，成為目前焊接接頭運(yùn)行中折損率最高的一種焊接方法。鋼軌窄間隙電弧焊已有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，其中尤以日本技術(shù)突出。電弧焊作為最基本的焊接方法，由于其焊縫性能高、質(zhì)量可靠而被廣泛應(yīng)用，焊條電弧焊實(shí)際上也是最早被試驗(yàn)和應(yīng)用的鋼軌焊接方法，只是由于鋼軌斷面形狀復(fù)雜，材質(zhì)的可焊性差，因此對(duì)焊接人員的焊接技術(shù)要求高、焊接時(shí)間長(zhǎng)，并且存在人為因素而使焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此有必要研究開(kāi)發(fā)全自動(dòng)控制的鋼軌電弧焊接設(shè)備和工藝。

1 技術(shù)基礎(chǔ)和存在的問(wèn)題[1－2]

1963年美國(guó)俄亥俄州Battelle研究所首先開(kāi)發(fā)出窄間隙焊接技術(shù)，該技術(shù)并不是嚴(yán)格意義上的新焊接方法，準(zhǔn)確地說(shuō)是利用現(xiàn)有弧焊方法的一種焊接方式，將各種弧焊方法的優(yōu)缺點(diǎn)和特性直接遺傳給窄間隙焊接技術(shù)。窄間隙焊接技術(shù)一般采用I形或U形坡口，進(jìn)行每層1～2道的多層焊接。其優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)焊縫截面積大幅度減小(50%～80%)，顯著提高焊接效率，節(jié)省焊材；(2)熱輸入相對(duì)較小，冷卻速度較快，接頭的殘余應(yīng)力、殘余變形明顯減小，焊接熱影響區(qū)的塑性損傷極小，一次焊縫組織晶粒更細(xì)，熱影響區(qū)小，接頭力學(xué)性能高，對(duì)防止裂紋等焊接缺陷有一定好處。窄間隙焊適合于厚板、大截面接頭焊接，在焊接領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用范圍。同時(shí)窄間隙焊接也有一定缺點(diǎn)，如窄坡口內(nèi)電弧電場(chǎng)分布發(fā)生改變以及工藝因素的干擾(如焊絲偏離中心過(guò)大，送絲速度不均造成電弧長(zhǎng)度變化較大，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)?仍容易導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。窄間隙焊接中，最容易產(chǎn)生的缺陷是兩側(cè)壁未熔合，而一旦產(chǎn)生焊接缺陷，在狹窄的坡口內(nèi)進(jìn)行修復(fù)顯然極其困難，這個(gè)缺點(diǎn)需采取合理的焊接工藝和硬件手段予以消除。

窄間隙焊接的坡口面角度極小，焊炬與坡口側(cè)壁間的距離極小，傳統(tǒng)的跟蹤技術(shù)將不再適應(yīng)窄間隙條件下的跟蹤精度和響應(yīng)速度要求。視覺(jué)傳感對(duì)電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)的技術(shù)具有信息量大、無(wú)滯后、直觀等優(yōu)點(diǎn)，成為對(duì)窄間隙焊接自動(dòng)控制的首選。鋼軌的窄間隙焊接可以利用視覺(jué)傳感器檢測(cè)電弧位置與坡口的偏差作為焊槍對(duì)中信息，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤及閉環(huán)控制，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

現(xiàn)場(chǎng)原位焊接時(shí)需要較好的抗風(fēng)能力，否則容易產(chǎn)生缺陷，利用自保護(hù)藥芯焊絲焊接可以有效地克服不抗風(fēng)的缺點(diǎn)，其特點(diǎn)是所有形成氣體和熔渣以及防止氧化和氮化的成分都在藥芯中，因此不需要保護(hù)氣體或焊劑，因此十分適合現(xiàn)場(chǎng)焊接。近期的試驗(yàn)表明：藥芯焊絲的使用極大改善了飛濺大的狀況，藥芯焊絲窄間隙電弧焊焊接電弧穩(wěn)定，熔滴過(guò)渡均勻，熔敷速度高，焊縫成形良好，焊道表面光滑，熔寬大，側(cè)壁熔合良好。圖1為焊后接頭整體外觀，圖2為軌腰處接頭外觀。

圖1 焊后接頭整體外觀

圖2 軌腰處接頭外觀

2 材料、工藝和裝備[3－5]

為解決已有問(wèn)題，本研究使用自保護(hù)藥芯焊絲在基于電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)與對(duì)中視覺(jué)閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)的平臺(tái)下，進(jìn)行鋼軌自動(dòng)窄間隙電弧焊接，用以滿足無(wú)縫線路線上原位快速焊接的需要。要求的焊接接頭性能指標(biāo)主要有：(1)落錘試驗(yàn)，連續(xù)十個(gè)一錘不斷(落錘高度 3.1 m，錘重 1 t)；(2)靜彎試驗(yàn)，正向八個(gè)(1 300 kN不斷)，反向兩個(gè)(1 200 kN不斷)；(3)疲勞試驗(yàn)，最大載荷/最小載荷 350 kN/70 kN，支距1.0 m，200萬(wàn)次不斷；(4)接頭抗拉強(qiáng)度大于等于800 MPa；(5)沖擊功 AKU≥6.0 J。

采用的焊接材料為φ 1.6 mm JCTD－33型自保護(hù)藥芯焊絲，直流正接，焊接時(shí)電弧呈噴射狀，飛濺少，工藝性良好。焊絲熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分%

表2 藥芯焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

研發(fā)的窄間隙焊接系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)凈重(不包括發(fā)電機(jī)組及焊接電源)小于等于100 kg，焊接60kg/m鋼軌時(shí)間(不包括對(duì)軌等準(zhǔn)備工作)約25min，剛結(jié)束焊接時(shí)的焊縫如圖4所示。焊后對(duì)接頭進(jìn)行正火處理。正火工藝為：采取氣－液化氣火焰加熱方式，氧氣壓力 0.6 MPa，液化氣壓力 0.03～0.07 MPa，氧氣流量約4000L/h。加熱時(shí)間6min，加熱至900℃～950℃，空冷。圖5為熱處理后的軌頭焊縫金相組織，左側(cè)為鋼軌母材，組織為珠光體加少量鐵素體，右側(cè)為焊縫，組織為貝氏體。

圖3 窄間隙焊接系統(tǒng)

3 接頭性能試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行落錘、靜彎、疲勞、拉伸、沖擊等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)落錘試驗(yàn)。

連續(xù)十個(gè)接頭均一錘未斷，其中五個(gè)接頭兩錘未斷，斷口均未發(fā)現(xiàn)缺陷，落錘斷口如圖6所示。

圖4 高溫態(tài)焊接接頭

圖5 正火后軌頭熔合線組織(200×)

圖6 落錘斷口(正火后接頭)

(2)靜彎試驗(yàn)。

連續(xù)十個(gè)接頭均滿足要求指標(biāo)，壓斷之后觀察斷口，均未發(fā)現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，靜彎斷口如圖7所示。

(3)疲勞試驗(yàn)。

三個(gè)接頭均達(dá)到了疲勞試驗(yàn)要求。

表3 靜彎試驗(yàn)結(jié)果

圖7 靜彎斷口(未正火接頭)

(4)拉伸試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)取樣分別取自軌頭、軌腰和軌底部位，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示?？估瓘?qiáng)度全部高于要求的800 MPa。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

(5)沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)取樣分別取自軌頭、軌腰和軌底部位，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。沖擊功遠(yuǎn)高于要求的6.0 J。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過(guò)集成窄間隙電弧焊、自保護(hù)藥芯焊絲和電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)控制技術(shù)，研發(fā)出的鋼軌自動(dòng)窄間隙電弧焊接系統(tǒng)具有一定抗風(fēng)能力，能較好地?cái)[脫人為因素的影響，可實(shí)現(xiàn)快速原位焊接。有利于解決制約無(wú)縫線路建設(shè)的原位焊接問(wèn)題。

(2)采用鋼軌自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)窄間隙電弧焊焊接的接頭性能良好，全面超過(guò)了另外一種原位焊接方法鋁熱焊的接頭性能，能夠通過(guò)鋁熱焊不能通過(guò)的落錘試驗(yàn)，拉伸性能也強(qiáng)于鋁熱焊，沖擊性能大幅度優(yōu)于目前使用的閃光焊、氣壓焊和鋁熱焊。

(3)為保證焊接接頭質(zhì)量，應(yīng)采用合理的焊接工藝，盡可能采用較低的焊接規(guī)范。焊接設(shè)備必須帶有反饋跟蹤的電弧控制，可實(shí)時(shí)調(diào)整電弧位置，保證良好熔深。

基于電弧位置實(shí)時(shí)檢測(cè)控制技術(shù)的鋼軌自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)窄間隙電弧焊具有較大的鋼軌原位焊接應(yīng)用前景，應(yīng)加以推廣應(yīng)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

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008G001－C)

宋宏圖(1979—)，滿族，男，河北承德人，助理研究員，碩士，主要從事鋼軌焊接、車(chē)體材料焊接相關(guān)焊接設(shè)備及材料的研發(fā)工作。