鋼軌交流閃光焊新型加熱控制方式

張揚，呂其兵，王曉，陶啟明

摘要：固定PLC掃描周期，基于伺服電磁閥，實現(xiàn)了一種基于電流反饋的鋼軌交流閃光焊新型加熱控制方式：焊機(jī)機(jī)頭動端夾鉗在固定振動的基礎(chǔ)上疊加一個變速送進(jìn)運動的加熱控制方式，實現(xiàn)鋼軌端面的快速高質(zhì)量加熱。采用紅外熱像儀采集原脈動加熱工藝與該加熱工藝高壓階段即將結(jié)束時的溫度場并進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：同樣的加熱時間條件下，新型加熱控制方式高溫區(qū)域?qū)挾容^原脈動閃光焊增加了13.82%以上。結(jié)合焊接曲線可知，新型加熱控制方式通過提升最小電流值、減少斷路時間的方式提高了加熱效率，可快速建立高溫溫度場寬度。

關(guān)鍵詞：鋼軌交流閃光焊;焊接溫度場;加熱控制

中圖分類號：U213.9+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0085-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.16

0? ? 前言

2017年底，我國高鐵總里程占世界總量66.3%[1]，這代表著我國高速鐵路的發(fā)展進(jìn)入了一個里程碑式的階段。隨著我國高鐵的不斷建設(shè)，無縫線路逐漸走進(jìn)了人們的視野。無縫線路指一種長鋼軌線路，是由多根標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼軌焊接在一起形成的，具有乘坐舒適、維修費用低的優(yōu)點[2]，鋼軌焊接是無縫線路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比較其他鋼軌焊接方式而言，閃光焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定和自動化程度高的優(yōu)點，是目前國內(nèi)線路實際生產(chǎn)中最常用的鋼軌焊接方式，截至2010年底，占比高達(dá)87%以上[3]。

根據(jù)鋼軌閃光焊的加熱方式，可將其分為預(yù)熱閃光焊、脈動閃光焊和連續(xù)閃光焊[4]。預(yù)熱閃光焊通過鋼軌端面多次短路來加熱，該加熱方式主要被直流焊機(jī)采用，其加熱寬度合適，焊縫晶粒均勻，但是所需電源功率大[5];連續(xù)閃光焊的特點是焊接電流小，焊接效率較低;脈動閃光焊采用較寬脈沖預(yù)熱，會出現(xiàn)一定時間的短路，對變壓器負(fù)載大，且短路時間低于預(yù)熱閃光焊，焊接效果總體上優(yōu)于連續(xù)閃光焊[6]。

鋼軌閃光焊溫度場寬度及加熱效率對焊接質(zhì)量的影響包括以下幾方面：（1）溫度場過寬會導(dǎo)致晶粒變粗，過窄會出現(xiàn)馬氏體，因此合適的焊接接頭溫度場寬度與梯度可以確保高碳當(dāng)量的鋼軌焊接接頭不出現(xiàn)馬氏體組織，并且不出現(xiàn)粗晶粒組織。（2）閃光焊不使用保護(hù)氣，主要依靠液橋爆破進(jìn)行自我保護(hù)，因此高溫端面的高效保護(hù)十分重要。文中結(jié)合各控制方式的特點，研制出一種通過提高加熱效率來實現(xiàn)快速加熱，從而獲得高保護(hù)效果，并獲得頂鍛前高溫端面平整性的控制方式，具有良好的工程價值。

1 新型加熱控制方式的模型及實現(xiàn)

原脈動閃光焊及連續(xù)閃光焊的控制模型示意如圖1所示，其表達(dá)式為

式中 v為動夾鉗的實時運動速度（單位：mm/s）;I為實時采集的焊接變壓器一次電流;I1為工藝參數(shù)中的電流一（單位：A）;I2為工藝參數(shù)中的電流二（單位：A）;I3為工藝參數(shù)中的電流三（單位：A）;v前進(jìn)和v后退分別為工藝參數(shù)中的動夾鉗前進(jìn)速度（單位：mm/s）和后退速度（單位：mm/s）。為了便于PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，工藝參數(shù)中的后退速度均設(shè)為正值，PLC中計算時對其取負(fù)。

與脈動閃光焊原控制方式通過實時電流計算動夾鉗速度的被動式運動不同，新型加熱控制方式通過在固定振幅上疊加一個變送進(jìn)速度來實現(xiàn)動夾鉗的自主振動加送進(jìn)，從而完成焊接。UN5-150ZB系列焊機(jī)的預(yù)閃、高壓Ⅰ和高壓Ⅱ階段合并起來為建立焊接溫度場的階段[7]，預(yù)閃的主要作用是閃平端面，有利于后續(xù)焊接時鋼軌全端面均勻接觸加熱，高壓Ⅰ和高壓Ⅱ則是主要對接頭進(jìn)行加熱以便形成合適的溫度場，從而防止出現(xiàn)有害組織，有利于氧化物缺陷的擠出，便于接下來低壓階段的連續(xù)閃光。因此只在高壓Ⅰ和高壓Ⅱ階段使用新型控制模型，其余階段使用原控制模型。

1.1 動夾鉗的固定振動模型

采用伺服電磁閥加PLC運算控制實現(xiàn)動夾鉗固定振動功能，動夾鉗按圖2所示的固定振動的位移-時間曲線進(jìn)行固定振動，各參數(shù)可以通過計算機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)含義為：f為振動頻率（單位：Hz）;A1為振動送進(jìn)方向的振幅（單位：mm）;A2為回拉方向的振幅（單位：mm）;t1和t2分別為振幅A1的送進(jìn)時間和回拉時間（單位：ms）;t3和t4分別為A2的送進(jìn)時間和回拉時間（單位：ms）。

1.2 基于電流反饋和固定振動的高壓階段加熱控制模型

上述動夾鉗固定振幅的振動整體沒有送進(jìn)，不能形成接觸加熱燒化，因此要采用振動+伺服閥送進(jìn)的方式。由于鋼軌在不同階段的溫度場不一樣，形成液態(tài)過梁需要再輸入的能量也不一樣，所以，不同階段伺服閥的送進(jìn)速度也是變化的，為此提出了基于電流反饋控制伺服電磁閥運動加固定振動的模式：在固定振動上疊加一個沿動夾鉗前進(jìn)方向的變送進(jìn)速度，該速度的設(shè)置值參考實際燒化速度。并且為了保證焊接的正常進(jìn)行，使用電流反饋控制動夾鉗的運動狀態(tài)，防止鋼軌間隙過大導(dǎo)致的閃光中斷和過小導(dǎo)致的長時間短路現(xiàn)象。新型加熱控制方式新增了一個后退速度，目的是防止長時間短路的出現(xiàn)，在工藝參數(shù)設(shè)置中將其稱為后退速度2，原后退速度稱為后退速度1。

由于拉線式位移傳感器的辨別精度僅為0.1 mm，因此將圖2中固定振幅的位移-時間曲線轉(zhuǎn)化為速度-時間曲線，通過控制速度來替代控制位移，從而實現(xiàn)控制模型?；陔娏鞣答伜臀灰苽鞲衅鞣答伒男滦图訜峥刂颇Ｐ捅磉_(dá)式為

式中 v后退1和v后退2分別為工藝參數(shù)中的動夾鉗后退速度1和后退速度2（單位：mm·s-1）;v振動為固定振動此時對應(yīng)的速度（單位：mm·s-1）;v變根據(jù)試驗和原脈動焊接過程曲線確定（單位：mm·s-1）。該模型的控制思路如下：當(dāng)I≤I1時，動夾鉗按固定速度前進(jìn)，I2≤I≤I3時，動夾鉗按固定的后退速度1后退，I>I3時，動夾鉗按固定的后退速度2后退，當(dāng)I1

1.3 基于PLC固定掃描周期的固定振動頻率精確控制及速度計算

PLC的定時器存在誤差，對于需要毫秒級的高速響應(yīng)的影響很大，當(dāng)動作線圈在觸點前面時，最大誤差為+T0（T0為掃描周期的時間[8]）。在已知本焊接系統(tǒng)綜合響應(yīng)延遲時間小于10 ms的前提下，可將PLC的掃描周期固定為10 ms，以實現(xiàn)高速精準(zhǔn)計時。

由圖2可知，固定振動分為4個階段，可將其稱為t1、t2、t3、t4階段。則各階段由位移對應(yīng)到速度的計算公式如式（3）所示。以A1= A2為例，固定振動疊加v變后的速度-時間曲線如圖4所示。

式中 vt1、vt2、vt3和vt4分別為振動t1、t2、t3、t4階段對應(yīng)的動夾鉗速度（單位：mm·s-1）。

v變的計算需要在完成一個振動周期后進(jìn)行，原因是為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)穩(wěn)定性，若每個10 ms結(jié)束后均計算v變，則v變可能會在一個振動周期內(nèi)發(fā)生多次變化，輸出到閥上會產(chǎn)生波動。使用振動各階段的動夾鉗速度，通過10 ms標(biāo)志位，即可實現(xiàn)PLC實現(xiàn)新型控制模型的速度計算子程序，其流程如圖5所示。其中，D10為10 ms計時的標(biāo)志位，在每個掃描周期中+1，即可表示以10 ms為刻度的時間運轉(zhuǎn)。為保證運轉(zhuǎn)正常，在按下焊接啟動鍵時，通過上升沿觸發(fā)指令執(zhí)行D10置0的指令。t1、t2、t3和t4的值對應(yīng)到寄存器為Dt1、Dt2、Dt3和Dt4，寄存器中保存各階段對應(yīng)的時間，單位為10 ms，可以與D10直接進(jìn)行比較來判斷振動的階段。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為60 kg/m級的U75V軌，其主要化學(xué)成分如表1所示。

2.2 焊接分組及對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置

采用原脈動閃光焊參數(shù)焊接接頭記為A001，工藝參數(shù)如表2所示。新型焊接工藝設(shè)計了A002、A003和A004三組焊接接頭，工藝參數(shù)如表3所示，固定振動控制參數(shù)如表4所示，對應(yīng)的固定振動滿足t1=t2=t3=t4，A1=A2。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 基于焊接過程曲線的分析

A001-A004的焊接曲線如圖6所示。由圖可知，新型加熱控制方式下的A002-A004三組接頭較原脈動閃光焊下的A001的改善為：（1）短路電流減少，較長時間短路幾乎消失，焊接變壓器的負(fù)載降低;（2）最小電流提升，高壓階段100 A以下的焊接電流占比減少，斷路時間減少。以上兩點由新型加熱控制方式的振動所導(dǎo)致，均有利于高溫端面保護(hù)和端面平整性能提升。

3.2 焊接溫度場的提升

選取A001-A004高壓第20 s軌頂和軌腰的高溫區(qū)溫度場寬度作為加熱效率的評判標(biāo)準(zhǔn)，焊接溫度場高溫區(qū)寬度實測如圖7所示。

提取分析焊接溫度場，軌頂?shù)母邷貐^(qū)寬度如表5所示，軌腰的高溫區(qū)寬度如表6所示。由表5、表6可知，A002-A004較A001而言，高溫區(qū)寬度最少增加了13.82%。固定時間下，新型加熱控制方式三組接頭的高溫溫度場寬度均高于原脈動閃光焊的一組接頭，因此新型加熱控制方式的加熱效率高于原脈動閃光焊。

4 結(jié)論

（1）新型加熱控制方式在同樣加熱時間條件下，高溫區(qū)寬度較原脈動工藝增加了13.82%以上，實現(xiàn)了快速加熱。

（2）新型加熱控制方式通過振動的方式提升了最小電流值，減少了斷路時間，減小了短路電流峰值和持續(xù)時間，有利于高溫端面保護(hù)和端面平整性能提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)于印發(fā)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的通知（發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕1536號）[EB/OL]. https：//zfxxgk.ndrc.gov.cn/web/iteminfo.jsp？id=366， 2016-07-13.

[2]盧祖文.高速鐵路軌道技術(shù)綜述[J].鐵道工程學(xué)報，2007（1）：41-54.

[3]呂其兵，張曦. 高速鐵路軌道焊接質(zhì)量控制現(xiàn)狀與趨勢[J]. 電焊機(jī)，2019，49（2）：1-5.

[4]戴虹，吳細(xì)水.鋼軌現(xiàn)代焊接技術(shù)裝備綜述[J]. 鐵道建筑，2005（8）：10-12.

[5]鄒良甫，張小路，高成鋼.預(yù)熱閃光焊與脈動閃光焊工藝比較[J]. 焊接，2014（4）：64-66，76.

[6]丁韋，宋宏圖，駱德陽，等. U75V鋼軌閃光焊工藝研究[J]. 熱加工工藝，2010，39（9）：135-137.

[7]王會啟. UN5-150鋼軌交流閃光焊機(jī)研制[D]. 四川：西南交通大學(xué)，2006.

[8]FX3S/FX3G/FX3GC/FX3U/FX3UC系列編程手冊-基本&應(yīng)用指令說明書[Z].三菱電機(jī)自動化（中國）有限公司，2016：100+842.