摘要: 本文介绍了UN5-150Z钢轨闪光焊机焊接工艺参数的选择,及调整主要参数克服焊接钢轨产生的缺陷。通过一组实例阐述钢轨焊接参数的选择,对今后钢轨闪光焊机焊接具有参考作用。
关键词：UN5-150Z钢轨闪光焊机,钢轨焊接工艺参数,选择
闪光焊是现代轨道交通无缝线路铺设施工中进行钢轨连接的主要方法，该方法采用自动化生产方式;焊接工艺参数易于控制和调整;工艺稳定,接头质量好,生产效率高,是目前焊接钢轨的最佳方式。一般的闪光对焊的基本程序可以分成预热、闪光(亦称烧化)、顶锻、保持和休止等阶段。连续闪光对焊时无预热阶段。我公司使用的是UN5-150Z钢轨闪光焊机。采用连续闪光焊接。焊接参数的选择是一个型试实验的过程,对于钢轨焊接来说是基础,直接影响焊轨质量。
一、UN5-150Z钢轨闪光焊机焊接工艺参数：
影响无缝钢轨连续闪光焊接质量的主要因素就是焊接参数。焊接工艺参数主要有：时间、电压、电流、位移、前进速度、后退速度。如下：
UG——高压烧化电压值(V)
UD——低压烧化电压值(V)
v1——钢轨送进初速度(mm/s)
v2——钢轨短路时的分离速度(mm/s)
v3——钢轨送进烧化的末速度(mm/s)
t1——高电压烧化时间(s)
t2——低电压烧化时间(s)
t3——加速烧化时间(s)
t4——带电顶锻时间(s)
t∑——焊接总时间(s)
P1——液压系统低压工作压力(MPa)
P2——液压系统高压工作压力(MPa)
L——顶锻量(mm)
钢轨闪光焊焊接参数的调整实际是各个焊接参数的优化匹配过程。为了获得优质的焊接接头，焊接工艺参数的调整与定位应当满足以下条件：
(1)、轨焊接端头必须有足够的加热区和适当的温度梯度，并确保焊接端面温度分布均匀。
(2)、确保钢轨焊接闪光过程连续而稳定。
(3)、钢轨焊接端面必须有足够的塑性变形。
二、UN5-150Z钢轨闪光焊机焊接主要参数的选择：
UN5-150Z钢轨闪光焊机焊接主要参数的选择，是通过对UN5-150Z集装箱式钢轨闪光焊机连续闪光焊接工艺曲线分析，及钢轨落锤型试实验及检查钢轨闪光对焊后接头外观等因素进行选择:
(一)、焊接电压的选择
连续闪光焊机通过自藕变压器调整输出电压大小，确保向焊接变压器提供合适的电压数值，焊接过程电压如图1所示。焊接初期，钢轨处于冷态，电阻小、电流大，电流产生的热量传导迅速，激发闪光需要较大功率，一般采用高电压焊接。经过几次大的电流脉冲后，钢轨端面温度上升，这时接触电阻增大，焊接电流减小，触点数量增多并逐步扩展到整个端面，焊接过程进入稳定烧化阶段。稳定烧化阶段焊机只需选用较低的电压就可以维持连续稳定的闪光，所以这一阶段采用低电压焊接。当钢轨端部加热区形成一定宽度，即达到温度的动平衡以后，需要以激烈而稳定的闪光营造保护气氛，避免钢轨端面的液态金属膜被氧化而产生焊接缺陷，焊接电压便恢复到初始高电压。一般高电压选用390～430V，低电压选用310～340V之间。
(二)、焊接时间的调整
钢轨焊接过程中各阶段的时间控制非常关键，主要有：闪光初期高压烧化时间、低压烧化时间、烧化末期高压时间、加速烧化时间、带电顶锻时间和无电顶锻(保压)时间等，各阶段时间长短的调整对焊接质量影响不尽相同。例如：加速烧化时间过长会缩小加热区宽度，带电顶锻时间过长则容易诱发过热缺陷，无电流顶锻时间短就会导致塑性变形不充分，这些都会恶化焊接质量。一般情况下各阶段焊接时间选用范围如表1所示：
(三)、速度调整
焊机对所有型号钢轨在闪光烧化时期的送进速度基本相同，均在0.2~0.22mm/s范围内变动。速度过高，加热效率降低;速度过低，不能维持连续稳定的闪光。因此，钢轨端面烧化速度应与焊机动架送进速度匹配。调整可调变阻器的阻值，可以改变电机放大机的输出电压，送进速度与之对应，同步增减。顶锻时的合缝速度即顶锻速度要求越快越好，一般不小于20～25mm/s，否则钢轨端面容易被氧化而产生焊接缺陷。带电顶锻时的速度取决于钢轨端面的温度、顶锻压力和顶锻电流。
分离速度的调整分两种情况，一种是调整动夹具的后退速度，一般取0.9～1.0mm/s;另一种是焊接过程中钢轨轨端接触后的分离速度，一般出厂前已经调好，不用再调。
(四)、压力调整
液压系统压力的调整主要有：系统低压、系统高压、顶锻压力等。液压系统压力是按照程序设计变化的，在加速烧化前和推瘤动作完成后系统压力相同。通过主令控制器跨线开关的闭合实现高、低油压的转换。液压系统的顶锻压力是指顶锻时顶锻缸的油压，根据钢轨的截面面积并通过焊接试验选取，一般取4Kg/mm2。
(五)、顶锻量
顶锻量是连续闪光焊中非常重要的工艺参数。连续钢轨焊机采用了可控顶锻，通过钢轨试焊确定顶锻量。钢轨材质不同、截面积不同，顶锻量也就不同。焊接60Kg/m钢轨时顶锻量一般调整为11～13mm;(60Kg/m)U71Mn钢轨顶锻量一般为11mm左右，(60Kg/m)攀钢U75V钢轨顶锻量一般为13mm左右。
三、选择合理焊接参数克服闪光焊接主要缺陷：
钢轨闪光焊产生的缺陷一般分为：内部缺陷、外部缺陷和金属组织缺陷。内部缺陷包括：灰斑、未焊合、裂纹、过烧、焊缝夹杂物等;外部缺陷包括：错位、低塌和电极灼伤等;金属组织缺陷包括马氏体、晶粒粗大等。
(1)、闪光焊裂纹产生的主要原因及解决办法
轨脚端部裂纹是在焊缝轨脚两端出现开裂的现象。为轨脚端部裂纹的断口，可以看出，轨脚边缘颜色较深，有氧化现象，这说明，焊接过程结束，在接头冷却过程种中，这种缺陷已经形成，另外，也说明这是一种没有焊合的缺陷。这种缺陷对焊接接头的整体强度影响很大，会大大降低接头的抗冲击强度。试验表明，焊缝一旦产生这种缺陷，钢轨接头将无法通过落锤试验，因此，这是一种较为危险的焊接缺陷。
轨脚端部裂纹多数与焊接工艺有关。例如，焊接顶锻量不足，使轨脚部位的挤压面积小于钢轨端面;推凸和保压的时间过短，造成塑性变形量不足;焊接加热的时间不够长，造成加热的范围过窄等。另外，电源电压的大幅度波动也是一个不可忽视的因素，例如大幅度下降，使得焊接接头的热输入大幅度下降，也有可能产生这类缺陷。
防止方法：克服轨脚端部裂纹的主要方法是进行焊接工艺参数的调整。由于调整焊接工艺参数是一个与焊机的性能指标、电网状况和焊接基础知识有关的较为综合的技术。大致的调整方法是提高焊接的顶锻量，延长推凸和保压的时间，或者延长焊接加热的时间等。
(2)、 闪光焊过烧产生的主要原因及解决办法
过烧是焊接时加热温度过高，局部金属加热到达固相线与液相线之间温度而造成的晶界偏析和烧熔。过烧是焊接接头最危险的缺陷之一，常出现在轨底两侧的轨脚位置。轻度过烧时出现细小炭黑斑点，严重过烧时出现黑色蜂窝状组织。钢轨闪光焊和气压焊都有可能出现过烧缺陷。
钢轨闪光焊产生过烧的防止方法：①降低高压阶段的电压;②缩短高电压阶段焊接时间;③缩短带电顶锻时间;④延长顶锻时间;⑤降低加速烧化阶段的最高电压等。
(3)、焊缝夹杂物
夹杂物在钢轨闪光焊的分布特点是：分布在焊缝之中，并且颗粒状。将焊缝打断后，在宏观下观察，颜色较深，可视为灰斑的一种。
闪光焊氧化物夹杂的产生原因较多，并且规律比较难以掌握，一般认为是钢轨在焊接过程中，焊缝处有时形成硅酸盐类的非金属物质，少量聚集在闪光弧坑的底部，当最终的顶锻完成后，没有将非金属物质挤出，使其滞留在焊缝中，这样就形成了焊缝夹杂物。
夹杂物的产生与以下几种原因有关：一是与钢轨母材的成分有关。实践表明，硅(Si)含量高的钢轨，闪光焊缝中的灰斑出现的概率也相应提高。二是与焊接时所用的顶锻力有关，顶锻力过小，钢轨端面的表面氧化物颗粒未完全挤出，使用它们存留在接头中。防止方法：注意钢轨的化学成分，Si含量应在标准要求的范围内，不应含量超标或分布不均匀。注意焊接工艺参数，钢轨端面加热要均匀，顶锻位移量和压力要保证。
(4)、闪光焊灰斑产生的主要原因及解决办法
一部分灰斑产生的原因是由于钢轨中存在Si、Mn、Al等合金元素，加之焊接工艺参数不合理，使得焊接时尤其是连续闪光末期保护不好，导致Si、Mn、Al等元素被氧化而形成夹杂物缺陷，在顶锻时，熔化的金属与这些夹杂物一起被挤压，沿工件径向流动，未被排挤干净而残留在焊缝中的氧化物，就形成了断口上的灰斑。通过调整参数以减少灰斑。
因此调整焊接工艺参数是一个与焊机的性能指标、电网状况和焊接基础知识有关的较为综合的技术。确定合适的焊接工艺参数会提高钢轨焊接质量，减少钢轨闪光焊产生的缺陷。
四、UN5-150Z 钢轨闪光焊机焊接参数的选择实例：
在昌九城际铁路焊轨施工中，采用攀钢U75V、60KG钢轨，用UN5-150Z 钢轨闪光焊机施焊，原始焊接工艺参数(表2)及曲线图(图2)。
从表2及图4可以看出：
低压一从焊机电流中的曲线图(图2)得知低压一短路次数较多，短路时间较长，将前进速度和后退速度调大(7800——>7950,-2100——>-2200)，这种现象液桥积聚能量很大，当拉开时液桥爆裂闪光有可能会连钢轨炸出一个小坑，形成气孔或灰斑。电流成阶梯试的降下，然后缓缓升高，形成很好的缓冲。有利于积蓄足够热量，对以后的低压二，加速，顶锻做充足的准备。
由图像中(图2)低压一阶段的电流可以看出电流偏低，焊缝的晶粒粗大，硬度，瞬间冲击能力都会大大降低，还会因为积蓄热量会不足，导致在焊接过程轨端会有残留物质或凹凸不平，容易产生灰斑。因此焊接参数必须调整。
调整办法：利用空载试验在低压一的电压调高(80——>105)，使绝大部分电流的峰值在630A以上，少许超过690A。从图中低压一还可知道，基本都处在短路阶段，前一个阶段闪光还没结束，后一阶段又开始闪光了，说明，前进速度明显大于后退速度，这样闪光较剧烈，会带走焊缝间大量的热量，同样导致热量积蓄不足。图像中7~17秒这段时间，并未闪光，完全短路，无法将轨端里的夹杂物烧化，闪光，无法产生热量，容易造成灰斑或夹杂物。即将前进速度改小(7950——>7900)，后退速度改大(-2200——>-2250)。30~32秒电流降的太快，对顶锻有影响。
调整后低压一阶段闪光就比较均匀，积蓄了充足的热量，在图中30~32秒中(即低压一转换到低压二的过程)，电流也比较稳定的下降。唯一的不足就是从低压二至加速顶锻过程中，电流的增长过缓，特别是在加速顶锻时(42~44秒)的电流不够大(一般在200A附近)，电流不够大，最后的闪光不够剧烈，无法将焊缝中的氧气完全燃烧，则在高温下铁与氧气将会形成氧化铁即灰斑。但是在加速顶锻中，电流的峰值也不允许太高(一般在400A以下)，否则会带走大量的热量。加速顶锻时电流掉下来，即没有闪光，肯定有残留的氧气在里面形成灰斑。通过增大加速极限(4780——>4950)和提高前进速度(2060——>2260)
低压一始终处于短路阶段，没有火花，钢轨端面没闪光，端面的氧化物等一些杂质没有被火花一起带出，虽然在低压二，加速，顶锻时有剧烈的闪光，能将一些杂质带出，但是不够完全。低压一的长时间短路，没经过火花将热量带出，一直积蓄在两端面之间，会形成过烧，影响钢轨的焊接质量。
从焊接图(图2)低压一的前15秒还是非常均匀，15秒至25秒较差，此时就要关注低压二、加速、顶锻的图像，低压一转变低压二出现了电流间断，在加速电流几乎没什么变化，没呈上升的趋势，特别是顶锻时间提前短路，这种现象出现的概率比较高，在顶锻和电流没有同步的时候，空气最容易进入，形成灰斑。通过降低加速极限来解决(4950——>4850)。
经过上述调整最终焊接参数选择如下：
调整后，焊接工艺曲线如下图(图3)：
图3---焊机电流曲线图
这种焊接图像是比较好的，落锤后不断，锯开后看焊缝断面一部分焊
缝未出现灰斑，一部分出现1*2，1*3的灰斑，且不在最薄弱的轨角边，焊缝质量居于稳定。这组参数2009年应用在昌九城际铁路现场施工中，所焊焊缝合格率达到98%以上。2010年8月开通至今焊缝质量稳定。
五、结束语：
移动式连续闪光焊机焊接钢轨选择合理的焊接参数是一个系统工程，是对各个参数进行综合分折的过程。其选择和确定是一个值得探索的问题。只有选择合理的焊接参数通过钢轨型试实验和超声波探伤等方法检验，才能确保钢轨焊接质量。因此焊接参数选择是确保钢轨焊接质量主要因素。
参考文献
(1)TBT/1632.1-2005，钢轨焊接——第一部分：《通用技术条件》北京：中国铁道出版社，2005
(2)卢祖文.《客运专线铁路轨道》北京：中国铁道出版社，2005.
