窄间隙自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中侧壁熔合熔深控制

窄间隙自保护药芯焊丝钢轨电弧焊

焊接过程中侧壁熔合控制

摘要：自保护药芯焊丝电弧焊是一种适用于高速铁路无缝线路现场焊接的窄间隙焊接方法。自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中，恰当的侧壁熔合控制是得到性能与形貌良好的焊缝的关键。本文首先简要介绍了钢轨焊接及窄间隙焊接方法，之后对自保护药芯焊丝钢轨电弧焊侧壁熔合过程的主要相关参数及控制要点进行了分析，最后提出了一套针对自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中侧壁熔合控制的研究方法。

关键词：侧壁熔合，控制，钢轨焊接，窄间隙焊，自保护药芯焊丝电弧焊

1背景概述

1.1钢轨焊接

高速铁路是现代铁路行业最为主要的发展方向之一。高速铁路无缝线路建设的大范围展开迫切需要性能、质量、生产效率相匹配的原位焊接方法。

目前国内现有的钢轨焊接从焊接方法上分类主要有闪光焊、电弧焊、气压焊等；从焊接设备上可分为手工焊和自动焊；从焊接工况上可分为现场焊与工厂焊。无论是工厂焊还是现场焊，钢轨焊接作业环境均较为恶劣，实现高精度、高质量的钢轨焊接需要有先进的焊接设备与焊接方法作为保障。传统的人工焊接已较难满足现代化无缝钢轨的技术要求，且作业效率较低。图1为安装在大型焊轨车上的移动式自动焊轨机进行现场焊接作业时的情景。大型焊轨车辆在国内高速铁路线路的建设中已有应用，目前在国内应用较为广泛的自动焊轨机主要有乌克兰巴顿焊接研究所生产的K920系列固定式焊轨机、K922系列移动式焊轨机，南车戚墅堰机车车辆工艺研究所设计制造的LR1200系列移动式焊轨机等。此类自动焊轨机机械结构及电气控制方面设计巧妙，具有较高的控制精度。自动焊轨机采用的焊接方法主要有闪光焊、电弧焊、气压焊等。

图1 大型焊轨车上的自动焊轨机

1.2窄间隙焊

窄间隙焊（NGW，Narrow Gap Welding），是一种先进高效的新型焊接技术，在钢轨焊接等厚板材料焊接中已得到广泛应用。窄间隙焊在严格意义上并不是一种新的焊接方法，而是利用现有弧焊方法的一种焊接技术，所以各种弧焊方法的优缺点和特性会直接遗传给窄间隙焊。与传统焊接技术相比，窄间隙焊接具有诸多技术与经济的优越性。窄间隙焊焊缝横截面积大幅度减少，更加节能、省材；热压缩塑性变形量大幅度缩小，且沿板厚方向上更趋均匀化，从而使得接头的残余应力、残余变形减小；深而窄的坡口侧壁有利于焊接区的冶金保护，焊缝金属的冶金纯净度更高；较高的熔池冷却速度，相对较小的焊接线能量，使焊缝组织相对细小，且焊接热影响区的塑、韧性损伤也大大减小，缺口韧性相对提高。鉴于上述原因，窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术。

实现高质量、高可靠性的窄间隙焊并非易事，因为在深窄的坡口内进行电弧焊接，传统坡口下的焊接工艺难以保证焊接质量，主要技术难点有：①侧壁融合不良：由于传统技术(较大间隙和较大坡口面角) 下的电弧轴线极易实现与坡口面有较大夹角(有时甚至垂直)，这样高熔透能力、高能量密度的电弧中心区域就容易作用到坡口面上，只要工艺规范与操作工艺得当，坡口面和焊道、焊层间发生未熔合的几率极小；而窄间隙焊时，若用传统技术进行焊接，电弧轴线基本与坡口侧壁平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以作用到坡口侧壁，更不用说能量密度最高的电弧中心了，这就导致了侧壁均匀熔合可靠性差。这是窄间隙焊的最大困难。

1.3自保护药芯焊丝电弧焊

自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW-S，self-shielded flux cored arc welds），其基本原理为将可熔化的药芯焊丝作为一个电极（通常接正极，即直流反接），母材作为另一极，在电弧的作用下实现焊接过程。焊接时，在电弧热作用下熔化状态的焊剂材料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池。

药芯焊丝电弧焊综合了手工电弧焊和普通熔化极气体保护焊的优点：电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小；与焊条相比焊丝熔敷速度快，焊接效率高，且焊接利用率高适用于自动焊接半自动焊接或全自动焊接。而其缺点主要为焊丝制造过程复杂，成本相对较高。自保护药芯焊丝电弧焊焊丝、焊剂合一、无需气体保护的特点，适用现场焊接工况。

运用自保护药芯焊丝电弧焊的方法，并采用窄间隙焊的方式，可较好地满足钢轨焊接的要求。窄间隙自保护药芯焊丝钢轨电弧焊在实际工程中已有应用。

2理论分析

2.1侧壁熔合与焊缝成形分析

自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中，侧壁熔合的好坏将直接决定钢轨焊接接头的质量，对高速铁路的承载承载能力有着至关重要的影响，关系到广大列车乘客的生命财产安全。

钢轨侧壁熔合焊接过程中，侧壁熔化需要的热量主要来自于电弧熔池的热量，通常情况下，熔池中心的温度最高，热量分布以熔池中心往四周逐步减小。焊接过程中，侧壁离电弧中心的距离决定了侧壁吸收的电弧熔池带来的热量，从而决定了侧壁熔合的程度和侧壁熔深。图2中为一典型的对接焊缝形貌，其中H为熔深，B为熔宽，a为余高，熔合比为A m/(A m+A H)，焊缝成形系数为B/H，余高系数为B/a。实现良好的侧壁熔合焊接，不仅需要侧壁熔化，还需要熔化量有一定的熔深与熔宽。合适焊接工艺不仅需要成形有合适的焊缝成性系数，还需要合适的熔合比，只有焊缝成形系数跟熔合比匹配，才能确保足够的熔宽和熔深，从而保证侧壁熔合的质量。

图2 典型焊缝形貌

为实现良好的侧壁熔合质量，制定恰当的控制策略，即设定合适的焊接输入参数，是钢轨焊接技术中的重点与难点。在钢轨焊接过程中，对焊接质量与焊缝成形有重要影响的工艺参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度及电弧位置。

2.2焊接电流及电弧电压对焊缝形貌的影响

焊接电流是影响焊缝熔深的主要因素，在其他条件不变情况下，随着焊接电流增大，熔深近似成正比增加，熔宽略有增加，同时余高增加而使成形系数及余高系数减小。

电弧电压是影响焊缝熔宽的主要因素。在其他条件不变情况时，随着电弧电压的增大，焊缝熔宽显著增加，熔深和余高略减少。

2.3焊接速度对侧壁熔合的影响分析

焊接速度对焊缝形状和尺寸都有明显影响。焊速提高，熔深熔宽都显著减小。焊接过程中，焊丝的送丝速度与熔化速度的匹配关系对焊接过程的稳定性起着重要作用，是影响焊缝质量和焊接生产效率的重要因素。焊丝熔化速度主要由焊接电流决定，焊丝熔化速度作为外设焊接工艺参数共同作用的结果，在相同的焊接电流情况下，熔化速度也会因其它工艺参数的改变而呈现较大的差异，因此选择最佳匹配的工艺参数对获得稳定、高效、高质量的焊缝有重要作用。

自保护药芯焊丝焊接过程中，焊丝送进速度和焊丝熔化速度不匹配，很难得到想要的熔滴过渡过程，会造成气孔、夹渣以及大量的飞溅等，严重影响焊接过程稳定性、可重复性和可靠性，进而影响焊缝质量和接头力学性能。

2.4电弧位置对侧壁熔合的影响分析

电弧位置也对焊接效果有着显著影响。电弧位置过远，则钢轨（母材）吸收能量小，熔化量及熔深熔宽难以保证；电弧位置过近，则焊接起弧过程中，遵循弧压最小原理，当焊枪离侧壁距离到达一定程度时，焊枪会偏离预定的起弧点而和侧壁起弧，造成爬弧现象，使焊接过程无法继续进行。同时焊接生产过程中电弧会产生波动，其作用位置具有不确定性和不稳定性。采用窄间隙焊接方式进行厚板焊接时出现侧壁熔合质量不好的问题，往往是由于焊接生产过程中电弧作用位置的不确定性和不稳定性造成的。合适的侧壁距离及较小的位置波动，可使焊缝区和侧壁母材有足够的熔合量，保证结合部位的强度，又不至于造成爬弧现象。

下面以厚板焊缝成形为例，列举四种不同焊接工艺条件下的焊接成形情况及其在焊接侧壁时的侧壁熔合情况分析。图3~图6是不同的焊接工艺条件下的平板焊缝成形情况及其在焊接侧壁时侧壁熔深熔合情况分析，假定焊枪末端位置(电弧燃烧点)离侧壁的距离恒定，都位于离侧壁最近的极限距离。

图3 宽熔宽浅熔深

图4 宽熔宽深熔深1

图5 窄熔宽深熔深

图6 宽熔宽深熔深2

焊缝成形如图3所示时，该条件下，成形虽然有足够的熔宽，但是熔深不足，侧壁熔合不够；在图4条件下，虽然焊缝熔宽和熔深都足够，但是受到焊接速度等条件影响，熔深沿熔宽方向变化不均匀，此种情形下的焊接工艺，仍然没法满足侧壁熔合的焊缝需求；图5工艺条件下形成的焊缝，焊缝熔深及其分布情况比较规范，但是熔宽不够，虽然侧壁熔合良好，但是侧壁熔深不够；图6工艺条件下，焊缝成形形状规范，熔宽合适，侧壁焊接成形有一定的熔深和良好的熔合，目前采用该条件下的工艺取得的钢轨接头质量相对比较稳定。实际焊接过程中，焊枪离侧壁的距离控制在一定范围内，图6条件下的成形焊缝，边距(焊枪离侧边距离)有较大的调节空间，工艺适应性最强，但是该条件下的焊缝与其他三种情况相比，有较大的热输入，因此需要进一步研究合适的熔深和边距关系模型，优化对焊缝成形及侧壁焊接工艺数据和边距控制，拟得到一个经验公式模型，在满足边距熔合、熔深的条件下，工件有最小的热输入。

3实验方法分析

根据上述分析，下面提出了一套自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中侧壁熔合控制的研究方法。研究应以实验方法为主，通过实验获取数据并建立模型，同时还需进行环境因素分析及工程应用分析。

首先应进行常温常压下的基本静态实验，采用控制变量法，测量或计算焊炬位置、焊机功率等焊接输入参数及焊缝熔深、容高、熔合比等焊缝成形参数，分析各焊接输入参数对侧壁熔合的影响规律，建立模型，并制定最优控制策略，使得在满足边距熔合、熔深的条件下，工件有较小的热输入。

对钢轨焊接有影响的环境因素主要为环境温度及气压，可查阅相关理论研究文献总结温度及气压对侧壁熔合及焊缝成形影响的基本规律，可以此为根据对特定工况条件下的焊接策略进行微调，并到实际作业地点进行实验加以验证。同时可查阅资料发掘其他对钢轨焊接过程存在影响的环境因素。

理论研究应为工程应用服务，在实际工程中应根据具体工况制定相应的焊接控制策略。在实际工程当中，还应注意需提高焊机的控制精度与调整精度，以实现良好的焊接效果。

4结论

自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中，良好的侧壁熔合须具备足够的熔深与熔宽，影响自保护药芯焊丝钢轨电弧焊焊接过程中侧壁熔合质量的主要因素为电弧位置。为实现良好的侧壁熔合，应建立合适的熔深和边距关系模型，优化对焊缝成形及侧壁焊接工艺数据和边距控制。

参考文献

[1]周红梅. 轨道焊接方法及质量对比研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文.

2013.

[2]Николин А.И., 宋忠明(译). 焊轨机的发展前景[J]. 国外机车车辆工艺. 2006,

(6): 1-4, 10.

[3]黄腾飞, 刘晓磊. LR1200型钢轨闪光悍机的研制[J]. 机车车辆工艺. 2009(2):

9-11.

[4]项峰, 姚舜. 窄间隙焊接的应用现状和前景[J].焊接技术, 2001, 30(5): 17-18.

[5]Stano Daniel; Matejec Juraj. ESAB narrow gap welding technology: Boosts

production for Slovakian boiler fabricator[J]. Svetsaren, 2010, 65(1): 47-50. [6]王家友. 窄间隙焊缝跟踪电弧传感方法及特性研究[J].江苏科技大学学报（自

然科学版）.2007, 21(6): 17-20.

[7]张良锋. 双丝窄间隙GMAW设备及工艺研究[D]. 哈尔滨工业大学硕士学位

论文. 2007.

[8]宋宏图, 李力, 丁伟. 钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊工艺及装备研

究[J]. 电焊机. 2011, 41(3): 91-94.

[9]王志明. 自保护药芯焊丝熔滴过渡及飞溅的试验研究[D]. 太原理工大学硕

士学位论文. 2011.

[10]C arvalho, J., Delgado, J., Cal?ada, R., etc. A new methodology for evaluating the

safe temperaturein continuous welded rail tracks[J]. International Journal of Structural Stabilityand Dynamics. 2013, 13(2).

[11]B ajic, D., Kuzmenko, G.,Samardzic, I.,Welding of rails with new technology of

arc welding[J]. Metalurgija. 2013, 52(3): 99-102.

[12]刘昕,雷永平,巩水利.焊缝形状对性能影响的层次分析法综合评价[J].焊接学

报.2011, (1):29-32+114.

[13]胡存银. 电弧作用位置对厚板侧壁连续熔合的影响[J].华南理工大学学报（自

然科学版）.2002, 30(2): 91-93.

[14]E sderts A., Willen J., KassnerM., etc. Fatigue strength analysis of welded joints in

closed steel sections inrail vehicles[J]. International Journal of Fatigue. 2012, 34(1): 112-121.

[15]N ucera Claudio, PhillipsRobert, Di Scalea Francesco, etc. System for in situ

measurement of neutraltemperature in continuous-welded rail[J]. Transportation Research Record, 2013, 2374: 154-161.