钢轨与不锈钢箔带的电容储能单面缝焊机及其工艺研究

ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ摘要：铁路钢轨的锈蚀会导致轨道电路的分路不良。

介绍了可焊接不锈钢箔带与钢轨的电容储能单面缝焊机的机械及电气系统结构原理，用此焊机实现了不锈钢箔带与钢轨的可靠焊接，保证轨道上的信号良好传输。

通过撕裂法表明连接强度满足使用要求，分析探讨了缝焊熔核的大小、形状和金相组织，发现不锈钢箔带与钢轨的缝焊熔核上下两部分的成分与组织明显不同。

但由于热影响区及熔核面积极小，故不会影响到钢轨的正常使用。

关键词：钢轨；不锈钢箔带；单面缝焊；电容储能中图分类号：ＴＧ４３９．９；Ｕ２１３．９＋２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２３０３（２００８）０８－００１９－０３第３８卷第８期２００８年８月Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．８Ａｕｇ．２００８ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ贺有旭，马铁军，张勇，杨思乾（西北工业大学陕西省摩擦焊接重点实验室，陕西西安７１００７２）Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｅａｍｗｅｌｄｅｒａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｏｉｌｔｏｔｈｅｒａｉｌｓｕｒｆａｃｅＨＥＹｏｕ－ｘｕ，ＭａＴｉｅ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ，ＹＡＮＧＳｉ－ｑｉａｎ（ＳｈａｎｘｉＫｅｙＬａｂ．ｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ\ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｕｓｔｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｒａｉｌｍａｙｌｅａｄｔｏｂａｄｓｈｕｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｒａｉｌｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｓｉｇｎａｌｗｅｌｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅｒａｉｌ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｅａｍｗｅｌｄｅｒｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｏｆｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｏｉｌｔｏｔｈｅｒａｉｌｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｒｅｌｉａｂｌｅｗｅｌｄｏｆｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｏｉｌｔｏｔｈｅｒａｉｌｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｔｈｉｓｗｅｌｄｅｒ．Ｍｅｔｈｏｄｏｆｔｅａｒｉｎｇｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｏｉｌｆｒｏｍｔｈｅｒａｉｌｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｗｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｓａｔｉｓｆｙｏｐｅｒａｔｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｎｕｇｇｅｔｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｚｏｎｅｓｏｆｔｈｅｎｕｇｇｅｔｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅａｒｅａｏｆｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅａｎｄｎｕｇｇｅｔｗａｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｍａｌｌ，ｓｏｉｔｃａｎｎｏｔａｆｆｅｃｔｒａｉｌ\ｓｎｏｒｍａｌｕｓｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ；ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｏｉｌ；ｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｓｅａｍｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅ收稿日期：２００８－０５－０７作者简介：贺有旭（１９８３—），男，陕西清涧人，在读硕士，主要从事阻焊电源的研究。

０前言铁路钢轨的表面经常会产生不同程度的锈蚀现象，尤其是行车较少的地段，锈蚀尤为严重［１］。

当列车停在或通过这段锈蚀钢轨时，由于轨道电路分路不良，从而无法获得相关信号，给车辆调度带来困难，甚至给铁路行车安全带来隐患。

解决这一问题的有效方法是在钢轨表面焊接一薄而窄的带状不锈钢导电层，从而保证轨道电路分路良好。

由于钢轨特定的结构形式以及与不锈钢带大的厚度比，再加之焊接过程必须在野外现场进行，因此，传统的焊机无法使用。

为此提出了一种新型的单面储能缝焊机，可用于钢轨表面不锈钢层（δ≤０．５ｍｍ）的焊接。

１焊机的机械及电气系统１．１电容储能单面缝焊机的机械系统焊机的机械系统如图１所示。

系统主要由焊接滚轮１０，带盘３，导电滚轮９、１４，上安装板６，导电轮支架１９，下安装板１８，滚轮导电铜块１５，气缸２以及焊接轮支架１８等部件组成。

焊接滚轮１０和左右导电轮９、１４分别安装在焊专题讨论——现代铁路焊接技术与装备钢轨与不锈钢箔带的电容储能单面缝焊机及其工艺研究１９・・ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ接轮支架１８和导电轮支架１９上，并通过滚轮导电铜块１５、气缸２及两根导电铜带２３与焊接变压器１的输出端相连。

气缸２固定在安装板６上，并通过汽缸活塞杆２２给下安装板８施加压力。

该压力通过滚轮支架１８、１９传递到焊接滚轮１０和左、右导电轮９、１４，使焊接滚轮将不锈钢带紧紧压在钢轨１３的近中心位置，同时导电滚轮也紧紧压在不锈钢两侧的钢轨上，形成良好的导电通路。

当焊接变压器１输出的焊接电流经不锈钢带５和钢轨１３上表层流向两侧导电轮时，将会在不锈钢带５和钢轨１３接触面产生电阻热，从而将两者焊接在一起。

将整体焊接装置固定在沿铁路钢轨行进的小车上，并配以柴油机发电系统和电极冷却系统，在野外现场便可实现钢轨表面不锈钢薄层的自动焊接。

１．２焊机的电气系统焊机的电气系统如图２所示。

系统采用半周波充、放电的电容储能式电源，并配以专用单片机控制器来实现钢轨表面不锈钢带的连续缝焊［２］。

电容储能式电源由充电变压器Ｔ，晶闸管ＶＴ１、ＶＴ２，焊接变压器ＨＢ和电容器组ＣＺ等组成。

电容储能电源的充、放电过程由以单片机８９Ｃ５２为核心的控制系统控制［３］，在电网电压正半周零点时刻，控制系统发出充电回路晶闸管触发信号，经放大后加在充电回路晶闸管ＶＴ１控制极上。

这样充电变压器Ｔ输出交流电，在其正半周经过电阻Ｒ１和充电回路晶闸管ＶＴ１向电容器组ＣＺ充电。

Ｒ１选取合适时，充电过程可在１０ｍｓ内完成。

充电完成后，充电回路晶闸管ＶＴ１因电流小于维持电流而自然关断。

在电网电压的负半周零点时刻，控制系统发出放电回路晶闸管触发信号，该信号经放大后加在放电回路晶闸管ＶＴ２控制极上，电容器组ＣＺ通过焊接变压器ＨＢ快速放电，其二次侧输出的脉冲电流由焊接滚轮经不锈钢带和钢轨上表层流向两侧导电滚轮。

该脉冲电流便可使不锈钢带和钢轨接触面形成熔核。

由于焊接电流为脉冲电流，加热集中而时间短，故焊接过程几乎不会对钢轨母体造成影响。

这种电网电压正半周充电、负半周放电的焊接方式，大大提高了焊接速度和缝焊的连续性，使不锈钢带与钢轨之间有较高的结合强度。

图２焊机电气系统２钢轨与不锈钢箔带的工艺试验２．１钢轨与不锈钢箔带的焊接规范参数采用如表１所示的焊接规范参数，将不锈钢箔带焊接在钢轨的表面上，焊后不锈钢箔带的外观形貌如图３所示。

２．２不锈钢箔带与钢轨连接强度采用撕裂法检测不锈钢箔带与钢轨的连接强度。

将焊接的箔带用专用绞杠从钢轨上撕开，发现１—焊接变压器；２—气缸；３—带盘；４—导杆；５—不锈钢带；６—上安装板；７—小车安装架；８—下安装板；９—左导电滚轮；１０—焊接滚轮；１１—焊接轮轴；１２—导电铜套；１３—钢轨；１４—右导电滚轮；１５—焊接轮导电铜块；１６—压紧弹簧；１７—挡圈；１８—焊接轮支架；１９—导电轮支架；２０—弹簧杆；２１—弹簧；２２—气缸活塞杆；２３—软铜带。

图１焊机机械系统示意专题讨论第３８卷不锈钢箔带厚度＋板厚δ／ｍｍ滚轮端面宽度ｂ／ｍｍ电极压力Ｆ／ｋＮ焊接时间ｔ焊／周焊接峰值电流Ｉ／ｋＡ焊接速度ｖ／ｃｍ・ｍｉｎ－１０．１５＋３５２．００１．２０２２６．４２０表１焊接规范参数休止时间ｔ休／周专题讨论——现代铁路焊接技术与装备２０・・ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ部位热影响区钢轨一侧熔核钢轨一侧热影响区不锈钢箔带一侧①②③④⑤⑥⑦⑧⑨硬度平均值２９．２５３１．１２２９．３８６２．５３６４．０３６４．１０２４．６７２３．６７２３．３０２９．９２６３．５５２３．８８表３缝焊熔核及其热影响区的显微硬度ＨＲＣｗ（Ｆｅ）ｗ（Ｃｒ）ｗ（Ｎｉ）７４．９５１６．０６８．９９表２熔核结合面的微区成分％撕掉的钢带上呈现大量的条状孔洞，焊合的金属仍留在钢轨表面，如图４所示。

表明采用表１规范参数焊接的不锈钢箔带有足够的结合强度，满足使用要求。

图４撕掉不锈钢带之后的外观形貌２．３熔核的金相组织分析熔核的低倍金相照片见图５。

从图可见，熔核直径约为０．７４ｍｍ，尽管存在一定程度的熔合线伸入，但大部分区域已经焊合。

由于加热和冷却速度很快，因此钢轨表面的热影响区宽度仅为０．１５ｍｍ左右。

图５熔核的低倍金相组织（５％的硝酸酒精溶液）焊缝中心（贴合面处）的电镜照片如图６所示。

从图６可清楚看到，在两种金属的结合面上存在一条白色的亮线，其宽度约为２．６μｍ，对该区域进行微区成分分析，结果见表２。

显然，该区主要为不锈钢箔带的成分。

表明该焊接方法具有快的加热和冷却速度，使得熔核金属无法进行充分搅拌和扩散，造成熔核上下两部分的成分与组织明显不同。

母材及焊缝区的显微硬度如图７、表３所示。

由表３可知，钢轨一侧的熔核区已充分淬硬，但热影响区的硬度与钢轨母材基本相同，没有发生明显的组织和硬度变化，有利于延长不锈钢箔带的使用寿命，加之淬硬区宽度很窄，故不会影响钢轨的使用性能。

图７显微硬度位置示意３结论（１）采用自制的单面电容储能缝焊机将不锈钢箔带焊接在钢轨表面的工艺方法是合理可行的。

（２）由于电容储能缝焊的工艺特点，会使熔核钢轨一侧淬硬，但是由于淬硬区极小，不会影响钢轨的正常使用，且会增加钢轨与不锈钢箔带接触部位的耐磨损性。

参考文献：［１］宋国亮，窦可乐，宋月荣．钢轨快速焊补技术的研究与应用［Ｊ］．铁道标准设计，２００５（２）：１１２－１１４．［２］张勇，谭义明．电容贮能缝焊机微机控制器研制［Ｊ］．电焊机，２０００，３０（１）：２７－２９．［３］马铁军，杨思乾，李京龙，等．三相次级整流双单片机控制系统及控制模型［Ｊ］．兰州理工大学学报（敦煌国际焊接学术论坛论文集），２００４，３０（ｓ）：２６３－２６７．图６电镜照片图３焊后外观形貌专题讨论贺有旭等：钢轨与不锈钢箔带的电容储能单面缝焊机及其工艺研究第８期专题讨论——现代铁路焊接技术与装备２１・・。