（材料加工工程专业论文）钢轨对接超窄间隙焊接工艺试验.pdf

硕十学位论文 摘要 钢轨的焊接方法目前常用的有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。 但闪光焊仍限于场内焊接；气压焊对钢轨断面的处理要求相对严格；铝 热焊焊缝为较粗大的铸态组织，焊缝的强度和韧性有限；钢轨电弧焊近 些年已有很快的发展，如强迫成型电弧焊和自保护药芯焊丝窄间隙全自 动电弧焊。 本课题将焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法应用于钢轨的对接。设 计了相应的超窄间隙焊枪及带有堵头的焊剂带，同时，通过大量试验进 行了钢轨焊前坡口角度的设定，即反变形角度的设定。并在这些研究的 基础上做了一定的工艺试验，包括预热温度对冷裂纹的影响、硬度试验、 冲击试验及金相组织分析等。具体研究内容如下： 首先，设计了钢轨用超窄间隙焊枪，并进行焊接工艺稳定性研究。 焊枪的夹紧机构可以很好的调节导电嘴对焊丝的夹紧力，并具有可靠的 导电性。在不同的送丝速度下，焊枪可满足超窄间隙焊接的要求。 其次，研制带堵头的焊剂带。经试验发现，此焊剂带能够有效约束 电弧，同时在焊道端头能防止熔融金属的外流，使坡口内部焊道表面与 端头焊道表面高度相当。 再次，反变形角度的设定。试验出相匹配的焊接工艺参数，在合理 的参数下，预定反变形角度，得出焊接反变形与焊接热输入、板厚之间 的关系。 最后，在底部间隙4 m m ，坡口角度2 。，垫板厚度3 r a m 的条件下，进 行超窄间隙钢轨对接焊接试验。试验表明，预热温度4 0 0 ，层间温度不 低于4 0 0 条件下，可实现超窄间隙焊接。所得到焊接接头热影响区宽度 很窄且硬度很高，约为3 9 0 h v ；使用常规的h 0 8 m n 2 s i 焊丝，在不添加合 金成分的情况下，焊缝硬度与母材硬度相当，约为3 0 0 h v 。超窄间隙焊接 接头整体焊缝处冲击功为2 7 j ，远高于6 j 。 关键词：钢轨对接；超窄间隙焊接；焊剂带；超窄间隙焊枪：反变形角 度 钢轨对接超窄间隙焊接丁艺试验 i i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，r a i lw e l d i n gi n c l u d e sf l a s hw e l d i n g ，g a sp r e s s u r ew e l d i n g ， t h e r m i tw e l d i n ga n da r cw e l d i n g b u t ，f l a s hw e l d i n gi ss t i l ll i m i t e dt ot h e u s eo ff i e l d ；r a i ls e c t i o np r o c e s s i n gr e q u i r e m e n ti ss t r i c tr e l a t i v e l yf o rg a s w e l d i n g ；t h ew e l do ft h e r m i tw e l d i n gi sac a s ts t r u c t u r e ，t h es t r e n g t ha n d t o u g h n e s si nw e l da r el i m i t e d ；i nr e c e n ty e a r s ，a r cw e l d i n go fr a i l sh a sb e e n d e v e l o p e dq u i c k l y f o re x a m p l e ，f o r c e df o r m i n ga r cw e l d i n ga n dn a r r o wg a p a r cw e l d i n go ff u l la u t o m a t i cb ys e l fs h i e l d e df l u xc o r e dw i r e t h et o p i ch a v eu s e dt h em e t h o do ft h eu l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n gf o rr a i l j o i n t h a v i n gd e s i g n e dt h et o r c ho fu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n ga n df l u xs t r i p w i t hp l u g ，a tt h es a m et i m e ，t h es e t t i n go fg r o o v ea n g l eb e f o r er a i lw e l d i n g b ya l o to fe x p e r i m e n t s ，t h a ti s ，t h es e t t i n go fr e v e r s ed e f o r m a t i o na n g l e i t i sa l s o t h ek e yw h e t h e rt h en o r m a lr a i lw e l d i n g a n dd o i n gs o m ep r o c e s s e x p e r i m e n t so nt h eb a s i so ft h e s er e s e a r c h e s ，i n c l u d i n ge f f e c to nc o l dc r a c k f o r mp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，h a r d n e s st e s t ，i m p a c tt e s ta n da na n a l y s i so n m e t a n o g r a p h ys t r u c t u r e t h es p e c i f i cr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，h a v i n gad e s i g no fn o v e lt o r c ho fu l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n g ， a n ds t u d y i n gt h es t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s s t h ec l a m p i n gm e c h a n i s mo f t o r c hc a na d j u s tt h ec l a m p i n gf o r c ef o rw i r eb yt h ec o n d u c t i v en o z z l e ，a n d h a sar e l i a b l ec o n d u c t i v i t y i nd i f f e r e n ts p e e do fw i r ef e e d i n g ，t h et o r c hc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fu l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n g s e c o n d l y ，h a v i n gd e v e l o p m e n t e dt h ef l u xs t r i p sw i t hp l u g t e s t sf o u n d t h a tt h ef l u xs t r i p sc a nc o n s t r a i n ta r ce f f e c t i v e l y ，w h i l ec a np r e v e n tf l o w i n g o fm o l t e nm e t a li nw e l d i n ge n d ，s ot h a tt h eh e i g h to fi n n e rb e a ds u r f a c ei n t h eg r o o v ei sm a t c h e dw i t ht h eb e a ds u r f a c ei ne n d o n c ea g a i n ，t h es e t t i n go fr e v e r s ed e f o r m a t i o na n g l e t e s t i n go u tt h e m a t c hw i t hw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t e s t i n gap r e d e t e r m i n e dr e v e r s ed e f o r m a t i o n a n g l eb yr e a s o n a b l ep a r a m e t e r s g e t t i n gt h er e l a t i o n s h i po fw e l d i n gd e f o r - m a t i o na n dw e l d i n gh e a ti n p u t ，t h ep l a t et h i c k n e s s f i n a l l y ，h a v i n gu s e dg r o o v eg a po f4 m m ，g r o o v ea n g l eo f2d e g r e e s ， p l a t et h i c k n e s so f3 m m ，i m p l e m e n t i n gt h eu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gf o rr a i l b u t t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo f4 0 0d e g r e e s ， i n t e r l a y e rt e m p e r a t u r en o tl o w e rt h a n4 0 0d e g r e e s ，c a nr e a l i z et h eu l t r a - n 硕士学何论文 n a r r o wg a pw e l d i n g t h ew i d t ho fh a zi sv e r yn a r r o wa n dh a r d n e s s h i g h l y ， i sa b o u t3 9 0 h v ；i nt h ec a s eo fu s i n gc o n v e n t i o n a lh 0 8 m n 2 s iw i r e ，w i t h o u tt h ea d d i t i o no fa l l o yc o m p o n e n t s ，t h eh a r d n e s so fw e l d si st h el e v e l m a t c h i n gw i t hb a s em e t a l ，i sa b o u t30 0 h v ，t h ei m p a c te n e r g yo fi n t e g r a l w e l do fw e l d e djo i n ti nu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gi s27 j ，f a rh i g h e rt h a nt h a t o f6 j k e yw o r d s ：r a i lb u t t ；u l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ；f l u xs t r i p s ；t h et o r c ho f u l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n g ；a n t id e f o r m a t i o na n g l i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钢轨对接常用的焊接方法 高速化、重载化是当今铁路发展的一个必然趋势。高速铁路的一个重要特点 是安全可靠、高速平稳【l 捌。当今铁路专线应该具有结构连续、稳定、耐久和少 维修的性能用来满足准点行车、行车安全和乘车舒适的要求，因此轨道结构的可 靠性、稳定性和高平顺性是铁路专线安全可靠、平稳舒适和经济持久运行的关键 例。传统的铁路线路由于钢轨接缝的大量存在，接头部位就成为线路的薄弱环节， 严重影响着高速行车的平稳度和舒适度。无缝线路消灭了钢轨的接头，减少了列 车在接头区的冲击和振动，从而大大地提高了轨道的平顺性，提高了列车的运行 速度，增强了旅客列车的舒适度，同时又减小了钢轨的维修工作量，延长钢轨的 使用寿命，因而得到广泛的应用 4 1 。 在制造、运输、铺设和养护的过程中钢轨的长度受到很大的限制。目前，针 对于钢轨的焊接，大都采用的是分步焊接的办法，即先在焊轨车间将2 5 m 或5 0 m 的标准轨进行闪光焊接，连接成2 0 0 - - 5 0 0 m 的延长轨，再由专用的运轨车将其运 至铺设工地，利用现场焊接方法将延长轨连接成为9 0 0 - 1 5 0 0 m 的单元轨【5 , 6 1 。 钢轨的现场焊接主要采用铝热焊和气压焊的方法，目前也在尝试着使用闪光对 焊。跨区间的无缝线路在铺设后还需要进行第三次焊接，即采用移动式的气压焊 或铝热焊将单元轨连接成超长无缝线路。 常用的钢轨焊接方法有接触焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。 1 1 1 接触焊 接触焊又称为闪光对焊。钢轨的闪光对焊主要应用于场内焊接，即把长度为 2 5 m 或5 0 m 的标准轨焊接成为2 0 0 - 5 0 0 m 的延长轨。其原理主要是利用大电流通 过钢轨接触面产生电阻热，在电阻热的作用下，钢轨局部断面熔化，再经顶锻完 成焊接 2 , 7 1 ，如图i 1 所示。 由于接触焊的焊接热源是来自于焊件内部，作用时间短，热量集中，热影响 区相对较小，焊接的过程中不需要填充其他的金属，冶金过程比较简单，容易得 到质量好的焊接接头。闪光焊主要分为连续闪光焊、预热闪光焊和脉动闪光焊等 三种方式。与其他钢轨焊接方法相比，其特点是设备的自动化控制水平高，受人 为因素影响较小，焊接质量波动小，焊接质量高，焊接生产率高。闪光对焊是各 国铁路无缝线路使用最广泛，也是最主要的钢轨焊接方法，其焊接质量优良、力 学性能接近钢轨母材。但这种焊接方法由于设备较复杂，焊机一次性投资较大， 所需电源功率大，耗电量大，所以该方法还是限在工厂内的焊接。 1 1 2 气压焊 厂 图1 1 闪光焊接原理示意图 顶锻力 一 气压焊目前主要用于现场焊接。其原理是人工操作气压焊设备，利用气体燃 料如氧一乙炔火焰加热待焊钢轨端面，将轨端加热到熔化状态或塑性状态，使其 产生塑性凸起、轨头出现“镜面溶池 ，再加一定的顶锻压力，把待焊金属构件 的端头焊接完成【3 7 1 ，如图1 2 所示。 加热装置 氧气 乙炔 流量控制箱 图1 2 气压焊原理示意图 气压焊一次性投资小，无需大功率电源，耗电量小，焊接时间较短，焊接质 量稳定，一般应用于现场的焊接。目前用的国产小型气压焊机的焊接过程一般分 为氧一乙炔火焰预热、预项施压、低压顶锻、高压预顶和保压推凸等阶段。焊接 的过程中，由于要人工对轨和肉眼观察其加热状况，所以受人为因素的影响比较 大，焊接时对接头断面的处理要求十分严格，易出现焊接接头错口和接头缺陷， 并且钢轨在气压焊过程中要有一定的纵向移动，因此对超长钢轨的焊接仍有一定 的难度，特别是无法进行跨区间无缝线路的焊接。 气压焊的焊接接头力学性能接近钢轨母材。但该方法对焊接技术要求较高， 焊接质量的稳定性和外观平顺度、焊工素质高低、焊机质量和焊接工况都有着紧 密关系。“光斑 和“未熔合 是气压焊焊接接头的主要缺陷，大面积“光斑 易造成线路上接头断裂。影响钢轨的使用寿命。移动气压焊在日本铁路长轨条焊 2 硕+ 学位论文 接中已经大量使用，我国铁路目前也在使用。 1 1 3 铝热焊 铝热焊也主要用于线上焊接。其原理是是将铝粉、氧化铁和其它合金添加物 配制成的铝热焊剂放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃，引发铝热反应。在 反应过程中，放出大量的热熔化合金添加物，与反应生成的铁形成为钢液，由于 其密度大沉于坩埚底部，反应生成的熔渣较轻而浮在上部，在很短时间内，高温 的铝热钢水熔化坩埚底部的自熔塞，浇注到与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预 热待焊钢轨形成的封闭空腔中，同时铝热钢水本身又作为填充金属，与熔化的钢 轨共同结晶、冷却，将两段钢轨焊成整体。用重金属氧化物和铝的混合物为焊剂， 铝热剂放入坩锅点燃后剧烈放热，将钢轨预热，坩埚内熔化的钢水流入砂模中， 从而实现钢轨的焊接1 2 ，。7 1 ，如图1 3 所示。 图1 3 铝热焊原理示意图 铝热焊的特点如下r 刀： ( 1 ) 设备简单。钢轨铝热焊是利用原料的化学反应放热进行的焊接方法，因 而无需或者只需要一个非常小的激发反应就可实现铝热钢水的生成。钢轨铝热焊 的设备较小，特别适合现场流动作业。 ( 2 ) 是一种填充焊接。钢轨铝热焊利用化学反应生成的铝热钢水填充待焊钢 轨之间的间隙，焊接过程中无需拉伸钢轨，不需要纵向移动，因此不影响即有铺 设钢轨的位置。此外，接头的平顺性仅取决于对轨精度，焊后无需对接头进行校 直，接头的平顺性高。 ( 3 ) 作业时间短。钢轨铝热焊接过程中，对断面清理的要求低，每个铝热焊 接接头从准备到最后打磨完工，可在l h 内完成。修复断轨焊接时，两个焊接接头 可在1 5 h 内完成。 ( 4 ) 占用空间小。钢轨铝热焊接时，接头处横向间隙 5 0 m m l i i j 可，这是其 它焊接方法无可比拟的。特别适合于道岔焊接。 钢轨铝热焊其实质是冶金铸焊，由于其形成铸造组织，韧性和塑性差，因此 焊接接头的力学性能及各项检验指标均比闪光焊低。铝热焊的主要缺陷有气孔、 夹渣、裂纹和未熔合，这些都是造成焊头断裂的原因。铝热焊在各国应用情况有 3 钢轨对接超窄间隙焊接下艺试验 所不同，日本规定在新干线上不得使用，而法国和德国的铝热焊均能达到比较高 质量。 1 1 4 电孤焊 电弧焊的作用原理是使用电焊条或焊丝与钢轨端面产生电弧，加热熔化，冷 却后形成对焊焊头，属于熔化焊方法。电弧焊用的最多的是维修工作，即钢轨的 现场补焊，焊接金属能达到母材的机械性能，硬度和耐磨强度有时甚至超过钢轨 质量。钢轨电弧焊在国外已有较长的发展历史，但在我国尚处起步阶段。这种方 法焊接时间比较长，而且对焊接工艺、焊工技术要求很高，焊接稳定性较差1 6 ，7 1 。 强迫成型电弧焊接原理如图1 4 所示。该方法在日本经历了两个阶段的发展。 在新干线使用初期，其钢轨焊接接头的断头率比闪光焊和气压焊的高，断头的主 要原因是焊缝金属存在硫化物，特别是硫化镍引起的热裂纹在钢轨使用过程中构 成疲劳源。另外，焊缝顶部由于强度低而出现低塌现象。后来，对钢轨焊接材料 进行了改进，取消了对焊缝热裂纹影响较大的镍，将焊缝中的硫、磷进一步控制 在0 0 1 以下，同时提高了焊缝中锰的含量，改善了焊接工艺性能，增加了焊缝 顶部硬化层的焊接，该层焊缝硬度与热处理钢轨轨顶硬度相当有效地避免了焊接 接头的低塌现象。除此之外，改进后焊条采用了超低氢型渣系，这样焊后不再进 行去氢处理，使焊接时间缩短2 0 r a i n 。改进后的钢轨强迫成型电弧焊方法有效地 提高了焊接接头的可靠性，并且取得了良好的使用效果。 图1 4 强迫成型电弧焊接装配示意图 该方法的特点如下： ( 1 ) 焊接时间长。纯焊接时间较长，大概需要1 瞌右。 ( 2 ) 劳动强度大，对焊工的技术要求较高。 ( 3 ) 钢轨端面可以是原来的供货状态或原切断状态。 4 硕+ 学位论文 ( 4 ) 焊接部分的质量与闪光焊、气压焊相同，可靠性高。 ( 5 ) 无需钢轨的纵向移动，钢轨可以铺设好进行线上焊接。 1 2 超窄间隙焊接的特点及研究现状 超窄间隙焊接方法l t r ad a l t o wg a pw e l d i n g ) 是一种间隙宽度很小的电弧焊 接技术。目前，超窄间隙焊接( u n g w ) 仍没有得到准确的定义，但从发表的一 些相关文献 8 1 1 】来看，超窄间隙焊接具有以下特征： ( 1 ) 是一种熔化极电弧焊接方法且采用的电弧无须摆动和旋转。 ( 2 ) 坡口形式为“i 形，间隙宽度一般不超过6 m m 。 ( 3 ) 是多层单道的焊接。 ( 4 ) 是一种自下而上的焊接。 ( 5 ) 采用的线能量比常规窄间隙焊接的小，最小一般可以达n o 5 k j r a m 。 ( 6 ) 有实现全位置焊接的可能性。 超窄间隙焊接( u n g w ) 作为一种新兴的窄间隙焊接技术，主要有以下的 优越性： ( 1 ) 焊接接头的力学性能好、残余应力和残余变形小 相对于传统的焊接技术而言，窄间隙焊接获得力学性能优良的接头更加容 易，同样，超窄间隙焊接也继承了窄间隙焊接的这些特点。实践证明，与母材相 比，窄间隙焊接接头的各种机械性能不仅没有降低，反而有的机械性能得到了提 升。究其原因有：一方面由于窄间隙焊接的热输入比较低，这样在焊接大厚板时， 其冷却速度就比较快，因而焊接热影响区的宽度很窄，这就降低了母材原始晶粒 的粗晶脆化倾向和塑性损伤；另一方面窄间隙焊接是一种多层多道焊接，如果焊 层较薄，那么后一层焊缝对前一层焊缝的热处理作用就会更彻底，使焊缝金属的 晶粒更加细小，从而大大提高了窄间隙焊接接头的力学性能【1 2 1 4 1 。 针对大厚板的焊接来说，其所发生的变形主要以角变形和横向收缩变形为 主。窄间隙焊接是采用近似i 形的坡口形式，在板厚方向的焊缝金属比较均匀， 加之需要填充的面积又比较小，从而所需要的焊缝金属量也就相对较少，因此， 窄间隙焊接接头的横向收缩量就小，所以，采用窄间隙焊接大厚结构，其残余应 力和残余变形就会大幅度减小【1 5 】。 ( 2 ) 所消耗的焊接材料比较少、焊接生产率高和生产成本比较低 正如文献【1 2 】所言，窄间隙焊接是一种采用“i ”形或近似“i 形坡口形式 的新兴技术，由于间隙宽度较小，因此所需要填充的面积就大为减少，也就节省 了大量的焊接材料，生产率也就大为提高。焊接生产率大幅度的提高所需要的人 力和物力自然就相对降低，同样节约了焊接成本。随着焊接板厚的逐渐增加，材 料和人工费用所节约的比例就越来越大。超窄间隙焊接的间隙宽度更小，也就理 钢轨对接超窄间隙焊接t 艺试验 所当然地继承了这样的优点。 ( 3 ) 适应于高强钢材料的发展及应用要求 进入9 0 年代中后期，世界钢铁业迎来了新一代的钢铁材料研究热潮，其重点 研究的是超细晶粒钢【1 6 ，1 7 】。超细晶粒钢是通过添加一定的合金元素并采用控轧控 冷的方式而获得的新型高强钢。其生成的晶粒尺寸有的可达到微米级( 1 - 1 0 9 m ) 甚至可达到亚微米级( 1 n m - 1 9 m ) 。超细晶粒钢的强度、韧性和使用寿命与传统 钢材相比都大大得到了提高【憾- 2 3 1 。超细晶粒钢凭其显著的这种性能的优势已经成 为了目前结构钢发展的最主要趋势。但对于超细晶粒钢的焊接而言，焊接热输入 如果采用的不合适，就会产生晶粒粗化现象，从而导致焊接h a z 的软化或者脆化， 这是此种钢材在焊接加工过程中存在的主要问题1 2 4 - 2 6 。为了解决焊接h a z 的软化 或者脆化这一问题，目前所采用的焊接方法主要是减小焊接热输入的办法。在细 晶粒钢焊接时，随着焊接线能量的不断减小，焊缝的强度不断增大，焊接热影响 区的软化区的宽度越来越窄，但热影响区的最小硬度反而提高。细晶粒钢主要的 焊接方法有超窄间隙焊接、脉冲m a g 焊和激光焊，这些焊接方法的共同点就是 焊接热输入比较低1 2 7 - 3 5 】。然而，针对大厚板的焊接，脉冲m a g 焊需要开坡v i 且 焊丝的填充量也比较多，同时还需要消耗大量的电能；激光焊接的设备比较复杂， 所需要的成本比较高，一次性的投资也比较大；与前两种焊接方法相比较而言， 超窄间隙焊接能够在很小的热输入并不开坡口的情况下，所填充的焊丝量较少时 就可实现两工件之间的连接。如果超窄间隙焊接采用的间隙宽度为5 m m ，其焊接 线能量就可降n o 6 k j m m ，这样t 8 5 就会降低n 1 5 s 以下，这与轧制生产细晶粒钢 时的快速冷却速度相当。同时1 3 0 0 蛰j 9 0 0 的奥氏体化的时间也缩短到了2 s 左 右，有效地控制了热影响区晶粒粗化现象i n j 2 。与此同时，任何合金元素不再增 加的情况下，可使焊接接头与母材达到等强匹配 1 2 1 。 1 2 1 超窄间隙焊接存在的一些问题 超窄间隙焊接( u n g w ) 是近几年来发展起来的一种新兴的窄间隙焊接技 术。但由于其进一步减小了焊接坡口的间隙，因而也带来了一些新的问题。 ( 1 ) 在焊接过程中电弧容易发生攀升 在“i 坡口间距小于6 m m 的情况下进行焊接中，如果焊丝熔化的端头到工 件侧壁的距离小于焊丝熔化的端头到熔池表面的距离时，电弧就会失去自调节作 用，从而电弧发生不稳，这样它会沿着工件两侧壁从坡口间隙中攀爬出来，最终 结果就是导致焊接过程无法正常的进行，这种电弧不稳定而发生电弧攀爬的现象 称为“电弧攀升 ，它是超窄间隙焊接存在的最主要问题【3 6 , 3 7 1 。 ( 2 ) 在焊接过程中易产生焊缝熔合不良 如文献 3 6 ，3 7 所述，在超窄间隙焊接过程中，电弧的不稳定燃烧导致电弧不 容易加热到工件侧壁的根部，最终会引起间隙侧壁及间隙根部的熔合不良，这是 6 硕士学位论文 超窄间隙焊接时必须要解决的关键问题。 当然，超窄间隙的焊接除了电弧攀升和间隙根部熔合不良这样的主要问题之 外，鉴于超窄间隙焊接采用的是“i 坡口且间隙尺寸比较小，焊丝在坡口中的 位置要求比较严格，必须保证焊丝在坡口间隙中完全对中。如果焊丝的端头向工 件其中一侧偏斜，电弧距离该侧侧壁较近，因此电弧对该侧的加热作用较强，该 侧侧壁金属过多地熔化并流进熔池，最终在该侧的侧壁留下凹痕，严重的甚至形 成咬边。另外，对于单层多道焊接来说，坡口间隙过窄，对熔渣的清理比较困难， 若焊接过程中的焊渣清理不干净的话很容易形成夹渣及气孔等缺陷【3 8 1 。 1 2 2 超窄间隙焊接的研究现状 由于超窄间隙的焊接坡口间隙过窄，电弧攀升和间隙根部熔合不良是其急需 解决的问题。因此目前开发了很多种超窄间隙电弧焊接方法来解决电弧攀升和侧 壁根部熔合不良的问题，以用来增强电弧对间隙侧壁及其根部的加热作用。 1 9 9 8 年中村照美开发了坡口间隙宽度为5 m m 的超窄间隙二氧化碳气体保护 焊，该焊接方法是采用脉冲电流和电压，控制电弧在坡口内上下摆动的技术，很 好地改善了焊缝成形【3 9 ，4 0 】。 张富巨等人开发的一种超窄间隙焊接方法，采用的是超低线能量熔化极气体 保护自动弧焊方法和设备，如文献 1 0 】所述。该发明是在坡口间隙g 不大于6 m m 的超窄间隙条件下，利用特别的焊炬和超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源，采用 熔化极气体保护焊和单丝居中无电弧侧偏的方法，该方法可使电流和电压的波形 输出与熔滴空间状态近乎完全对应。该该方法应用范围广泛，特别适用于这种耗 电量小的超窄间隙焊接，其生产成本低，焊接质量好。 本课题组开发了焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的方法，该方法是向坡口两侧 壁内送入焊剂片或焊剂带，或者在坡口内提前预置焊剂带，焊剂片或焊剂带在电 弧热的作用下熔化，熔化的焊剂带产生的气体对电弧有冷约束的作用，而未熔化 的焊剂带对电弧有固壁约束的作用，这样就可以防止电弧沿侧壁向上攀升，有效 控制了电弧的加热区域，保证了间隙侧壁和根部之间的良好熔合。该窄间隙焊接 技术可使电弧的加热集中且保证电弧加热间隙侧壁尤其是间隙根部，而且电弧的 受约束程度可调。这种焊接方法对电弧的固壁约束效果比较明显，因此对解决超 窄间隙电弧攀升和根部熔合不良等问题具有独特的优势【3 7 4 l 4 2 】。 1 3 本课题的研究内容 钢轨的常用焊接方法有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。这几种焊接方法 由于焊接的原理不同，所以在使用的过程中侧重点也不同。闪光对焊焊接质量优 良、力学性能接近钢轨母材。但这种焊接方法由于设备较复杂，所需电源功率大， 7 钢轨对接超窄间隙焊接丁艺试验 所以该方法还是限在工厂内的焊接。气压焊一次性投资小，无需大功率电源，耗 电量小，焊接时间较短，焊接质量稳定，一般应用于现场的焊接。但该方法焊接 的过程中，由于要人工对轨和肉眼观察其加热状况，所以受人为因素的影响比较 大，焊接时对接头断面的处理要求十分严格，易出现焊接接头错口和接头缺陷。 铝热焊设备简单，工作时间短，但钢轨铝热焊形成的是铸造组织，韧性和塑性差， 因此焊接接头的力学性能及各项检验指标均比闪光焊低。钢轨电弧焊在国外已有 较长的发展历史，但在我国尚处起步阶段。 超窄间隙焊接生产效率高，热输入小，尤其适合于对热输入敏感的高强钢焊 接，可获得性能优良的焊接接头，焊后残余变形和残余应力小，这些优点使该焊 接方法在工业领域内有着极大的应用前景。 焊剂带约束超窄间隙电弧用于钢轨的对接焊，其线能量小，可避免热影响区 软化现象，其小的坡口间隙大大提高了生产效率。要实现钢轨对接超窄间隙焊接， 最为关键的是开发并研制适用于钢轨对接的超窄间隙焊枪，它是钢轨对接超窄间 隙焊接能否进行的前提。本文设计了带有堵头的焊剂带，既能保证焊接过程中焊 剂带约束电弧的稳定性，也保证了焊接端头熔融金属不会外流。同时，钢轨焊前 坡口角度的设定，即预变形角度的设定也是至关重要的，它也是钢轨焊接能否正 常进行的关键。本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 设计钢轨用超窄间隙焊枪，并进行焊接工艺稳定性研究。针对钢轨焊接 的特殊性，提出焊枪设计的基本要求。根据预期的要求，确定焊枪的结构，进行 焊枪设计、制造组装、调试，最后进行焊接稳定性评估试验。 ( 2 ) 研制带堵头的焊剂带及相匹配的引弧和收弧装置。此焊剂带在吸取以往 焊剂带约束电弧优点的基础上保证焊剂带在具有一定刚度并约束电弧的基础上， 又能够使焊缝端部熔融金属不至于外流，保证焊缝成形。 ( 3 ) 坡口角度的设定。试验出匹配的焊接工艺参数，在合理的参数下，试验 出预置的反变形的角度。 ( 4 ) 本文利用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法，采用超窄间隙焊接装置及 特制的焊剂带，坡口尺寸为底部间隙4 m m ，坡口角度2 。，垫板厚度3 m m ，进行 超窄间隙的钢轨对接焊接试验，焊后分析接头冷裂纹倾向、接头的硬度分布变化、 冲击试验和热影响区组织。 8 硕+ 学位论文 第2 章钢轨对接超窄间隙焊接的装置 2 1 引言 在工业技术不断发展的过程中，任何新技术从开始出现到最终的应用于生产 都必须经历研发和实践这两个过程。而此技术在实际中能否得到推广和应用，关 键在于该技术的工艺稳定性。原有的焊剂带约束电弧超窄间隙焊接研究中发现， 要保证超窄间隙焊接过程有良好的工艺稳定性主要归纳成两点：一是超窄间隙焊 接装置的可靠性；二是焊剂带约束电弧的可靠性。超窄间隙焊接装置的可靠性主 要反映在焊接电流的稳定性上。而影响焊接电流稳定性的因素有送丝机构的稳定 性、导电嘴与焊丝是否可靠接触、导电嘴与焊丝接触的程度、焊丝的矫直程度和 送丝速度大小等。焊剂带约束电弧的可靠性主要在于焊剂带能否有效地约束电 弧。确保焊剂带对电弧的有效约束，前提必须保证在利用焊剂带约束电弧进行超 窄间隙焊接时，焊剂带与电弧的作用位置在合理的范围上，即焊剂带要保证满足 电弧三个方向的位置条件：在电弧横向的焊剂带应紧贴两侧壁；在电弧纵向的焊 剂带应具有足够的作用长度；在间隙纵向的焊丝端头应与焊剂带中心对中。同时 焊剂带端头的设计也同样很关键，它既可以防止焊剂带两端头金属丝外漏而导致 的电弧不稳，又可以防止焊缝两端熔融金属的外流。每一种新的焊接方法的实施， 都是由专门配备的一套焊接装置来完成的。设计出结构新颖、性能可靠的焊接装 置是试验的关键，尤其是本课题研制的超窄间隙焊接的焊枪，用常规的送丝及传 统的送丝机构就可以满足超窄间隙焊接过程的要求，从而有效地实现焊剂带约束 电弧超窄间隙的焊接。 2 2 超窄间隙焊枪的设计 2 2 1 设计的基本要求 在焊剂带约束电弧超窄间隙焊接中，焊枪作为焊接装置中的一个关键部件起 着非常重要的作用。为了更好地实现钢轨对接超窄间隙焊接，所研制的超窄间隙 焊枪必须满足如下要求： ( 1 ) 焊枪的枪体能够进入坡口间隙宽度约4 m m 的“i 型坡口内，且有足够 的活动间隙。 ( 2 ) 焊丝与导电嘴的接触要良好，确保可靠导电，同时，焊丝送出导电嘴时 在一定干伸长下，必须保证笔直，这样从导电嘴出来的焊丝就能够准确地送入到 9 钢轨对接超窄间隙焊接工艺试验 焊剂带中间的指定位置，防止焊丝端头偏向侧壁一侧，使电弧在侧壁一侧燃烧， 严重的导致电弧攀升。 ( 3 ) 要保证枪体表面，尤其是导电片和导电嘴的表面与工件侧壁的绝缘，以 防止枪体与工件端面过近时打弧的发生，最终烧损枪体。 ( 4 ) 为了提高焊接工艺的稳定性，大都希望能够调节的焊接参数数量越少越 好，同时能够调节的焊接参数范围越大越好，这样就就可以扩大焊接工艺的适用 范围。 ( 5 ) 焊枪结构在尽可能在简单的基础之上具有良好的耐用性和更好的可拆卸 性。 ( 6 ) 能够进行大厚板深坡口的焊接。 针对以上超窄间隙焊接对新焊枪设计的要求，本文设计了焊剂带预置式超窄 间隙焊枪，焊枪结构简单，工艺稳定性可靠，非常适合坡口间隙很窄的特厚板焊 接。 2 2 2 主要部件的功能 导电嘴：主要用于向焊丝传导电流。导电嘴前后侧面要开有直径为1 6 m m ， 深为0 6 m m 的凹槽，凹糟的加工精度要予以保证，尤其是与焊丝接触的凹槽。凹 槽过浅，焊丝不能被很好地约束在凹槽内，焊丝送进过程中会滑脱；凹槽过深， 对焊丝的夹紧不能得到有效地保证，焊丝送进时会左右摆动，造成电弧不稳。 导电片：主要用于向导电嘴传导电流。加工合适尺寸的导电片，在导电片侧 面铣出直径为3 m m 的半圆弧小槽，保证左右两边的导电片高度的吻合，表面要平 整，使其能可靠装配和保证焊丝的顺畅送入，导电片的长度大约2 0 0 m m 左右，厚 度为3 m m ，这样保证焊枪能够伸入窄而深的坡口间隙内，实现焊剂带约束电弧超 窄间隙焊接。 2 3 焊剂带的制备 在焊剂带约束电弧超窄间隙焊接中，焊剂带作为关键部分，对电弧的约束起 着非常重要的作用。焊剂带的折叠形状及制作工艺过程决定着焊剂带的质量，最 终影响着其对电弧的约束效果。本试验中焊剂带是以金属丝网作为内部骨架，表 面涂覆焊剂而制成的。 2 3 1 前期准备工作 1 金属丝网的处理。将3 0 目的金属丝网裁剪成宽为2 0 m m 的网条，从两根金 属丝之间的连接处开始剪断，在裁剪完后，一定要保证每一边最外侧的金属丝完 整，即金属丝网最外边的金属丝必须是一根整丝。由于金属丝网在裁剪后会扭曲 1 0 硕十学位论文 变形，要对其进行矫平和矫直。将金属丝网条套在一定直径的钢管上反复拉拽， 直到拉平拉直为止。矫平和矫直后的金属丝网很容易错动，要拉紧金属丝网，同 时保证其没有扭曲变形，即网格保持正方形时，将金属丝网用图钉固定在一木板 上。然后，将由1 ：4 的环氧树脂固化剂与环氧树脂混合制成环氧树脂胶，在搅拌 均匀后用小滚轮沿金属丝网侧边长度方向涂抹，所涂胶的宽度最好不超过3 根金 属丝。这样既起到金属丝网定型的作用，也起到侧边完全绝缘的作用。处理好的 金属丝网如图2 1 所示。 没涂环氧 树脂部分 涂环氧 树脂部分 图2 1 处理好的金属丝网 2 焊剂的制备。本实验使用的焊剂带焊剂的成分是大理石和萤石。将大理 石和萤石分别筛选成一定颗粒度的粉料，大理石和萤石的颗粒度一定要选好，这 对焊剂带成型的影响比较大。经试验发现，焊剂的细度模数越小，制成的焊剂带 成型越好，最终用于试验对电弧的约束效果也越好。本试验中，选取细度模数为 1 的大理石和萤石按1 ：l 的质量比混合均匀制成混合粉料。用浓度为4 0 的硅溶胶 作为粘结剂，将混合粉料与硅溶胶按4 9 ：l m l 的比例搅匀后备用。 2 3 2 焊剂带的制作步骤 ( 1 ) 将裁好宽度为2 0 m m 的纸条放置在模具的凹槽里； ( 2 ) 将制备好的金属丝网条放置在纸条上； ( 3 ) 将一定宽度的橡胶带压在金属丝网上面的中间位置，最后拉紧橡胶带， 橡胶带拉紧后保证其宽度为4 m m ； ( 4 ) 将硅溶胶倒入已经混合均匀的混合粉料中，搅拌均匀，然后用刮板均匀 快速地涂覆在金属丝网上。涂覆过程中，应以模具上表面为涂覆焊剂的基准面， 尽量涂覆均匀； ( 5 ) 涂好后，均匀地撒上千粉，干粉是1 8 0 目的大理石和萤石按l ：l 质量比混 合而成的； ( 6 ) 将涂好的焊剂带上面铺上一张纸条然后进行压制，直到压平为止； ( 7 ) 焊剂带取出后晾晒一段时间，等焊剂带上面纸条可以自然脱落，撕掉纸 条，将焊剂带放入烘箱里烘干。烘干温度约为3 5 0 - 4 0 0 ，保温约l d , 时。 钢轨对接超窄间隙焊接t 艺试验 2 3 3 焊剂带堵头的制作 在钢轨的焊接时，为了避免焊件在焊接时由于熔池的流动造成焊道端部凹陷 或由于保护不良而产生气孔，因此将焊剂带两端各压制了一个小堵头，这样可以 阻止熔池的流动，还可以更好地保护熔池，焊后经打磨完成可获得成形良好的焊 丛 追。 在电弧焊接过程中，主要是m i g m a g 焊时，焊接起弧和收弧部位很容易出 现一些缺陷如裂纹和弧坑，这样会造成焊道端部成形不好，尤其对于标准件来说， 例如本文使用的钢轨。钢轨焊接时，由于钢轨的截面形状比较复杂，在对其电弧 焊时，熔融的金属会向外流动，焊道端部不容易成形，会损坏钢轨端部的尺寸， 造成钢轨达不到使用要求，为此本文也设计了针对钢轨的焊剂带约束电弧超窄间 隙焊接的引弧和收弧装置。 2 3 3 1 焊剂带堵头的设计思路 在焊接实际中，为了使焊缝两端成形良好不至出现凹坑和气孔等缺陷，大多 是将焊道引出焊件进行焊接，这样就需要起弧板和收弧板。基于以上问题，考虑 能否将引弧和收弧成形不好的问题与焊剂带制作工艺联系起来，这样既可以满足 焊接过程中电弧的有效约束，又可以解决焊道两端成形不好的问题。焊剂带堵头 的制作模具如图2 2 所示。 鲜 图2 2 焊剂带堵头制作模具示意图 2 3 3 2 焊剂带堵头的制作过程 ( 1 ) 将烘干好的焊剂带，如图2 3 所示。按其中间预先留的金属丝宽度折叠 成u 形，在折的过程中一定要注意焊剂带上的焊剂不要被剥落。将折好的u 形 焊剂带两端头1 0 m m 处的焊剂刮掉，使其裸漏出金属丝，再分别将每端裸漏的金 1 2 硕士学位论文 属丝扭在一起，这样就制成一个两端漏金属丝的长槽形焊剂带。 ( 2 ) 取制作焊剂带相同成分的混合粉料( 大理石和萤石) ，将其与4 0 硅溶 胶按6 9 ：l m l 的比例搅拌均匀。 ( 3 ) 将长槽形焊剂带一端放入堵头模具的u 形槽中，放上挡板和挡条，接 着在留有的空隙中填充配置好的焊剂，一边填充一边用条形棒将焊剂压实直到填 满为止，在填好的堵头上面撒上混合粉料的干粉，做好后放置大约1 分钟。 ( 4 ) 依次取出挡条和挡板，注意在取挡条时由于压实的过紧，挡条不易取出， 此时必须左右慢慢摇动挡条，使其松动后再取出，以免强行取出会使堵头裂开。 ( 5 ) 焊剂带两端都制成堵头后，再将带堵头的焊剂带放入烘箱里烘干，烘干 温度设定为2 0 0 ，保温半个小时。 ( 6 ) 将制作好的u 形焊剂带两段的堵头中间用小钻头将其各钻一个小孔， 用来挂住引弧和收弧挡片。如图2 4 所示。 ( 7 ) 由于钢轨截面形状复杂，由上到下钢轨每层焊道的长度不一，所以必须 制作出符合钢轨焊接的各种长度的带有堵头的焊剂带。 _ i ii i i i iv i i i i l i f 1 1 1 _ 一 图2 3 制作好的焊剂带照片 2 3 3 3 烘干后处理 将带堵头的焊剂带放在阴凉干燥的地方，不要放在阳光充足或者潮湿的环境 下，以防止焊剂带失效，对电弧的约束效果下降；同时存储时要轻拿轻放，防止 焊剂带上的焊剂剥落。 制作好的带堵头的焊剂带如图2 5 所示。 图2 4 引弧和收弧挡片照片图2 5 各种长度焊剂带照片 钢轨对接超窄间隙焊接r t 艺试验 2 4 焊枪施焊过程中的稳定性分析 对于每一种新的焊接方法，不论该方法具有多大的优越性，其能否在工业生 产中的应用大都取决于该方法在焊接过程中稳定性的好坏。为了提高焊接工艺的 稳定性，一般都希望焊接方法的能够调节参数的数量越少越好，同时焊接参数能 够调节的范围越大越好，这就大大有利于扩大该焊接工艺的适用范围。 超窄间隙焊枪的结构既排除了以往焊接装置送带压带不稳和送带压带速度 大小对焊接过程的影响，同时也减少了枪体的复杂性，这对大厚板深坡口的焊接 具有明显的优势。该焊枪设计的创新性在于焊丝的导电机构，焊丝与导电嘴、导 电嘴与导电片均接触良好，对焊丝的夹紧力是通过调节弹簧自身的压缩变形量来 实现的。 用该超窄间隙焊枪进行焊接试验。在制作了合格的焊剂带前提下，以排除焊 剂带对焊缝成形好坏的影响，使用不同送丝速度进行焊接，分析送丝速度与焊接 电流的关系；再次观察不同送丝速度下的焊缝成形，以检验超窄间隙焊枪在不同 焊接电流参数下的稳定性。 2 4 1 不同送丝速度下的焊缝成形 在超窄间隙焊接过程中，焊接电流的大小直接影响着熔化焊丝的填充量，电 弧的工艺稳定性以及最终焊缝的几何形状。对于直流平特性电源来说，送丝速度 的大小决定着焊接电流的大小。送丝速度与焊接电流几乎呈线性关系。本试验在 其它焊接工艺参数条件为定值的情况下，通过改变焊枪的送丝速度来进一步调节 焊接电流的大小进行超窄间隙焊接。分析焊接电流与送丝速度的变化关系，并进 一步验证不同送丝速度下的焊接电流是否满足超窄间隙焊接的要求，什么条件下 可获得成形良好的焊缝。试验用的是直流平特性电源，采用直流反接的焊接方法， 采用直径为1 6 r a m 的焊丝的h 0 8 m n 2 s i 焊丝，焊剂带厚度约为0 9 m m ，焊接电压 2 4 v ，焊速ll m m s 。 本试验中，对三种不同送丝速度下的焊缝成形进行了分析。在焊