钢轨闪光焊焊接工艺

钢轨闪光焊机焊接工艺参数演讲人：陈建2023年1月31日闪光焊接工艺焊接工艺参数第一部分第二部分目录案例解析第三部分第一部分闪光焊接工艺Page3闪光对焊：将焊接件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些触点（产生闪光），使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。包括连续闪光焊、脉动闪光焊和预热闪光焊。第一部分闪光焊接工艺Page4连续闪光焊1

连续闪光焊取消了钢轨的预热阶段，从焊接开始，钢轨端面一直进行连续不断的、均匀的闪光，依靠连续闪光对钢轨进行加热，直到顶锻。连续闪光焊焊接过程所需功率较小，钢轨端面加热均匀，加热区相应较窄。第一部分闪光焊接工艺Page5典型连续闪光焊焊接过程曲线如下图所示第一部分闪光焊接工艺Page6连续闪光焊焊接工艺规范的选择连续闪光焊时应从以下几个方面入手，逐步调整、优化焊接工艺参数。（1）严格控制加热区宽度。

如果加热区太窄，其塑性变形不充分，焊接缺陷增多；如果加热区过宽，则晶粒充分长大，钢轨塑性、韧性下降；焊接热平衡后，加热区宽度不随时间而增大。（2）选取合适的末期闪光速度；

连续闪光焊的末期闪光逐步加速，应避免闪光中断或短路发生，合理控制最终烧化速度。（3）科学控制顶锻力、顶锻量与顶锻速度。

一定范围内，增加顶锻力和顶锻速度有利于去除接口中氧化物和熔化金属，但应当选取合适的顶锻量，否则易出现未焊透或“冷顶”情况。

第一部分闪光焊接工艺Page7脉动闪光焊2

脉动闪光焊工艺是K系列焊机独具特色的、当今世界最先进的焊轨工艺之一。由于PLC可编程控制技术和计算机技术在焊机控制系统上的应用，脉动焊轨技术能够实现对钢轨的高效率加热，并能减少焊接缺陷，提高接头机械强度。脉动闪光对焊由前苏联巴顿焊接研究所提出，它是在动架送进过程中叠加机械振动，这样闪光间隙将在临界值的左右摆动。当闪光间隙低于临界值时过梁总是存在，使热效率提高，而在过梁凝固前又因振动拉开而强制产生闪光，不至于顶死，因此几乎不存在自发的过梁爆破。而强迫爆破可不受电压的限制，通常用较低电压以提高热效率；强迫爆破的飞溅比自发爆破小，留下的凹坑浅，有利于减小顶锻留量。第一部分闪光焊接工艺Page8典型脉动闪光焊焊接过程曲线如下图所示第一部分闪光焊接工艺Page9预热闪光焊1

以预热为主要加热形式，通过钢轨端面多次短路接触，产生大量的热能，使钢轨端部及附近区域金属被强烈加热。预热闪光焊过程分为闪平、预热、烧化、顶锻、保持五个阶段。相对连续闪光焊而言，预热闪光焊焊机变压器输出功率较大，加热区宽，顶锻速度较快。预热闪光焊和连续闪光焊焊接各阶段作用相同，仅仅区别于加热方式的差异，一个通过多次短路迅速提升钢轨端面温度，一个通过连续闪光均匀加热钢轨端面。第一部分闪光焊接工艺Page10典型预热闪光焊焊接过程曲线如下图所示第一部分闪光焊接工艺Page11钢轨预热闪光焊工艺规范的选择

钢轨预热闪光对焊的工艺参数较多，每个工艺参数对焊接过程都有不同程度的影响，各个工艺参数之间又有着密切的联系，在选择钢轨预热闪光焊工艺规范时，应从以下各方面考虑：（1）焊接设备的功能和钢轨材质的性能。

根据焊机的特性和钢轨的化学成分，初步确定主要参数的大约范围和主要的加热阶段，然后再确定主要加热阶段的主要参数。例如GAAS80焊机的预热过程是钢轨加热的主要阶段，预热电流又是影响加热程度的主要参数，对于不同含碳量的钢轨，所需的预热温度是不同的，据此来分析选择预热参数。第一部分闪光焊接工艺Page12（2）合理匹配各阶段焊接参数。

例如预热阶段为了达到适合钢轨特性的温度场，可以将预热电流、预热次数、预热间隔时间等工艺参数组合成不同规范，通过落锤试验效果检测每组规范的焊接质量效果，根据落锤结果和断口形貌逐步优化组合，优胜劣汰，选择定位预热阶段各工艺参数的较佳组合。第一部分闪光焊接工艺Page13（3）以钢轨化学成分的中限值为基础进行试验。

我国钢轨化学成分的偏差范围相对较大，不可能对每一炉号的钢轨都进行试验，只能选择中限或中上限的化学成分为试验基础，然后以此限值验证。（4）应考虑焊轨作业条件、生产效率的需要。

在保证钢轨焊接质量的前提下，应优先使用对外部条件波动敏感性小、生产率高的焊接工艺规范。第二部分焊接工艺参数

工艺参数是指完成某项工作的一系列基础数据或者指标，也就是说这些基础参数构成了工艺操作或者设计的内容。LR1200钢轨闪光焊机焊接工艺参数设置界面如下图所示。3第二部分焊接工艺参数01阶段位移控制0203阶段时间控制阶段位移、时间联合控制15第二部分焊接工艺参数阶段位移控制116

采用阶段位移控制时，阶段时间可设置为最大值，屏蔽阶段时间的控制。阶段位移是焊接过程中位移传感器的变化量，可以理解为钢轨在此阶段的烧化量，它是根据每个阶段的位移变化量（烧化量）执行焊接过程，当焊接过程中的钢轨烧化量达到参数的设置值时，焊接自动进入下一个阶段，直至钢轨的烧化量达到七个阶段设置的阶段位移总和，进入顶锻阶段。特点是焊接完成时间不同，阶段位移量不易掌握，端面温度状态及梯度不易掌握，受待焊钢轨的端面垂直度影响较大。第二部分焊接工艺参数阶段时间控制217

采用阶段时间控制时，阶段位移可设置为最大值，屏蔽阶段位移的控制。阶段时间是焊接过程每个阶段完成时间，它是根据每个阶段的时间多少执行焊接过程，当焊接过程中的时间达到参数设置值时，焊接自动进入下一个阶段，直至焊接时间达到七个阶段设置的阶段时间总和，进入顶锻阶段。特点是焊接完成时间相同，阶段位移量（烧化量）不同，端面温度状态及梯度容易掌握。第二部分焊接工艺参数阶段时间、阶段位移联合控制318

采用阶段位移和阶段时间联合控制时，可设定阶段位移和阶段时间都在允许数值范围内，焊接过程中，有一个参数达到设定值时焊接自动进入下一个阶段直至焊接完成，进入顶锻阶段。特点是双重控制模式，焊接完成时间和阶段位移量（烧化量）都可能不同，过程不易掌握。第二部分焊接工艺参数阶段位移（mm）119

阶段位移是焊接过程中位移传感器的变化量（中心轴的位移），可以理解为钢轨在各阶段的烧化量，当烧化量达到工艺参数设定值时进入下一个阶段。阶段时间（s）2

阶段时间是焊接过程中各阶段的完成时间，当阶段时间达到工艺参数设定值时进入下一阶段。一般情况下，焊接时间的长短，反映着钢轨的加热程度和温度场的分布。如果焊接时间过长，加热区变宽，金属有可能产生过热，时间太短，造成加热不足，可能造成未焊透等缺陷。因此，可依照焊接时间来分析焊接参数是否合适。第二部分焊接工艺参数电压（v）320

焊接电压采用程控调压方式，如下图所示。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。第二部分焊接工艺参数Page21高压阶段低压阶段低压阶段加速阶段顶锻阶段焊接时间焊接电压第二部分焊接工艺参数送进速度（mm/s）后退速度（mm/s）电流1、2、3（A）422

钢轨焊接过程中送进后退的控制变量

主要与送进速度

、后退速度设定值

、焊接过程中电流反馈值有关，涉及四种情况，控制图及数学模型如下图所示。钢轨焊接过程中通过这四种状态对焊缝进行适当的加热，维持焊接过程的连续性及稳定性并形成合理的保护氛围，使钢轨端头形成足够的加热区和适当的温度梯度，确保焊接端面温度分布均匀。第二部分焊接工艺参数Page23第二部分焊接工艺参数Page24（1）当

焊接电流在此区域内时，电流反馈值小于设置的电流基值，两端钢轨距离较大容易形成断闪现象，不利于钢轨焊接加热和温度场的建立，需要快速的提升电流。程序按照设定的送进速度推进，使焊缝截面的电流导通面积扩大，提高焊接电流，快速增加对焊缝区域的热量输出，保持焊缝区域的温度场稳定。第二部分焊接工艺参数Page25（2）

焊接电流在此区域时，焊机动立柱减速送进，送进速度大小由公式决定，维持稳定的闪光。I1与I2之间的差值越小并配合相应的送进速度，平均焊接电流越能够维持在I2这个值附近。当I=I2时，动立柱保持静止，进行稳定的加热，建立起适当的温度场，钢轨焊接接触面温度逐步升高，导电面积增大，电流上升，直至超过I2进入下一步的控制。第二部分焊接工艺参数Page26（3）

焊接电流在此区域时，焊机动立柱减速后退，后退速度大小由公式决定，维持稳定的闪光。I2与I3之间的差值越小并配合相应的后退速度，平均焊接电流越能够维持在

这个值附近。当I=I3时，动立柱保持静止，进行稳定的加热，建立起适当的温度场，钢轨焊接接触面温度逐步升高，导电面积增大，电流上升，直至超过I3进入下一步的控制。第二部分焊接工艺参数Page27（4）

焊接电流在此区域时，动立柱按照设定值

v2迅速后退，减少大电流对钢轨焊缝区域组织造成损害，并且在后退过程中，金属过梁断裂，从而激发闪光，消耗焊缝区域的空气中的氧气，在焊缝区域形成保护性氛围，减少焊接缺陷的产生。在后退的同时电流I迅速下降。I下降到I1以下，重新开始下一个控制循环。第二部分焊接工艺参数Page28

顶锻量大小能够一定程度上反映出钢轨的塑性变形以及端部加热程度，一般通过落锤断口形貌可以判断出顶锻量是否合适。顶锻量的选择是与钢轨加热状态即各工艺参数协调配合有关，还与焊接钢轨的成分有关。LR1200型钢轨焊机采用了可控顶锻，钢轨材质不同、截面积不同，顶锻量也就不同。参数设置过程中，顶锻量一般设置为9mm~14mm，实际顶锻时数值还取决于焊接前期的加热状况，焊接管理系统统计的顶锻量大小一般为10mm~15mm。顶锻量（mm）5第二部分焊接工艺参数Page29

当顶锻量不足时，熔渣及氧化物不易被挤出而保留在接头内。并且会由于烧化后所留下的火口在顶锻时没有完全封闭而形成缩孔及无光泽斑点等缺点，降低了接头的质量。钢轨使用过程中，在交变载荷的作用下，就会在这些薄弱区域优先产生疲劳裂源，导致过早失效。

如果选用较大的顶锻量，则能克服以上缺陷，提高焊缝质量。如果采用过大的顶锻量会使钢轨焊缝处的金属纤维方向变得弯曲，降低了接头的冲击性能。第二部分焊接工艺参数Page30顶锻时，钢轨的两个端面完全接触，焊接变压器二次回路短路，产生极大的顶锻电流。顶锻动作必须迅速完成，一般顶锻时间2s~3s，顶锻速度高达25mm/s以上。

顶锻时，金属沿接口表面的塑性流动，对于平整表面的凹凸不平、破坏和去除氧化膜都有很大作用。在顶锻开始的一段时间内，为保持轨端要求的热状态，使顶锻易于完成，熔化金属便于从接口排出，使火口完全封闭，在顶锻初期并不切断电流，但电流大小和通电时间有一定限制。电流过大或时间过长都会导致接头过热，如果电流选择太小，有电保持的时间又不够时，接口的氧化物夹渣不易排净，产生焊接缺陷几率增大。带电顶锻时间（s）、总的顶锻时间（s）6第二部分焊接工艺参数Page31

顶锻阶段，顶锻时间对接头质量有明显的影响。顶锻时间长，顶锻充分，焊口上的氧化金属和夹渣可通过良好的挤压变形将其挤出焊口，或被挤压呈弥散分布。但顶锻时间过长，容易破坏前期形成的温度场，达不到很好的塑性变形，形成冷接头。

顶锻的作用如下：（1）封闭钢轨端面间隙因过梁爆破而留下的火口；（2）彻底排除钢轨端面上的液态金属层，使焊缝中不残留铸造组织；（3）去除过热金属及氧化夹杂，保证洁净金属紧密结合；（4）钢轨端面和邻近区域获得适当的塑性变形，促进焊缝再结晶过程。第二部分焊接工艺参数Page32

经过短时间有电流顶锻后，焊接电流被切断，但顶锻压力保持不变，液态金属和氧化物被挤出，钢轨焊缝继续发生塑性变形，最终形成致密组织的焊接接头。保压阶段时间一般设计为1~5秒。如果保持时间过小，焊缝不能产生足够的塑性变形，整体强度、韧性及塑性下降；当焊缝塑性变形完成后，延长保持时间也没有任何意义。保压时间（s）7第二部分焊接工艺参数Page33

锁定时间的设置通常为1~180s。工艺参数调试焊接短轨时一般设置为2~3s；在既有线路要完成钢轨断头处理、应力放散、换轨合龙口等作业时，钢轨焊接接头完成以后，钢轨内部处于拉应力状态，对焊缝要保持一定的锁定时间。锁定时间（s）8第二部分焊接工艺参数Page34

测试前进速度的设置值通常为0.2mm/s。当焊接工艺参数设置完成后，焊机可以在空载状态下模拟焊接过程，操作步骤如下：（1）焊机操作面板处于初始状态；（2）使推瘤方式选择开关处于保压位；（3）使液压选择开关处于高速设置位；（4）使钳口选择开关处于夹紧位；（5）使焊机机架后退至最大位；（6）使液压选择开关处于运行位；（7）使操作模式选择开关处于测试位；（8）启动焊接启动按钮，焊机模拟焊接及推瘤过程，当焊接管理系统界面显示焊接完成时，焊机测试结束。测试前进速度（mm/s）9第二部分焊接工艺参数Page35

系统压力的设置值可依据待焊钢轨的型号。（1）当焊接50kg/钢轨时，通常设置为40%~45%，顶锻力的值为48~55吨；（2）当焊接60kg/钢轨时，通常设置为48%~55%，顶锻力的值为58~66吨；（3）当焊接75kg/钢轨时，通常设置为55%~60%，顶锻力的值为66~72吨；系统压力（%）10第二部分焊接工艺参数Page36

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。第三部分案例解析Page37上海大修段焊接过程异常曲线分析1、概况描述

焊轨设备为2010年4月份LR1200焊轨车，至今焊接大约3千个接头。焊接型式检验参数通过时间为2