国内钢轨闪光对焊技术的研究与应用

国内闪光对焊机的发展经历了从引进到自主制造的过程，许多外国品牌，如德国米巴赫（MIEBACH）、法国的克莱西姆（CLECIM）、美国的泰勒（TAYLOR）等闪光对焊机制造商在我国市场做得较好。南车集团上海铁路局戚墅堰机车车辆工艺研究所改进K900机型。成都艾格机电设备有限责任公司改进AMS60型等交流闪光对焊机。此外，西南交通大学开发了移动式钢轨闪光对焊机，适用于高速重载钢轨，如P43、P50、P60、P75等轨型的钢轨线上、线下和无缝线路；可用于同型钢轨和异型钢轨的多种场合焊接；适当改进夹钳也可用于工字钢等大截面尺寸钢轨的焊接，有较好的市场应用前景，特别适合于截面面积≤10000mm²焊件的高效焊接。现已于北京地铁、广州地铁、成都地铁、上海地铁等轨道建设中。西南交通大学校产集团的钢轨焊接设备已经投入生产和销售。成都电焊机研究所也在对钢轨闪光对焊技术进行开发。

目前，我国的钢轨闪光对焊机一部分是在国外进口的焊机基础上，对焊机内部的个别系统进行优化改进，从而获得部分自主知识产权的焊机。也有一部分焊机是完全由我国自主研发的。国产钢轨闪光对焊设备主要包括：二次侧整流闪光对焊机和交流闪光对焊机两种机型，直流焊机的主要代表是瑞士Schlatter公司的GAAS80三相二次侧整流式焊机；交流焊机则以乌克兰巴顿焊接研究所研究生产的K系列焊机为代表。交流钢轨闪光对焊机体积仅为同容量直流焊机的三分之一，具有体积小、成本低、可靠性高等优点。现场焊接的闪光对焊机要求体积小、质量轻，所以多采用交流焊机。国内焊机的改进工作也主要是围绕乌克兰的K系列焊机进行的。

（1）K190пK型钢轨闪光对焊机K190пK型钢轨闪光对焊机是早年由苏联引进过来的固定式连续闪光对焊机，因为它具有结构简单、维修方便、维护费用低等优点，至今仍有部分厂家使用。该型号焊机的钢轨送进系统采用伺服放大系统，电压调节则采用了接触器切换方式，另外，这种焊机只能采用连续闪光对焊工艺。目前国内一些研究机构已经对该型号焊机做了一些工作，包括重新设计电压调节系统、稳压系统，对液压送进系统进行改进，通过使用电液比例方向阀来替代原有的电液随动装置，以及采用PLC为控制核心的焊接控制系统。通过这些改进措施，大大提高了K190пK型钢轨闪光对焊机液压送进系统的响应速度，并使其兼具了脉冲闪光对焊的功能。

K190пK型钢轨闪光对焊机改进前电液随动装置原理如图6-4所示。

K190пK型钢轨闪光对焊机液压送进系统是一个特制的电液驱动装置。其组成包括了直流电动机、蜗杆减速器、螺母式螺旋偶和顶锻电磁铁。工作原理是通过控制直流电动机输入端的电压大小和极性，控制液压阀的开口大小和方向，实现动立柱运动方向和速度的控制。焊机原液压系统的反应时间为2s以上，而脉冲闪光要求短路与断开的最大周期必须在40ms之内，显然该焊机原有的液压系统是无法满足要求的。为此，可以采用电液比例方向阀来代替电液驱动装置，依靠电磁线圈流过电流的大小直接控制液压阀开口大小和方向，并采用位移反馈对液压阀的开口进行调整，现有的电磁比例方向阀响应频率能达到50Hz以上，完全可以满足脉动闪光对焊工艺要求。为了提高控制精度，焊接控制系统以PLC为控制核心，并采用焊接电流负反馈调节送进速度。当闪光过程焊接电流偏离规范时，在设定时间内进行速度修正，从而实现焊接回路中焊接电流和送进速度之间的动态匹配。

图6-4 K190пK型钢轨闪光对焊机改进前电液随动装置原理

K190пK型钢轨闪光对焊机改进后的液压送进系统如图6-5所示。调理回路先将焊接电流转换成电压信号，然后通过A／D转换模块转换为数字信号传递给PLC，PLC将其与初始设定电流值进行比较运算，再送入D／A模块，随后输出至电液比例放大器，电液比例放大器将信号转化为电磁阀电磁线圈控制电流，最终由电磁阀控制送进。

图6-5 K190пK型钢轨闪光对焊机改进后的液压送进系统

通过采用PLC为控制核心的焊接控制系统，还使K190пK型钢轨闪光对焊机可完成脉冲闪光对焊工艺。首先，需要在计算机中预先设定好送进机构的最大送进速度、回拉速度、基准电流、送进极限电流和回拉极限电流等参数。在焊接过程中，需要对焊接电流进行实时监测，当焊接电流小于或者等于基准电流时，送进机构将以最大送进速度送进，当钢轨之间出现微小接触后，钢轨焊接端面上形成过梁并逐渐增加，焊接电流开始上升，在焊接电流超过基值电流时，送进机构仍然按照一定比例送进，不过随着钢轨之间的距离缩小，焊接电流进一步增大，送进速度也随电流的增加成比例地逐渐减小。当钢轨之间的距离减小到一定程度，焊接电流超过了送进极限电流时，接头的闪光较为剧烈。为了保证接头质量，送进机构停止送进，此时过梁仍然增加并变粗，焊接电流继续上升。当检测到焊接电流超过回拉极限电流时，送进机构按已设定好的回拉速度迅速回拉，钢轨间距离被拉大，已形成的过梁被迫拉细爆断，焊接电流下降，由此完成一个焊接脉冲的控制。

（2）K900钢轨闪光对焊机20世纪90年代，我国从乌克兰巴顿焊接研究所引进了K900钢轨交流闪光对焊机。K900钢轨交流闪光对焊机是移动式连续闪光对焊机，具有体积小、成本低、可靠性高等优点，因此已在我国广泛使用。

由于我国铁路发展的需要，2000年，中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所（下简称戚研所），研制了首台国产K900钢轨闪光对焊机。该焊机具有连续闪光对焊和脉动闪光对焊两种功能。

国产K900钢轨闪光对焊机的特点如下：

①国产K900钢轨闪光对焊机在脉动闪光对焊过程中能最大限度地减少能量损失，热能有效利用系数高达80％，而其他接触焊机在焊接过程中能量损失比较大，热能有效利用系数为40％～50％。

②国产K900钢轨闪光对焊机，能够保证焊接过程发热的稳定性和温度场的均匀性。例如在功率为100～350kW的条件下，即可高质量地焊接65～70kg／m的重型钢轨，相应的焊接时间仅为50～90s，同时焊缝处的热影响宽度大幅度变窄，从而大大提高了生产效率和焊接质量，具有同类型其他焊机无法比拟的优势。

③当功率足够大时，国产K900钢轨闪光对焊机可以保证高度集中地加热，因而使轨端区域达到最高的温度，同时热影响区的范围明显变小。当进行脉动闪光对焊时，加热与冷却的时间都明显变短。顶锻时，钢轨金属在高温区内发生了更为强烈的变形，因而改善了焊接部位的金相组织，提高了焊缝静弯性能指标。另外，由于国产K900钢轨闪光对焊机采用的是钳口夹持钢轨轨腰，在轨底角电流密度低时，高度集中地加热可以减少灰斑的形成。因此，大大减少了产生裂纹源的机会。

④对于某些高强钢轨，随着焊接时间的延长，合金元素会逐步损失，引起焊缝部位强度的下降，即形成所谓的软化带。而国产K900钢轨闪光对焊机，当采用脉冲闪光对焊工艺时，由于热能有效利用系数远高于同类型其他焊机，所以在较短时间内就能达到所需要的温度，大大减少了焊接时间，从而降低了焊缝区域硬度的下降，热影响区的软化带宽度也明显减小。

⑤国产K900钢轨闪光对焊机采用脉冲闪光对焊时，烧化留量仅为连续闪光对焊工艺时的1／3～1／2，顶锻留量为连续闪光对焊工艺时的1／3。因此减少了金属的飞溅与焊渣的数量，从而减少了焊工清理焊渣的负担，提高了生产效率。

⑥国产K900钢轨闪光对焊机采用脉动闪光对焊工艺时，由于在焊接接触面上电流分布均匀，因而在最后阶段高空载电压下烧熔时，在整个接触面上烧化更为均匀，在焊缝内形成缺陷的可能性更小。

⑦国产K900钢轨闪光对焊机所采用的是脉动闪光对焊技术，特别适用于野外焊接，在无缝线路完成最后的闭合焊接时，由于脉动闪光对焊接头的烧化余量减少，也减少了对长轨进行张拉的要求。而且脉动闪光对焊接头处加热区窄，焊后需要的冷却时间短，这样可避免路轨在拉应力的作用下接头产生裂纹的危险。国产K900钢轨闪光对焊机脉冲闪光对焊焊接参数见表6-3。

表6-3 国产K900钢轨闪光对焊机脉冲闪光对焊焊接参数

西南交通大学也对K900闪光对焊机进行了一些改进工作，并且取得了不错的效果。如对K900钢轨闪光对焊机的监控系统进行了国产化研究，解决了K900闪光对焊机存在的几个缺陷：原有控制系统在DOS操作系统下使用C语言编制而成，在实现数据管理和质量管理功能方面存在较大难度，不能充分发挥现代IPC的优越性能；由于采用的计算机和操作系统陈旧，计算机检测和控制系统软硬件无法维护，设备无法正常使用；原有控制系统中的参数修改功能不健全，给焊接工艺的调整带来不便。

改进后的K900钢轨闪光对焊机硬件采用AB公司SL／05型PLC控制焊接过程。在焊接过程中，PLC对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、液压系统压力和送进位移等主要参数进行采集。其中，焊接电压、焊接电流取自焊接变压器一次侧，信号处理后送至PLC的A／D模块；油压系统的油压通过压力传感器，转换为标准范围内电压信号，送至PLC的A／D模块；焊接过程中的送进位移，通过位移传感器转换为标准范围内电压信号，送至PLC的A／D模块。上位机采用工业控制计算机，通过工业485网络通信的方式与PLC之间进行数据交换。监控系统硬件组成如图6-6所示。

图6-6 监控系统硬件组成

整个监控系统在软件上采用Windows XP操作系统平台，RSView32组态软件与VB6.0编程软件结合进行开发。根据焊接的实际生产工艺过程，软件的编制采用模块化方式，共分为焊接参数实时显示模块、焊接数据保存与处理模块、焊接历史数据查询和历史曲线调用模块、焊接生产报表模块、焊接参数修改查询模块。整个监控系统的平台是基于RSView32组态软件开发的，将基于Visual Basic 6.0开发的数据报表处理程序和曲线显示程序嵌入到该平台中。(www.xing528.com)

（3）我国自由研发的典型钢轨闪光对焊机 目前，除了在进口原型机上进行部分系统升级改造外，国内一些科研机构通过对国外先进闪光对焊机技术的学习和吸收，并结合我国实际生产的需要，自主研发了部分型号的钢轨闪光对焊机，其中许多性能指标达到或者超过国外同类型焊机的性能指标。

UN-200型固定式钢轨闪光对焊机的控制系统总体硬件框图如图6-7所示。该控制系统可以满足闪光对焊机的控制要求。控制系统以工控机为上位机，三菱FXZN系列PLC为下位机进行双CPU控制，应用电液比例伺服阀设计了电液控制系统，满足脉动闪光和连续闪光等多种需要。通过电压和电流的真有效值转换，实现焊接电压和电流控制，有效地控制了输入量。工控机通过与PLC串行通信，实现参数的设定和采集。通过研华高速采集卡，对压力、位移、电流、电压等影响焊接质量的参数进行实时采集，以便于追溯焊接实况，进行焊接质量管理。

①机械部分。固定式焊接机头的机械装置主要由机身、夹紧机构、送进机构、推瘤机构和凸轮机构等组成，其中夹紧机构和送进机构是关键机构。夹紧机构采用上下夹紧方式，整个机构由静夹具和动夹具组成，动夹具与静夹具之间必须相互绝缘。焊机选用的焊接变压器容量为200kVA，机械动作全部选用了液压传动方式。固定式焊机机头及各个机械部件的名称见图6-8。

图6-7 控制系统总体硬件框图

固定式焊机机头的左右两部分夹紧机构都采用上下夹持方式，为动架、静架钢轨夹紧油缸。左夹紧机构为焊机固定端，右夹紧机构为可移动端。在左夹紧机构内部安装有2台容量为100kVA的焊接变压器，并用螺栓将它们沿焊轨中心轴固定在左夹紧机构的板上。两台变压器采用并联连接方式。两台变压器二次侧的一铜极连接到左夹紧机构的夹紧头上，另一铜极端通过2块汇流排与右夹紧机构夹头连接。两顶锻油缸通过8个直径为22mm的螺栓固定在机头的框架上，并与导向轴联合协调，通过2顶锻油缸液压油的同步运动，完成焊机可移动端的前进和后退。

固定式焊机夹紧机构的最大夹紧力为1700kN，最大顶锻力为590kN（系统额定工作压力15MPa），能满足大顶锻力的需要。夹紧机构采用上下夹紧方式，通过夹紧油缸液压油的换向实现钢轨的夹紧与松开，夹紧油缸安装在焊机夹紧机构的上部，夹紧动作时上电极块往下运动，压住轨顶，实现钢轨夹紧和电极导电接通。通过轨腰水平方向夹紧油缸对钢轨左右夹紧，以钢轨轨腰的一边作为基准面，另一边通过液压油缸进行夹紧，轨腰方向的夹紧力可以通过调整动端集油块上的减压阀进行调整，也为焊前钢轨的精确对中做好准备。

固定式焊机的对中机构采用三级对中方式，第一级钢轨对中采用与主机分离的方式。设计的初级对轨架可以进行水平和垂直双向定位和调节，使钢轨夹紧和定位。采用分离的方式，还可以通过调节初级对轨架与主机的距离，选择最为适合的远端钢轨支点。钢轨第二级对中在动架和静架上各安装一组水平方向调节定位机构，由

图6-8 固定式焊机机头

1—动架下支撑轴 2—挡渣板油缸 3—轨腰水平方向夹紧油缸 4—动架撑杆 5—上支撑轴

6—顶锻油缸 7—加强筋板 8—动架 9—动架钢轨夹紧油缸 10—静架钢轨夹紧油缸

11—推凸刀组 12—静架 13—对中架 14—静架挡渣板 15—静架撑杆

16—轨腰水平方向夹紧油缸 17—动架挡渣板

于油缸位置的特殊设计，使钢轨通道的空间大大增加。另外，油缸的伸缩方向与钢轨横向支撑受力方向基本相同，油缸的夹力效率增加、直径减小。静动架上轨腰水平方向夹紧油缸打开，使待焊钢轨端部水平方向对齐，轨腰方向的夹紧力可以通过调整动端集油块上的减压阀进行调整，在夹紧钢轨的同时，使挡渣板和推凸刀组就位。钢轨第三级对中，由对中架水平对中和油缸垂直对中，通过调整油缸活塞杆伸缩量共同完成对中调节。对中机构如图6-9所示。

图6-9 对中机构

1、2—油缸

焊机机头内配备有推瘤机构，该机构在焊接完成后立即从周边推掉焊瘤。推瘤刀分为左右两块，分别安装在动架轨腰水平方向夹紧机构上，更换和修磨方便。当轨腰水平方向夹紧机构夹紧钢轨轨腰时，推瘤刀也同时定位合拢。焊接保压结束后，动架电极张开，使顶锻油缸继续前进，以完成推凸，直至推掉焊瘤。由于推瘤刀组的特殊设计，能够达到先推轨腰再推轨顶和轨底的效果，有利于焊瘤脱落，同时减少对推凸力的要求。顶锻油缸在焊接和推凸中共用。

②液压部分。在液压控制系统中，电液控制的关键是送进速度的控制，送进速度的快慢直接影响电流的大小、焊接闪光烧化速度和烧化稳定性。

电液控制系统采用比例伺服阀实现电流和速度双闭环电液控制。电液控制系统原理图如图6-10所示，系统由PLC系统、比例伺服阀放大板、比例伺服阀、顶锻油缸、液压系统和静动夹具、焊接主回路组成。双闭环控制分内闭环和外闭环。内闭环控制由比例伺服阀放大板与比例伺服阀构成，焊机的液压伺服阀装置较为先进，它是带有位置传感器的高精度控制阀、电子放大器组成滑阀位置的闭环控制系统。

图6-10 电液控制系统原理

内闭环控制系统的实现过程，外部预置信号和伺服阀的位置传感信号进入电路放大器进行比较，输出指令给伺服阀电磁线圈。电磁线圈带动阀心动作，并推动回复弹簧。位置传感器将电磁线圈实际位置反馈给放大器，再次与预置信号比较，并输出指令控制电磁线圈运动，直至电磁线圈和回复弹簧之间的力达到平衡，从而精确地控制伺服阀的动作，实现内闭环控制。也就是当PLC给定速度，内闭环自动调节流量达到稳定。

外闭环控制系统通过采集焊接电流，输入PLC进行程序运算，与PLC设定的焊接电流值进行比较，依照控制系统设定的电流与送进曲线，给出比例伺服阀控制信号，通过控制液压驱动控制电路的电压值，控制动立柱的送进和后退，从而实现焊接过程中送进速度的控制。

对送进速度的控制是整个液压系统的关键。在整个焊接过程中，分两个阶段对送进速度进行控制。在闪光阶段，需要送进的速度控制响应快，通过电液比例伺服阀进行控制能达到要求；在顶锻阶段，要求顶锻初速度≥30mm／s，此时电液比例伺服阀的流量已经满足不了顶锻的流量要求，因此系统采用电磁换向阀作为顶锻阶段的控制阀。系统顶锻油缸采用电磁换向阀与电液比例伺服阀并联的结构，能完成送进、后退速度和顶锻过程的控制。

③PLC控制部分。系统的PLC控制软件主要由初始化程序模块、调整程序模块、焊接程序模块、公共程序模块构成。初始化程序模块主要实现系统的上电复位、中断功能允许、状态寄存器清零、置初始状态、焊接电流参数的比例计算等功能。调整程序模块实现焊件调整的功能和各种动作的手动单步功能。焊接程序模块实现闪光对焊的整个自动焊接过程，包括脉动闪光对焊与连续闪光对焊。公共程序块主要实现各种公共数据的PID运算、A／D转换、D／A转换等功能。