高速铁路长轨生产系统研发与应用：焊接规范和要求

钢轨焊接是保证生产系统质量最重要的环节，直接影响成品长轨的合格率。

焊接工艺按规定的焊接参数和规程进行对焊，目前一般采用接触闪光焊机，焊后自动推除焊缝凸出量。主要工作内容为：焊接前要确认前一班的焊接记录，并确认供电、液压、控制、冷却等系统正常。焊机的各项参数一经选定，不得随意改动。确认待焊钢轨除锈处理符合工艺要求，焊接参数与所焊轨种一致。焊机主机、附属设备及控制、记录系统必须完好，各工艺参数应按标准工艺调整定位，并使作业保持稳定正常。选定焊轨基准面，进轨、夹持、对齐、确认、焊接。当轨端加热到塑性状态后，焊机能自动夹紧钢轨，轨端顶压，使轨端焊成整体。焊后不得有夹渣、电击伤、推亏母材等缺陷。对焊后情况进行确认，并及时、准确、真实地填写焊接记录（图4-15）。

图4-15　焊轨机

工艺流程如下：

（1）钢轨表面质量检查

1）钢轨表面不应有裂纹。

2）钢轨表面刮伤、磨痕、热刮伤、纵向线纹、折叠、氧化皮压入、轧痕等的最大允许深度：钢轨踏面和轨底下表面0.3mm（轨底下表面不应有横向划痕），钢轨其他部位0.5mm。

3）检查钢轨端部有无撞击伤损。

（2）待焊钢轨焊前除锈（打磨）质量

1）钢轨端面及钢轨与焊机导电钳口接触面应呈现明显金属光泽。

2）轨端全断面呈现金属光泽，目测除锈宽度是否覆盖上下电极。

3）雨雪天时，钢轨应在配轨台上风干，再进行人工辅助除锈至符合焊接要求后方可进行焊接。

4）除锈打磨后轨头曲面形状应与原轨相近。

（3）接头错边量最大允许值如表4-2所示。

表4-2　接头错边量最大允许值表　单位：mm

（4）自动完成推凸过程

推凸过程不应损伤接头和钢轨母材，推凸后的表面应无肉眼可见的裂纹或焊渣挤入，接头各部位允许的最大推凸余量（推凸后的焊筋高度）：轨头2mm，轨头下颚2.5mm，轨腰2mm，轨底1.5mm。

（5）电极表面质量

焊机的导电钳口表面必须光洁、平整，电极表面不得有单个大于20mm2的嵌渣或缺损，不得有总面积超过100mm2的表面缺损。

（6）锯切后钢轨端面斜度

普速轨，不得大于0.8mm；高速轨，不得大于0.6mm。

（7）钢轨轨头侧面弯曲

不大于1mm。

（8）每个焊接接头的重焊次数

不得超过2次。超过2次需更换1根待焊钢轨。

测量轨底错边量，检查轨头错边量。焊缝错边量测量位置为焊缝中心两侧各15～25mm的位置。检测方法如图4-16、图4-17所示。

图4-16　接头错边示意图

图4-17　接头错边测量示意图（单位：mm）

（9）出现以下情况焊接接头应锯切重焊

1）焊接记录曲线超过规定的技术标准范围，焊接各记录应符合工艺参数规范要求。

2）焊缝裂纹、嵌渣、熔损。

3）焊接轨与电极接触部位出现“电击伤”。

4）焊缝外观尺寸超标。

5）经技术人员确认记录曲线异常必须切除的焊接头。

6）出现其他质量问题的焊接头。

4.2.1.1　焊接设备

国内钢轨焊接技术应用比较成熟，闪光焊技术得到广泛应用，包括预热闪光焊和脉动闪光焊工艺方法（GAAS系列直流闪光焊机和K系列交流闪光焊机）。

在基地焊接的焊接工位，均使用钢轨闪光焊接完成对端部经过除锈的原料钢轨之间的焊接，将原料钢轨焊接成长钢轨。根据流经钢轨端部熔合面的电流方向，闪光焊机分为直流焊机和交流焊机。直流焊机一般采用预热闪光焊接工艺，每个接头的焊接过程包括闪平、短路预热、连续闪光、加速闪光、顶锻和自动推凸六个阶段，代表机型是由瑞士H.A.Schlatter AG公司生产的GAAS80型焊机；交流焊机一般采用脉动闪光焊接工艺或连续闪光焊接工艺，焊接过程包括高电压闪平、低电压闪光预热、高电压连续闪光、顶锻和自动推凸五个阶段，代表机型是美国霍兰德（HOLLAND）公司和乌克兰巴顿公司联合制造生产的K1000型焊机，同时，国内西南交通大学艾格公司研制生产的UN5-150G型焊机和中国铁道科学研究院金化所研制生产的UN200型焊机也属于交流焊机范畴。

（1）主要功能和工作原理

1）主要功能。钢轨焊机主要功能是将两根待焊钢轨通过电阻闪光加热顶锻的方式焊接在一起，自动完成推凸过程，能够采集焊接过程的压力、电流、位移曲线，利用采集数据自动报警功能，对焊接接头质量进行自动判定，同时，使用储能器功能，提高钢轨焊接完成阶段的顶锻速度。设备主要由主机、液压系统、控制系统、冷却系统、除尘系统等部分组成，具有对中装置和起拱量调整装置，能够实现待焊钢轨作用边对中和起拱量调整功能。设备对中完成后，启动焊接具有自动完成焊接过程和推凸过程的功能。设备能够利用采集的压力、电流、位移曲线，对焊接过程进行自动监控和数据分析，设定报警极限，对焊接过程中出现的异常情况能够自动报警。同时，设备具备自诊断功能，利用设备自带的诊断程序对设备自身进行自动诊断。

GAAS80型焊机采用可控硅整流方式，实现对待焊钢轨端部直流闪光加热，主变压器功率大，钢轨端部闪光加热效果突出。该设备主要使用预热闪光焊工艺，主机如图4-18所示。K1000型固定式焊机采用交流闪光加热，体积小、重量轻。该设备采用连续闪光焊工艺焊接时，焊接效率高，采用脉动闪光焊工艺焊接时，焊接能耗小，加热区窄，钢轨损耗小。主机如图4-19所示。

图4-18　GAAS80型固定式钢轨直流闪光焊机结构图

1.轨腰夹紧装置；2.主电缆连接和控制电缆连接；3.机架；
4.电极高度调整；5.操作盘；6.液压控制；7.轨拱滚轮；8.整机走行装置；
9.变压器和整流器；10.支撑滚轮；11.电极；12.钢轨对中装置；13.电极；14.支撑滚轮；
15.推瘤装置；16.轨拱滚轮；17.顶锻装置/动架；18.轨腰夹持装置；19.悬挂装置

图4-19　K1000型固定式钢轨交流闪光焊机结构图

1.基座；2.焊接变压器；3.钳口；4.推瘤机构；5.推瘤缸；6.提升滚轮；7.外侧对中装置；
8.水平位移传动装置；9.钳口；10.液压缸；11.活塞；12.固定立柱；13.导柱；14.活塞；15.液压缸；
16.顶杆-活塞；17.夹紧缸；18.滑动立柱；19.连接器；20.钳口；21.支架；22.项锻缸；
23.电动液压放大器；24.防护板开合机构；25.钳口；26.导杆；27.垂直位移传动机构

2）工作原理。直流焊机和交流焊机工作原理基本一致，焊机动架和静架之间进行绝缘设置，进行钢轨焊接时，焊机静架夹持前端钢轨，动架夹持后端钢轨，并通过焊机对中装置将两待焊钢轨对中。启动焊接后，动架夹持后端钢轨向前送进，静架夹持前端钢轨不动作，两待焊钢轨接触瞬间产生拉弧闪光，动架的送进速度与钢轨的闪光速度匹配，保证闪光连续，对待焊钢轨端部进行加热。在闪光过程中，消耗了加热端面附近的氧气，形成气体保护，防止待焊钢轨端面氧化。根据工艺设置，闪光加热到一定程度，动架顶锻油缸动作，瞬间将已完成闪光加热的待焊钢轨端面挤压在一起，完成顶锻过程并保压。同时，推凸机构收拢，推凸刀环抱钢轨，推凸机构推出，将焊接顶锻过程产生的焊瘤推除，完成后推凸机构收回并松开夹持油缸，完成整个焊接过程。焊接分析管理系统对采集的压力、电流、位移等数据进行分析，对超出极限设定的参数进行报警，对出现报警的焊接接头在焊接工位进行锯切重焊。

作业后应达到的目标：①钢轨顶面、轨头侧面工作边、轨脚边缘的接头错边量应符合要求；②钢轨与焊机电极的接触部位没有产生电极灼伤；③自动完成了推凸作业，推凸过程没有使钢轨表面产生伤损；④焊接参数记录曲线正常（无报警）；⑤接头表面没有产生裂纹等缺陷。

（2）主要技术参数

钢轨闪光焊机主要技术参数对比见表4-3。

表4-3　钢轨闪光焊机主要技术参数表

续表

续表

（3）主要结构和系统组成

1）焊接工作装置，由以下5部分组成。

A.动架和静架。以GAAS80焊机为例，如图4-18所示，机架3为静架，变压器安装在静架左侧，顶锻装置17为动架，与顶锻油缸连接。顶锻过程中，顶锻油缸动作，通过动架与静架之间的滑道推动动架向前移动，将动架夹持钢轨与静架夹持钢轨挤压在一起。动架与静架之间电路通过汇流排连接，在动静架钢轨接触瞬间在钢轨端面产生闪光，动静架其他接触部位均进行绝缘。

B.作用边对中和起拱量调节装置。GAAS80型焊机一个突出的特点就是能够实现待焊钢轨的作用边对中方式，焊机动静架均设置有作用边对中机构，安装在焊机钳口附近，通过操作面板的操作，将两待焊钢轨夹持后，升降油缸动作，将对中机构放下，与钢轨接触，控制系统控制对中机构拉杆动作，对待焊钢轨轨头侧面施加作用力，将两待焊钢轨的作用边对齐，实现钢轨焊接的作用边对中方式。

图4-20　GAAS80焊机对中和起拱量调节装置示意图

1.起拱量调节旋钮；2.作用边对中调节拉杆；3.钢轨；4.升降油缸

钢轨焊接接头在焊接工位应进行起拱量调整和设定，避免出现低接头。GAAS80型焊机中，图4-18的轨拱滚轮7和16、支撑滚轮10和14、图4-20中的起拱量调节旋钮1等起到起拱量调整作用。通过调整支撑辊轮、轨拱滚轮的高度和调整螺栓下行程限位，达到调整辊道线钢轨轨拱高度的作用。旋转调整螺栓旋钮1调整起拱量，每旋转一个刻度标记调整0.10mm。

另外，GAAS80型焊机具备电极调节装置，如图4-18所示，通过转动电极高度调整4位置，能够调整电极高度。每次调整后使用标定程序和样轨对焊机进行标定，采集压力、电流、位移曲线，保证采集数据真实、可靠。

K1000型焊机的对中机构与GAAS80型焊接有所不同，静架和动架外侧均配有一组轨腰夹持装置，与上静架的挡渣板和动立柱的推瘤刀座构成对中装置，并在两侧增加了液压传动的外侧对中机构，通过两对轨腰导向定位轮，使钢轨的中心线与两副导电钳口的中心线保持在同一轴线上。挡渣板和推瘤刀座上有伸缩调节的螺栓，达到调整对中质量的作用。

C.夹持机构。GAAS80型焊机和K1000型焊机均为轨腰夹紧方式，以GAAS80型焊机为例，如图4-21所示，动架和静架各具有一套夹持机构，对两待焊钢轨进行夹紧作业。钢轨走行到位后，钢轨纵向位置检测信号传感器亮，通过操作面板按钮，控制系统指示夹持油缸1动作，夹持机构向中间收紧，将夹持块2压在钢轨轨腰表面，实现钢轨夹持作用。同时，在夹持块2的设计方面，应考虑防止顶锻过程中的夹持块与钢轨间打滑和夹伤钢轨。

图4-21　GAAS80焊机夹持机构示意图

1.夹持油缸；2.夹持块

D.推凸机构。GAAS80型焊机推凸机构包括推凸刀及其相关安装和动作机构，推凸刀由四个部分组成，分为顶刀、左腰刀、右腰刀、底刀，如图4-22所示。在焊接过程中，分开/合拢油缸2动作，将推凸机构与钢轨分开，成一定角度，并有一定距离，顶锻阶段完成后，推凸刀分开/合拢油缸2动作，推凸刀4合拢环贴钢轨表面，推凸油缸1动作，将推凸机构推出，铲除顶锻过程中在焊接接头部位挤压出的金属。推凸刀4安装在推凸刀座3上，成台阶式设计，推凸完成后，能将铲除的焊瘤分为4个部分，较容易从钢轨表面脱落收集。(www.xing528.com)

图4-22　GAAS80焊机推凸机构示意图

1.推凸油缸；2.分开/合拢油缸；3.推凸刀座；4.推凸刀

K1000型焊机推凸装置略有不同，分为2个部分，以钢轨纵断面中心线为界，分为左半部分和右半部分，在焊接过程中，推凸机构与钢轨有一定距离，并垂直，顶锻阶段完成后，推凸刀合拢油缸动作，推凸刀合拢环贴钢轨表面，推凸油缸动作，将推凸机构推出，铲除顶锻过程中在焊接接头部位挤压出的金属。

E.整机走行。焊机机械部分放置在钢轨走行基础上，走行油缸一端与焊机相连，一端与地面固定端相连，连接方式均为铰接，具有一定的自由度。当启动焊机走行按钮时，走行油缸动作，拉动或推动焊机在钢轨上沿着轨道走行。GAAS80和K1000型焊机的走行行程均不大于400mm。

2）电气及控制系统，由以下4个部分组成。

A.控制系统。GAAS80型焊机由SWEP20设定程序控制焊接过程，如图4-23所示，焊接变压器经过次级整流器后，向待焊钢轨两端输出直流电流，同时，通过电流传感器采集电流信号，将采集的电流信号反馈给SWEP20。根据参数设定，焊机前进和返回的压力通过液压系统比例阀控制，并由压力传感器检测压力信号，焊接位移信号由位移传感器采集，将压力值和位移值反馈给SWEP20，SWEP20将反馈压力和位移信号与参数设定值进行比较，控制压力值和位移值的偏离，达到精确控制的目的。在正常焊接过程中，焊机过程的压力、电流、位移等随时间的曲线均按照SWEP20设定的程序进行，通过焊接后的曲线可对焊接过程进行质量判定。

图4-23　GAAS80型焊机控制原理图

B.整流器。GAAS 80焊轨机为直流闪光焊接设备，通过设备的整流器将外部电网供给变压器的次级交流电转化成直流电，使用直流电对钢轨端部进行闪光加热。如图4-24所示，整流器使用六相次级电流整流系统，次级开路电压为6.3V，次级焊接电流为直流，最大电流为80kA，焊接电流完全分布在钢轨端面上。焊机中两组焊接变压器对称安装在钢轨上下位置，保证了整个钢轨截面的受热区域平行，加热均匀，每组焊接变压器包括3个可控硅、3个焊接变压器和6个整流器。

图4-24　GAAS80焊机整流器原理图

C.电极及汇流排。GAAS80焊机和K1000焊机的电极和汇流排基本类似，上下两侧各两块电极，共计四块，如图4-19中11和13所示，分别安装在动架和静架的上下两侧，通过汇流排连接在一起，给经过除锈的待焊钢轨供电。

D.控制单元。SWEP20是GAAS80型焊机的核心控制部分，包含焊接参数的设定、焊接动作执行等，控制原理如图4-25所示，每个SWEP20装置可存储25套完整的焊接程序，设备关机时数据将会被自动存储。SWEP20中一个焊接程序可以通过位移进行控制，最多分为10个步骤，一般使用其中的7～9个步骤。在预热闪光焊工艺中，通过程序设定把焊接过程分为找零点（第一步）、闪平（第二步）、预热（第三步，也可以分1～2个步骤完成）、连续闪光（第四、五步）、加速闪光（第六步）、顶锻（第七步）、保压（第八、九步）。焊接过程可以自由编程，每一步程序的焊接参数可以通过SWEP 06的按键进行编辑、输入、删除或者修改，也可以通过计算机的焊接控制软件进行编辑和调整。同时，SWEP20自带检测程序和标定程序，能够对设备进行检测，对压力、电流、位移传感器进行标定。在计算机中进行的焊接程序软件编辑可以通过Profile Studio系统，直接输入系统参数和焊接程序，并对重要的系统参数和焊接程序以数据文件的形式进行存储。

图4-25　GAAS80型焊机SWEP20控制原理图

K1000型焊机焊接过程由可编程序控制器控制，焊接电压由双向可控硅（晶闸管）控制，焊接参数的调整通过焊接程序中量值的改变实现，通过计算机键盘操作，在线（可编程序控制器和计算机通信）改变诸如电压、电流、时间、闪光速度等的实际数值或比例值。可编程序控制器控制程序的实时逻辑运算能够实现给定电压信号与实时采集的反馈电压信号的比较，再通过液压伺服阀实现焊机动立柱的送进，达到烧化速度与送进速度匹配，原理如图4-26所示。

图4-26　K1000型焊机控制系统原理图

3）焊接管理系统。GAAS80型焊机的Weld Analyzer系统能够将焊机采集的压力、电流、位移、时间等数据绘制焊接过程的相应曲线，如图4-27所示。在Weld Analyzer系统中通过Limit选项，能够设定过程参数报警极限值，所设的极限值以公差和图示方式显示出，对超出设定值的焊接过程进行报警提示。焊接过程结束后，Weld Analyzer系统能够保存完整的数据记录，包括焊接接头编号、日期和时间、焊接工厂、焊机、操作员姓名等信息，并能够保存焊接曲线。

图4-27　焊接分析系统显示的采集曲线图

K1000型焊机的焊接管理系统是专为程控闪光焊焊接生产而设计的管理系统，系统采集位移、电流、电压、压力等数据，绘制焊接过程参数曲线，如图4-27所示。焊接管理系统能够记录和保存每个接头参数的数据和曲线，包含焊接参数编号、焊接时间、焊接接头编号、操作员姓名、焊接工厂、焊机等，提供接头质量分析依据和质量信息的可追溯性。数据分析系统原理如图4-28所示。

图4-28　数据分析系统原理图

数据分析管理系统能够监控和记录焊接过程位移、时间、电流、电压、压力数据，在焊接完成后，根据设定数值能够自动进行焊接分析判定，同时具备历史关联数据查询功能（图4-29）。

图4-29　K1000型焊机脉动焊接曲线图

4）液压系统。焊接的液压系统由泵站、管路、液压集成块、液压阀、液压油缸等组成，K1000型焊接与GAAS80型焊机基本类似，都是用比例阀实现对系统压力的精确控制，动作执行油缸一般由顶锻油缸、夹持油缸、推凸刀合拢/分开油缸、推凸油缸、焊机走行油缸等组成，GAAS80型焊机还包括滚轮调整油缸、对中油缸、电极调整油缸、对中机构抬起/放下油缸、储能器等，油缸的动作均由3位四通的电磁阀控制，顶锻油缸、夹持油缸、推凸刀合拢/分开油缸、滚轮调整油缸、对中油缸、电极调整油缸等在油缸动作执行到位后，使用保压阀进行保压。另外，GAAS80型焊机在执行顶锻动作瞬间，储能器同时打开，达到瞬间增大顶锻压力，迅速将焊口合拢的目的，保证在顶锻瞬间两待焊钢轨端面不被氧化。

5）冷却系统。焊接的冷却系统分为内、外循环冷却，冷却水均使用软水。内循环冷却系统主要冷却变压器、电极等，安装在设备主机上，由水箱、水泵、管路、硬度检测和电导率检测等组成。外循环冷却系统主要冷却可控硅、晶闸管、液压油等，由水箱、水泵、管路、制冷机、风扇等组成，能够通过设定温度区间进行自动控制启动和停止。

6）除尘系统。设备在闪光焊接过程中会产生大量的烟和粉尘，因此，闪光焊设备一般配置除尘设备，收集焊接过程中产生的烟和粉尘。除尘设备吸尘口一般安装在焊机的顶部和上部侧面，风力不宜过大，过大会影响闪光焊过程中形成对焊接接头的保护环境，也不宜过小，过小则影响除尘效果，一般一台焊机配置的除尘设备风机功能为6 000m3/h，两台焊机配置的除尘设备风机功能不宜大于12 000m3/h，风机功能大小的选择应与工艺相匹配（图4-30）。

图4-30　闪光焊设备

4.2.1.2　两种焊接工艺方法对比

预热闪光焊和脉动闪光焊两种焊接工艺主要有以下4个方面的不同。

（1）加热方式

钢轨预热闪光焊机为直流焊机，经过整流后的次级回路有电压低、电流大的特点，预热主要为加热形式，通过加热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加热，因为短路电流较大，容易得到较宽的加热区宽度，形成较缓的温度场，经常调整的工艺参数是：预热电压、预热次数以及快闪时间等；而通过多次闪光爆破加热钢轨端面的脉动闪光焊机为交流焊机，交流电流脉动加热方式，其特点是闪光电流相对较小，闪光频次多，形成的温度场窄而陡。

（2）烧化过程控制方式

预热闪光焊机采用的预热闪光焊在烧化过程中可以通过闪光速度和闪光电流反馈约束同时进行的方式来控制闪光激烈程度，在设定电压的作用下，完全以闪光速度和闪光位移极限控制闪光电流的大小。

脉动闪光焊闪光过程和加速烧化过程，送进速度的是否变化除受参数设置的时间或者位移控制之外，还要遵循图4-31所阐述变化关系，即随着参数反馈电流，I1、I2、I3的设定而变化。具体变化规律是：

I≤I1时，焊机动架夹持该端钢轨以设定的送进速度vf前进。

I1＜I＜I2时，焊机动架减速前进；在I=I2焊机动架瞬间停止。

I2＜I≤I3时，焊机动架以设定的后退速度vr后退。

图4-31　脉动闪光焊闪光过程电流反馈模式示意图

整个过程中，反馈电流的设定值决定了闪光过程中电流过梁存在的时间和能达到的峰值电流值，从而在很大程度上决定了闪光过程的加热效果。

（3）顶锻控制方式

预热闪光焊机采用自由顶锻的控制方式，实际所得顶锻量的大小，受预热阶段的加热效果，以及顶锻过程的顶锻力、顶锻行程的综合影响，如果预热过程效果好，加热宽度较宽，顶锻量的波动则较大，上浮4～5 mm；脉动焊接工艺顶锻过程是受控顶锻方式，由于脉动焊机的顶锻压力是系统压力，数值固定而无法随时调整，通过预设顶锻量具体数值来取得好的顶锻效果，经过工艺试验确定合适的顶锻量经验值之后，实际顶锻量波动较小，上下波动1～2 mm。

（4）生产稳定性

预热闪光焊机为次级整流直流闪光焊机，直流焊机有电流输出稳定等特点，因此它最主要的特点是稳定性强，对不同钢厂的同一钢种，基本上可以采用同一参数进行焊接，在工艺试验过程中大大减少了工艺参数调试的时间、材料等成本；而采用脉动焊接工艺的交流焊接特点是：由于电流和电压方向的改变，电弧连续稳定燃烧的控制是个难点，脉动焊机为交流闪光焊机，电源电压经外带自耦变压器升压，再经过焊机内的焊接变压器降压后，直接将二次电压送到焊机导电钳口上，易受外网电压、钢轨母材成分变化、除锈质量影响。两类焊接工艺优化次数等比较见表4-4。

表4-4　两种焊接工艺方法生产稳定性对比