張銀龍 張 琨 王雪華 張保軍

1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢，4300632.上海一帶軌道焊接科技有限公司，上海，2001203.武漢利德測控技術(shù)股份有限公司，武漢，430070

0 引言

目前，我國鐵路軌道焊接設(shè)備仍在沿用20世紀(jì)80年代的技術(shù)，基本上采用烏克蘭和瑞士施拉特兩種類型的焊機(jī)，這兩種設(shè)備都是工頻焊接電源。

由于鋼軌的橫截面為非絕對對稱型材(軌頂部分面積約為2 784 mm2，軌底部分面積約為2 696 mm2)，故當(dāng)焊接進(jìn)入連續(xù)閃光階段時，軌底部分較軌頂已明顯過熔，當(dāng)閃光段段完成施以頂鍛力時，由于熔化程度的差異，軌頂已頂實，而軌底還無法頂實，軌底在數(shù)倍于軌頂散熱面積作用下迅速冷凝。由此，常見的焊接質(zhì)量缺陷往往都集中在軌底及軌腰底的三角區(qū)域。

同時，由于移動式交流電源特有的集膚效應(yīng)現(xiàn)象以及固定式三相次級整流非純直流特性，焊接穩(wěn)定性控制較難。

在國外，目前除了俄羅斯等部分國家仍在使用交流焊軌機(jī)外，歐美發(fā)達(dá)國家都已采用中頻逆變直流電源的移動焊軌機(jī)。歐美等國在2002年左右已全面停止了三相次級整流焊機(jī)的生產(chǎn)，以中頻逆變直流電源替代，并將中頻逆變直流移動式焊軌機(jī)改進(jìn)設(shè)計為固定式和移動式兩用的焊軌機(jī)。

我國在2002年引進(jìn)了中頻焊接技術(shù)，2004年開始應(yīng)用于各行業(yè)的焊接加工，如航空、航天、汽車工業(yè)、動車車廂等，該技術(shù)焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠、效果顯著。

1 中頻逆變直流技術(shù)

1.1 整流技術(shù)

中頻電源包括兩大部分：①各種功率的中頻變壓器；②與功率相匹配的中頻控制器。

中頻變壓器由三部分組成，即初級繞組、次級繞組及整流部分。冷卻形式為強(qiáng)迫內(nèi)冷。

在中頻控制器的輸入端接入480 V/60 Hz或380 V/50 Hz的三相交流電，經(jīng)過控制器的N次逆變(亦稱“倒相”)，在控制器的輸出端輸出一個650 V/1 000 Hz或500 V/1 000 Hz的中頻率交流電，該交流電接入中頻變壓器的初級輸入端。中頻變壓器的次級端產(chǎn)生一個頻率為1 000 Hz的低電壓交流電(如9.0 V、10.0 V、13.01 V等)，然后對該中頻率的交流電以單相全波整流的方式整流，最終在中頻變壓器輸出終端得到一個微微波動的焊接電流，其波形見圖1，控制原理見圖2。

圖1 中頻逆變電流波形圖Fig.1 Current waveform of IF inverter

圖2 中頻控制原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of if control principle

1.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

中頻逆變直流焊接的優(yōu)點如下[1-4]：

(1)焊接電流控制更精確，響應(yīng)速度快，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好。焊接電流密集均勻，熔透率高，受環(huán)境氣候影響較小。

(2)無明顯集膚效應(yīng)現(xiàn)象，鋼軌橫截面上電流密度分布均勻，落錘合格率明顯提高。

(3)焊接環(huán)境數(shù)據(jù)實時記錄，如環(huán)境溫度、空氣濕度、實時風(fēng)速、焊接參數(shù)等即時記錄，并可存檔備案。

(4)兼容非同牌號鋼軌焊接加工且工藝強(qiáng)度不變。

(5)移動式中頻焊軌機(jī)可在線以常規(guī)方式進(jìn)行鎖定軌焊接，無需移開工程車。

(6)具有“C”系數(shù)報警功能，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量凝點的焊頭可及時警報。

2 高鐵鋼軌中頻逆變直流焊機(jī)研發(fā)

國內(nèi)早期鐵路鋼軌焊接設(shè)備主要采用單用焊軌車，如圖3所示，以交流電源為主，流經(jīng)焊接接頭處的電流不均勻，容易在焊軌的結(jié)合面產(chǎn)生灰斑，導(dǎo)致落錘試驗中斷軌現(xiàn)象頗多，并且無規(guī)律可循。國外中頻逆變直流焊軌機(jī)多為移動形式，可滿足在線上作業(yè)需求，如圖4所示。

圖3 早期交流鐵路單用焊軌車Fig.3 Early single-use welded rail car for AC railway

圖4 公鐵兩用焊軌車Fig.4 Railroad dual-purpose welding rail car

我國高鐵建設(shè)周期緊湊，線路里程遠(yuǎn)大于國外，因此高鐵鋼軌的大量焊接作業(yè)是在焊軌基地完成的，即在基地焊接成500 m長鋼軌后再運輸至現(xiàn)場焊成無縫鋼軌。為了滿足我國高鐵的快速發(fā)展需求，不僅需要研發(fā)移動式中頻直流焊機(jī)，同樣也急需在固定式中頻直流焊接領(lǐng)域取得技術(shù)突破。

基于此，課題組立足國內(nèi)既有的固定式三相次級直流焊軌機(jī)，分析了存在的缺陷及漏洞，進(jìn)行了中頻逆變直流焊機(jī)的研發(fā)。其中，移動式中頻驗證焊軌機(jī)的研發(fā)于2015年底完成，工藝強(qiáng)度測試合格率100%；固定式中頻驗證焊軌機(jī)的研發(fā)于2017年7月完成，樣機(jī)模型見圖5。經(jīng)該焊機(jī)焊接的高鐵鋼軌，工藝強(qiáng)度測試合格率100%，多為二錘不斷。

圖5 自主研發(fā)的固定式中頻逆變直流閃光焊軌機(jī)Fig.5 Self-developed fixed MF inverter DC flash welding machine

2.1 焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

(1)動架和靜架。機(jī)架為靜架，變壓器安裝在靜架左側(cè)，頂鍛裝置為動架，與頂鍛油缸連接。頂鍛過程中，頂鍛油缸動作，通過動架與靜架之間的滑道推動動架向前移動，將動架夾持鋼軌與靜架夾持鋼軌擠壓在一起。動架與靜架之間電路通過匯流排連接，動靜架鋼軌接觸瞬間在鋼軌端面產(chǎn)生焊接閃光，動靜架其他接觸部位均進(jìn)行絕緣。

(2)作用邊對中和起拱量調(diào)節(jié)裝置。焊機(jī)動靜架均設(shè)置有作用邊對中機(jī)構(gòu)，安裝在焊機(jī)鉗口附近。通過操作面板的操作，將兩待焊鋼軌夾持后，升降油缸動作，將對中機(jī)構(gòu)放下，與鋼軌接觸，控制系統(tǒng)控制對中機(jī)構(gòu)拉桿動作，對待焊鋼軌軌頭側(cè)面施加作用力，將兩待焊鋼軌的作用邊對齊，實現(xiàn)鋼軌焊接的作用邊對中。

(3)夾持機(jī)構(gòu)。焊機(jī)夾持采用軌腰夾緊方式。鋼軌走行到位后，鋼軌縱向位置檢測信號傳感器顯示燈亮，通過操作面板按鈕，控制系統(tǒng)指示夾持油缸動作，夾持機(jī)構(gòu)向中間收緊，將夾持塊壓在鋼軌軌腰表面，實現(xiàn)鋼軌的夾持。在設(shè)計夾持塊時，考慮了頂鍛過程中夾持塊與鋼軌間打滑和夾傷鋼軌的問題。

(4)推凸機(jī)構(gòu)。推凸機(jī)構(gòu)包括推凸刀及其相關(guān)安裝和動作機(jī)構(gòu)，推凸刀由4個部分組成，分為頂?shù)?、左腰刀、右腰刀、底刀。在焊接過程中，分開/合攏油缸動作，將推凸機(jī)構(gòu)與鋼軌分開成一定角度，并保持一定距離；頂鍛階段完成后，推凸刀分開/合攏油缸動作，推凸刀合攏環(huán)貼鋼軌表面，推凸油缸動作，將推凸機(jī)構(gòu)推出，鏟除頂鍛過程中在焊接接頭部位擠壓出的金屬。

2.2 焊機(jī)中頻變壓器

中頻變壓器是中頻逆變直流焊機(jī)的核心部件，該項技術(shù)長期被國外掌控。本文團(tuán)隊經(jīng)過多年創(chuàng)新研發(fā)，于2016年完成的產(chǎn)品樣機(jī)模型如圖6所示。該樣機(jī)性能測試結(jié)果不亞于美國ROMAN公司產(chǎn)品的性能，部分指標(biāo)已超越國外先進(jìn)水平，如焊機(jī)的中頻變壓器采用的硅鋼片厚度為0.15 mm，輸出電流更穩(wěn)，響應(yīng)速度優(yōu)于ROMAN公司、BOSCH公司產(chǎn)品的響應(yīng)速度(中頻硅鋼片厚度為0.2 mm)。

圖6 國產(chǎn)化的中頻變壓器Fig.6 Domestic intermediate frequency transformer

大功率中頻控制器的研發(fā)于2017年8月完成，如圖7所示，其工作原理如圖8所示，研發(fā)的產(chǎn)品部分指標(biāo)優(yōu)于國外先進(jìn)產(chǎn)品。

圖7 國產(chǎn)化的中頻控制器Fig.7 Domestic IF controller

圖8 國產(chǎn)化的中頻控制器工作過程示意圖Fig.8 Working process diagram of domestic IF controller

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

對于控制系統(tǒng)的設(shè)計，在保留原控制方式的前提下，增加了全程焊接次級電流實測及顯示功能，功能模塊顯示界面見圖9，其測量點為被焊鋼軌。

圖9 次級電流實測界面(工件實測)Fig.9 Interface of secondary current measurement

焊接過程中除了電流因素之外，還有許多因素是不可忽略的，如焊接加工時環(huán)境溫度變化、空氣濕度的大小、焊加工過程中的供電網(wǎng)波動和焊接過程中次級電流分流變化等。這些因素都會明顯影響焊縫強(qiáng)度。

為了得到更加真實、準(zhǔn)確的結(jié)果，本文研發(fā)的焊機(jī)具備焊接環(huán)境條件、工藝參數(shù)即時記錄和存檔的功能。

3 試驗結(jié)果分析

為了檢驗產(chǎn)品的可靠性，對該設(shè)備焊接后的鋼軌進(jìn)行了試驗分析，并強(qiáng)制斷開鋼軌焊縫，測量了相關(guān)性能參數(shù)，試驗樣品見圖10。

圖10 鋼軌焊縫強(qiáng)制斷開后的斷面圖片(未作正火處理，5.2m三錘未斷)Fig.10 Cross-section picture of rail weld after forced disconnection(no normalizing treatment, 5.2m triple hammer not broken)

從圖10中可以觀察出，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、常積聚缺陷區(qū)的灰斑和裂紋基本消除。

對焊接加工的鋼軌U71MN進(jìn)行落錘檢測，15對鋼軌一次全部合格，合格率達(dá)100%。

試驗表明，本文研發(fā)的中頻逆變直流焊機(jī)具有以下特點：

(1)5.2 m的一錘合格率為100%，多為二錘不斷。

(2)在冷卻系統(tǒng)出水溫度高于攝氏零度的前提下，可正常進(jìn)行焊接加工工作。

(3)軌頂側(cè)對齊后，軌底錯位量允許值小于等于1.5 mm。

(4)軌頂面對齊后，軌底落差值允許小于等于0.6 mm。

(5)焊接后的鋼軌焊縫無下沉現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文研發(fā)的中頻逆變直流焊軌機(jī)中的中頻變壓器和中頻逆變控制器均已完全國產(chǎn)化，性能持平國外先進(jìn)產(chǎn)品，部分指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，焊軌機(jī)具備以下特點：

(1)焊接電流密集，受工作環(huán)境氣候的影響較小。

(2)無明顯的集膚效應(yīng)，鋼軌橫截面上電流密度分布均勻，落錘合格率顯著提高。

(3)焊接過程可控，精度高。

(4)工作效率高，每件接頭焊接時間不大于170 s。