高铁轨道闪光焊工艺参数对焊接质量影响研究(附件)【字数：17794】
随着我国高速铁路的快速发展，尤其是无缝线路越来越多的运用，列车运行速度的不断提升和对安全舒适的更高追求，对钢轨焊接技术提出了更高的要求。闪光对焊是国内钢轨焊接的发展方向，影响钢轨焊接接头质量的因素众多，是需要我们解决的关键问题。本文针对闪光对焊在高铁轨道方面的应用，通过探讨闪光焊不同工艺参数对钢轨焊接质量的影响，寻求可以满足钢轨性能指标的工艺参数的最佳组合。本文以U75V钢轨钢为试验材料，YHG-1200TH型移动式钢轨闪光焊机为试验设备，选取闪光对焊的焊接时间、焊接电压、焊接电流、顶锻量、顶锻速度等重要参数为变量，研究消除钢轨焊缝中的缺陷(灰斑等)的最佳焊接工艺参数组合。本文有以下结论灰斑是闪光加热阶段产生的硅酸盐夹杂，当烧化阶段和顶锻阶段的工艺不当，遗留并聚集在焊缝处形成的。所以这两个阶段工艺参数的选择是影响钢轨焊接质量的关键。关键词钢轨；闪光对焊；工艺参数；焊接质量
目录
第一章 绪论 1
1.1 高铁轨道闪光焊背景及研究目的 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.2.1 国内外研究现状 2
1.2.2 研究中存在的问题 3
1.3 钢轨闪光焊的前景及发展趋势 4
1.3.1 焊接质量的自动化控制 4
1.3.2 闪光焊机的国产化 5
1.3.3 神经网络在焊接领域的应用 5
1.3.4 电磁场作用闪光焊技术的研究 5
1.4 课题的研究目的及内容 6
1.4.1 课题研究目的 6
1.4.2 课题研究内容 6
第二章 钢轨闪光焊工艺参数的选择设计 7
2.1 引言 7
2.2 试验材料及设备 7
2.2.1 U75V钢轨 7
2.2.2 闪光焊机 8
2.3 闪光焊 10
2.3.1 闪光焊原理及特点 10
2.3.2 闪光焊各阶段介绍 11
2.4 闪光焊准备及预热阶段工艺参数选择设计 12
2.5 闪光焊闪光阶段工艺参数选择设计 12
2.5.1 闪光留量及闪光速度的选择 12
2.5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
闪光电流密度(二次空载电压)的选择 13
2.6 闪光焊顶锻阶段工艺参数选择设计 13
2.6.1 顶锻留量和顶锻力的选择 13
2.6.2 顶锻速度的选择 14
2.6.3 带电顶锻时间的选择 15
2.7 本章小结 15
第三章 钢轨闪光焊接头质量检测试验 17
3.1 引言 17
3.2 焊轨接头性能检验方法 17
3.3 焊缝金相分析 18
3.4 焊缝硬度检测 21
3.4.1 维氏硬度检测原理 21
3.4.2 焊缝硬度试验 22
3.5 焊缝超声波探伤 23
3.5.1 超声波探伤介绍 23
3.5.2 钢轨焊缝超声波探伤试验 24
3.6 灰斑及落锤试验 26
3.6.1 灰斑介绍 26
3.6.2 钢轨落锤试验 26
3.7 本章小结 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 高铁轨道闪光焊背景及研究目的
无缝线路是铁路轨道现代化建设的重要内容，钢轨焊接是铺设无缝线路的关键[13]。现在无缝线路在我国的运用越来越多，随着列车运行速度越来越快，对钢轨焊接接头的质量要求也越来越高。我国铁路正在向高速重载方面快速发展，而提高焊接质量，减小接头灰斑面积，保证铁路运输的安全是高铁发展急需解决的关键问题，已引起铁路建设者的高度关注。下图11为08年以来高铁轨道的发展。
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图11 2008年以来高铁营运里程的变化发展
钢轨焊接方式通常包括闪光对焊、气压焊、铝热焊和电弧焊四种[4]。闪光对焊具有焊接质量良好、力学性能接近钢轨母材、便于自动控制等优点，是钢轨焊接中应用最广泛的焊接方法[5]。闪光对焊接头在我国焊接接头总量中占有很大比例，是国内钢轨焊接的发展方向[6]。钢轨闪光对焊接头的形成是极其复杂、多参数耦合的非线性过程，接头处易产生孔穴、裂纹、未熔合、固体夹杂、形状和尺寸不符合等焊接缺陷。影响钢轨焊接接头质量的因素有很多，尤其是焊接参数中部分控制量的差异会极大的影响焊接质量，因此，如何选择一个合理的焊接工艺参数便成为我们克服的一项难题。
我国铁路无缝线路钢轨的焊接分为厂焊和现场焊。现场焊接质量难以控制，例如铝热焊或气压焊。随着快速发展的高铁建设，焊接质量稳定、自动化程度高的移动式钢轨闪光焊发展迅猛，应用范围越来越广。先进的设备及完善的工艺是确保闪光焊接头质量的关键。
YHG1200TH型移动式钢轨闪光焊机是我国自主研发的最新焊轨设备[7]，适用于CHN43、50、60、75及UIC等轨型焊接，焊机可实现连续和脉动闪光焊接工艺。但因为针对焊接参数对灰斑形成和接头质量影响以及实际焊接工况的综合影响规律的研究目前还不够深入，YHG1200TH型焊机在焊接过程中不论如何选择焊接工艺，都不能完全消除焊接缺陷。这些未能及时消除的缺陷，不仅会降低焊接接头的使用寿命，而且会给铁路运输带来不可预测的安全隐患。因此如何评判及保证闪光对焊接头质量对于确保铁路运行安全具有意义重大。钢轨焊接接头质量的检测方法主要是超声波探伤和X射线检测，但采用这些方法均不能有效地检测出灰斑等缺陷[89]。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 国内外研究现状
19世纪80年代以来，在焊接质量的预测及其控制方面，国内外学者已经有了许多研究，取得了一定的成绩。80年代至90年代初专家学者着重研究电弧传感器，主要进行质量信息的建模与检测，此后将视觉传感器、电弧传感器与新的控制方法联合起来，使得焊接质量的实时预测与控制得到了快速发展[10]。在一些发达国家的制造业中，对焊接质量进行在线监测已运用于焊接生产线上，并将焊接质量的可检测记录列入到国家标准中[1112]。
目前，钢轨闪光对焊焊接质量主要从以下三个方面加以保证[13]：(1)通过焊接工艺参数的优化设计，得到最佳的工艺参数组合，使焊接过程稳定从而保证钢轨焊接质量。根据有限元分析方法，意大利学者Galantacci，L.M建立了钢轨闪光对焊模型，模拟焊接材料、热量输入、预热时间以及焊接过程中不同的工艺参数对接头质量的影响，然后通过计算机预测和分析了每个工艺参数对接头质量的影响[14]。文献利[15]用正交试验法设计了焊接工艺试验，通过分析试验结果获得了U71Mn钢轨焊接过程中工艺参数的最佳组合。(2)在焊接过程中引入计算机和PLC等技术，实现焊接过程的实时跟踪和精确控制。由于传感测试技术和电脑控制技术的快速发展，闪光对焊参数检测、过程控制及质量评判方法逐渐完善[1617]。目前，美国和法国已经研发出了钢轨焊接配套检测系统，该系统能够检测并记录钢轨焊接接头质量[1819]。(3)检测钢轨接头质量的另一种方式是无损检测方法，通常使用超声波探伤、X射线探伤等方式来评判焊接接头质量。针对常用焊接方法，文献[20]指出日本采用双探头超声波探伤方法检测其接头质量，结果表明，该方法能够较好地评估钢轨焊接质量。
目录
第一章 绪论 1
1.1 高铁轨道闪光焊背景及研究目的 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.2.1 国内外研究现状 2
1.2.2 研究中存在的问题 3
1.3 钢轨闪光焊的前景及发展趋势 4
1.3.1 焊接质量的自动化控制 4
1.3.2 闪光焊机的国产化 5
1.3.3 神经网络在焊接领域的应用 5
1.3.4 电磁场作用闪光焊技术的研究 5
1.4 课题的研究目的及内容 6
1.4.1 课题研究目的 6
1.4.2 课题研究内容 6
第二章 钢轨闪光焊工艺参数的选择设计 7
2.1 引言 7
2.2 试验材料及设备 7
2.2.1 U75V钢轨 7
2.2.2 闪光焊机 8
2.3 闪光焊 10
2.3.1 闪光焊原理及特点 10
2.3.2 闪光焊各阶段介绍 11
2.4 闪光焊准备及预热阶段工艺参数选择设计 12
2.5 闪光焊闪光阶段工艺参数选择设计 12
2.5.1 闪光留量及闪光速度的选择 12
2.5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
闪光电流密度(二次空载电压)的选择 13
2.6 闪光焊顶锻阶段工艺参数选择设计 13
2.6.1 顶锻留量和顶锻力的选择 13
2.6.2 顶锻速度的选择 14
2.6.3 带电顶锻时间的选择 15
2.7 本章小结 15
第三章 钢轨闪光焊接头质量检测试验 17
3.1 引言 17
3.2 焊轨接头性能检验方法 17
3.3 焊缝金相分析 18
3.4 焊缝硬度检测 21
3.4.1 维氏硬度检测原理 21
3.4.2 焊缝硬度试验 22
3.5 焊缝超声波探伤 23
3.5.1 超声波探伤介绍 23
3.5.2 钢轨焊缝超声波探伤试验 24
3.6 灰斑及落锤试验 26
3.6.1 灰斑介绍 26
3.6.2 钢轨落锤试验 26
3.7 本章小结 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 高铁轨道闪光焊背景及研究目的
无缝线路是铁路轨道现代化建设的重要内容，钢轨焊接是铺设无缝线路的关键[13]。现在无缝线路在我国的运用越来越多，随着列车运行速度越来越快，对钢轨焊接接头的质量要求也越来越高。我国铁路正在向高速重载方面快速发展，而提高焊接质量，减小接头灰斑面积，保证铁路运输的安全是高铁发展急需解决的关键问题，已引起铁路建设者的高度关注。下图11为08年以来高铁轨道的发展。
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图11 2008年以来高铁营运里程的变化发展
钢轨焊接方式通常包括闪光对焊、气压焊、铝热焊和电弧焊四种[4]。闪光对焊具有焊接质量良好、力学性能接近钢轨母材、便于自动控制等优点，是钢轨焊接中应用最广泛的焊接方法[5]。闪光对焊接头在我国焊接接头总量中占有很大比例，是国内钢轨焊接的发展方向[6]。钢轨闪光对焊接头的形成是极其复杂、多参数耦合的非线性过程，接头处易产生孔穴、裂纹、未熔合、固体夹杂、形状和尺寸不符合等焊接缺陷。影响钢轨焊接接头质量的因素有很多，尤其是焊接参数中部分控制量的差异会极大的影响焊接质量，因此，如何选择一个合理的焊接工艺参数便成为我们克服的一项难题。
我国铁路无缝线路钢轨的焊接分为厂焊和现场焊。现场焊接质量难以控制，例如铝热焊或气压焊。随着快速发展的高铁建设，焊接质量稳定、自动化程度高的移动式钢轨闪光焊发展迅猛，应用范围越来越广。先进的设备及完善的工艺是确保闪光焊接头质量的关键。
YHG1200TH型移动式钢轨闪光焊机是我国自主研发的最新焊轨设备[7]，适用于CHN43、50、60、75及UIC等轨型焊接，焊机可实现连续和脉动闪光焊接工艺。但因为针对焊接参数对灰斑形成和接头质量影响以及实际焊接工况的综合影响规律的研究目前还不够深入，YHG1200TH型焊机在焊接过程中不论如何选择焊接工艺，都不能完全消除焊接缺陷。这些未能及时消除的缺陷，不仅会降低焊接接头的使用寿命，而且会给铁路运输带来不可预测的安全隐患。因此如何评判及保证闪光对焊接头质量对于确保铁路运行安全具有意义重大。钢轨焊接接头质量的检测方法主要是超声波探伤和X射线检测，但采用这些方法均不能有效地检测出灰斑等缺陷[89]。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 国内外研究现状
19世纪80年代以来，在焊接质量的预测及其控制方面，国内外学者已经有了许多研究，取得了一定的成绩。80年代至90年代初专家学者着重研究电弧传感器，主要进行质量信息的建模与检测，此后将视觉传感器、电弧传感器与新的控制方法联合起来，使得焊接质量的实时预测与控制得到了快速发展[10]。在一些发达国家的制造业中，对焊接质量进行在线监测已运用于焊接生产线上，并将焊接质量的可检测记录列入到国家标准中[1112]。
目前，钢轨闪光对焊焊接质量主要从以下三个方面加以保证[13]：(1)通过焊接工艺参数的优化设计，得到最佳的工艺参数组合，使焊接过程稳定从而保证钢轨焊接质量。根据有限元分析方法，意大利学者Galantacci，L.M建立了钢轨闪光对焊模型，模拟焊接材料、热量输入、预热时间以及焊接过程中不同的工艺参数对接头质量的影响，然后通过计算机预测和分析了每个工艺参数对接头质量的影响[14]。文献利[15]用正交试验法设计了焊接工艺试验，通过分析试验结果获得了U71Mn钢轨焊接过程中工艺参数的最佳组合。(2)在焊接过程中引入计算机和PLC等技术，实现焊接过程的实时跟踪和精确控制。由于传感测试技术和电脑控制技术的快速发展，闪光对焊参数检测、过程控制及质量评判方法逐渐完善[1617]。目前，美国和法国已经研发出了钢轨焊接配套检测系统，该系统能够检测并记录钢轨焊接接头质量[1819]。(3)检测钢轨接头质量的另一种方式是无损检测方法，通常使用超声波探伤、X射线探伤等方式来评判焊接接头质量。针对常用焊接方法，文献[20]指出日本采用双探头超声波探伤方法检测其接头质量，结果表明，该方法能够较好地评估钢轨焊接质量。
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