（山東奧太電氣有限公司，山東 濟南 251400）

0 前言

隨著鐵路的高速發(fā)展，對軌道線路的要求日益提升，使得鋼軌的重型化、強韌化、高平順性、高焊接性等要求越來越高。無縫線路具有高可靠性、高穩(wěn)定性等顯著優(yōu)點，是高速重載軌道結構的重要部件。鋼軌焊接是實現線路無縫化最基本的工作，也是影響無縫線路運行狀態(tài)的重點與難點[1]。

目前，無縫鋼軌的焊接主要采用閃光對焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊，閃光焊占據主導地位，其焊接質量好、效率高，但在斷軌修復、跨區(qū)間無線道路岔聯(lián)焊等方面，因其設備過大以及外部環(huán)境不允許而難以應用。目前較為普遍的解決方案為采用鋁熱焊。鋁熱焊設備簡單，操作方便，無需使用電源，并且沒有頂鍛過程，占用時間短，可用于閃光焊難以適應的場合。但是，鋁熱焊焊縫為鑄態(tài)組織，強度較低，且接頭質量難以保證，斷頭率高，是無縫線路中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

鋼軌窄間隙氣體保護焊是采用焊絲與鋼軌端面產生的電弧熱熔化鋼軌和填充接頭間隙，并利用陶瓷襯墊和水冷銅塊強制成型，冷卻凝固后形成焊接接頭。通過采用合適的焊絲，焊接接頭能獲得性能優(yōu)異的貝氏體組織，綜合性能可達到母材水平，抗拉強度和耐磨性能等甚至可能超過母材。氣保焊設備簡單靈活，焊接過程中沒有頂鍛過程，但目前自動化程度有限，對焊接工藝、焊接技術水平要求嚴格，焊接質量受外界影響因素較大[2]。

1 鋼軌窄間隙氣保護自動化焊接方法

1.1 可行性試驗

由于鋼軌間隙較小，無法使用焊槍自帶的保護氣氣路，因此需要使用空腔包裹軌縫，采用外部供氣方式進行焊接。對此種焊接方式進行可行性試驗，試驗裝置如圖1所示。

圖1 可行性試驗

空腔內的供氣流量為50 L/min，頂部不密封。初步試驗是在空腔內放置一鋼板并在其表面進行堆焊，空腔內單層堆焊效果如圖2所示，空腔內多層堆焊效果如圖3所示。試驗成功后在空腔內放置模仿軌縫的工件進行焊縫試驗，工件內部縫隙長89 mm、寬20 mm、深50 mm。焊接完成后從兩端和中間切割，然后由外向內每間隔1mm做一次滲透檢測，共5次，滲透檢測結果如圖4所示，兩端向內2 mm處存在熔合不良，內部焊縫熔合良好。

1.2 鋼軌窄間隙機器人焊接系統(tǒng)

鋼軌窄間隙機器人焊接系統(tǒng)是由FANUC公司的LR Mate 200iD/7C型機器人、機器人控制柜、山東奧太焊接電源、機器人專用窄間隙焊槍、防碰撞傳感器、激光定位器、焊接小車等組成。焊接電源、機器人控制柜、發(fā)電機、氣瓶等均集成在運輸車輛上。

圖2 空腔內單層焊接

圖3 空腔內多層堆焊

圖4 模擬軌縫工件滲透檢測

焊接前，將待焊工件焊縫及兩側20 mm范圍內清理干凈，至露出金屬光澤。然后將焊接小車搬運至鋼軌上，通過激光定位器對小車進行定位并夾緊，然后由機器人自動施焊。系統(tǒng)三維示意如圖5所示，焊接過程示意如圖6所示。

試驗采用75 kg/m鋼軌2段，每段鋼軌長度為500 mm，鋼軌高度192 mm，軌底長度150 mm。焊接試驗裝置如圖7所示，軌底采用陶瓷襯墊+鋼板的方式強制成型，在襯墊與鐵軌間放置厚度3 mm的碳鋼板，以免陶瓷過熱發(fā)生爆裂。軌腰及軌頭先后采用一次性鋼制成型塊、水冷銅塊、異形陶瓷襯墊進行強制成型，最終采用陶瓷襯墊+外部水冷銅塊的方式作為軌腰及軌頭的強制成型方式。這是因為一方面陶瓷襯墊成本低，另一方面水冷銅塊可以加快軌腰及軌頭的散熱，避免熱量積攢過多影響焊縫性能。焊接完成后軌頭、軌底成型及陶瓷襯墊如圖8所示。結果表明，此方法經試驗可以滿足成型要求，但由于試驗鋼軌較短，焊接過程中鋼軌變形嚴重，采取措施：一方面增加了反變形裝置，另一方面使軌頭縫隙寬度大于軌底寬度4 mm進行補償。

圖5 自動化焊接系統(tǒng)三維示意

圖6 自動化焊接過程

焊接軌跡如圖9所示，以軌縫中心線為焊槍中心行走基準，并在焊槍行走過程中以焊槍為中心進行幅度120°的擺動，使軌縫左右熔合良好。焊接過程采用分層控制，即將鋼軌焊接過程分成40層焊縫進行焊接，每層高度5 mm，軌底留有約3 mm的焊接余量，軌頭留有約5 mm的焊接余量，通過焊接電源與焊接機器人內部的弧壓反饋機制實時調整焊接位置，以保證焊接高度和電弧長度穩(wěn)定，進而精確控制焊接過程。整體焊接時間約為30 min。

圖7 自動化焊接試驗裝置

圖8 焊接完成后軌頭、軌底成型及陶瓷襯墊

2 結論

通過集成自動化焊接機器人、自動工裝和外部供氣系統(tǒng)等設備，研發(fā)出的鋼軌窄間隙氣保護自動焊接系統(tǒng)能夠對焊縫成形和焊接過程有較好的控制，焊接過程中無人工干預，采用弧壓反饋機制實時調整焊接位置，提高焊縫成形的一致性。為保證焊接接頭質量，應通過試驗制定合理的焊接工藝和焊接規(guī)范。焊接接頭的力學性能等指標需要進一步試驗驗證，并應根據結果對自動化過程進行相應的調整。

圖9 焊接軌跡

鋼軌窄間隙氣保護自動化焊接系統(tǒng)在鋼軌修復及鋼軌原位焊接具有較大的應用前景，應對此焊接系統(tǒng)進行進一步研究和推廣。