钢轨铝热焊预热控制系统的研究与应用

铝热焊接焊前预热作为铝热焊的一个重要环节，其作用是消除模具中残余湿气以及提高模具和钢轨的温度。预热过程直接影响铝热焊焊接接头的质量[1-2]。铝热焊的预热主要受到轨缝大小、预热时间、预热温度等多方面因素影响。

文献[3]总结出当焊接与预热条件相同时，焊接轨缝宽度为24～30 mm时，焊接质量最好；文献[4]总结出当预热时间为2.5～5.5 min，预热时间对焊缝处的化学成分几乎没有影响，显微组织变化也不大，均为珠光体和铁素体两相组织。关于铝热焊预热温度的的范围，文献[5]指出在预热过程中要密切关注钢轨状态，尤其是轨腰位置，预热完成时轨腰温度应为950～1 000 ℃，颜色呈亮黄色。

铝热焊预热采用的是氧气-丙烷燃烧火焰加热，多年来主要通过对预热气体的压力调节来控制加热火焰的状态。缺点是现场需要经验丰富的操作人员进行调节，不同焊接操作人员对预热气体压力的控制存在较大不同，且预热过程中需不断调节预热喷枪的开关状态，使铝热焊焊接接头质量受人为因素影响较大。

为了降低铝热焊预热过程中人为因素对焊接接头质量的影响，本文设计了一种基于PLC(Programmable Logic Controlle，简称PLC)控制器的预热控制系统对铝热焊预热过程进行控制。

1 预热控制系统

1.1 预热控制系统简介

该预热控制系统主要由质量流量控制器(流量计)、下位机PLC和上位机(触摸屏)组成。其工作原理是：下位机PLC根据上位机指令对质量流量控制器发出命令，质量流量控制器根据指令做出相应调节，调节完成后PLC将质量流量控制器调节后的数据实时反馈至上位机，实现闭环控制。系统从发出指令到调节完成并将数据反馈至上位机的整个过程，响应时间仅2 s。图1为该预热控制系统控制原理示意。

图1 预热控制系统控制原理示意

该系统对预热气体的流量进行监测控制，优点是可实时监测、控制钢轨铝热焊预热过程中气体的流量参数；充分量化预热过程中的预热参数指标，便于现场操作；具有低压报警装置，当预热气体压力低于预设压力值时，低压警报装置自动鸣响；具有USB数据传输端口，可实时记录流量传输数据。图2为该预热控制系统的结构示意。

1-氧气入口; 2-低压报警器; 3-丙烷入口; 4-USB插口; 5-电源插口; 6-丙烷出口; 7-流量阀门; 8-氧气出口; 9-触摸屏
图2 预热控制系统结构示意

1.2 预热控制系统的应用

该预热控制系统于2017年6月应用在高原地区槽型钢轨铝热焊接试验(德令哈有轨电车项目)中。参考文献[6]对钢轨铝热焊轨缝宽度、预热喷枪高度、预热时间的研究，为减少自变量个数，缩短预热系统调节时间，方便焊接人员操作，提高铝热焊接效率，在对槽型钢轨铝热焊接调试过程中将预热喷枪高度调节至50 mm，轨缝大小为28～30 mm，预热时间拟定为270 s。试验所用钢轨为59R2槽型轨，材质为U75V。利用预热控制系统对预热气体流量进行调试。预热调试方案如图3所示，预热调试方案参数及结果见表1。

图3 预热调试方案

表1 预热调试方案参数及结果

方案编号喷枪高度/mm轨缝宽度/mm流量/(L/min)上部下部氧气丙烷预热时间/s预热结果111535270欠预热212035270轨头欠预热312040270轨头欠预热450302812540270预热均匀512545270预热均匀613045270轨底角过预热713550270轨头过预热

调试过程采用控制变量法，分别对预热气体氧气和丙烷进行调节，当钢轨轨头欠预热时，增大丙烷流量；当钢轨轨底欠预热时，增大氧气流量。由图3(a)可看到钢轨轨头、轨底角均呈现黑色，为欠预热，因此增大预热气体流量；由图3(b)、图3(c)可看出钢轨轨头呈现黑色，为欠预热，增大丙烷流量；图3(d)、图3(e) 中整个钢轨横断面呈现亮红色至亮黄色，为理想预热状态。为了确定预热气体的流量参数范围，继续增大气体流量，由图3(f)可看到钢轨轨底角区域呈融化趋势，为过预热现象；图3(g)中可看到钢轨轨头部分区域呈熔化趋势，为过预热趋势。根据预热调试过程中各气体流量参数与相应钢轨预热状态的结果对比分析，最终确定当氧气流量为125 L/min，丙烷流量为40～45 L/min时预热效果最佳，如图3(d)、图3(e)所示。

2 型式检验

2.1 型式检验焊接试验

2017年6月22日至26日，在德令哈有轨电车T2试验段场地，应用该预热系统在已调试好的预热参数下进行钢轨铝热焊现场焊接，焊接采用ZTK-Ⅰ槽型轨砂型和焊剂[7]。试验所用钢轨型号为59R2，材质为U75V，共计17根。焊接参数见表2。

表2 铝热焊型式检验接头焊接参数

日期温度/℃流量/(L/min)气温轨温氧气丙烷预热时间/s反应时间/s平静时间/s备注6月22日183012444.227010121193212441.927010112213812441.9270101136月23日182812441.827014124183012441.82708105203712441.827010126142012441.830010976月24日142012441.830010118162012444.228510109193312441.82701011106月25日183512441.7270101011142012441.8300101112142012441.7300101813142012441.83101010146月26日142012441.8300101215162212441.7300101816162212441.8310101017

其中，轨缝宽度均为上部30 mm，下部28 mm。预热喷枪高度为50 mm。实际焊接过程中由于天气、温度的影响可适当将预热时间延长10～40 s。浇注后5 min 拆除卡具，8 min 30 s推瘤，并进行热打磨和冷打磨，观察焊接接头外观质量，并进行超声波探伤。在此预热参数下所焊接试件平直度和表面质量符合标准规定，试件进行超声波探伤未发现超标缺陷。

依据《城市轨道用槽型钢轨铝热焊接质量检验标准》(CECS 430:2016)[8]进行59R2槽型钢轨铝热焊接头的性能检验。检验项目有静弯、断口、疲劳、硬度、拉伸和金相组织检验，所用到的主要设备主要有：YAW-3000J钢轨静弯压力试验机、液压脉动疲劳试验机、CMT5305电子万能试验机、布氏硬度计、洛氏硬度计、莱卡金相显微镜。

2.2 静弯试验

静弯试验的支距为1.0 m，焊缝居中，焊缝中心承受集中载荷，接头加载直至断裂。共测试10根钢轨接头，其中8根轨头受压，2根轨头受拉。试验结果见表3。

表3 焊接接头静弯试验结果

试样编号受力状态试验结果F/kNfmax/mm1689-011403181689-02轨头受压1216111689-031522191689-041283141689-05轨头受拉1363211689-061335161689-07轨头受压1399191689-081426171689-091340161689-10轨头受拉121713

用肉眼和放大镜对断口形貌进行观察，未发现超标缺陷。CECS 430：2016要求，静弯试验中轨头受压时静弯值F≥1 100 kN，挠度fmax≥10 mm;轨头受拉时静弯值F≥1 000 kN，挠度fmax≥10 mm。试验结果满足标准要求。

2.3 疲劳试验

依据CECS 430：2016疲劳试验规定，焊接接头支距为1.0 m，载荷Fmin=60 kN，Fmax=300 kN。载荷作用于支距中央的焊缝处，轨头向上。试验频率f=5 Hz，应力循环系数r=0.2。试验结果见表4。

表4 焊接接头疲劳试验结果

试样编号标准要求试验结果1689-11载荷循环2×106次未断1689-12载荷循环次数:2×106载荷循环2×106次未断1689-13载荷循环2×106次未断

连续测试3根钢轨铝热焊接头，所有接头均循环加载2×106次，未断裂，满足CECS 430：2016要求。

2.4 拉伸试验

依据CECS 430：2016对1689-14号焊接接头试件取样进行拉伸试验,试样直径为6 mm。试验结果见表5。

表5 焊接接头拉伸试验结果

编号抗拉强度Rm/MPaRm平均值标准要求18842798383147705798824MPaRm平均值≥780MPa680978158789981410929

接头轨头和轨底部位抗拉强度高，均>780 MPa，满足CECS 430：2016要求。

2.5 硬度试验

在轨顶面焊缝中心横向位置对1689-15号焊接接头试件取样测试焊缝硬度，检测3点的布氏硬度，计算硬度平均值，记为焊缝硬度；在焊缝两侧母材上分别检测3点，计算平均硬度值，记为母材平均硬度Hp。检测结果见表6。

表6 焊接接头轨顶面硬度测量结果 HB

编号焊缝左侧母材右侧母材129829831623003013053298309307平均硬度299306标准要求热轧钢轨焊缝硬度:Hp±20(HBW10/3000)

焊缝金属硬度为299 HB，母材金属硬度306 HB，满足CECS 430：2016要求。

2.6 显微组织

对1689-17号焊接接头试件取样测试显微组织，取样位置依据CECS 430：2016标准要求，轨头2处，轨底1处。

标准要求焊缝、热影响区不应出现马氏体及魏氏组织；焊缝显微组织应为珠光体加少量铁素体组织。

根据焊接接头显微组织照片来看，焊缝和热影响区显微组织为珠光体和少量铁素体，未见异常组织,满足CECS 430：2016要求。

3 结语

采用基于PLC控制器的预热控制系统调整预热气体参数，可有效控制钢轨铝热焊预热过程，并对预热过程中的流量参数进行实时记录，解决了铝热焊焊前预热参数缺失的问题。该系统成功应该于高原槽型轨铝热焊接中，且所焊接接头在型式检验中力学性能、显微组织均满足CECS 430：2016要求。

参考文献

[1]侯玉碧.75 kg/m钢轨采用法国QPCJ铝热焊焊接的质量问题探讨[J].铁道建筑,2002,42(3):34-36.

[2]冯子凌,崔成林,杨艳玲.热处理对贝氏体钢轨和珠光体钢轨铝热焊接头性能的影响[J].铁道建筑，2016，56(10)：116-120.

[3]张伟娜,林哲,谭毅.预热时间对钢轨铝热焊焊缝组织和力学性能的影响[J].机械工程材料,2008,32(4): 16-76.

[4]高松福,崔成林,周清跃,等.钢轨铝热焊轨缝间隙对接头性能的影响[J].机械工程材料,2011,35(9): 39-41.

[5]岳峥.钢轨铝热焊接工艺及日常管理[J].科技信息,2011(11)：32.

[6]谢敏,冯鉴,雷代明.钢轨铝热焊缺陷的研究与防止[J].西南民族大学学报:自然科学版,2006,32(2)：340-341.

[7]高松福,崔成林,迟俊杰,等.铁科院 ZTK-Ⅰ型 60 kg·m-1钢轨铝热焊接材料的研制[J].中国铁道科学,2008,29(6): 135-140.

[8]中国工程建设标准化协会.CECS 430：2016 城市轨道用槽型钢轨铝热焊接质量检验标准[S].北京:中国计划出版社,2016.