CN108788443A - 一种钢轨线性摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨线性摩擦焊接方法，包括以下步骤：第一步、焊前准备：将第一钢轨的焊接端面和第二钢轨的焊接端面预处理并对中，组成线性摩擦副；第二步、初始摩擦：第一钢轨作线性振动，第二钢轨向第一钢轨靠拢，钢轨接触后，形成摩擦表面和焊合区，摩擦表面上产生塑性变形和机械挖掘现象，摩擦表面上的摩擦加热功率增加；第三步、摩擦过渡：摩擦表面金属的温度上升，发生摩擦粘结与剪切现象；塑性金属扩大对摩擦表面的封闭；第四步、稳定摩擦：摩擦表面挤出形成飞边，第一钢轨和第二钢轨均在轴向上有会有明显的缩短；第五步、顶锻焊接：停止线性驱动器并使两节钢轨回位对中,并迅速施加顶锻压力，焊合区金属形成钢轨线性摩擦焊焊接接头。

Description

一种钢轨线性摩擦焊接方法

技术领域

本发明属于铁路钢轨摩擦焊接技术领域，具体涉及一种钢轨线性摩擦焊接方法。

背景技术

随着我国高铁技术在国内外的大量推广和运用，以及在各种极端气侯条件下的高铁网络建设，对承载高速列车运行的无缝线路钢轨提出了更高的要求，实现无缝线路最关键、最重要的环节就是钢轨焊接，其所使用的焊接方法对钢轨焊接的安全可靠、节能环保(环境污染)、质量和效率等诸多方面起决定性的作用。

现有的钢轨焊接方法有闪光焊、气压焊、铝热焊以及电弧焊。钢轨电弧焊方法具有劳动强度大、效率低、强弧光、环境污染严重、焊接工艺和技术要求非常严格等特点。钢轨铝热焊接头为铸态组织具有强度低、质量欠稳定，断轨率高，综合性能差等特点。钢轨气压焊方法则具有对接头断面的处理要求十分严格，受诸多人为和环境因素影响，接头质量波动较大，不易控制。它属于外部加热方式，热效率低，焊接时间约6分钟，焊缝及热影响区较宽约100mm。钢轨闪光焊在焊接过程中伴随焊缝金属熔化再结晶，易产生熔化和凝固过程相关缺陷，在钢轨烧化过程中产生火花飞溅，并且伴随金属蒸汽和有毒气体的排放，焊接时间约3分钟。钢轨闪光焊和气压焊，每个接头都会消耗钢轨约40mm，接头强度能达到母材的90％。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种操作简单，焊接接头质量稳定、焊接生产率高且节能减排的钢轨线性摩擦焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种钢轨线性摩擦焊接方法，包括以下步骤：

S1、焊前准备：将第一钢轨的焊接端面和第二钢轨的焊接端面预处理好，使之满足线性摩擦焊需要；将第一钢轨装夹到焊机的线性夹具上，将第二钢轨装夹到焊机的顶锻夹具上，通过机构调整实现第一钢轨和第二钢轨对中，并组成线性摩擦副；

S2、初始摩擦：第一钢轨在线性驱动器的作用下作直线往复的线性振动，当达到预定的振幅和频率后，第二钢轨在推力作用下向线性夹具靠拢，当第一钢轨的焊接端面与第二钢轨的焊接端面接触后，第一钢轨的焊接端面与第二钢轨的焊接端面形成摩擦表面和焊合区，摩擦表面上产生塑性变形和机械挖掘现象，摩擦表面上的摩擦加热功率缓缓增加；

S3、摩擦过渡：在步骤S2中线性振动和摩擦力的继续作用下，摩擦加热功率显著增大，摩擦表面金属的温度上升，发生摩擦粘结与剪切现象；随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属逐渐扩大对摩擦表面的封闭，但是钢轨在轴向上没有明显的缩短；

S4、稳定摩擦：当步骤S3中的高温塑性金属封闭了整个摩擦面，氧化物被全部挤出以后,在高频、线性往复运动和摩擦力的持续作用下,摩擦表面的温度继续升高，粘结现象减少，分子作用现象增强；高温塑性变形层的金属在线性振动和摩擦力作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时被界面附近的高温金属不断补充，处于动平衡状态之中，第一钢轨和第二钢轨均在轴向上有会有明显的缩短；

S5、顶锻焊接：当步骤S4中的第一钢轨和第二钢轨的轴向缩短量均达到合适的量，焊合区的温度分布和塑性变形达到合适的程度后,停止线性驱动器并使两节钢轨回位对中,并迅速施加顶锻压力且维持顶锻压力，焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成钢轨线性摩擦焊焊接接头。

优选地，所述步骤S1中的第一钢轨和第二钢轨的结构相同，第一钢轨的端面垂直于第一钢轨自身的延长线。

优选地，所述线性夹具能够夹持第一钢轨和驱动第一钢轨做直线往复振动的能力。

优选地，所述直线往复运动中的直线既可以是水平直线，也可是竖直直线，还可以是一定角度的斜向直线。

优选地，所述顶锻夹具能够夹持第二钢轨和提供摩擦压力和顶锻压力。

优选地，所述步骤S2中第一钢轨的焊接端面和第二钢轨的焊接端面均存在凸凹不平、氧化膜、铁锈等。

优选地，所述步骤S3中的摩擦粘结与剪切现象是指在高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被线性剪切力剪断，并彼此相互过渡的现象。

优选地，所述摩擦粘结与剪切现象中第一钢轨和第二钢轨在轴向上没有明显的缩短。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种钢轨线性摩擦焊接方法，焊接的接头质量高，在整个焊接过程中钢轨不熔化，属于固相焊接技术，焊合区不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷；焊合区在热、压力和力矩的综合力学作用下获得的晶粒超细、组织致密的焊缝组织，接头不仅连接质量高，而且性能也可到达或超过母材。

2、接头质量稳定，焊接设备机械化、自动化程度高，焊接质量稳定性好；当给定焊接条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员，避免了人为因素造成的焊接缺陷。

3、焊接生产率高，摩擦热属于内热，热量损失少热效率高，加热速度快，焊接时间短；摩擦焊工艺对钢轨端面要求低，通常机械加工、锯割甚至剪切表面都能满足焊接需要，可减少钢轨焊前的准备时间；因焊接热循环引起的热影响区和焊接变形均小，焊后尺寸精度高加工余量少，不用焊后校形和消除应力，减少钢轨焊后的处理时间。

4、绿色环保，焊接时不产生烟雾、无污染、无火花、无弧光及无尘埃无有害气体，不污染环境，生产条件好，操作方便、工人劳动强度小。

5、节能减排，摩擦焊设备采用三相交流供电，其耗电量仅为闪光焊的8％到10％，电能节约10倍以上，功率消耗仅为传统焊接工艺的20％。

6、生产成本低，不需填充金属，相比闪光焊、气压焊能节约80％的母材消耗；自动化设备操作简单，操作人员无需特殊培训。

附图说明

图1是本发明一种钢轨线性摩擦焊接方法的步骤流程示意图；

图2是本发明中钢轨线性摩擦焊的主视轴侧结构示意图；

图3是本发明中初始摩擦阶段的俯视示意图；

图4是本发明中摩擦过渡阶段的俯视示意图；

图5是本发明中稳定摩擦阶段的俯视示意图；

图6是本发明中顶锻焊接阶段的俯视示意图。

附图标记说明：1、第一钢轨；2、第二钢轨；3、线性夹具；4、顶锻夹具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图6所示，本发明提供的一种钢轨线性摩擦焊接方法，包括以下步骤：

S1、焊前准备：将第一钢轨1的焊接端面和第二钢轨2的焊接端面预处理好，使之满足线性摩擦焊需要；将第一钢轨1装夹到焊机的线性夹具3上，将第二钢轨2装夹到焊机的顶锻夹具4上，通过机构调整实现第一钢轨1和第二钢轨2对中，并组成线性摩擦副。

第一钢轨1和第二钢轨2的结构相同，第一钢轨1的端面垂直于第一钢轨1自身的延长线。线性夹具3能够夹持第一钢轨1和驱动第一钢轨1做直线往复振动的能力。直线往复运动中的直线既可以是水平直线，也可是竖直直线，还可以是一定角度的斜向直线。顶锻夹具4能够夹持第二钢轨2和提供摩擦压力和顶锻压力。

S2、初始摩擦：第一钢轨1在线性驱动器的作用下作直线往复的线性振动，当达到预定的振幅和频率后，第二钢轨2在推力作用下向线性夹具3靠拢，当第一钢轨1的焊接端面与第二钢轨2的焊接端面接触后，第一钢轨1的焊接端面与第二钢轨2的焊接端面形成摩擦表面和焊合区，摩擦表面上产生塑性变形和机械挖掘现象，摩擦表面上的摩擦加热功率缓缓增加。

第一钢轨1的焊接端面和第二钢轨2的焊接端面均存在凸凹不平、氧化膜、铁锈等。

S3、摩擦过渡：在步骤S2中线性振动和摩擦力的继续作用下，摩擦加热功率显著增大，摩擦表面金属的温度上升，发生摩擦粘结与剪切现象；随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属逐渐扩大对摩擦面的封闭，但是钢轨在轴向上没有明显的缩短。

摩擦粘结与剪切现象是指在高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被线性剪切力剪断，并彼此相互过渡的现象。

摩擦粘结与剪切现象中第一钢轨1和第二钢轨2在轴向上没有明显的缩短。

S4、稳定摩擦：当步骤S3中的高温塑性金属封闭了整个摩擦面，氧化物被全部挤出以后,在高频、线性往复运动和摩擦力的持续作用下,摩擦表面的温度继续升高，粘结现象减少，分子作用现象增强；高温塑性变形层的金属在线性振动和摩擦力作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时被界面附近的高温金属不断补充，处于动平衡状态之中，第一钢轨1和第二钢轨2均在轴向上有会有明显的缩短。

S5、顶锻焊接：当步骤S4中的第一钢轨1和第二钢轨2的轴向缩短量均达到合适的量，焊合区的温度分布和塑性变形达到合适的程度后,停止线性驱动器并使两节钢轨回位对中,并迅速施加顶锻且维持顶锻压力，焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成钢轨线性摩擦焊焊接接头。

在本实施例中振幅用字母A表示，频率用字母f表示，推力用字母Pf表示。如图3所示到图5所示，左边竖直的双箭头表示振幅A，右边单箭头表示推力Pf的方向，如图6所示，图中右边的箭头为顶锻压力的施加方向，顶锻压力用Pu表示。

此外，通过本发明所述的钢轨线性摩擦焊接方法，既可以实现国铁无缝线路的钢轨焊接，也可以实现城市轨道交通以及车间、矿山、码头等所用钢轨焊接，还可用于其他钢轨焊接。通过本发明焊接后的焊接接头质量高，在整个焊接过程中钢轨不熔化，属于固相焊接技术，焊合区不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷；焊合区在热、压力和力矩的综合力学作用下获得的晶粒超细、组织致密的焊缝组织，接头不仅连接质量高，而且性能也可到达或超过母材。接头质量稳定，焊接设备机械化、自动化程度高，焊接质量稳定性好；当给定焊接条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员，避免了人为因素造成的焊接缺陷。焊接生产率高，摩擦热属于内热，热量损失少热效率高，加热速度快，焊接时间短；摩擦焊工艺对钢轨端面要求低，通常机械加工、锯割甚至剪切表面都能满足焊接需要，可减少钢轨焊前的准备时间；因焊接热循环引起的热影响区和焊接变形均小，焊后尺寸精度高加工余量少，不用焊后校形和消除应力，减少钢轨焊后的处理时间。绿色环保，焊接时不产生烟雾、无污染、无火花、无弧光及无尘埃无有害气体，不污染环境，生产条件好，操作方便、工人劳动强度小。节能减排，摩擦焊设备采用三相交流供电，其耗电量仅为闪光焊的8％到10％，电能节约10倍以上，功率消耗仅为传统焊接工艺的20％。生产成本低，不需填充金属，相比闪光焊、气压焊能节约80％的母材消耗；自动化设备操作简单，操作人员无需特殊培训。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、焊前准备：将第一钢轨(1)的焊接端面和第二钢轨(2)的焊接端面预处理好，使之满足线性摩擦焊需要；将第一钢轨(1)装夹到焊机的线性夹具(3)上，将第二钢轨(2)装夹到焊机的顶锻夹具(4)上，通过机构调整实现第一钢轨(1)和第二钢轨(2)对中，并组成线性摩擦副；

S2、初始摩擦：第一钢轨(1)在线性驱动器的作用下作直线往复的线性振动，当达到预定的振幅和频率后，第二钢轨(2)在推力作用下向线性夹具(3)靠拢，当第一钢轨(1)的焊接端面与第二钢轨(2)的焊接端面接触后，第一钢轨(1)的焊接端面与第二钢轨(2)的焊接端面形成摩擦表面和焊合区，摩擦表面上产生塑性变形和机械挖掘现象，摩擦表面上的摩擦加热功率缓缓增加；

S3、摩擦过渡：在步骤S2中线性振动和摩擦力的继续作用下，摩擦加热功率显著增大，摩擦表面金属的温度上升，发生摩擦粘结与剪切现象；随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属逐渐扩大对摩擦表面的封闭，但是钢轨在轴向上没有明显的缩短；

S4、稳定摩擦：当步骤S3中的高温塑性金属封闭了整个摩擦面，氧化物被全部挤出以后,在高频、线性往复运动和摩擦力的持续作用下,摩擦表面的温度继续升高，粘结现象减少，分子作用现象增强；高温塑性变形层的金属在线性振动和摩擦力作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时被界面附近的高温金属不断补充，处于动平衡状态之中，第一钢轨(1)和第二钢轨(2)均在轴向上有会有明显的缩短；

S5、顶锻焊接：当步骤S4中的第一钢轨(1)和第二钢轨(2)的轴向缩短量均达到合适的量，焊合区的温度分布和塑性变形达到合适的程度后,停止线性驱动器并使两节钢轨回位对中,并迅速施加顶锻压力且维持顶锻压力，焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成钢轨线性摩擦焊焊接接头。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中的第一钢轨(1)和第二钢轨(2)的结构相同，第一钢轨(1)的端面垂直于第一钢轨(1)自身的延长线。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述线性夹具(3)能够夹持第一钢轨(1)和驱动第一钢轨(1)做直线往复振动的能力。

4.根据权利要求3所述的钢轨轨道摩擦焊接方法，其特征在于：所述直线往复运动中的直线既可以是水平直线，也可是竖直直线，还可以是一定角度的斜向直线。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述顶锻夹具(4)能够夹持第二钢轨(2)和提供摩擦压力和顶锻压力。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中第一钢轨(1)的焊接端面和第二钢轨(2)的焊接端面均存在凸凹不平、氧化膜、铁锈等。

7.根据权利要求1所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤S3中的摩擦粘结与剪切现象是指在高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被线性剪切力剪断，并彼此相互过渡的现象。

8.根据权利要求7所述的一种钢轨线性摩擦焊接方法，其特征在于：所述摩擦粘结与剪切现象中第一钢轨(1)和第二钢轨(2)在轴向上没有明显的缩短。