CN1304697C - 焊接铁路钢轨的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了气体保护电弧焊接间隔开来形成横向间隙的铁路钢轨的几种方法。方法之一包括以下步骤：将一长形钢挡板楔入间隔开的钢轨间隙底部，并通过由在电极和挡板间的电弧开始的气体保护电弧焊接过程用来自送进的填充金属电极的熔融钢填充所述钢挡板上方的间隙。第二种方法包括在轨头间隙中沿侧向两相反方向的路径铺设焊珠，使焊珠的第一端部从轨头边缘以悬置方式向外突伸，使第一端的垂向厚度比焊珠第二端厚，所述第二端在朝向轨头相反边缘方向上与第一端隔开。

Description

焊接铁路钢轨的方法

本申请是1998年2月20日提交的第98105327.0号申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及焊接钢轨的隔开端部、尤其是在现场用电弧焊接过程焊接两根隔开的铁路钢轨的方法与系统。

背景技术

多年来，已经过大量努力用某些类型的对焊过程来接合隔开的铁路钢轨。这些努力，由于所用过程的各种局限，完成焊接过程所需时间、实施焊接过程的成本和/或不能保持成功而持久的接头等原因，基本上已证明是耗资大且不成功的。在Shrubsall的美国专利第3,192,356号中所公开的埋弧焊接过程，是作为对现有的气压与电弧焊接技术的缺陷的改进方案；在Adams的美国专利第3,308,226号及Devletian的美国专利第4,429,207号中，最常用的电弧焊接过程，被描绘为用电渣焊接过程，在现场填充隔开了的铁路钢轨间隙。这个过程涉及到用被覆盖有适当熔渣的一槽熔融金属，来填充钢轨之间的间隙。为了防止大量熔融的金属从钢轨之间的间隙流出，就配设了侧模与底部部件，以使金属大量流伸于钢轨下面并从真正的间隙处流伸出。现有这些专利所述的是一种可在现场使用的改进电渣焊接(ESW)技术，在这种现场不能使钢轨翻转过来以供通常的焊接。目前常用的在常规铝热剂上使用电渣焊接这种技术的优点，已有过说明。在这些公开的专利中，现有的钢轨焊接技术，包括铝热剂过程，都被证明有一些显著缺陷，已知这些缺陷会在现场引起许多故障。此处将这些专利作为参考而引用，以说明电渣焊接过程，尽管由于这种过程明显无效且无能力在现场获得均匀而成功的焊品，因而它作为实用过程已被废弃了。的确，这种过程必须解决因大量熔融金属而在现场出现的问题。

Karimine的美国专利第5,175,405号中，公开了一种把电渣技术与气体保护电弧焊接技术合成的技术，据说是对电渣焊接过程的改进。该专利采用一种自动焊接过程，将气体保护电弧焊接过程与电渣焊接过程合用，来对焊铁路轨道的隔开端部。正常使用的铝热剂焊接技术与先前曾试图的强制成形电弧焊接技术的缺陷，被详细讨论。如所指出的，铝热剂技术产生的接头有着令人不能接受的高故障率；然而，由于经济、时间及不能获得成功的电弧焊接过程等原因，这种铝热剂技术依然是在现场被选用的过程。所讨论的连续电弧焊接技术的缺点，如在该专利中那样，是不能开始电弧及进行焊接过程时需要开始与停止电弧。为了克服某些这样的缺点，该专利讨论了在钢轨之间的间隙底部使用埋弧焊接过程，以便为了后续与连续电弧焊接而强制开始焊接过程。在此引用Karimine的美国专利第5,175,405号作为参考，以便揭示铝热剂过程、强制成形电弧焊接技术及埋弧焊接技术的缺陷，所有这些技术都曾在现场被尝试过，且都未获成功。由Karimine的美国专利第5,175,405号提出的解决办法，是将气体保护电弧焊接技术与电渣焊接过程合用，其中将气体保护电弧焊接技术用于间隙底部，以克服先前试图完全用电渣焊接带来的缺点。然而，由于没有什么技术会保证得了精确地开始与焊着在间隙底部的第一层填充材料，在现场采用在间隙底部的气体保护电弧这一过程并不能成功。

在Lahnsteiner与其他人的美国专利第5,605,283号中所公开的技术，是把从横向到纵向延伸的许多钢轨缝隙一起焊成铁路钢轨。从钢轨底部上升到钢轨头部的缝隙具有横向平行及纵向叠加的关系，并使用惰性气体保护电弧焊接过程来叠加。三层钢轨，即轨底、轨腰部与轨头，被各自且后续地焊接在一起，这个过程能在不同的焊接区域使用不同的填充材料。这种焊接过程需要在连续层次的焊接步骤之间有迟延。因此耗时不理想且费用昂贵。

发明内容

作为参考被引用的这些专利，显示现有技术的一些缺陷，这是本发明的目的，以解决曾试图合用各种类型的电弧焊接过程而未获成功这一问题。理所当然，公认为有缺陷的铝热剂过程，是为了在隔开的钢轨之间提供熔融金属以便在现场接合这种钢轨而所用的费用昂贵的唯一一个过程。

铁路钢轨，必须将现场所用或组装供使用的钢轨端部接合起来而进行安装与修复。接合过程在钢轨之间产生高强度的接头，这种接头可进行金属处理的调节，没有裂缝且可在很短时间内成本节约地形成。作为此种处理的一个标准，该过程必须在少于45分钟之内完成，否则该过程就会造成铁路交通延误或改线绕行。现在用两种过程在现场接合钢轨。第一种过程是铝热剂技术，该技术是用适当的沙模将隔开的钢轨包起来，并把钢熔化注入沙模中以填充被隔开钢轨之间的间隙。当熔化的金属冷凝时，钢轨就接上了；然而，通常所用的这一过程，据报告其故障率高达75％。此外，钢轨必须被注入钢轨之间的间隙中的熔融金属熔化。这种熔化需要，并非总能满足，且助长了在现场用铝热剂过程所产生的接头的故障。为了显著减少通常所用铝热剂过程的缺陷，在这种过程中是将钢浇铸入钢轨之间的间隙中，就可用电弧对焊过程来接合钢轨的端部，在该过程中，钢轨端部被特别高的力赶到一起，同时在钢轨之间通电。这会使钢轨端部熔化且被压焊在一起。这个过程明显地将故障率减少到低于10％。然而，电弧对焊过程在制造方便的钢轨上进行得最好，这种情况下的钢轨并不是固定在轨枕上，且能由静固的液压设备驱合在一起。为了克服常用铝热剂过程的缺点，已对电弧对焊过程作了修改，以便在现场采用。然而，该焊接过程耗时基本上多于铝热剂过程的耗时，因为在进行液压工序时钢轨必须展开，该工序要求一根或两根钢轨不与轨枕相连接。这个操作过程在焊接过程发生后必须倒转进行，这样极费时间。

电弧对焊的钢轨要消耗一部分钢轨，这样会在焊接过程完毕后产生一些困难。另外，钢轨的有些部分可能还得镶入钢轨中，以提供焊接必需的钢轨材料。

此外，将在钢轨之间产生高压所需的液压设备，运送到在现场要求的遥远方位，也是不便的。对焊过程也在所接合钢轨的周边产生焊瘤，这种焊瘤必须切除并打平，以便顺畅操作，并防止使用时应力集中于接头上。尽管电弧对焊过程会显著减低现场所产生接头的故障率，但由于铝热剂过程仅需在隔开的钢轨之间的间隙周围施布模子就能迅速完工，该过程依然被采用。该过程无需大的液压设备。而且相对耗资不多。当接头已损坏，再进行铝热剂过程会增加故障率。再进行时，必须切除一大段钢轨，并将一段新钢轨镶入敞开区域里。理所当然，一个有故障的铝热剂接头，通常会导致需要两个替代铝热剂接头，带有它们的故障习性。可以理解，尽管铝热剂过程是通用的，但实际上还需要某种过程来在现场接合钢轨，该过程的故障率低，但有着与铝热剂过程相关的优点。这种需要已存在多年了。电弧焊接过程已被周期性地尝试过，例如电渣焊接、连续电弧焊接、埋弧焊接及这些焊接法的合用。这些过程没有哪一种成功，因为它们使用不实用的大设备，要花难以接受的长时间进行焊接与打磨，且不会得到令人可接受的故障率。电弧焊接过程，尤其是在钢轨之间的下部间隙上用，并不合理。此外，迄今为止这些尝试用电弧焊接来接合被隔开的铁路钢轨端部的做法，均费用昂贵、需要复杂的设备，且要求有大量时间来为焊接过程做准备及真正实行焊接过程。这样多的时间在现场焊接钢轨时是不允许的。

本发明涉及在现场用气体保护电弧焊接来接合铁路钢轨隔开的端部的方法与系统，该方法与系统产生于一种节省成本、迅速的且在机械上及金属工艺上均优良的技术。

铁路钢轨具有一种相当规范的涉及有支承底部的下部轨底横截面形状，该底部较宽以便把钢轨置于隔开的轨枕的稳固位置上。在轨底上方是垂直延伸的轨腰，它并入上部接触车轮的轨头。该轨头常被淬硬，以便有良好的耐磨性供车轮在上面滚过。轨头区域的硬度尤以弯曲的导轨部更为重要，因为在车轮与钢轨之间，由于横向间隔的铁道车轮之间固定的轴向结构而有滑动作用。此外，钢轨必须有平滑的轨头，以防列车行经轨道上而产生振动。这种减振需要，致使大大增加了以高速、高重量钢轨系统真正对焊钢轨的要求。在很久以前，轨道并非焊接在一起，这就产生了列车行经轨道的特有振动。随着高速、高重量与高技术铁道系统的到来，就必须把钢轨焊接在一起成为一条连续不断的轨道，这就增大了在现场进行接合过程的要求，而这正是本发明要改进之处。本发明克服了铝热剂技术及电弧对焊技术的缺点。

与本发明相一致，被接合的钢轨端部被彼此隔开，以限定一个有着下部开口的间隙。该间隙有一定宽度，以利于在间隙中放置填料金属并插入焊枪而进行气体保护电弧焊接。与本发明相一致，一块长度基本上与轨底宽度对应、宽度大于间隙宽度的长形钢挡板，楔入钢轨之间的间隙底部处。因此，在间隙底部区域的下部，这块钢挡板被楔得跨过隔开的钢轨。此种楔入作用，使均匀打平了的挡板与两截钢轨之间产生接触。挡板楔入钢轨之间间隙底部处的位置上之后，通过气体保护电弧焊接过程在间隙中填充熔融金属，该过程是使焊枪向下直到电极填料金属接触到接板而开始的。挡板厚度通常为0.318cm，且在0.127至0.762cm范围内，由于此下部挡板牢牢楔入间隙下部处的钢轨之间。就使填料金属电极与挡板接触而开始了焊接过程。因此，该种焊接，与标准的气焊技术相一致，发生于那块相对基本上牢固的挡板顶部。在下部，气焊技术是电压恒定的喷弧焊。此种过程允许有高热，并焊透下部那层焊用金属。电极是高强度、低合金芯子的电极，其中的芯材提供所需的合金金属。金属芯电极以适当的保护气体加以保护。实际上，金属芯电极是以含95％氩气及5％二氧化碳或氧气这种保护气体加以保护的MC1100Outershield型电极。电极的金属芯，选得与形成隔开的钢轨的金属相匹配，以得到必需的屈服强度。与喷焊型或后来所用的脉冲焊型电弧焊接的标准做法相一致，气体保护用于正在前进的金属芯电极周围。在此过程中，产生很轻的熔渣，这是埋弧焊接过程与电渣焊接过程的一个问题。在这些过程中产生的熔渣，会在金属中产生杂质，尤其是在熔融金属与钢轨端部之间的共界面上。这些杂质导致各种故障。

本发明既在脉冲式也在电压恒定的喷射式中采用气体保护电弧焊接过程，喷射式用于与楔入隔开的钢轨之间新颖挡板相邻近的间隙底部。本发明采用具有复杂、高速波式控制的高性能数控动力供应。实际上，所用的是Lincoln Electric Powerwave 450型的动力供应，它能立刻在电压恒定的喷焊与随后适当控制的脉冲焊过程之间转换。在每种情况下，本发明的焊接过程均是气体保护电弧焊接过程，它产生的高热，与标准的焊接做法相一致，是为了在钢轨端部与金属芯电极向那槽熔融金属前进而产生的焊用金属之间提供优良的金属共界面所必需的。在实施这种操作之前，钢轨被预热到约482.2℃(900°F)的温度。在让电极纵移过间隙同时沿着间隙横移而消耗楔入钢轨之间的挡板的同时，放置第一层焊用金属。根部焊珠由喷焊过程施加，后面几层也是这样，以使钢轨底部大区域内高焊透并有高热。此后，动力供应转换为脉冲焊过程。形成另一些焊珠以填充钢轨下底部处钢轨之间的区域。在第一或第二焊珠形成之后，由于挡板之上的熔融金属冷凝，楔入的挡板就不再长了。当焊接过程进行到钢轨腰部时，就用轮廓相符的铜蹄封住间隙，使间隙此时形成一个封闭的空腔。与本发明的一个方面相一致，该空腔被连续以气体保护焊接过程填充，该过程被转回到电压恒定的喷射式，以便有效地焊透，这种电弧焊接过程继续到过了轨腰而到达轨道。实际上，与这个方面相一致，采用脉冲式的操作，以便在电压恒定的喷射式焊接之间有一个过渡区，这种过程用于轨头、轨腰的主要部分及下部轨底的开始部分。业已发现，在喷射式与脉冲式的操作之间进行转换，能获致良好结果。在整个焊接过程的某些部分期间，采用脉冲式电弧焊，以控制热量耗费。

如迄今所述，气体保护电弧焊接过程填充隔开的钢轨之间的间隙，可使用一块下部挡板真正楔入钢轨之间那间隙底部处的两截钢轨之间，来进行此过程。此挡板为钢制，其厚度为0.127至1.854cm(0.050至0.7300英寸)之间。该板的两个横边缘被开得有一道约0.076cm(0.030英寸)的垂直接触凸缘。以此方式，楔入作用就能使挡板边缘变形，以保证钢轨与挡板之间电接触良好。实际上，挡板原先的宽度大于钢轨之间那间隙的宽度，以确保挡板被推入间隙底部处楔入位置上时楔入作用紧固。挡板宽度范围比间隙宽度大0.0254至0.0635cm(0.010至0.025英寸)。这就使挡板楔入到位时扭曲，保证固定的位置及电接触，这种接触对有效的后续电弧焊接过程至关重要。以往，未提供此种开始机制给用于接合铁路钢轨的隔开端部的电弧焊过程。

与本发明的另一个方面相一致，该新颖的方法与系统，包括在挡板下方并叠加在间隙下部开口上的一个绝热件，即一陶瓷层或陶瓷布，以防止电弧将铜穿透，从而电弧可熔化一部分铜而产生因铜导致的裂缝问题。铜支承块位于钢轨之下用以防止间隙中熔化的金属流失，且它是防止焊着金属过热的散热器。

与本发明的又一个方面相一致，在轨头、轨腰间过渡区之间的间隙中及钢轨中央区域与冠状区域之间的间隙中施以焊着金属焊珠，用此独特的方法，使轨头之间的间隙中的焊接强度得到提高。这个过程施放填料金属焊珠的方式，使轨头过渡部分与中央部分横向相反边缘处的焊接加强了，从而，继后使用钢轨及由于机车与列车行经轨道上而施以高力量，且此种力量会在钢轨中及钢轨之间的焊接头上产生正弦波扭曲时，就会优化防止轨头与轨腰离开这样的保护。与本发明的这一方面相一致，轨底下部之间的间隙，其填充方式，最好是通过上文所提到的，先用挡板与电压恒定的喷焊过程填充，再用脉冲焊接过程来完成轨底上部之间及轨腰与轨头之间的填充。当轨腰焊接完成到轨头过渡部分时，就顺着横向相反方向，在轨头过渡的中央与冠部部分的横向外缘之间，以产生顺着相反方向而伸展连续焊珠的方式，把在开始施放每个焊珠时被延迟的焊极移动，而持续不停地施放填料金属焊珠。每个焊珠在一个外缘处均有一端部，其垂直厚度大于焊珠其他部位，且它相对于边缘为悬臂支撑关系，因此，就为开始端与终结端顺着与轨头过渡部分、中央部分及冠状部分的横向相反边缘相同方向伸展的垂直连续的焊珠，从下面给予支承、轨头的过渡部分、中央部分及冠状部分之间的间隙，按上述方式，使焊接电极在轨头横向相反的两侧之间来回连续变换而加以填充，直至填充操作完成。

本发明的首要目的，是提供一种对铁路钢轨进行气体保护电弧焊接的方法与系统，该方法与系统可在现场迅速实施，且故障率低。

本发明的另一个目的，是提供一种上述界定的方法与系统，该方法与系统采用的原理，是在隔开的钢轨之间那个间隙的底部楔入一块金属挡板，以开始并控制本发明的方法与系统所用的对下部的气体保护电弧焊过程。

本发明的又一个目的，是提供一种在钢轨间各间隙底部处的隔开的钢轨间楔入的挡板，以便用气体保护电弧焊接过程，有效而迅速地接合钢轨。

本发明还有一个目的，是提供一种接合铁路钢轨的方法，它的方式，优化轨头之间那个间隙中的焊接强度。

上述特征的方法的又一个目的，是使轨头横向相反边缘处的焊接得到强化，以优化防止轨头与轨腰垂直离开这样的保护。

附图说明

现在对照以下附图进行详细说明，进一步阐明上述和其它的目的和优点。

图1是铁路的示图，钢轨间隔开来以限定准备现场接合用的间隙；

图2是带有一部分车轮的钢轨端部的剖面图，用于表示在钢轨间接头处对硬度的需要。

图3的侧视图表示间隔开来的钢轨，处于本发明的方法和系统开始时的状况；

图4是沿图3中4-4线的剖视图；

图5是按照本发明构制的新颖挡板的示图；

图6是图5所示挡板的部分横剖图；

图7的示意图说明图5和6所示新颖挡板当其楔入轨间位置时的特征；

图8是类似于图7的视图，表示在电弧焊接过程开始时的电弧焊枪和电极；

图9是钢轨间隙的顶视平面图，表示对图5和6所示金属挡板的某些要求；

图10是钢轨间隙的顶视图，根部即第一层正在被加工；

图11和11A是放大局部横剖图，表示在邻近轨底的间隙中，然后在轨腰区域开始的焊接过程的发展；

图12的局部剖视图表示本发明的挡板的推荐实施例的一个变型；

图13是钢轨的侧视图，表示在本发明一实施例中的由电压恒定的喷焊和由脉冲焊焊接的间隙部分；

图14是部分剖开的示意平面图，表示与按照本发明另一实施例的铁路钢轨焊接有关的在焊枪、电极、轨腰和铜蹄之间的关系；

图15是图14所示焊枪和电极的示意图；

图16是沿图14由右向左看去的焊枪和电极的示意图；

图17的放大横剖面图，它剖过被焊接的钢轨之间的间隙，表示按照本发明实施例的过渡部分之间的焊料珠的布置；

图18的放大详图，显示把焊接电极置于与图17所示焊珠(bead)左手一端相应的焊珠开始端处；

图19是图18所示焊珠开始端的平面图；

图20的放大剖视图，显示从图19中线段20-20截取的焊珠开始端；

图21的横截视图，显示被焊接的钢轨之间的间隙，并显示根据本发明的此实施例而布置焊珠以填充钢轨过渡部分之间的间隙；

图22的放大略图，显示轨头，并显示根据本发明的此实施例相对于在轨头部之间布置填料金属焊珠的延迟时间；以及

图23的铁路钢轨略图，显示在本发明的此实施例中被接合的钢轨之间几乎所有间隙部分，均已被脉冲焊接焊上了。

具体实施方式

现在参阅附图，这些附图用于描述本发明的推荐实施例而并非对它们的限定。图1表示铺设在筑路用地道床B上的铁路钢轨A，包括待接合成连续焊接轨(CWR)的、由轨枕20、钢支承盖30和道钉32支承的钢轨10，12。钢轨10，12间隔开来形成一个间隙g，该间隙由熔融金属填充以便将两钢轨在现场连成一连续钢轨，而不是在工厂连续组装。间隙g可以是两段被修理钢轨之间的间隙，或者是两段作为连续焊接轨系统的两段初始安装的两段钢轨之间的间隙。如果间隙g是用于修复的，那么，有时需要切割钢轨并镶入一长段钢轨。这种方法用于修复具有裂缝的钢轨、裂开的接头或有缺陷的接头。在所有情形中，两根隔开的钢轨10，12分开一个基本为2.54cm的间隙g。图2的示意图表示钢轨具有标准形状，即，其横截面包括轨底40，轨底相当宽，包括一个用于将钢轨稳定在轨枕20上的支承底部42，以便支承沿钢轨通行的列车。轨底40具有两个向上倾斜的顶部44，46，它们并入一个竖直的延伸的轨腰50，轨腰具有一个下部的倒角52和一个上部的倒角54。上部倒角并入轨头60，轨头具有一个大的本体部分62和一个支承车轮的上表面64，称为轨冠，该表面区域接纳滚动的车轮W，车轮具有圆筒形的轮圈70和轮盘72，轮盘防止车轮滚过钢轨时在轨头60上向左方移动。鉴于车轮与侧面即本体部分62的接触，以及轮圈70与上表面64连续的高重量的接触，轨头60具有在布氏标尺布氏300在-60至+40范围的正常硬度。由于轨头要淬硬，构成钢轨，至少在头部中的金属必须是相当高级的合金钢。用来填充间隙g的填充金属的合金钢，在间隙g区域中沿钢轨上部的硬度应符合按照本发明的钢轨焊接规范。

在图3中，钢轨12上与钢轨10相应的部分用相同标号加下角标“a”。相同的标号将用于说明铜蹄100，110，其中铜蹄100覆盖在钢轨10上，铜蹄110覆盖在钢轨12上。将详述铜蹄100，相同的描述适用于铜蹄110，其中，铜蹄110上相应于铜蹄100的部分使用下角标“a”。在图4中，铜蹄100包括一个顶部支承棒120，可以使重铜块构成的悬挂蹄块122，124沿轨头滑动。顶部支承棒120也使蹄块122，124对准并保持蹄块122与蹄块124的间距，以及两蹄块和轨部之间的间隙。轮廓面126，128分别朝内面向钢轨横截面。上述轮廓面与钢轨10的轮廓匹配，使铜蹄100，110一起在间隙g处的滑动可封闭间隙以形成一个具有钢轨10，12的横截面形状。为了稳定悬挂的蹄块，设有对准销130及螺栓132，134，使重型蹄块122，124装在支承棒120上。在操作中，蹄块移至图3所示位置，以便打开间隙g并使焊接可在轨底部分进行。其后，蹄块122，124一起移动以封闭间隙g，使焊接分别可在钢轨10，12的竖直延伸的轨腰部分50，50a进行。下面将要讲到，一个铜或高含铜量的合金制成的下块150设在轨底40，40a的底部42之下。上部横向延伸的凹部152的尺寸可容纳一个陶瓷层154形式的绝缘件，其在轨下跨接间隙g的底部，如图3所示，为了封闭间隙g的底部，设有一个新颖的长形挡板P，如图5，6和7所示。

过去曾试图在间隙g中进行电弧焊接但没有成功，这是因为该工艺在操作中不一致，没有在间隙g中设置第一或第二层填充金属的支承结构。该间隙约为2.54cm以容纳向下延伸由枪承载的电极和一个气嘴，如图8所示。过去，由于该间隙必须相当宽以容纳焊接设备，因而没有均匀和一致的间隙填充，特别是在钢轨支承关键的底部。钢轨在轨底40严重挠曲及受力。为了解决这个问题，本发明包括了图5-7所示的板P的使用。由于在间隙中的合金是电弧焊接过程中使用的电极芯部中的金属粉末完成的，因而该板是由低碳钢制成的。该板的厚度在0.127至0.762cm的范围内，实际上，板厚为0.318cm，平行边缘200，202之间的宽度在图7中标为b。该尺寸在原来状态中稍大于间隙g的宽度，因此，该板P必须例如用锤子加力才能在钢轨的最下部楔在钢轨10，12之间，如图3所示。这种楔紧作用使板垂下，形成稍小的最后宽度，这种使板P的边缘200，202中的一个或二个陷下的楔紧作用保证了板P和接地的钢轨10，12之间的电接触。当就位时，板P放在位于下部支承铜块150的凹部152中的绝缘件154的顶部上。铜块150在电弧焊接中构成放在间隙g中的熔融金属的下部阻挡，这将在下文中描述。如图5和6所示，平行边缘200，202分别包括30°的倒棱，倒棱在板P上表面下大约0.076cm处开始，分别形成平挡或壁220，222。这些壁挤靠在间隙g底部轨10，12相对面的表面上，形成间隙的底部，以便开始焊接过程。板P受迫，楔入图8所示牢固位置。

现在参阅图8，气体金属电弧焊枪250的直径约为1.27cm，间隙g的厚度为2.54cm，使焊枪250可在间隙中移动。支承在导向器262中的金属芯电极连续从枪250中放出，实际上电极260是高强度低合金金属芯电极，一般为E110C-G型的。线或电极可以是Outershield Mc1100型的Lincoln Electric的电极、由于电极260向下送进，电弧C在板P和电极260间形成。该电弧可以用作喷焊或脉冲焊，这将在下文讲到。按照标准气体保护电弧焊接技术，保护气体G从围绕电极导向器262的通道264送进。

板P的楔紧可保证接地的钢轨紧密接触挡板P。板的上表面用来触发电弧，板本身在电极260沿固定在间隙g中的板的上表面送进中第一和/或第二次通过时支承焊窝(weld puddle)。该板支承在开始操作中的电弧。绝缘件154防止电弧透至铜块150。以这种方式，铜块150形成一个良好的吸热装置，但并不使铜进入焊接。板P和下部陶瓷层154的使用防止了铜污染。在电弧开始时，电弧不会烧透较厚的板P。当电弧在钢轨10和钢轨12之间的来回移动时，电弧将移入倒棱210，212的区域，此时，电弧可沿边缘200，202透过板P。但是，来自金属芯电极的熔融焊接金属可流过抵靠下部绝缘层即陶瓷层154的板P的这个部分而不会引起任何问题。边缘200，202被倒棱从而可以进行楔紧作用，这对形成紧密的电接触是必要的，因而在电弧焊过程中在板上有极好的接地作用。板被楔入间隙g的底部。保护气体G包围电弧C，板P保证对焊接金属的下部阻挡作用。如图10所示，电极260在首次在板P上通过以设置根部R时，电极呈蛇形来回移动。来自第一次通过的金属保留在板P上，形成连接钢轨10，12的底部的金属溶池。

电弧焊接过程是使用数字控制的、能够进行复杂高速波形控制的变流焊接电源如Lincoln Electri Powerwave450型电源进行的。由于在根部的高热和高穿透，根部R是由恒定电压喷焊工艺完成的。如图11所示，在钢轨10，12的轨底40，40a之间的间隙下部中，分别横过间隙g横向铺设若干层。通过恒定电压工艺淀积几层金属以后，电源转换至脉冲工作方式并铺设附加层，如图11所示。这覆盖间隙P的底部焊接操作。其后，如图11A所示，铜蹄100，110被移动，以便在钢轨10，12的轨腰和轨头部分封闭间隙g。如图3所示，棒120，120a沿钢轨横向偏置。这在铜蹄100，110之间产生一个上部开口，以便在焊接过程中可连续使用焊枪150。这个焊接过程可以在恒定电压喷焊和更迅速的脉冲工作方式之间变换。在两种情形中，焊接过程是气体保护焊接过程，以便用来自电极260的填充金属填充间隙。芯中的金属经选择在间隙g中使填充金属形成适当的合金，以便形成焊接接头的需要强度和冶金特性。

实际上使用的焊接过程示意地表示在图13中。在邻接着轨底40、40a的斜顶部44、46处，采用脉冲式操作。以同样方式，在倒角54及轨头60的顶面64区域内，采用脉冲式操作。喷射式操作用于底部，用以开始这一过程的根部焊珠，从而保证焊接过程正确起始及间隙g中根部处钢轨的接合。可合用喷射式与脉冲式，或整个过程中只用喷射式。喷射式用于新颖的挡板P处。

即使钢轨10，12的表面是平坦的，在一个或几个表面上也可微有弯曲。这种概念大略显示于图9中，该图中的挡板P与钢轨10的端面之间就有间隙e。本发明的限制在于电极260的直径，它实际上约为0.1588cm，必须基本上大于间隙e，从而，电极260产生的电弧，就不仅仅向下穿透绝缘挡板或绝缘件154。即使有这样微小的变动，为了接靠挡板P，单根钢轨或几根钢轨之间也要妥当接触。以保证挡板P与所接靠的钢轨之间的电紧密连续。这个图示，仅是为了讨论挡板P在电弧C与间隙g下方的下部支承结构之间提供了一个障碍这个概念。

本发明的略小变型，显示于图12中，其中的支承件150有一块边板300，向上延伸得邻近轨底40、40a的横向部分。绝缘布或陶瓷层154，有一个长形部分154a，它沿着边板300往上走，在铜蹄100、110为了间隙g的轨腰区与轨头区内的焊接而被一起移动之前，它为沉淀于间隙g下部的熔融填料金属，提供了一道最外面的坝或障碍。

本发明的间隙g中所沉淀填料金属中没有焊渣。它采用一种气体保护过程，该气体保护过程，可用焊接现场不同的动力供应方式，而在喷射式操作与脉冲式操作之间进行转换。业已发现，这种焊接过程产生的优良接头，其故障率，堪与电弧对焊技术的故障率相争。挡板P会被消耗，因此，它是在间隙g根部处熔融金属的一部分。不必为挡板P配合金材料，因为金属芯电极的芯子带有合金金属。

图14至23显示了本发明另一个实施例的几个方面，在图中，铁路钢轨之间的间隙，被以气体保护电弧焊接过程用填料金属电极上的熔融金属填充，该过程包括用焊珠布置格式填充钢轨头部之间的间隙，这种格式优化轨头部之间的间隙内的焊接接头强度，并使轨头横向相反边缘的焊接接头得到强化。在这些图中，基本上与以上联系图1至13所述部件相对应的部件，用同样的标号标示。图14至16，大略显示在后面详述的焊接过程中，在钢轨10与12的轨腰50与50a区域内，焊枪250、间隙g以及铜蹄122与124之间的特定关系。从这些图中会明白，焊枪250与焊接电极260在相对于钢轨10与12纵向的槽9中横向移动，这个横向是图14中铜蹄122与124之间的方向。同时，焊枪与电极如图15与16中箭头400所指那样，纵向振动间隙g。在此实施例中，间隙g为2.54cm，焊枪250直径为1.429cm，焊枪的总振动位移为2.6mm，因此是顺着图14中的中心位置往两个方向各位移1.3mm。从图16中会明白，焊枪250与电极260的此种振动，使得电极260的熔融填料金属402，在形成间隙g的轨腰50与50a的纵向相反面之间纵向散布。

从图23中的钢轨10绘图会明白，轨底由底部404及带有形成顶部406与轨腰50之间过渡区的下部倒角区52的顶部406构成，每个轨头包括一个在轨腰50上端处并包括倒角54的过渡部分408、一个中央部分410及一个冠状部分412。相应地也会明白，被接合的钢轨之间的间隙9，有着与这些轨底、轨腰及轨头相对应的几部分。从图23还会明白，喷焊仅用于轨底底部404之间的间隙中的根部焊珠或第一焊珠，这种填充，是使电极横移过间隙，同时在横移时使电极纵向振动而实现的。如以上联系图1至13所示实施例而提到的，喷焊过程会成功地使轨底的广大区域内高度焊透并有高热。当根部即第一焊珠完成后，焊接动力供应即转换为脉冲焊接方式，以纵向振动电极来横向形成其余焊珠，以而填充钢轨顶部406之间的间隙。如在图1至13所述过程中那样，当间隙填充到达轨腰区域时，就用轮廓相符的铜蹄封闭间隙，且从图23也看得明白，轨腰之间的间隙，是以脉冲式连续进行气体保护焊接过程而填充的。

与迄今所述焊接过程相联系，焊枪与电极以均匀速度，在轨底顶部与轨腰之间的间隙中横移，从而，连续多层焊接金属在间隙的开始端与终结端之间，垂直厚度基本上是均匀的。与此实施例相一致，当焊接过程到达轨腰之间间隙的上端时，且因此而到达轨头过渡部分之间的下端时，脉冲式焊接继续进行，但焊珠布置方式有所改变。从以下对图17至21的说明可看明白，在轨头之间的间隙中的焊珠布置方式，使每条连续布置的焊珠，其开始端的垂直厚度大于终结端且对应于轨头横向相反边缘上的开始端的悬臂支撑方式，并使开始端位于轨头过渡部分之间的间隙中，该开始端在轨头之下。先参看图17，设标号414代表在轨腰之间那间隙中布置的最后一条填料金属焊珠的上表面，在轨头过渡部分之间那间隙中布置的第一条焊珠WB1，沿着一条横向延跨过该间隙且开始端与终结端分别邻接该间隙横向相反边缘416与418的路径而布置。焊珠WB1在该路径的开始端有第一端S，在邻拉该路径终结端处有第二端。另外，焊珠WB1第一端S的垂直厚度大于第二端E的，且如图18所示，该焊珠的第一端处有一以悬臂支撑方式从间隙g的外缘416向外伸展的外端CL。从与图17相关的图18至20中，可看出焊珠形状与悬臂支撑端达到的方式。在这方面，如图18所示，焊枪250与电极260首先位于邻接路径开始端的边缘416处，最终则移向图18右方的间隙的边缘418。与此实施例相一致，焊枪与电极在路径开始端延迟或停留一段预定时间，从而使电弧C的力横向与纵向驱赶该开始端的熔融焊接金属，以填充如图19所示的该处间隙。同时，焊接金属以前述方式散布，重要的是要注意，电弧与铜蹄不接触，且熔融金属接触的铜蹄124如图17至20所示在焊珠第一端上形成一层皮SK。

当在路径开始端预定停时间过去后，焊枪与电极从图18所示开始位置，移向图17所示终结位置，并以一与在开始端延迟一起的既定速率，使焊珠形状成为斜削的，以便在第二端E处的垂直厚度小于第一端S处的。从图21及前面的图示可看明白，第一条焊珠WB1的第二端E，限定着下一条即第一条焊珠WB2的第一端S的位置。焊枪因而还有电极，在从开始位置移动到终结位置期间，纵向振动间隙，且一当它们到达终结位置时即停止振动。焊枪250与电极260在第二条焊珠那条路径的开始端，也延迟或停留一段预定时间，从而如前面对焊珠WB1所作说明那样，熔融填料金属聚集在第二条焊珠的第一端处，形成一个对应的悬臂支撑端CL，从而如图21所示从边缘418向外延展。延迟之后。焊枪与电极在振动的同时，又以预定的移动率回移向边缘416及焊珠WB1的第一端，从而回移与在焊珠开始端的延迟一起，使焊珠WB2第一端S的垂直厚度，大于其第二端E。从图17与18可看明白，当连续的焊珠垂直进入过渡区时，焊枪口会与铜蹄122及124接靠，从而如图21所示，各条焊珠的第二端就从中央横向覆盖间隙。这种接靠发生在焊珠的各开始端，焊枪与电极的延迟移动使熔融金属如前所述那样散布，以便在焊珠的第一端形成合要求的焊珠形状及相对于间隙边缘416与418的一个边缘而对应的悬臂支撑关系。虽然图21中未显示，但各个轨头之间所有间隙，均已被电极在轨头间隙中顺着横向相反方向，并以前述方式，连续不断地移动后填充了。再从图21可看明白，在过渡区内每个间隙横向相反边缘处的焊珠第一端，相对于支在下面的第一端，是悬臂支撑式的，从而，优化了对覆盖在上的焊珠的支承，并优化了在轨头过渡区内沿着钢轨横向相反侧边的填料焊接接头的强度。同样地，在轨头之间那间隙的中央部分与冠状部分中，以及沿着间隙过渡部分的焊珠的垂直连续的各个第一端，在钢轨各个横向相反的边缘上优良地使焊接接头得到强化，并优化了各个头部之间接头的强度。

电极在间隙的每个反向端部上因而在连续布置的焊珠的各个第一端上的延迟或停留时间，可为1至10秒，且如下文充分说明那样，与沿着焊珠布置路径的电极移动推荐速度及能消耗的焊接电极进给率相联系，最好为1.5至4.0秒。与被焊接钢轨之间的间隙的过渡区、中央区及冠状区相关的推荐延迟时间，显示于图22中。参见该图，与钢轨过渡部分之间那间隙中焊珠布置相关的延迟时间为4.0秒，直至由进入中央部分的钢轨过渡部分所限定过渡部分终端，在该终端处的停留时间最好为3.0秒、4.0秒的停留时间，可使熔融焊接金属填充焊蹄与钢轨边缘之间的凹部，并以如图17至21所示及前文所述的悬臂支撑方式在钢轨边缘之外延伸。当所布置的焊珠垂直伸入钢轨中央部分的间隙中时，延迟时间减至2.0秒，以便先前在钢轨过渡部分之间那间隙中焊接操作所产生的热，促使送往轨头的焊接金属熔化，从而，在中央部分的焊珠开始端处的延迟时间，能不降低焊接质量地减少。为了同样理由，所布置的焊珠在钢轨冠状部分那间隙中的延迟时间，减至1.5秒。当然，要明白，图22中的描绘，是关于在所布置焊珠第一端处在图22中从左至右的延迟时间，以及未显示的在间隙反向边缘处的焊珠第一端的，在该处，焊珠回向所示间隙边缘延伸。

除了上述与填充钢轨间那间隙的过渡部分、中央部分与冠状部分有关的推荐延迟时间之外，在此延迟之后，最好使电极以每分钟10.16cm的速度及每分钟609.6cm的焊条进给率，在钢轨过渡部分之间那间隙中横向移动。这种速度与进给率，便于在过渡区内控制焊珠形状，同时保持优良的生产率及焊接质量。在轨头中央部分410之间的间隙中，推荐焊接速度为每分钟13.97cm，焊条进给率为每分钟609.6cm。填充轨头中央部分之间的间隙时，电极较高的移动速度，会使填充间隙的效率高，同时便于控制焊接冷却率及焊接接头的微观结构。列车车轮要行经的轨头，其中央部分之间间隙的填充，需要小心谨慎，以保证接头硬度及尽可能最高的焊接质量。用如上所推荐的1.5秒延迟或停留时间，在钢轨冠状部分之间那间隙中形成的焊珠，焊条进给率减为每分钟533.4cm，焊接电极的移动速度则增为每分钟15.24cm。这样的进给率与焊速，减少了被输入冠状区内焊接接头的焊接热量，这种减少又转而有助于保证钢轨头冠中充足的硬度。

还与本发明的此实施例的推荐参数有关，轨底40的底部404，最好如上文所述那样，用喷焊并与图1至13相关所述的挡板合用，来加以填充。与喷气金属电弧焊接有关的那种直接、顺畅而通透的电弧，使轨底的底角熔化在挡板上。轨底顶部406之间的间隙，则用脉冲电弧焊接技术，最好是以每分钟15.24cm的焊速及每分钟609.6cm的焊条进给率，让焊接电极在间隙中来回横向移动这种会得到优良生产率及焊珠形状控制的技术，进行填充。如上文所述，钢轨腰部之间的间隙，被铜蹄所包围，最好以每分钟1016cm的焊条进给率，填充该间隙。这种进给率便于尽可能快地填充轨腰之间的间隙，且与此实施例相一致而采用脉冲方式，能不降低焊接质量地迅速填充该间隙。

尽管已大大强调了各个推荐实施例及与它们有关的推荐参数，但要明白，可对所公开的各实施例，做许多不违背本发明各项原则的改动。相应地，显然可以理解，以上所述的事项，仅只是对本发明的说明而非限制。

Claims (25)

1.一种气体保护电弧焊接铁路钢轨的方法，每根钢轨具有一轨底、一垂向延伸的轨腰和一上部轨头，在此方法中，钢轨纵向间隔开来以提供一具有一定宽度的间隙，及所述钢轨通过用来自保护气体环境中的填充金属电极的熔融金属填充所述间隙而接合起来，所述方法的特征在于，所述焊接在一长形的钢挡板上实施，所述长形的钢挡板在所述轨底的底部楔进所述间隙，及所述焊接通过一在所述电极和所述挡板之间的电弧开始，所述电极被移进焊接过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一绝热件置于所述挡板的之下并在轨底的底部重叠所述间隙。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绝热件由陶瓷材料制成。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述绝热件形成为一片陶瓷布。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，一金属块设置在所述轨底的底部之下，所述金属块横跨所述间隙并设计成以接合所述轨底的所述底部，所述金属块具有一朝上的凹部以容纳所述绝热件。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属块由铜形成。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，蹄块设置在所述间隙的横向、垂向延伸的远端开口之上。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，蹄块在每个钢轨处与所述间隙隔开一个距离设置，蹄块在每个钢轨上移动，完成在所述轨底的底部的焊接。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在完成所述填充所述间隙之前，蹄块与在每个钢轨处的所述间隙隔开一个距离设置。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钢轨接合至少部分由多路气体保护电弧焊接过程实施。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，多路气体保护电弧焊接过程用金属的喷射转移实施。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述间隙的底部的填充通过具有金属喷射转移的脉冲焊接实施，及所述间隙的剩余部分的填充通过具有脉冲电弧焊接的多路气体保护电弧焊接实施。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在气体保护电弧焊接过程中，电极移进与蛇形路径相应的间隙。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长形的钢挡板用低碳钢形成。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长形的钢挡板的宽度在0.127厘米到0.762厘米之间。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长形的钢挡板的侧边缘被倒棱。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长形的钢挡板的原始宽度比所述间隙的选定宽度大至少0.0254厘米。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述长形的钢挡板的原始宽度比所述间隙的选定宽度大0.0254-0.0635厘米。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一个用以保持钢轨纵向隔开的装置。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当填充所述在轨头之间的间隙时，所述电极沿着具有开始和终止端部的路径在所述间隙的端面之间在侧向相反的方向上被移动，所述电极的运动从每条所述路径的开始端部被延滞。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述延滞以1-10秒之间的调整周期而实施。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动所述电极以0.0017至0.0025米/秒的速度实施。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极以0.089至0.102米/秒的送进速度送进。

24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在填充轨底、轨腰和轨头之间的间隙的过程中，焊接以纵向摆动所述电极的方式而实施。

25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过焊接填充轨腰及轨头之间的间隙之前，蹄块穿过所述间隙的侧向相对端部放置，实施焊接时使所述电极纵向摆动。

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