钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机的操作方法与流程

本发明涉及机械领域，更具体地，涉及一种钢轨闪光焊接和焊后热处理机的操作方法。

背景技术：

近年来我国高速和重载铁路蓬勃发展，随着铁路技术发展，轨道平顺性和高可靠性要求极大推动了无缝线路的应用，对无缝线路焊接技术要求越来越高。目前已形成无缝线路区间采用闪光焊，岔区采用铝热焊模式。闪光焊接机械自动化控制、焊缝缺陷少、焊接接头性能较好、质量稳定，作为无缝线路轨道焊接主要方法广泛应用于高速、重载、城际铁路，地铁施工应用中。

移动闪光焊轨车作业灵活、自动化水平高、生产效率高、焊接质量可靠且接头平顺性较好，目前作为我国既有线换修主要装备广泛应用在现场钢轨线下线上焊接。我国钢轨闪光焊接后要进行热处理工序，加热方式有火焰和电感应两种。火焰正火易造成加热不均匀或心部出现“未正透”的情况，且摆火宽度及频率无法控制易造成原焊接热影响区未被有效正火使接头性能下降。气体的稳定性会影响加热效果的稳定，特别是目前使用的火焰正火设备，没有喷风冷却(接头硬度)和锁定拉伸功能(钢轨易被拉细)。感应热处理采用中频电感应涡流加热的方式加热接头，加热区窄、温度均匀、重复性好，可实现喷风冷却和全阶段保压作业，比火焰正火有了明显的优势，因此热处理作业车在近几年得到大范围的推广应用。目前现场接头焊后热处理一般采用可实现保压的感应热处理作业车。

我国铁路既有线换轨焊接的主要施工方式：线下焊，先采用闪光焊轨车焊接，后进行接头粗磨，随后采用移动式热处理作业车进行接头焊后热处理，再进行后续精磨；线上焊，先采用非自行闪光焊轨车焊接，后进行接头粗磨，采用热处理作业车进行感应热处理，进行拉伸或自然放散，锁定线路及后续精磨等工序。

当前既有线换轨线上线下焊接施工模式还存在一些问题：(1)焊后热处理占用了比焊接更长的时间，尤其是热处理作业车的使用，增加了整个焊轨作业的时间和调配精力，热处理作业车和焊轨车的连挂顺序也影响现场的作业调配。(2)线下焊钢轨置于砟肩处，由于卸轨与焊轨环境温度差异，一般都存在顺直不良。闪光焊机可实现保压焊接，但接头正火，尤其是火焰正火，很难保证接头受热后变形，对接头质量(平直度，扭曲变形)影响较大。(3)线上焊施工组织较为复杂，天窗时间短。非自行焊轨车在前面焊接，无法提供让车空间供热处理作业车作业，一般会采用火焰正火。

为了提升运能，对铁路维修施工提出了较高的要求，铁路施工在不影响作业质量的前提下要尽量少占用线路运行时间，钢轨焊接换修一体化施工需求越来越迫切。尤其是近些年，世界和我国高速铁路快速发展，高速铁路无缝线路换修焊轨需求旺盛。一般普通铁路既有线换修焊轨施工采用铺、焊、换、收轨按四个天窗流水作业。高铁焊轨换修按工序分天窗作业采用普通铁路换修模式存在较大安全风险，需铺、焊、换、收一体化施工，减少线路上钢轨、设备、材料存放等安全源。

自焊轨车于2008年开始在各路局配备以来，大幅度提升了我国既有线换修钢轨焊接质量水平。移动闪光焊轨车机械化水平高，自动化水平高，能够满足新线建设和既有线换修施工现场需要。焊后热处理作业从先前的火焰加热改进为电感应加热+喷风冷却模式，自动化水平高、热处理质量稳定、受人为因素影响小。采用移动闪光焊轨车+焊后热处理作业车的模式进行现场钢轨焊接，很好地实现了现场焊接质量稳定可靠，也推进工务维修全面实现大型养路机械化作业发展目标。

采用移动式闪光焊轨车+热处理作业车模式，提高了现场接头质量控制水平，但仍存在一些缺点和不足：(1)增加工务换轨大修列车编组和动力车头数量(焊轨车和热处理作业车要单独作业，提供单独动力)；(2)增加了换轨抢修焊轨作业时间(多了行车调度)，对天窗作业提出了时间控制上的新问题；(3)增加了调度和操作人员；(4)增加了行车、设备故障造成的天窗误点和人身等安全隐患；(5)普通移动钢轨闪光焊接和热处理机头都包括保压机架，可实现焊接和热处理前夹持，作业过程中保压，但是机架尺寸和重量较大，很难兼容；(6)焊接和热处理的电源特性不一样，焊接采用普通的工频交流电，而热处理采用中频交流电，很难兼容。

在中国专利(公布号cn107674961a)公开了一种悬挂式钢轨闪光对焊中频热处理机构，用于对焊接后的钢轨进行热处理，但是该中频热处理机构体积较大，无法与传统的焊轨机直接整合在一起。

在中国专利(公布号cn107262894a)公开了一种具有中断轴的钢轨闪光焊机，用于安装其它设备，但是该机构动静架中间的空间不能直接满足当前中频加热机构安装作业需求。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种钢轨闪光焊接和焊后热处理机及一体化的操作方法。

根据本发明，提出一种钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机的操作方法，钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机包括中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机、中频热处理机头和控制装置，所述中频热处理机头设置在所述中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机的中轴上，所述控制系统与所述悬挂式钢轨闪光焊机和所述中频热处理机头相连以实现焊接和热处理的控制，操作方法包括以下步骤：

步骤1：控制装置控制中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机夹持并对齐两段待焊钢轨；

步骤2：中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机闪光焊接、顶锻和推凸；

步骤3：控制装置控制中频热处理机头的加热线圈与焊接接头对准并进行热处理；

步骤4：一体机复位。

进一步的，在所述步骤1中，还包括：在对位前检查钢轨除锈效果和端面垂直度，检查焊接空间。

进一步的，在所述步骤2中，推凸后，控制装置控制中频热处理机头的喷风嘴对焊接接头进行喷风冷却。

进一步的，在推凸后，在30秒内对焊接接头进行喷风冷却，风压不低于0.3mpa，温度达到预设的温度第一阈值时停止喷风。

第一阈值优选为300℃，冷却时间为2-3分钟。

进一步的，在所述步骤3中，所述进行热处理的步骤包括：

步骤31：测量轨头中心表面温度，当温度达到预设的温度第二阈值时，对焊接接头进行正火，直到加热温度到达温度第三阈值时；

步骤32：喷风冷却，直到焊接接头的温度到达预设的温度第四阈值时停止。

进一步的，本发明还包括焊接工艺参数和热处理工艺参数设置。

本发明提供一种适用于钢轨现场闪光焊接和焊后热处理机一体化作业方法，主要是实现钢轨闪光焊接和焊后热处理同工位连续、全自动作业，两分步工艺流程合二为一，互不干扰，焊接和热处理阶段采用全程钢轨保压、焊接接头性能达到闪光焊接和热处理分开作业的效果。本方法可用于高速铁路、城际铁路、地铁、有轨电车等新建线路或既有线换修轨道无缝线路焊接工程应用中。

本发明通过对夹持和保压机架重新设计，可满足钢轨焊接和热处理两个不同工序作业夹持和保压需要，同时满足焊接和热处理机构定位需求。在机头动静架狭小空间内满足焊接和顶锻行程、保压推瘤空间、感应加热线圈张夹、焊接和热处理隔离等苛刻要求。

通过将钢轨闪光焊接和焊后热处理两个装备合二为一，在满足现有各工序质量要求同时，采用最先进的钢轨闪光焊接和感应热处理技术，使用全自动控制，实现了钢轨焊接和热处理两工序合二为一。使钢轨焊接相关装备简化，质量控制简化，节省了设备和人员投入，提高了设备使用效率，也改变了现有钢轨焊接施工模式。

采用本发明方法可进行钢轨现场闪光焊接和焊后热处理一体化施工作业，使用钢轨现场闪光焊接和热处理一体机，将焊接和热处理工序同位置做作业，摒弃了以往常用移动焊轨车+热处理作业车模式(不同作业车，行车作业调度干扰以及作业占用时间)，在简化钢轨焊接工序、稳定焊接接头质量同时，提高了作业效率。

为了满足钢轨焊接质量需要采用闪光焊接、感应加热热处理方式，工艺流程全自动控制，工艺参数通过试验确定，可保证焊接接头质量可靠稳定。采用闪光焊接和焊后热处理全程保压方法，可控制接头在加热和冷却过程中变形扭曲，保证接头外观和平顺性。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的钢轨夹持部分和焊接部分的结构示意图；

图3为根据本发明的一个实施例的焊接和热处理一体机动静架五轴结构示意图；

图4为根据本发明的一个实施例的热处理机头的结构示意图；

图5为根据本发明的一个实施例的一体化作业工序及方式流程图；

图6为根据本发明的一个实施例的一体化焊接和热处理自动控制原理图；

图7为根据本发明的一个实施例的焊接工艺参数示意图；以及

图8为根据本发明的一个实施例的热处理工艺参数示意图。

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机的操作方法进行详细描述。

在以下的描述中，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机，包括中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机、中频热处理机头和控制装置，其中，中频热处理机头设置在中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机的中轴上，控制系统与所述悬挂式钢轨闪光焊机和所述中频热处理机头相连，控制装置的焊接主电路和控制电路分别从吊机伸缩臂两边延伸至一体机的机头。

钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机是为了将现有成熟的焊接机头和热处理机头合二为一(实现一个机头完成焊接和热处理两种作业)，在兼容两种功能的同时，满足互不干扰、作业空间和接头质量要求。

下面对中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机的结构和工作原理进行描述。

中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机如图1-图4所示，包括一体机机头、钢轨夹持部分总成1，焊接部分总成2，热处理部分总成3，焊接部分总成2和热处理部分总成3安装在一体机机头及钢轨夹持部分总成1上。

一体机机头由机头吊具1-1连接机头动架1-2和机头静架1-3，动静架的夹紧和张开由夹紧油缸及连杆1-4在中轴1-5转动下实现，即以中轴1-5为轴心实现夹紧油缸连杆转动，从而使夹紧油缸夹紧或张开；顶锻油缸2-1连接动静架，顶锻油缸活动时动静架相对前进后退，顶锻油缸处于动静架的下部，动静架上部在前进后退过程中缺少平衡，因此设置了导向轴1-6，动静架由顶锻油缸2-1(主动)在前进后退导向轴1-6(从动)作用下实现。

动静架钳口分别夹持待焊两根钢轨轨腰，实现钢轨对中以及保压焊接和热处理，在焊接和热处理过程中，动静架钳口始终处于夹紧状态。为解决热处理机头作业空间问题，中轴穿过动静架，但在动静架之间断开，在此，中轴只起定位，不起导向作用(主要是为了热处理作业机头留置活动空间)，在机架上部两侧增加两个导向轴1-6，采用五轴方式实现动静架的定位和相对运动。

动静架间五轴结构如图3所示，1-5是断开中轴，中轴只起导向作用。

在本发明中，热处理机头固定在中轴1-5上。为了满足60和75kg/m钢轨作业需求，1-5断开中轴和1-10顶锻轴中间的空间需要满足线圈机构张开后的活动空间，顶锻轴适当外移、内侧外壁合理减薄，为热处理机头上下移动提供活动空间。1-6是右导向轴规定在动架上，左导向轴对称制作，1-7是导向轴套，1-7导向轴套与1-3静架之间通过1-9导向轴套绝缘固定，2-2为顶锻轴，焊接过程中两个导向轴和两个顶锻轴伸长缩短实现机架前进后退，中轴仅起到定位转动作用。

焊接部分总成2由顶锻油缸2-1、顶锻轴2-2、推凸油缸2-3、推凸刀2-4组成，顶锻油缸2-1可实现动架前进后退完成钢轨脉动和连续焊接，顶锻轴2-2可为动架导电、在绝缘的前提下实现导向和顶锻作业，2-4推凸刀实现焊接顶锻后切除凸起超范围焊瘤。

之前技术焊接和热处理工序是分开的，两工位不并行作业，相隔时间较长，焊接完成的接头在热处理开始前已经冷却充分。采用一体机时，焊接和热处理可以连续作业，但接头焊后需冷却到300℃以下才能进行热处理作业，如果在空气中缓慢冷却，需要15-20分钟，为了缩减焊后接头冷却时间，采用焊后喷风冷却(风压不低于0.3mpa)的方式，喷风冷却一般只需要2-3分钟左右。

下面对中频热处理机头的结构和工作原理进行描述。热处理部分总成3由中频变压器、整体支架、线圈及支架、动作油缸组成。中频变压器由3-1初级及次级线圈和3-2水冷管路组成，整体支架由3-3上下下落收起线圈油缸、3-4集水器、3-5上下油缸导杆组成，线圈及支架由3-7加热线圈固定支架、3-8加热线圈固定电极、3-9喷风嘴、3-10加热线圈、3-11线圈夹紧接触电极、3-12线圈与固定支架间绝缘组成，通过3-6线圈夹紧油缸实现线圈的夹紧和张开动作。在不影响接头质量的前提下，通过焊后喷风冷却减少了缓冷占用时间。通过一次对位实现焊接和热处理，减少了热处理对位的时间。

采用液压装置驱动方式实现加热线圈进行夹紧、张开、垂直方向移动等动作。热处理加热线圈采用分体式开合结构，能够快速完成定位、加热，安装拆卸方便。并可实现60kg/m与75kg/m钢轨加热线圈的便捷互换，无需调整电源设置和机械结构。在线圈的轨头附近，设有4个喷风嘴，通过喷风处理，提高轨头焊缝硬度，如图4所示。

在热处理过程中，线圈本身也会产生大量热量，温度上升。通过水冷管路冷却循环，降低线圈温度，提高连续作业能力。

在本发明中，热处理作业机头部分置于动静架之间的空间中，热处理机架固定于中轴上，动静架之间的空间可满足焊接过程和热处理过程作业需求。

控制系统实现焊接和热处理整体控制以及焊接和热处理其它各系统优化配置及布局。

钢轨焊接和热处理两套装置合二为一时，中频电源(中频交流)对控制电路和测量模拟输出输入信号也会产生一定的感应电动势。由于中频热处理电源采用lc震荡电路，当电源作业停止后，电源电容仍然有电量储存而待释放。

在电缆布局走线时，控制电路的焊接主电路和控制电路分别从吊机伸缩臂两边延伸至作业机头。如果在一起走线，存在相互环绕，焊接主电路(工频交流)使控制电缆产生一定的感应电动势。

一体机可实现钢轨闪光焊接和焊后热处理一体化(全自动全过程)作业，也可以实现闪光焊接和热处理单独作业。图5自动控制作业采用plc控制，一体机自动控制方法如图6所示。

钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机实现了焊接和热处理工序一体化作业，减少了作业机械、工序、调度、人员、时间的同时，保证了接头焊接质量，提高了整体作业效率。

根据本发明，钢轨现场闪光焊接和焊后热处理一体化的操作方法如图5所示，可实现钢轨闪光焊接和焊后热处理同工位连续、全自动作业，两分步工艺流程合二为一，互不干扰，焊接和热处理阶段采用全程钢轨保压、焊接接头性能达到闪光焊接和热处理分开作业的效果。

作业流程及工序工艺参数设置包括焊接工艺参数和热处理工艺参数两部分，如图7和图8所示。

钢轨现场闪光焊接和焊后热处理一体机的操作方法包括以下步骤：

步骤1：控制装置控制中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机夹持并对齐两段待焊钢轨；

步骤2：中断中轴式的悬挂式钢轨闪光焊机闪光焊接、顶锻和推凸；

步骤3：控制装置控制中频热处理机头的加热线圈与焊接接头对准并进行热处理；

步骤4：一体机复位。

在步骤1中，待焊接头对位，一体机焊轨车按照正常流程开机，操作双臂吊机实现一体机机头与待焊两钢轨缝隙对位，在对位前检查钢轨除锈效果和端面垂直度，检查待焊钢轨端是否满足焊接空间，安装推瘤刀；夹持对中，一体机机头张开钳口(采用钳口夹持轨腰)，对位完成后夹持两待焊钢轨，检查两轨端对齐效果，确保能够满足规定错差内才能进行焊接；

在步骤2中，闪光焊接，启动自动焊接，一体机自动完成接头闪光焊接、顶锻和推凸；焊后接头比较热，会先进行喷风冷却，优选的，风压不低于0.3mpa，冷却到温度第一阈值(设置的焊后冷却喷风停止温度)后，自动停止；优选的，温度第一阈值为300摄氏度。

在步骤3中，加热线圈自动到位夹紧(线圈与待热处理钢轨对准位置)，检查推凸是否完成及推凸刀是否到达位置，确认后，启动自动热处理，线圈自动张开、下落到位(线圈与待热处理钢轨对准位置)、夹紧。之后感应正火，当温度满足正火要求后(按照所需要求，可设置温度第二阈值)，会自动启动感应加热功能，对焊后接头进行正火，加热温度到达设置的温度第三阈值时会自动停止。到温后喷风快速冷却，冷却到设置的温度第四阈值(热处理喷风停止温度)后自动停止。

在步骤4中，回收焊机，回收一体机前检查热处理作业线圈是否回复到位，张开之前一直夹紧(焊接和热处理过程)的钳口；然后拆卸推瘤刀、除瘤，检查接头外观质量。

最后，进行焊接接头后续作业，粗磨、精磨和成品检查。

自动控制工序可通过工控机设置全过程工艺参数，主要包括焊接工艺参数和热处理工艺参数。焊接工艺参数和热处理工艺参数通过试验确定，试验要求根据所需要遵守的规范和标准执行。

根据本发明的钢轨闪光焊接和焊后热处理一体机的操作方法可用于高速铁路、城际铁路、地铁、有轨电车等新建线路或既有线换修轨道无缝线路焊接工程应用中。

所述的一体化作业流程及工艺参数，都是在现场试验中不断优化完善的方案，具有较强的合理性、可靠性和适应性。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。