一种第三体钢轨摩擦焊接方法与流程

本发明属于铁路钢轨摩擦焊接技术领域，特别涉及一种第三体钢轨摩擦焊接方法。

背景技术：

铝热焊能调节钢轨长度，通过焊接材料改善接头组织性能，但焊接接头抗冲击性较差；闪光焊、气压焊接头力学性能达到母材90％以上，但无法通过向焊缝区域添加焊接材料来改善焊缝性能，且焊后钢轨缩短30～40mm。现有道岔、异型钢轨等焊接采用铝热焊方法，存在强度低、夹渣、人为因素情况，存在很大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用摩擦焊接方法，接头质量高且稳定、生产效率高、节能环保、生产成本低的第三体钢轨摩擦焊接方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种第三体钢轨摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1、进行焊前准备，对待焊钢轨的待焊端面进行处理，然后将待焊钢轨和第三体分别装入钢轨夹具和第三体夹具中夹持；

s2、进行摩擦运动，包括以下子步骤：

s21、通过驱动器驱动待焊钢轨a、第三体和待焊钢轨b，使待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均形成相对运动；

s22、推动待焊钢轨a和待焊钢轨b向第三体靠拢，待焊钢轨a和第三体的接触面之间、第三体和待焊钢轨b的接触面之间进行摩擦运动；

s3、进行焊接：持续进行摩擦运动和相对运动，当待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体的轴向缩短量均达到预设值，焊合区的温度分布均匀和塑性变形达到预设值后，待焊钢轨a、第三体和待焊钢轨b停止运动；将第三体与两个待焊钢轨进行对位，待焊钢轨a、待焊钢轨b瞬间快速施加顶锻压力并保压，直至待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的摩擦界面及焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成两条焊缝的钢轨摩擦焊焊接接头。

进一步地，所述步骤s1包括以下子步骤：

s11、准备第三体；根据线路情况和要求，选择第三体的截面形状尺寸、材质、性能和长度；

s12、处理摩擦面：将待焊钢轨a、待焊钢轨b的待焊端面及第三体的两个待焊端面进行清除端面异物和打磨端面垂直度处理，使之满足摩擦焊接初始结合面的90％的贴合度；

s13、夹持钢轨和第三体：将待焊钢轨a、待焊钢轨b、第三体分别装入钢轨夹具a、钢轨夹具b和第三体夹具中夹持；

s14、对中定位：若第三体长度＜30mm(焊后第三体整体发生变形)或第三体截面尺寸大于钢轨截面尺寸，则采用两体对位法；若第三体长度≥30mm(焊后第三体整体未发生变形)或第三体截面尺寸与钢轨截面相同，则采用三体对位法。

所述两体对位法具体实现方法为：将待焊钢轨a和待焊钢轨b进行对中，然后分别向后拉开一定距离，放入第三体至焊接区域。

所述三体对位法具体实现方法为：在待焊钢轨a和待焊钢轨b之间放入第三体，将第三体分别与待焊钢轨a、待焊钢轨b进行对中定位。

进一步地，所述步骤s22中摩擦运动包括以下阶段：

初始摩擦阶段：待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均间隔1～3mm，在驱动器的作用下，待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均形成相对运动；当相对运动达到设定的振幅和频率后，在推力作用下，待焊钢轨b、待焊钢轨a皆向第三体靠拢；待焊钢轨a的焊接端面与第三体的焊接端面接触形成第一摩擦副及焊合区、第三体的焊接端面与待焊钢轨b的焊接端面接触形成第二摩擦副及焊合区，第一摩擦副和第二摩擦副凹凸部分产生摩擦、剪切和机械挖掘现象，第一摩擦副和第二摩擦副的摩擦加热功率均缓慢增加；

摩擦过渡阶段：随着摩擦运动的持续作用，摩擦加热功率显著增大，第一摩擦副和第二摩擦副界面金属温度均持续上升，发生塑性粘结与剪切现象；随着摩擦过程的进行，接触面的金属变成塑性良好的熔融状金属，熔融状金属逐渐扩散到第一摩擦副和第二摩擦副界面，使第一摩擦副和第二摩擦副界面封闭，保护内部金属不被氧化，但待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体在轴向上没有明显的缩短；

稳定摩擦阶段：当高温塑性金属完全封闭第一摩擦副和第二摩擦副界面，部分粘塑性金属及全部金属氧化物被挤出第一摩擦副和第二摩擦副界面，形成飞边；在摩擦运动和摩擦力的持续作用下，第一摩擦副界面和第二摩擦副界面的温度达到热平衡，粘结现象减少，原子作用现象增强；待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体在轴向上明显缩短。

进一步地，所述待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的相对运动表现为：第三体在yz平面内做直线往复运动或轨迹平动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内无运动。

进一步地，所述待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的相对运动表现为：第三体在yz平面内沿y方向做直线往复运动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内沿与y轴成一定角度的方向做直线往复运动，待焊钢轨a与第三体、第三体与待焊钢轨b在yz平面内均形成轨迹相对运动。优选地，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内沿z方向做直线往复运动。

进一步地，所述步骤s3中，待焊钢轨a、待焊钢轨b同时向第三体施加顶锻力。

本发明的有益效果是：本发明采用摩擦焊接方法，接头质量高且稳定、生产效率高、节能环保、生产成本低；选择合适的材质、性能的第三体可以改善钢轨材料的焊接性能、钢轨长度调节、异型钢轨焊接的问题。

附图说明

图1为本发明的第三体钢轨摩擦焊接方法的流程图；

图2为本发明的待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的进行相对运动示意图一；

图3为本发明的待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的进行相对运动示意图二。

图4为本发明的待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的进行相对运动示意图三。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种第三体钢轨摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1、进行焊前准备，对待焊钢轨的待焊端面进行处理，然后将待焊钢轨和第三体分别装入钢轨夹具和第三体夹具中夹持；包括以下子步骤：

s11、准备第三体；根据线路情况和要求，选择第三体的截面形状尺寸、材质、性能和长度；

s12、处理摩擦面：将待焊钢轨a1、待焊钢轨b2的待焊端面及第三体3的两个待焊端面进行清除端面异物和打磨端面垂直度处理，使之满足摩擦焊接初始结合面的90％的贴合度；

s13、夹持钢轨和第三体：将待焊钢轨a1、待焊钢轨b2、第三体3分别装入钢轨夹具a4、钢轨夹具b5和第三体夹具6中夹持；

s14、对中定位：若第三体3长度＜30mm(焊后第三体3整体会发生变形)或第三体3截面尺寸大于钢轨截面尺寸，则采用两体对位法；若第三体3长度≥30mm(焊后第三体整体未发生变形)或第三体3截面尺寸与钢轨截面相同，则采用三体对位法。

所述两体对位法具体实现方法为：将待焊钢轨a1和待焊钢轨b2进行对中，然后分别向后拉开一定距离，放入第三体3至焊接区域。

所述三体对位法具体实现方法为：在待焊钢轨a1和待焊钢轨b2之间放入第三体3，将第三体3分别与待焊钢轨a1、待焊钢轨b2进行对中定位。

s2、进行摩擦运动，包括以下子步骤：

s21、通过驱动器驱动待焊钢轨a、第三体和待焊钢轨b，使待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均形成相对运动；

s22、推动待焊钢轨a和待焊钢轨b向第三体靠拢，待焊钢轨a和第三体的接触面之间、第三体和待焊钢轨b的接触面之间进行摩擦运动；所述摩擦运动包括以下阶段：

初始摩擦阶段：待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均间隔1～3mm，在驱动器的作用下，待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间均形成相对运动；当相对运动达到设定的振幅和频率后，在推力作用下，待焊钢轨b、待焊钢轨a皆向第三体靠拢；待焊钢轨a的焊接端面与第三体的焊接端面接触形成第一摩擦副及焊合区、第三体的焊接端面与待焊钢轨b的焊接端面接触形成第二摩擦副及焊合区，第一摩擦副和第二摩擦副凹凸部分产生摩擦、剪切和机械挖掘现象，第一摩擦副和第二摩擦副的摩擦加热功率均缓慢增加；

摩擦过渡阶段：随着摩擦运动的持续作用，摩擦加热功率显著增大，第一摩擦副和第二摩擦副界面金属温度均持续上升，发生塑性粘结与剪切现象；随着摩擦过程的进行，接触面的金属变成塑性良好的熔融状金属，熔融状金属逐渐扩散到第一摩擦副和第二摩擦副界面，使第一摩擦副和第二摩擦副界面封闭，保护内部金属不被氧化，但待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体在轴向上没有明显的缩短；

稳定摩擦阶段：当高温塑性金属完全封闭第一摩擦副和第二摩擦副界面，部分粘塑性金属及全部金属氧化物被挤出第一摩擦副和第二摩擦副界面，形成飞边；在摩擦运动和摩擦力的持续作用下，第一摩擦副界面和第二摩擦副界面的温度达到热平衡，粘结现象减少，原子作用现象增强；待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体在轴向上明显缩短。

s3、进行焊接：持续进行摩擦运动和相对运动，当待焊钢轨a、待焊钢轨b和第三体的轴向缩短量均达到预设值，焊合区的温度分布均匀和塑性变形达到预设值后，待焊钢轨a、第三体和待焊钢轨b停止运动；将第三体与两个待焊钢轨进行对位，待焊钢轨a、待焊钢轨b瞬间快速施加顶锻压力并保压，直至待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的摩擦界面及焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成两条焊缝的钢轨摩擦焊焊接接头。本步骤中，待焊钢轨a、待焊钢轨b同时向第三体施加顶锻力。

进一步地，所述待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的相对运动表现为：第三体在yz平面内做直线往复运动或轨迹平动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内无运动。如图2和图3所示，图2为第三体在yz平面内做旋转运动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内无运动，图3为第三体在yz平面内做直线运动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内无运动。

进一步地，所述待焊钢轨a和第三体之间、第三体和待焊钢轨b之间的相对运动表现为：第三体在yz平面内沿y方向做直线往复运动，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内沿与y轴成一定角度的方向做直线往复运动，待焊钢轨a与第三体、第三体与待焊钢轨b在yz平面内均形成轨迹相对运动。优选地，待焊钢轨a、待焊钢轨b在yz平面内沿z方向做直线往复运动，如图4所示。

本发明选择不同尺寸形状的第三体，实现异型钢轨的可焊性；选择优于钢轨性能的第三体，改善焊缝成分和组织性能；选择不同长度的第三体实现焊后钢轨长度的调节；选择不同材质或性能的第三体，改善异种材质钢轨的焊接性或实现钢轨绝缘接头(陶瓷、绝缘金属、塑料等)的焊接。

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。