专利名称：钢轨的中频感应焊接方法
技术领域：
本发明涉及钢轨的焊接技术，特别是一种钢轨的中频感应焊接方法。
背景技术：
钢轨焊接技术中，对焊缝的机械性能、几何精度和质量稳定性的要求非常高，焊接质量的优劣严重影响钢轨的使用寿命。目前，钢轨的焊接方法主要有几下四种
I、铝热焊利用铝热反应热作为热源，使铝热焊剂成为液态金属，注入砂型形成焊缝金属。由于焊缝为铸造焊接组织，则不可避免地存在气孔、夹杂、夹渣、缩松等铸造缺陷，其机械性能大大低于钢轨母材，焊缝处塑性和韧性均较低。2、闪光焊电流通过两个对接钢轨的接触表面时，其细小的接触点的电阻及其接 触表面的电弧产生热量,将对接表面加热,在适当时间后,对接头施加压力，使两个对接表面的整个区域同时牢固结合起来的电阻焊方法。然而，闪光焊存在焊缝组织灰斑，无法避免，当灰斑面积超过一定程度时，会使焊头报废，严重降低焊缝的机械性能；另外，闪光焊所需焊接功率高、焊机造价很高(以GAAS80固定式焊机为例，其造价约1200万，加上配件总价高达1700万)，一旦焊机出现故障或需更换配件，就会造成较大损失，同时严重影响生产效率。3、电弧焊利用电弧作为热源的熔焊方法，将焊条金属熔化后填充形成焊缝，其手工程度高，生产效率低，质量不易控制，稳定性差。4、气压焊采用氧、乙炔火焰将钢轨加热至塑性状态，利用气压焊压接机装夹待焊钢轨并施以顶锻压力完成焊接，虽然焊缝处无铸造缺陷、不产生闪光焊灰斑，但由于火焰的干涉，难以实现对钢轨温度的精确测量和控制，故不能通过精确测量焊缝的温度确定最佳顶锻时机，以保证焊缝的质量及其稳定性，焊接质量较大程度依赖操作者经验，人为因素影响较大，而且焊接效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在焊接过程中可精确控制顶锻温度、最大限度消除人为因素对焊接质量干扰、稳定性高的钢轨的中频感应焊接方法，不会出现铸造缺陷、不产生闪光焊灰斑，在保证焊接质量的同时，便于实现自动化流水线生产、有助于提高焊接生产效率。本发明的技术方案是
该钢轨的中频感应焊接方法，其特殊之处是，包括如下步骤
1、利用气压焊压接机装夹待焊钢轨，采用中频感应器对待焊钢轨的待焊端面区域进行加热，加热过程中利用红外测温仪检测待焊端面区域的加热温度是否达到焊接顶锻起始温度，所述中频感应器连接有中频电源和水冷系统；
2、对待焊钢轨实现焊接顶锻。加热前，将所述中频感应器支撑在气压焊压接机的导柱上并包围住两根待焊钢轨的待焊端面，并调节中频感应器与待焊钢轨的间隙至29-31_。所述焊接顶锻起始温度为1220°C -1280°C。所述中频感应器的加热时间为40 50s。顶锻量控制在27 mm 35mm。焊接顶锻在加热停止后的10-15秒内完成。所述中频感应器由左、右空心铜体组成，所述左、右空心铜体利用连接件连接形成对应待焊钢轨的闭合环状，所述左、右空心铜体对应待焊钢轨的表面形状与待焊钢轨外轮廓形状相适应。所述水冷系统由冷却水泵、与冷却水泵的进水口相通的水箱以及冷却水管路组成，所述左、右空心铜体的下端面分别设有进水管柱、上端面分别设有出水管柱，所述进水 管柱利用冷却水管路与冷却水泵的出水口相连，所述出水管柱利用冷却水管路与水箱的进水口相连，使冷却水经进水管柱进入左、右空心铜体、由出水管柱流出左、右空心铜体并返回水箱，经由冷却水泵调取再次进入左、右空心铜体，实现冷却水在左、右空心铜体内自下而上的循环，进而达到冷却中频感应器的目的。所述气压焊压接机的导柱上对应左、右空心铜体位置分别设有支承小车，所述支承小车由车轮架、安装在车轮架下方与导柱的圆周面相配合的的车轮、立于车轮架上方的螺柱、设于螺柱上的调节螺母、卡接在调节螺母上的车架组成，所述车架设有端部支撑体和对应调节螺母的卡接位置的长条孔，所述左、右空心铜体分别设有对应车架的端部支撑体的支承座，所述支承座上设有紧固螺钉并利用紧固螺钉与插入其内部的车架的端部支撑体连接。焊接顶锻完成后，气压焊压接机的大机座上利用推凸刀垫安装有推凸刀，气压焊压接机带动所述推凸刀将钢轨焊缝处的焊瘤推掉，所述推凸刀由由头刀、腰刀、轨底刀组成。本发明的有益效果是
I、在气压焊的焊接原理基础上，采用中频感应加热方式，即运用中频电源为中频感应器供电，通过交变电流使待焊钢轨内部产生交变磁通，综合利用集肤效应、近邻效应和圆环效应对待焊钢轨实现加热，焊缝金属为钢轨母材金属的锻造组织，焊缝机械性能与钢轨母材基本相同，焊接过程中不会出现铸造缺陷、不会产生闪光焊灰斑，同时加热效率高。2、中频感应加热方式是无火焰加热，利用红外测温仪精确测控焊接顶锻前的加热温度，以根据检测温度确定最佳顶锻时机，当红外测温仪测定待焊钢轨的待焊端面区域温度达到焊接顶锻起始温度时，通过驱动气压焊压接机完成焊接顶锻，使两待焊钢轨焊接成为一体，以达到精确控制顶锻温度的目的，由于不依赖操作者经验，最大限度的消除了人为因素对焊接质量的干扰，保证了焊缝质量及其稳定性。3、加热、测温、顶锻焊接过程最大限度的减少了人为参与，便于实现自动化流水线生广、有助于提闻焊接生广效率。4、运用该焊接方法所焊接试件满足了相关国家标准和铁标标准的要求，即落锤试验、静弯试验、拉伸试验、冲击试验和金相组织满足TB/T1632-2005《钢轨焊接》的要求；疲劳试验满足GB/T 2585-2007《铁路用热轧钢轨》的要求。
图I是本发明的焊接设备组成示意 图2是本发明的中频感应器的加热原理 图3是本发明的钢轨焊接顶锻示意 图4是本发明采用的支承小车的结构示意 图5是图4的俯视 图6是本发明采用的推凸刀的结构示意 图7是图6的左视图。
图中高压电动油泵I、气压焊压接机2、导柱201、大机座202、中频感应器3、左空心铜体301、出水管柱301a、支承座301b、进水管柱301c、右空心铜体302、出水管柱302a、支承座302b、进水管柱302c、红外测温仪4、冷却水泵5、出水口 501、待焊钢轨6、电源控制柜7、连接件8、支承小车9、调节螺母901、螺柱902、车架903、端部支撑体903a、长条孔903b、车轮架904、车轮905、中频电源10、电源线(传输交变电流)11、冷却水管路12、交变磁通13、焊瘤14、紧固螺钉15、头刀16、腰刀17、轨底刀18、推凸刀垫19、水箱20、进水口 2001。
具体实施例方式实施例I
如图所示，本发明采用中频感应加热方式，基于压力焊接原理，通过焊接顶锻使两待焊钢轨成为一体，具体包括如下步骤(以U71Mn钢轨为例)
I、焊前准备。利用打磨机打磨待焊钢轨6端面，并用清洁的锉刀手工精锉，锉刀清洗剂采用四氯化碳。打磨后的钢轨端面表面粗糙度为Ral2. 5微米，端面平面度和端面与钢轨轴线的垂直度公差为0. 15毫米。2、利用气压焊压接机2装夹待焊钢轨6，并调整两根待焊钢轨6的相对位置，使其待焊端面对齐。气压焊压接机2连接高压电动油泵I作为动力源。3、将中频感应器3支撑在气压焊压接机2的两个导柱201上，并使中频感应器3包围住两根待焊钢轨6的待焊端面。其中，中频感应器3由左、右空心铜体301、302组成，所述左、右空心铜体301、302利用连接件8连接形成对应待焊钢轨6的闭合环状，左、右空心铜体301、302对应待焊钢轨6的表面形状与待焊钢轨6外轮廓形状相适应。气压焊压接机2的导柱201上对应左、右空心铜体301、302位置分别设有支承小车9，所述支承小车9由车轮架904、安装在车轮架904下方与导柱201的圆周面相配合的的车轮905、立于车轮架904上方的螺柱902、设于螺柱902上的调节螺母901、卡接在调节螺母901上的车架903组成，车架903具有端部支撑体903a和对应调节螺母901的卡接位置的长条孔903b，左、右空心铜体301、302分别设有对应车架903的端部支撑体903a的支承座30lb、302b，支承座301b,302b上设有紧固螺钉15并利用紧固螺钉15与插入其内部的车架903的端部支撑体903a连接。松开紧固螺钉15，转动车架903，调节中频感应器3与钢轨的待焊端面的角度，使中频感应器3的横截面与钢轨的待焊端面平行，再旋紧紧固螺钉15 ;转动调节螺母901，可使车架903沿螺柱902上、下移动，从而调节中频感应器3与待焊钢轨6的上、下间隙；沿车架903的长条孔903b左、右移动调节螺母901，可调节中频感应器3与待焊钢轨6的左右间隙；最终使中频感应器3与待焊钢轨6的左、右、上、下间隙为29mm-31mm，本实施例中将中频感应器3与待焊钢轨6的左、右、上、下间隙调整到30mm。4、中频感应器3连接有水冷系统，开通水冷系统的电源为中频感应器3供应循环冷却水。所述水冷系统由冷却水泵5、与冷却水泵5的进水口相通的水箱20以及冷却水管路12组成，所述左、右空心铜体301、302的下端面分别设有进水管柱301c、302c、上端面分别设有出水管柱301a、302a，进水管柱301c、302c利用冷却水管路12与冷却水泵5的出水口 501相连，出水管柱301a、302a利用冷却水管路12与水箱20的进水口 2001相连，使冷却水经进水管柱301c、302c进入左、右空心铜体301、302、由出水管柱301a、302a流出左、右空心铜体301、302并返回水箱20，经由冷却水泵5调取再次进入左、右空心铜体301、302，实现冷却水在左、右空心铜体301、302内自下而上的循环，进而达到冷却中频感应器的目的。5、钢轨预顶。接通高压电动油泵I的电源，使高压电动油泵I慢慢加载，检查压力表上的压力值，达到设定值后，停止加载，使两根待焊钢轨6的待焊端面紧密贴合。6、采用中频感应器3对待焊钢轨6的待焊端面区域进行加热。利用电源线11连 接中频感应器3的中频电源10使其提供交变电流，并调节中频感应器3的工作功率至少达到28kW，本实施例中频感应器3的工作功率为28 kff,使待焊钢轨6的待焊端面部分产生交变磁通,待焊钢轨6内部产生涡电流实现加热。加热时间为40 50s，本实施例中加热时间控制在40s。中频电源10、高压电动油泵I的电源以及红外测温仪4的电源均设置在同一个电源控制柜7中。7、顶锻。利用红外测温仪4检测待焊钢轨6的待焊端面区域被加热至焊接顶锻起始温度1220°C-1280°C时，开始顶锻动作。本实施中当红外测温仪4检测到待焊端面区域温度达到1250°C时，使高压电动油泵I快速加载，驱动气压焊压接机2的活塞动作，对待焊钢轨6实现焊接顶锻，顶锻速度为0. 004m/s,焊缝产生凸起时，注意观察顶锻量，根据轨型不同，顶锻量控制在27 mm 35mm，本实施例中采用的待焊钢轨(U71Mn钢轨)的轨型为50kg/
页锻量控制在27_，该顶锻步骤在加热停止后的10-15秒内完成，本实施例中加热停止后，顶锻步骤完成时间为10秒。8、推瘤。当顶锻量达到要求时，将中频感应器3推离焊缝，关闭中频电源10，顶锻结束。在气压焊压接机2的大机座202上安装推凸刀，再次使高压电动油泵I加载，气压焊压接机2的大机座202带动推凸刀向钢轨焊缝处的焊瘤14推进，将焊瘤14推掉，然后关闭高压电动油泵I的电源，完成推瘤。其中推凸刀由头刀16、腰刀17、轨底刀18组成，组装在推凸刀垫19上后利用推凸刀垫19安放在气压焊压接机2的大机座202上。9、移除中频感应器3和气压焊压接机2，完成焊接。对焊接后的钢轨进行落锤试验、静弯试验、拉伸试验、冲击试验、疲劳试验，试验数据如下
权利要求
1.一种钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于，包括如下步骤 1)、利用气压焊压接机装夹待焊钢轨，采用中频感应器对待焊钢轨的待焊端面区域进行加热，加热过程中利用红外测温仪检测待焊端面区域的加热温度是否达到焊接顶锻起始温度，所述中频感应器连接有中频电源和水冷系统； 2)、对待焊钢轨实现焊接顶锻。
2.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于加热前，将所述中频感应器支撑在气压焊压接机的导柱上并包围住两根待焊钢轨的待焊端面，并调节中频感应器与待焊钢轨的间隙至29-31mm。
3.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于所述焊接顶锻起始温度为 12200C -1280°C。
4.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于所述中频感应器的加热时间为40 50s。
5.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于顶锻量控制在27mm 35mm0
6.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于焊接顶锻在加热停止后的10-15秒内完成。
7.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于所述中频感应器由左、右空心铜体组成，所述左、右空心铜体利用连接件连接形成对应待焊钢轨的闭合环状，所述左、右空心铜体对应待焊钢轨的表面形状与待焊钢轨外轮廓形状相适应。
8.根据权利要求7所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于所述水冷系统由冷却水泵、与冷却水泵的进水口相通的水箱以及冷却水管路组成，所述左、右空心铜体的下端面分别设有进水管柱、上端面分别设有出水管柱，所述进水管柱利用冷却水管路与冷却水泵的出水ロ相连，所述出水管柱利用冷却水管路与水箱的进水口相连，使冷却水经进水管柱进入左、右空心铜体、由出水管柱流出左、右空心铜体并返回水箱，经由冷却水泵调取再次进入左、右空心铜体，实现冷却水在左、右空心铜体内自下而上的循环。
9.根据权利要求7所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于所述气压焊压接机的导柱上对应左、右空心铜体位置分别设有支承小车，所述支承小车由车轮架、安装在车轮架下方与导柱的圆周面相配合的的车轮、立于车轮架上方的螺柱、设于螺柱上的调节螺母、卡接在调节螺母上的车架组成，所述车架设有端部支撑体和对应调节螺母的卡接位置的长条孔，所述左、右空心铜体分别设有对应车架的端部支撑体的支承座，所述支承座上设有紧固螺钉并利用紧固螺钉与插入其内部的车架的端部支撑体连接。
10.根据权利要求I所述的钢轨的中频感应焊接方法，其特征在于焊接顶锻完成后，气压焊压接机的大机座上利用推凸刀垫安装有推凸刀，气压焊压接机带动所述推凸刀将钢轨焊缝处的焊瘤推掉，所述推凸刀由由头刀、腰刀、轨底刀组成。
全文摘要
该钢轨的中频感应焊接方法，其特殊之处是，包括如下步骤1、利用气压焊压接机装夹待焊钢轨，采用中频感应器对待焊钢轨的待焊端面区域进行加热，加热过程中利用红外测温仪检测待焊端面区域的加热温度是否达到焊接顶锻起始温度，所述中频感应器连接有中频电源和水冷系统；2、对待焊钢轨实现焊接顶锻。其在焊接过程中可精确控制顶锻温度、最大限度消除人为因素对焊接质量干扰、稳定性高，且不会出现铸造缺陷、不产生闪光焊灰斑，在保证焊接质量的同时，便于实现自动化流水线生产、有助于提高焊接生产效率。
文档编号B23K101/26GK102773614SQ20121027586
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者于国英, 宋玉泉, 张君, 李琦, 王子儒, 翟峰, 袁学勇, 陶毅 申请人:沈阳至丰铁路新技术开发有限公司, 沈阳铁路局科学技术研究所