一种用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置的制作方法

本实用新型涉及金属焊接领域，尤其是涉及一种用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，特别适用于铁路钢轨接头的现场焊接。

背景技术：

随着高速铁路的发展，钢轨的无缝焊接是提高列车运行速度和平稳舒适性的关键技术，目前国际钢轨焊接的方法主要有四种：闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊，其中闪光焊和气压焊在焊接时有一侧钢轨必须移动，因此钢轨原位焊接的方法主要是铝热焊和电弧焊，铝热焊的主要问题是焊缝为铸造组织，接头性能韧性较差，手工电弧焊法虽然接头性能明显优于铝热焊接，但由于钢轨断面形状复杂，以60kg/m钢轨为例，断面高度176mm，轨底宽150mm，轨腰宽16.5mm，轨底轨腰宽度相差9倍多，且到轨头时又展宽至73mm。在焊接钢轨的轨腰和轨头时，为防止熔池金属下流，在两侧还有铜挡块，轨头铜挡和轨腰铜挡，因此电弧焊接时工艺难度较大。对工人技术依赖程度和受人为因素影响较大，另外焊接时间长也是使其应用受到制约的一个重要因素。

国内有几家研究单位对于钢轨电弧焊主要在药芯自保护焊领域。气体保护电弧焊通常是co2单独的气体、或者ar、co2、o2的混合气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊接技术，其具有电弧和熔池可见性好、焊接过程操作方便、熔渣少、焊接速度快、熔池小、热影响区小、焊后变形小等优点，这里将气体保护电弧焊应用于钢轨接头焊接做了尝试。

技术实现要素：

本实用新型为了解决铁路在役钢轨接头现场焊接的问题，提供了一种用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，在不影响线路运行的情况下，实现了快速高效的完成钢轨接头的焊接。

该装置的一个特征在于要求钢轨坡口角度θ为0°~30°，底部间隙h为0mm~16mm，钢轨底部垫有铜挡装置，通过气体保护电弧焊进行多层焊接，该装置偏转电机伸出的导电杆与导电嘴连接，导电杆内部装有焊丝，向外延伸至导电嘴外，焊丝与钢轨底部成一定角度，导电杆外部装有提供保护气体的送气管，送气管吹出保护气体，保证了由导电嘴伸出的焊丝与母材充分熔合焊接。

通过试验验证，使用ar、co2、o2的混合气体作为电弧介质保护电弧和焊接区，具有电弧和熔池可见性好、熔渣少、焊接速度快、熔池小、热影响区小、焊后变形小等优点，因此该装置的另外一个特征在于使用含有ar、co2、o2的混合气体作为保护气体。

另外，底面坡口间隙h的大小在2~10mm时，焊接熔深优选2~6mm，堆焊高度设置为2~8mm为宜，因为通过试验验证此条件下钢轨具有较好的焊接质量。

该装置的导电嘴底部为圆锥面，与导电杆通过螺纹连接，导电嘴内部为中空，用于输送焊丝，导电嘴外部为送气管，送气管外面上有多个均匀分布的通气孔，使混合气体能顺利输送到焊接熔池周围，隔绝空气形成气体保护；另外在导电嘴的外面涂有用于防止焊渣飞溅的陶瓷涂层，做到了与钢轨两侧坡口的绝缘，提高导电嘴的耐高温和稳定性。

该装置偏转电机伸出的导电杆与导电嘴连接，导电杆内部装有焊丝，向外延伸至导电嘴外，焊丝与钢轨底部成一定角度φ，φ的大小可根据钢轨不同位置进行调整，经过多次的试验可知，φ的角度不宜过大，处于75~105°范围内，就能取得较好的焊接效果。

该装置的偏转电机可带动导电杆及导电嘴做偏转运动，进而实现焊丝相对于钢轨坡口的偏转，保护气体通过送气管从导电嘴附近喷出，实现对焊接熔池的气体保护，进而保证其焊接质量。

综上所述，该用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置结构简单，方便实现，采用了混合气体的气体保护方式进行焊接，减少母材、焊料与周围气体的反应，减少夹渣、气孔等焊接缺陷，保证了焊接质量，避免人为因素的干扰，利于实现钢轨焊接自动化，在钢轨的焊接中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置工作原理示意图。

图2为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置中导电杆偏转机构示意图。

图3为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置中导电杆、送气管、焊丝、导电嘴位置关系示意图。

图中，钢轨1、导电杆2、送气管3、焊接坡口4、焊丝5、导电嘴6、轨底铜挡7、偏转销轴8、送丝轮9、送丝电机10、压紧轮11、电机12、导气管13、送气接头14。

具体实施方式

如图1～图3所示，该用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置由导电杆2、送气管3、焊接坡口4、焊丝5、导电嘴6、轨底铜挡7、偏转销轴8、送丝轮9、送丝电机10、压紧轮11、电机12、导气管13、送气接头14等部分组成。

图1为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置工作原理示意图；角度θ表示钢轨两侧坡口面的夹角，h表示钢轨底面坡口间隙，需要说明的是钢轨坡口可以是v型焊缝也可以是y型焊缝；焊丝5经过导电杆2和导电嘴6伸出，导电杆2外部套有送气管3，导电杆2在偏转电机12的带动下能够使焊丝5与钢轨底面形成夹角φ，夹角φ的大小根据钢轨焊接流程中焊接位置、电流、电压大小而不同；夹角θ的范围为0~30°，钢轨断面的坡口越小越能够进行更快更高效率的焊接，相反易产生边缘未熔合等缺陷，通过以往焊接经验得知，角度θ在5~10°时具有较好的焊接效果；同样的底面坡口间隙h的大小在2~10mm时，焊接熔深优选2~6mm，堆焊高度设置为2~8mm，钢轨具有较好的焊接质量。

图2为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置中导电杆偏转机构示意图；焊丝2在送丝电机10通过送丝轮9和压紧轮11的作用下，往熔池内送丝；偏转电机12通过偏转销轴8来控制焊丝5与钢轨底面夹角φ；导气管13通过送气接头14为送气管3提供保护气体，并且能够随着偏转电机12做偏转运动；在导电嘴6的外面涂有防止焊渣飞溅的陶瓷涂层，做到与钢轨两侧坡口的绝缘，提高导电嘴的耐高温和稳定性。

图3为图3为用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置中导电杆、送气管、焊丝、导电嘴位置关系示意图；该装置的导电嘴6底部为圆锥面，外部具有陶瓷涂层，与导电杆2通过螺纹连接，导电嘴6内部为中空，用于输送焊丝5，导电嘴外部为送气管3，用于输送混合保护气体；利用该该装置进行钢轨轨头焊接时，其焊接处的熔透性受到电弧的刨削效果和高温状态的熔池金属对流的影响，当熔池金属的对流向内的情况下，高温的熔池金属从上向下方向对流，电弧下方的熔透增加；当熔池金属的对流向外的情况下，高温的金属从中央向四周方向对流，焊缝扩宽且坡口面的熔透增加，因此这里优选将熔池金属的对流设为向外，熔池金属中的氧气的含量对保护气体成分的较大影响，作为保护气体使用含有co2、ar、o2的混合气体为宜。

除上述条件外，该装置的使用条件均按照气体保护焊的通用条件即可，例如焊接电流：160～360a，焊接电圧：18～30v，焊丝伸出长度：15～30mm，焊接速度：3～8mm/min，焊丝直径：1.6～2.0mm。

以上所述仅为本实用新型的一种较佳实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型思路和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含于本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于要求钢轨坡口角度θ为0°~30°，底部间隙h为0mm~16mm，钢轨底部垫有铜挡装置，通过气体保护电弧焊进行多层焊接，该装置偏转电机伸出的导电杆与导电嘴连接，导电杆内部装有焊丝，向外延伸至导电嘴外，焊丝与钢轨底部成一定角度，导电杆外部装有提供保护气体的送气管，送气管吹出保护气体，保证了由导电嘴伸出的焊丝与母材充分熔合焊接。

2.根据权利要求1所述用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于使用含有ar、co2、o2的混合气体作为所述钢轨气体保护焊中的保护气体。

3.根据权利要求1所述用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于所述焊接中焊接熔深优选2~6mm，堆焊高度设置为2~8mm。

4.根据权利要求1所述用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于导电嘴外部为圆锥面，具有陶瓷涂层，与导电杆采用螺纹连接，内部有通过焊丝的通孔。

5.根据权利要求1所述用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于导电嘴伸出的焊丝与钢轨底部成角度φ，φ的范围为75°~105°，φ的大小可根据钢轨不同位置进行调整。

6.根据权利要求1所述用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于偏转电机带动导电杆及导电嘴做偏转运动，进而实现焊丝相对于钢轨坡口的偏转，保护气体通过送气管从导电嘴附近喷出，实现对焊接熔池的气体保护，进而保证其焊接质量。

技术总结
一种用于钢轨焊接的气体保护电弧焊装置，其特征在于要求钢轨坡口角度θ为0°~30°，底部间隙H为0mm~16mm，钢轨底部垫有铜挡装置，通过气体保护电弧焊进行多层焊接；该装置偏转电机伸出的导电杆与导电嘴连接，导电杆内部装有焊丝，向外延伸至导电嘴外，焊丝与钢轨底部成一定角度Φ，Φ的大小可根据钢轨不同位置进行调整；导电杆外部装有提供保护气体的送气管，送气管吹出保护气体，保证了焊丝与母材的充分熔合焊接，减少夹渣、气孔等焊接缺陷，该装置具有结构简单可靠、实现方便，焊接质量高等优点，在钢轨的焊接中具有广阔的应用前景。

技术研发人员：刘振楠;周新航;韩侠;姜汉超;张剑
受保护的技术使用者：北京地平线轨道技术有限公司
技术研发日：2019.10.31
技术公布日：2020.11.24