钢轨闪光焊 技术 焊缝 伤损

闪光焊工作原理及钢轨焊头

一、什么是闪光焊

闪光焊也称接触焊，是在电阻对焊的基础上发展起来的。焊接开始时，两个金属工件端面接触，通过端面的接触点导电，接触电阻产生的电阻热加热工件端部，当温度达到一定程度时，工件接触面的金属熔化形成液态金属层，通过外加纵向力挤出液态金属，并使高温金属产生塑性变形，在结合面产生共同晶粒，获得致密的热锻组织形成对接接头。

1. 闪光的形成过程

在金属工件相互靠近的过程中，端面间一些相互突出的凸点首先接触，电流从这些接触点通过时，由于导电面积突然减小，造成电流线弯曲与收

缩从而形成了接触电阻，如图1所示。

图1 闪光面的接触点

这些小接触点的电阻很大，电流流过时被迅速加热、熔化，形成一个个液体金属过梁，这些金属过梁将热量传入焊件的内部。每个过梁都存在液态表面张力、径向压缩效应力、电磁引力和电磁斥力的作用，径向压缩力与流过过梁的电流强度平方成正比，在这些力的作用下过梁直径减小，电流密度

急剧增大，温度迅速上升，使过梁内部出现金属蒸气。金属蒸气使液体过梁体积急剧膨胀而爆破，熔化的金属微粒从对口间隙中飞溅出来，形成了飞溅的火花。爆破后的位置留下一定深度的火口，为邻近产生过梁创造了条件。闪光过程就是焊接端面不断产生液态金属过梁又连续不断的爆破过程，并伴随有工件金属的烧损。

2. 闪光的作用

（1）加热焊件。闪光过程中金属液体过梁的电阻热和过梁爆破时一部分喷射熔滴飞溅到对口面上带来的热量对焊件加热。

（2）烧掉焊件端面上的赃物和不平之处。因此也就可以降低焊接前对焊件端面的打磨要求，用手提砂轮粗打磨即可。

（3）金属的液体过梁爆破时产生的高压力、金属蒸气及CO、CO2气体形成了保护气氛，减低了焊件端面间隙中气体介质的氧化能力。

（4）闪光后期，焊件断面形成液态金属覆盖层，为顶锻时排除端面的氧化物和过热金属提供了有利条件。

3. 获得闪光对焊优质接头的条件

（1）后期闪光过程不出现闪光中断，加速烧化时闪光稳定、激烈，有良好的保护气氛。

（2）焊接端头应形成足够的加热区和适当的、均匀的温度梯度；断面温度均匀。因此要求钢轨端面垂直度（斜度）不大于0.8mm，高速轨的端面垂直度不大于0.6mm。

（3）焊接端面要有足够的塑性变形区。

二、钢轨闪光焊

钢轨闪光焊接按照闪光过程的特征分为连续闪光焊、预热闪光焊、脉动闪光焊三种类型。

1.连续闪光焊

图2连续闪光焊曲线

图2是K型焊轨机连续闪光焊接过程记录曲线，记录有焊接电压、电流、力、位移四个主要焊接参数与时间关系，从图中可见，焊接过程中的焊接电流是连续的。焊接中期闪光电流稳定在100～200安培（焊接变压器初级电流），动架夹持钢轨送进稳定，焊接压力值恒定，位移是一条斜线。连续闪光焊分为预闪、低电压闪光、加速闪光烧化、顶鍛、锻压（保持）五个阶段。预闪的作用有二个：一是闪平钢轨倾斜的端面、使随后开始的焊接过程保持全断面接触闪光；二是对钢轨端面预加热，减少焊接初期不稳定闪光时间。

连续闪光焊的主要焊接参数有：焊接时间、焊接电压变化程序、烧化速度、烧化末速、反馈电流、顶鍛量。加速烧化是顶锻前的重要阶段，加速时间和加速末速是重要的参数。

2. 预热闪光焊

预热闪光焊的焊接阶段有：闪平、预热、烧化、加速烧化、顶锻和鍛压、后热。图3是第四代GAAS80焊机预热闪光焊记录曲线，记录有焊接压力、焊接电流、位移和时间的关系。预热过程是加热钢轨的主要阶段。

图3 预热闪光焊记录曲线

3. 脉动闪光焊

图4是脉动闪光焊记录曲线，记录有焊接压力、焊接电流、位移和时间的关系。

脉动闪光焊与连续闪光焊相比较，其闪光过程中几乎没有过梁的自发爆破现象；在加热钢轨的主要阶段，闪光电流是不连续的。在焊接过程中它跟

踪的是电阻、电流；闪光烧化过程中焊接电流与送进速度无关；烧化过程的送进油压是脉动的。

脉动闪光焊已逐渐取代连续闪光焊，用于钢轨焊接全过程大约2分多钟。线路上移动焊轨主要采用脉动闪光焊方式。

图4 线路上拉伸钢轨焊接脉动闪光焊曲线

三、焊接参数调节功能

1. 电压的调节

焊接电压（焊接变压器次级电压）是决定钢轨加热状态的基本焊接参数，它可以显著地改变焊接时间和钢轨的温度梯度（不同断面温度之差）分布以及闪光过程的稳定性。稳定的闪光过程是具有很细小的过梁尺寸和火口深度。结合焊接过程选择适合的电压是很重要的。焊接电压增高，则焊接电流增大，闪光过程也就更加激烈，大尺寸的过梁爆破，造成大量熔化金属的飞溅，使钢轨端面的加热深度减小，火口的深度加大，端面温度分布不均匀，不能形

成良好的焊接接头；反之，当焊接电压较低时，焊接电流减小，将导致钢轨送进速度大于闪光烧化速度，易出现短路。

2. 反馈电流的调节

稳定的闪光烧化是通过焊接电流的反馈进行控制。闪光初期，可能出现一次或几次较大的短路电流，它与焊接电源功率、钢轨焊接回路阻抗、钢轨端面接触面积、及钢轨初始温度有关。在以后的低电压闪光阶段一般不应出现闪光中断；在加速烧化闪光阶段也不应出现闪光中断。顶锻前出现闪光电流短路或断路都会影响焊接接头质量。

3. 加速烧化

加速闪光烧化过程是焊接循环必不可少的一个阶段，也是顶鍛前的重要阶段，加速时间和加速末速是重要的焊接参数。加速使钢轨端面接触的触点增多，形成过梁的爆破也逐渐激烈，可以看到激烈的火花飞溅。激烈的闪光能够形成良好的保护气氛，为顶锻创造了良好条件。加速闪光烧化阶段通常是切断电流反馈控制，或加大反馈电流值。预热闪光焊加速程度应比连续闪光焊和脉动闪光焊的加速程度大一些。

4. 顶鍛和鍛压

顶锻量、顶锻时间、顶锻力是重要的焊接参数。顶锻过程分为两个阶段：（1）有电流顶锻。该阶段是在通电状态下进行的，以保证钢轨端部的温度并有利于液态金属及氧化物夹杂的排出。带电顶锻时间通常设置在0.5秒～1.2秒，时间长一点有利于液态金属及氧化物夹杂的排出。（2）无电流顶锻。该阶段是在切断电压（实际上是切断电流）后，继续保持顶锻压力，使液态金属及氧化物夹杂彻底被挤出，并排除过热金属，使焊缝继续产生塑性变形，形成