药芯焊丝窄间隙焊接侧壁熔深控制对策及其环境适应性

采用自保护药芯焊丝的钢轨窄间隙电弧焊接不仅具有良好抗风能力，适应现场应用，而且焊接过程全自动控制，可以完全摆脱对操作人员的技术依赖、有效缩短焊接时间，是具有完全自主知识产权、适用于无缝线路钢轨原位焊接的一种新方法。 首先，根据材质和结构特征，对钢轨窄间隙自动化焊接工艺进行了规划和优化，包括轨底、轨腰和轨头等，开发了具有X、Y、Z和R等4个自由度、基于PLC控制的自动化焊接系统，可实现焊丝摆动、焊接轨迹和速度协同控制，连续完成钢轨全断面窄间隙自动焊接。 其次，建立了基于高速摄像的熔滴检测和焊接工艺信息同步采集系统，对自保护药芯焊丝的电弧稳定性和熔滴过渡行为进行了实验研究，包括电弧电压对熔滴过渡及电弧稳定性的影响、大熔滴过渡典型现象，并从熔滴受力角度，对电弧和熔滴过渡行为进行了分析；为进一步提高焊接电弧稳定性、降低飞溅，建立了基于双阶梯输出特性、脉冲焊接频率可控、脉冲焊接工艺参数自适应的脉冲焊接控制系统，研究了脉冲焊接工艺参数对电弧稳定性、熔滴过渡行为的影响规律，实现了自保护药芯焊丝的细颗粒熔滴过渡。 第三，根据焊接工艺参数、焊接热输入对焊缝成形的影响规律，建立了焊丝末端位置与坡口侧壁熔深关系模型。在此基础上，提出了双脉冲焊接工艺和过程控制方法，采用脉冲焊接提高了电弧和熔滴过渡行为的稳定性，采用脉冲焊接工艺参数的低频调制及其与焊丝摆动的同步控制，实现了对坡口侧壁熔深和焊接热输入的有效控制。 第四，为了研究钢轨窄间隙电弧焊接过程中的焊丝末端轨迹、焊接电流、电弧电压、送丝速度等对焊缝成形的影响规律，进而提取特征信息，建立对钢轨接头和焊缝成形质量的分析和评价模型，设计和开发了钢轨窄间隙焊接过程信息采集与分析系统，可以根据需要选取全部或部分特定数据，对电弧稳定性、熔滴过渡特征和焊缝成形质量进行分析评价和比较，获得规律性和特征参数。 最后，采用所开发的自动化焊接系统和优化的工艺参数，进行了平原和高海拔地区的现场钢轨焊接试验，特别研究了低气压对电弧稳定性、焊丝熔化、熔滴过渡和焊缝成形的影响规律。试验结果表明，钢轨接头焊接质量明显优于气压焊，部分指标达到了闪光焊标准。 研究成果将极大地促进窄间隙电弧焊接技术在钢轨原位焊接中的推广应用，保证列车高速运行的平稳、舒适和安全，对我国高高速铁路的建设和健康发展具有重要意义。 2100433B

采用自保护药芯焊丝的全自动钢轨窄间隙电弧焊接技术具有完全自主知识产权。本项目首先将双脉冲焊接工艺引入钢轨窄间隙焊接，研究脉冲参数对药芯焊丝熔滴过渡的影响规律，并通过参数优化实现细颗粒过渡，降低甚至消除飞溅；然后，在建立焊接热输入与坡口侧壁熔深映射模型的基础上，通过对焊接热输入进行低频调制及其与焊丝摆动的协同控制，实现对窄间隙坡口侧壁熔深的精确控制。进一步，本项目将通过对脉冲电压和电流的在线实时检测和处理，采用多参数融合的电弧传感技术，实现焊接弧长、焊丝摆幅和焊炬运动轨迹的智能化控制，使焊接电弧总是处于最佳状态并指向坡口恰当位置，自动适应焊接环境（如窄间隙坡口尺寸、焊炬运动轨迹、焊丝摆幅等）变化，保证窄间隙焊缝侧壁熔深稳定，获得高质量的钢轨焊接接头。研究成果将极大地促进窄间隙电弧焊接技术在钢轨原位焊接中的推广应用，保证高速列车的安全、平稳运行，对我国高速铁路的建设和健康发展具有重要意义。

窄间隙焊具有极高的焊接生产率，更优良的接头力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍极其有限，我国不少行业在应用上仍没有零的突破。要使窄间隙焊接技术更成熟化、更实用化、技术经济优势更明显化，还应主要从以下方面加快技术开发和技术进步：  

（1）开发更低热输入的弧焊技术，以满足高强钢甚至高合金钢、空间位置适应性更宽等方面的需要；  

（2）开发GMAW方法的超低飞溅率控制技术（包括电源），以满足窄间隙自动焊工艺过程高可靠性、高稳定性的需要；  

（3）开发高抗干扰能力、高可靠性、高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在狭窄坡口内安全可靠运行，电弧在坡口内空间作用位置高度准确的需要 。 2100433B

窄间隙焊接，厚板焊接中一种焊前工件不开坡口,仅留10毫米左右的窄间隙,采用多层多道焊接的气体保护焊工艺。通常采用熔化极氩弧焊方法,亦可用钨极氩弧焊方法。生产率高,变形小和接头性能好。