鋼軌氣壓焊的回火研究

喻紅梅，戴 虹，劉擁軍

(西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川 成都 610031)

鋼軌氣壓焊的回火研究

喻紅梅，戴 虹，劉擁軍

(西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川 成都 610031)

氣壓焊是鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接的主要方法之一。新型的移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、自動(dòng)化程度高、無(wú)油煙環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，適用于新線和既有線的工地、橋梁、隧道軌道鋪設(shè)施工工程單元焊、鎖定焊復(fù)雜工況?；鼗鹗菤鈮汉秆?、乙炔混合氣體燃燒特有的現(xiàn)象，如何避免回火對(duì)提高移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)焊接效率有很大影響。在分析移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)氣路的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋼軌焊接工藝所要求的參數(shù)，以及氣體使用壓力安全范圍、氣流穩(wěn)定性要求，分別從氣瓶連接方式、回火防止器、質(zhì)量流量控制器等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，提出了避免回火的有效方法。

氣壓焊；回火；質(zhì)量流量控制器

0 前言

近年來(lái)，隨著無(wú)縫線路的快速發(fā)展，對(duì)鋼軌焊接的要求越來(lái)越高，不僅焊縫質(zhì)量要達(dá)到鐵道部標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要求提高焊接效率。鋼軌氣壓焊是鋼軌焊接的主要方法之一。其原理是通過(guò)氣體火焰(主要是氧、乙炔混合氣體)對(duì)兩根緊貼的、清潔的鋼軌端面進(jìn)行緊密貼合加熱，待鋼軌焊口被加熱到塑性狀態(tài)，金屬原子具有了足夠的“活化能”，可以躍遷貼合面，發(fā)生相互急劇擴(kuò)散，立即對(duì)焊口進(jìn)行加壓頂鍛，使焊口金屬在高溫、高壓條件下充分?jǐn)D壓變形，焊接表面之間的距離縮短到原子之間的相互作用半徑，達(dá)到分子之間的金屬鍵連接，完成重新再結(jié)晶，從而使待焊鋼軌形成牢固的冶金連結(jié)的焊接接頭[1]。

由于氣壓焊的主要能量來(lái)源于混合氣體的燃燒加熱，因此對(duì)氣路要求比較高，要求整個(gè)氣路能夠連續(xù)、穩(wěn)定、精確地提供一定比例的氧—乙炔混合氣體。氣路中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，均有可能出現(xiàn)回火現(xiàn)象?；鼗鸩粌H影響焊接接頭質(zhì)量，且影響焊接效率。因此研究分析整個(gè)氣壓焊氣路，對(duì)避免回火、提高焊接效率十分有益。

1 回火成因

回火是火焰向乙炔的來(lái)路倒流的現(xiàn)象，如火焰的流速過(guò)低、火焰中乙炔的含量過(guò)低、管路堵塞等都會(huì)造成回火，回火現(xiàn)象產(chǎn)生的原因還需從氣體燃燒的理論進(jìn)行分析。

氣體燃燒過(guò)程主要包括混合(即氣體燃料與助燃空氣的混合)、著火和燃燒三個(gè)階段，其中混合階段的速度最慢，因此混合階段是氣體燃燒過(guò)程的主要矛盾[2]。由于混合速度和混合的完全程度對(duì)燃燒速度和燃燒的完全程度起著決定作用?；鹧娣譃閮?nèi)焰和外焰，由加熱器中噴出的氧—乙炔混合氣體燃燒形成內(nèi)焰面，同時(shí)在內(nèi)焰面上未完全燃燒的乙炔靠射流從周圍空氣當(dāng)中吸入氧氣，并與之混合后繼續(xù)燃燒，形成外焰面。內(nèi)焰根部的穩(wěn)定性直接影響到火焰的穩(wěn)定性，它與火焰的噴出速度和火焰的燃燒速度有關(guān)，當(dāng)火焰的噴出速度等于火焰的燃燒速度時(shí)，火焰達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這是鋼軌氣壓焊要求的火焰；當(dāng)火焰的噴出速度小于火焰的燃燒速度，火焰根部向加熱器內(nèi)移動(dòng)，返回加熱器甚至混火槍內(nèi)，形成回火；當(dāng)火焰的噴出速度大于火焰的燃燒速度，火焰不能完全燃燒，所形成的熱量達(dá)不到鋼軌塑性變形的溫度。因此要解決回火問(wèn)題首先要控制好氣體流量，使加熱器內(nèi)能夠獲得穩(wěn)定、流量準(zhǔn)確的混合氣體。

2 影響氣壓焊回火的因素

2.1 移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)主要?dú)饴废到y(tǒng)

要解決回火的問(wèn)題，首先要根據(jù)氣壓焊軌車供氣系統(tǒng)分析引起回火故障的主要因素。氣壓焊軌機(jī)的氣路系統(tǒng)如圖1所示。乙炔是利用電解石與水作用產(chǎn)生的氣體，乙炔氣體內(nèi)含有硫化氫(H2S)和磷化氫(H2P)等雜質(zhì)。因此，為盡量減少氣體中所含的雜質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)的乙炔供氣部分使用匯流排將18個(gè)乙炔氣瓶并聯(lián)，以得到穩(wěn)定的乙炔壓力和流量，最大限度地提高乙炔氣體的使用效率。同時(shí)，9個(gè)氧氣瓶并聯(lián)。氧氣和乙炔氣體經(jīng)過(guò)減壓閥，通過(guò)5個(gè)并聯(lián)的回火防止器，由質(zhì)量流量器控制器按照PLC設(shè)定值對(duì)氣體流量進(jìn)行控制，通過(guò)焊機(jī)氣路系統(tǒng)送到加熱器。其中質(zhì)量流量控制器、回火防止器品質(zhì)狀態(tài)在氣路系統(tǒng)中起著重要的作用，對(duì)引起回火有著很大的影響。

圖1 氣壓焊氣路系統(tǒng)

2.2 氣體流量控制器對(duì)回火的影響

根據(jù)質(zhì)量流量控制器的開(kāi)通特性，合理選擇質(zhì)量流量控制器，在很大程度上可避免回火。移動(dòng)式氣壓焊機(jī)選用電流型質(zhì)量流量控制器。該質(zhì)量流量控制器具有精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、工作壓力寬等特點(diǎn)。氧—乙炔氣體開(kāi)起、關(guān)閉、清洗和閥控調(diào)節(jié)等的主要調(diào)節(jié)原理如圖2所示。由驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路閥門開(kāi)口大小的控制(閥控)、氣體的清洗、調(diào)節(jié)、關(guān)閉等。當(dāng)要求關(guān)閉或清洗時(shí)，直接控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)閉或開(kāi)起動(dòng)作；當(dāng)需要對(duì)流量實(shí)施閥控調(diào)節(jié)時(shí)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與流量傳感器和放大比較電路組成閉環(huán)負(fù)反饋控制，給定值由另三個(gè)控制單元提供。實(shí)際流量大小由傳感器信號(hào)放大，送給顯示模塊顯示。

圖2 質(zhì)量流量控制器原理

質(zhì)量流量控制器通過(guò)PLC和D/A模塊，借助外圍輔助電路，既能給MFC提供各種開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)，又能供給大小可調(diào)的模擬量信號(hào)，從而達(dá)到用軟件程序?qū)鈮汉高^(guò)程中的氧—乙炔氣體的靈活控制[3]。

MFC自身調(diào)節(jié)精度約±2%，在給定電壓受到外界干擾時(shí)，會(huì)影響質(zhì)量流量控制器控制度。每個(gè)質(zhì)量流量控制器出廠時(shí)本身的開(kāi)通特性稍有不同，根據(jù)氧—乙炔特性合理選擇質(zhì)量流量控制器。為保證乙炔氣體較為穩(wěn)定地供氣，應(yīng)選擇設(shè)定值上升過(guò)程較為平穩(wěn)的質(zhì)量流量控制器。在使用前首先進(jìn)行開(kāi)通特性的測(cè)試檢驗(yàn)，針對(duì)六個(gè)同一批次出廠的質(zhì)量流量控制器進(jìn)行開(kāi)通特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

然后，根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)的開(kāi)通響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性，將質(zhì)量流量控制器配對(duì)分為三組，如表1所示。

質(zhì)量流量控制器是一種精密儀器，一般在室內(nèi)使用，而移動(dòng)氣壓焊軌機(jī)經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)(環(huán)境較為惡劣)，以及在運(yùn)輸過(guò)程和使用過(guò)程都可能發(fā)生零漂，零漂可能使得實(shí)際流量與焊接工藝設(shè)定值發(fā)生較大偏差，因此應(yīng)定期對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行調(diào)零。如果人機(jī)界面顯示值不為0，則需調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器的調(diào)零電位器，使其顯示值趨于0。

圖3 質(zhì)量流量控制器開(kāi)通特性

表1 質(zhì)量流量計(jì)配對(duì)

2.3 回火防止器品質(zhì)和連接方法的影響

車體和焊機(jī)的氣路上，回火防止器的連接方式、個(gè)數(shù)對(duì)供氣壓力有影響。表2為回火防止器不同連接方法的氣路減壓試驗(yàn)結(jié)果。可見(jiàn)，三個(gè)回火防止器串聯(lián)使用，會(huì)導(dǎo)致供氣壓力損失近45%；兩個(gè)以上的回火防止器并聯(lián)，損失壓力值相等，損失值89.47%，供氣壓力越小，到達(dá)加熱器的乙炔氣體流量與焊接工藝要求值偏差越大，流速越慢，引起回火可能性就越大。若有氣路堵塞，易發(fā)生回火。

表2 回火防止器減壓試驗(yàn)

移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)車體氣路系統(tǒng)氧氣—乙炔分別采用五個(gè)并聯(lián)的干式回火防止器，氧氣用回火防止器最大壓力0.3 MPa，乙炔用回火防止器最大壓力0.15MPa。為減少壓力損失，焊機(jī)氣路系統(tǒng)分別采用一個(gè)干式回火防止器?；鼗鸱乐蛊靼惭b時(shí)應(yīng)注意檢查阻力小、無(wú)堵塞，連接處要擰緊，不允許有氣體滲漏。

2.4 火流量對(duì)回火的影響

質(zhì)量流量控制器的滿量程為200 SLM，自身調(diào)節(jié)精度±2%，焊接工藝要求用的氧氣—乙炔流量約100 SLM。當(dāng)流量低于20 SLM時(shí)，無(wú)法達(dá)到精確控制，流量上下波動(dòng)很大。小流量點(diǎn)火時(shí)，極易發(fā)生回火。分別設(shè)置兩組點(diǎn)火流量[氧∶乙炔比例11∶20(小流量)，25∶48(中流量)]進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果是 25∶48 的中流量點(diǎn)火不容易回火，如表3所示。

2.5 氣路過(guò)渡接頭對(duì)回火的影響

表3 小流量和中流量點(diǎn)火試驗(yàn)

氣體經(jīng)過(guò)多個(gè)硬管和軟管連接管路。在這些接頭處，由于管徑的突變，氣體流動(dòng)中若受到阻力，造成受阻，致使流速不一致，引起不連續(xù)供氣，使加熱器內(nèi)火焰的乙炔氣體不穩(wěn)定，火焰的噴出速度小于火焰的燃燒速度，火焰根部向加熱器內(nèi)移動(dòng)，返回加熱器，可能發(fā)生回火現(xiàn)象。因此接頭越多，越容易引起回火。解決措施是：接頭過(guò)渡處應(yīng)盡量圓滑；使用軟管的地方，應(yīng)盡量不要小半徑彎折，保持氣路通暢。

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接回火預(yù)防和解決辦法

(1)至少六個(gè)乙炔瓶通過(guò)匯流排并聯(lián)，保證乙炔氣流穩(wěn)定，同時(shí)可最大限度地提高乙炔使用效率。

(2)按照氧—乙炔的特性，合理選擇配對(duì)質(zhì)量流量控制器，乙炔應(yīng)選用上升和穩(wěn)定過(guò)程比較平穩(wěn)質(zhì)量流量控制器。乙炔若選用波動(dòng)較大的質(zhì)量流量控制器，就越容易回火。

定期調(diào)整質(zhì)量流量控制器零點(diǎn)，防止零漂過(guò)大，影響質(zhì)量流量控制器控制精度。

(3)焊接前應(yīng)檢查氣路接頭處有無(wú)漏氣現(xiàn)象，具體方法是用肥皂水涂在接頭處，有氣泡說(shuō)明接頭處漏氣，無(wú)氣泡則表示接頭密封性能良好。

焊接前應(yīng)保證焊機(jī)氣路軟管內(nèi)無(wú)雜質(zhì)，不受彎折，使氣體能夠流動(dòng)通暢。

焊接前進(jìn)行試火，觀察加熱器的火孔有無(wú)堵塞，若有火孔堵塞，需使用專用通針進(jìn)行疏通。定期清洗加熱器和混合槍，更換焊機(jī)氣路系統(tǒng)的軟管，以免雜質(zhì)堵塞。

(4)回火時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉乙炔、氧氣的截止閥，也就是需要將正在以較大回火吹力的助燃?xì)怏w全部切斷，混合槍內(nèi)最后的氧氣和乙炔燃燒。乙炔和外面空氣是隔絕的，不能燃燒，在槍內(nèi)熄滅。

(5)回火經(jīng)常發(fā)生在氣壓焊焊接點(diǎn)火階段，焊接過(guò)程中以及正火過(guò)程中。

若焊接點(diǎn)火階段發(fā)生回火，回火產(chǎn)生的雜質(zhì)及碳化物有可能污染鋼軌端面。嚴(yán)重的回火必須清洗加熱器、混合槍和更換焊接氣路軟管，重新處理鋼軌端面。

若焊接過(guò)程中120 s以后發(fā)生的回火現(xiàn)象，可以重新點(diǎn)火，繼續(xù)焊接。

4 結(jié)論

(1)回火產(chǎn)生的主要原因是火焰的噴出速度和燃燒速度的關(guān)系，只有火焰的噴出速度等于火焰的燃燒速度，形成動(dòng)態(tài)平衡，才能達(dá)到焊接工藝要求。

(2)解決回火必須提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的氣流。六瓶乙炔、三瓶氧氣通過(guò)匯流排并聯(lián)使用，能有效保證乙炔穩(wěn)定的氣流穩(wěn)定性。

(3)經(jīng)過(guò)合理選擇回火防止器，配對(duì)質(zhì)量流量控制器等，GPW－1200型移動(dòng)式氣壓焊軌機(jī)在青藏線累計(jì)焊接180余個(gè)焊頭未出現(xiàn)回火現(xiàn)象。

[1]戴 虹，易躍華，黃建平，等.新型氣壓焊軌機(jī)參數(shù)采集及質(zhì)量管理管理系統(tǒng)[J].電焊機(jī).1999，29(5)：83－85.

[2]裴秀娟.談回火問(wèn)題及解決辦法[J].全國(guó)性建材科技期刊，1999(5)：32－33.

Study on flashback of rail gas pressure welding

YU Hong-mei，DAI Hong，LIU Yong-jun
(Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas pressure welding is one of main methods of rail welding.New types of gas pressure welding engineering vehicle have good quality of welded joints，quick welding and high degree of automation，no fumes and clean，which apply to unit welding，lock welding，bridge，tunnel and other complex conditions of new－built railway and existing line.Flashback is the gas pressure using oxygen and acetylene welding gas mixture burns as a phenomenon peculiar to the heat source.How to avoid flashback has great influence on welding efficiency of the gas pressure welding engineering vehicle.Based on rail welding process parameters requirements,safe use of gas pressure and flow stability requirements,separately from the cylinder connection，flame arrester，mass flow controller to optimize，and then the article propose the way to avoid flashback.

gas pressure welding；flashback；mass flow controller

TG453＋.2

A

1001－2303(2011)03－0079－04

2010－11－03

收稿日期：鐵道部科技資助項(xiàng)目(2006G019)

喻紅梅(1983—)，女，四川資陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事焊接設(shè)備及其自動(dòng)化方面的研究工作。