藥芯焊絲窄間隙焊接側壁熔深控制對策及其環境適應性

《藥芯焊絲窄間隙焊接側壁熔深控制對策及其環境適應性》是依託清華大學，由朱志明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：藥芯焊絲窄間隙焊接側壁熔深控制對策及其環境適應性
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：朱志明
• 項目類別：面上項目

項目摘要

採用自保護藥芯焊絲的全自動鋼軌窄間隙電弧焊接技術具有完全自主智慧財產權。本項目首先將雙脈衝焊接工藝引入鋼軌窄間隙焊接，研究脈衝參數對藥芯焊絲熔滴過渡的影響規律，並通過參數最佳化實現細顆粒過渡，降低甚至消除飛濺；然後，在建立焊接熱輸入與坡口側壁熔深映射模型的基礎上，通過對焊接熱輸入進行低頻調製及其與焊絲擺動的協同控制，實現對窄間隙坡口側壁熔深的精確控制。進一步，本項目將通過對脈衝電壓和電流的線上實時檢測和處理，採用多參數融合的電弧感測技術，實現焊接弧長、焊絲擺幅和焊炬運動軌跡的智慧型化控制，使焊接電弧總是處於最佳狀態並指向坡口恰當位置，自動適應焊接環境（如窄間隙坡口尺寸、焊炬運動軌跡、焊絲擺幅等）變化，保證窄間隙焊縫側壁熔深穩定，獲得高質量的鋼軌焊接接頭。研究成果將極大地促進窄間隙電弧焊接技術在鋼軌原位焊接中的推廣套用，保證高速列車的安全、平穩運行，對我國高速鐵路的建設和健康發展具有重要意義。

結題摘要

採用自保護藥芯焊絲的鋼軌窄間隙電弧焊接不僅具有良好抗風能力，適應現場套用，而且焊接過程全自動控制，可以完全擺脫對操作人員的技術依賴、有效縮短焊接時間，是具有完全自主智慧財產權、適用於無縫線路鋼軌原位焊接的一種新方法。首先，根據材質和結構特徵，對鋼軌窄間隙自動化焊接工藝進行了規劃和最佳化，包括軌底、軌腰和軌頭等，開發了具有X、Y、Z和R等4個自由度、基於PLC控制的自動化焊接系統，可實現焊絲擺動、焊接軌跡和速度協同控制，連續完成鋼軌全斷面窄間隙自動焊接。其次，建立了基於高速攝像的熔滴檢測和焊接工藝信息同步採集系統，對自保護藥芯焊絲的電弧穩定性和熔滴過渡行為進行了實驗研究，包括電弧電壓對熔滴過渡及電弧穩定性的影響、大熔滴過渡典型現象，並從熔滴受力角度，對電弧和熔滴過渡行為進行了分析；為進一步提高焊接電弧穩定性、降低飛濺，建立了基於雙階梯輸出特性、脈衝焊接頻率可控、脈衝焊接工藝參數自適應的脈衝焊接控制系統，研究了脈衝焊接工藝參數對電弧穩定性、熔滴過渡行為的影響規律，實現了自保護藥芯焊絲的細顆粒熔滴過渡。第三，根據焊接工藝參數、焊接熱輸入對焊縫成形的影響規律，建立了焊絲末端位置與坡口側壁熔深關係模型。在此基礎上，提出了雙脈衝焊接工藝和過程控制方法，採用脈衝焊接提高了電弧和熔滴過渡行為的穩定性，採用脈衝焊接工藝參數的低頻調製及其與焊絲擺動的同步控制，實現了對坡口側壁熔深和焊接熱輸入的有效控制。第四，為了研究鋼軌窄間隙電弧焊接過程中的焊絲末端軌跡、焊接電流、電弧電壓、送絲速度等對焊縫成形的影響規律，進而提取特徵信息，建立對鋼軌接頭和焊縫成形質量的分析和評價模型，設計和開發了鋼軌窄間隙焊接過程信息採集與分析系統，可以根據需要選取全部或部分特定數據，對電弧穩定性、熔滴過渡特徵和焊縫成形質量進行分析評價和比較，獲得規律性和特徵參數。最後，採用所開發的自動化焊接系統和最佳化的工藝參數，進行了平原和高海拔地區的現場鋼軌焊接試驗，特別研究了低氣壓對電弧穩定性、焊絲熔化、熔滴過渡和焊縫成形的影響規律。試驗結果表明，鋼軌接頭焊接質量明顯優於氣壓焊，部分指標達到了閃光焊標準。研究成果將極大地促進窄間隙電弧焊接技術在鋼軌原位焊接中的推廣套用，保證列車高速運行的平穩、舒適和安全，對我國高高速鐵路的建設和健康發展具有重要意義。