摩擦辅助钢轨闪光焊接设备及方法与流程

本发明涉及闪光焊接，更具体地，涉及一种摩擦辅助钢轨闪光焊接设备及方法。

背景技术：

1、目前，最主要的钢轨焊接方法有闪光焊、气压焊和铝热焊三种，焊缝存在脱碳层、软化层、灰斑等焊接缺陷；由于焊接热输入大，焊缝及热影响区晶粒比较粗大，对闪光焊和气压焊接头，我国铁标要求焊后必须进行正火处理，能一定程度上改善接头性能，但是也无法消除脱碳软化层、灰斑等焊接缺陷，尤其对于u20mn贝氏体等新材料钢轨，目前的闪光焊接不能实现合格的焊接接头。

2、摩擦焊相较于闪光焊、气压焊和铝热焊最大的不同点在于整个焊接过程中，待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点，即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。具有焊接接头质量高，无脱碳软化层、夹杂等特点，能达到焊缝强度与基体材料等强度，焊接效率高、质量稳定、一致性好，可实现异种材料焊接等优点。

3、受制于设备的局限性，目前最大的摩擦焊设备焊接钢轨接触面积小于4000mm2，不能满足钢轨焊接需求，而且开发更大吨位摩擦焊设备技术难度大、一次性投入大。现有技术中，专利cn109986189a公开了一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，专利cn112171103a公开了一种细化焊缝晶粒的焊轨机及方法，两者均专注于焊缝晶粒细化方面的问题，但均不能将焊缝金属挤出焊缝，从而无法消除焊缝处的脱碳合金元素烧损的软化层，也无法将焊缝内部氧化夹杂等缺陷挤出焊缝，从而无法提高焊接接头的力学性能和焊接质量。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种摩擦辅助钢轨闪光焊接设备及方法，以提高焊接接头的力学性能和焊接质量。

2、基于上述目的，本发明提供一种摩擦辅助钢轨闪光焊接设备，包括静架、动架、夹具、驱动装置、挤出端电极、动架电极、摩擦挤出件、静架电极、顶锻装置及控制器，其中:所述静架用于夹持或松开第一待焊钢轨，所述第一待焊钢轨包括第一焊接面；所述动架用于夹持或松开第二待焊钢轨，所述第二待焊钢轨包括第二焊接面；所述摩擦挤出件可拆卸地安装在所述夹具上，所述摩擦挤出件包括背向设置的第一贴合面和第二贴合面，所述第一贴合面用于贴合在所述第一焊接面上，所述第二贴合面用于贴合在第二焊接面上，所述驱动装置驱动所述夹具及所述摩擦挤出件一起沿垂直于所述第一待焊钢轨的长度方向往复运动；所述第一待焊钢轨包括第一焊接端，所述动架电极贴合安装在所述第一焊接端；所述第二待焊钢轨包括第二焊接端，所述第二焊接端和所述第一焊接端相对设置，所述静架电极贴合安装在所述第二焊接端，所述动架电极和所述静架电极均用于连接焊接电源的正极；所述挤出端电极贴合安装在所述摩擦挤出件上，所述挤出端电极用于连接所述焊接电源的负极；所述顶锻装置用于驱动所述动架沿靠近或远离所述静架的方向往复运动；所述控制器控制所述驱动装置、所述顶锻装置、所述静架和所述动架动作，所述控制器控制所述焊接电源的通断。

3、可选的，所述夹具内设置有卡接槽，所述摩擦挤出件卡接安装在所述卡接槽内。

4、可选的，所述动架电极贴合安装在所述第一焊接端的轨腰处，所述静架电极贴合安装在所述第二焊接端的轨腰处。

5、可选的，所述驱动装置包括第一缸体和与所述第一缸体驱动连接的第一活塞杆，所述第一活塞杆可拆卸地安装在所述夹具上，所述第一活塞杆带动所述夹具及所述摩擦挤出件一起沿垂直于所述第一待焊钢轨的长度方向往复运动。

6、可选的，所述挤出端电极包括导电排，所述导电排的一端安装在所述挤出端电极上，所述导电排的另一端与所述焊接电源相连通。

7、可选的，所述顶锻装置包括第二缸体和与所述第二缸体驱动连接的第二活塞杆，所述第二缸体固定安装在所述静架上，所述第二活塞杆安装在所述动架上，且所述第二活塞杆带动所述动架沿靠近或远离所述静架的方向往复运动。

8、可选的，所述动架电极上设置有多个动架冷却出风口，所述静架电极上设置有多个静架冷却出风口，所述挤出端电极上设置有多个挤出端冷却出风口，多个所述动架冷却出风口、多个所述静架冷却出风口及多个所述挤出端冷却出风口均用于与空气压缩机相连通，所述控制器控制所述空气压缩机的启闭。

9、可选的，所述摩擦挤出件的材质为u71mn或镍基高温合金。

10、基于同一发明构思，本发明还提供一种摩擦辅助钢轨闪光焊接的方法，使用前述任一技术方案所述的摩擦辅助钢轨闪光焊接设备进行闪光焊接，包括以下步骤：步骤一：采用除锈机除尽所述第一焊接面和所述第二焊接面上的浮锈、油污及氧化皮；步骤二：所述控制器控制所述动架，使所述动架夹持住所述第一待焊钢轨，所述第一待焊钢轨包括第一焊接面，所述控制器控制所述静架，使所述静架夹持住所述第二待焊钢轨，所述第二待焊钢轨包括第二焊接面，将所述摩擦挤出件可拆卸地安装在所述夹具上，所述摩擦挤出件包括背向设置的第一贴合面和第二贴合面，将所述第一贴合面用于贴合在所述第一焊接面上，将所述第二贴合面用于贴合在第二焊接面上；步骤三：所述第一待焊钢轨包括第一焊接端，将所述动架电极贴合安装在所述第一焊接端；所述第二待焊钢轨包括第二焊接端，所述第二焊接端和所述第一焊接端相对设置，将所述静架电极贴合安装在所述第二焊接端，将所述动架电极和所述静架电极均用于连接焊接电源的正极；将所述挤出端电极贴合安装在所述摩擦挤出件上，将所述挤出端电极用于连接所述焊接电源的负极；步骤四：所述控制器控制所述焊接电源开启，在所述第一焊接面与所述第一贴合面之间，以及所述第二焊接面和所述第二贴合面之间进行闪光焊接直至在第一焊接面和所述第二焊接面上均形成一层薄的液膜，所述控制器控制所述焊接电源断电，停止闪光焊接；步骤五：所述控制器控制所述驱动装置开启，以使所述驱动装置驱动所述夹具及所述摩擦挤出件一起沿垂直于所述第一待焊钢轨的长度方向往复运动；步骤六：当所述第一焊接面和所述第二焊接面处的液态金属、夹杂和氧化物完全被挤出后，所述控制器控制所述驱动装置动作，使所述夹具及所述摩擦挤出件一起远离所述第一焊接面和所述第二焊接面，所述控制器控制所述顶锻装置动作，使所述动架朝靠近所述静架的方向移动，快速加大顶锻压力，实现所述第一焊接面和所述第二焊接面之间的冶金结合；步骤七：当满足顶锻时间要求后，所述动架松开所述第一待焊钢轨，所述静架松开所述第二待焊钢轨，焊接完成。

11、可选的，在步骤四中，所述动架电极上设置有多个动架冷却出风口，所述静架电极上设置有多个静架冷却出风口，所述挤出端电极上设置有多个挤出端冷却出风口，将多个所述动架冷却出风口、多个所述静架冷却出风口及多个所述挤出端冷却出风口均用于与空气压缩机相连通，当进行闪光焊接时，所述控制器控制所述空气压缩机的开启，以对所述第一焊接端和所述第二焊接端进行冷却。

12、本发明提供的摩擦辅助钢轨闪光焊接设备及方法，包括静架、动架、夹具、驱动装置、挤出端电极、动架电极、摩擦挤出件、静架电极、顶锻装置及控制器，首先，将静架夹持住第一待焊钢轨，将动架夹持住第二待焊钢轨，将第一贴合面贴合在第一焊接面上，将第二贴合面贴合在第二焊接面上；然后，将动架电极贴合安装在第一焊接端，将静架电极贴合安装在第二焊接端，并将动架电极和静架电极均连接在焊接电源的正极上，将挤出端电极贴合安装在摩擦挤出件上，将挤出端电极连接在焊接电源的负极上；最后，控制器启动焊接电源开启，在第一焊接面与第一贴合面之间，以及第二焊接面和第二贴合面之间进行闪光焊接，直至在第一焊接面和第二焊接面上均形成一层薄的液膜，控制器控制焊接电源断电，停止闪光焊接，此时，控制器控制驱动装置开启，使驱动装置驱动夹具及摩擦挤出件一起沿垂直于第一待焊钢轨的长度方向往复运动，当第一焊接面和第二焊接面处的液态金属、夹杂和氧化物完全被挤出后，控制器控制驱动装置动作，使夹具及摩擦挤出件一起远离第一焊接面和第二焊接面，控制器控制顶锻装置动作，使动架朝靠近静架的方向移动，快速加大顶锻压力，实现了第一焊接面和第二焊接面之间的冶金结合，当满足顶锻时间要求后，动架松开第一待焊钢轨，静架松开第二待焊钢轨，焊接完成。在上述闪光焊接过程中，通过摩擦挤出件对第一焊接面和第二焊接面的往复摩擦，从而将第一焊接面和第二焊接面上在闪光焊接时产生的液态金属、杂质及氧化物挤出，进而提高了焊接接头的力学性能和焊接质量。