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原文传递基于过梁爆破特征定量分析的交流闪光焊研究

论文题名：	基于过梁爆破特征定量分析的交流闪光焊研究
关键词：	钢轨焊接;交流闪光焊;过梁爆破特征;灰斑缺陷
摘要：	闪光焊是钢轨焊接领域应用最广泛的焊接方法，但长期以来闪光焊中存在的灰斑缺陷问题严重影响了闪光焊技术的进步。本文以高频电信号和高速影像为技术手段观测试验平台的小试样闪光焊过程，研究了交流闪光焊的过梁爆破特征提取方法。使用该方法提取了不同加速烧化阶段工艺参数的过梁爆破特征数据，研究了焊接工艺参数对过梁爆破特征的影响；同时研究了焊接工艺参数对接头性能和灰斑缺陷的影响。基于不同接头的过梁爆破特征，分析了产生大面积灰斑缺陷的原因，并结合灰斑夹杂物成分及性质建立了灰斑形成机理。本文主要研究工作和成果如下：　　（1）采集了试验平台闪光焊过程的高频电信号和高速影像，结合焊接曲线对各阶段的过梁爆破特征进行了系统的分析研究。由焊接过程的等效接触电阻变化特征，剖析了过梁的形成和爆破机理：过梁的形成分为两类，第一类是由于电流加热固相触点并熔化而形成过梁；第二类是端面残留液态金属受表面张力作用流动而形成，与电加热状态无关。在过梁爆破前，电磁收缩力Fc不能明显收缩过梁直径；焊接后撤动作会破坏过梁稳定性，加速过梁的爆破。　　（2）对交流闪光焊高频电信号进行分析，将其按半周期分为短路、断路、单过梁爆破和多过梁爆破4种；采用数据自适应分解的功率时域图谱生成方法和CNN图像识别方法，对高频电信号自动分类的识别率达98.2%；对半周期内的每个过梁爆破提取过梁爆破次数N、过梁持续时间T1、过梁爆破时间T2、过梁爆破电流变化△I、过梁爆破功率变化△P、过梁输入能量W作为过梁爆破特征。并使用高速影像提取过梁爆破时刻校验了基于高频电信号的过梁爆破特征提取的准确性。　　（3）分析研究了闪光焊中各阶段的过梁爆破稳定性和工艺曲线稳定性，加速烧化阶段的稳定性最好。以该阶段研究了焊接工艺参数对过梁爆破特征的影响：焊接电压对过梁爆破率的影响有限，前进速度提升时，过梁爆破率由30%左右上升至50%左右。焊接电压增加时，过梁爆破次数N增大；过梁持续时间T1均值在高压区域增大明显；过梁爆破时间T2无显著变化；过梁爆破功率变化△P、过梁爆破电流变化△I和过梁输入能量W的均值下降。前进速度增加时，过梁输入能量W的均值和过梁爆破次数N增大，但过梁爆破次数N在低压区域提升有限；过梁持续时间T1和过梁爆破时间T2无显著变化；过梁爆破功率变化△P、过梁爆破电流变化△I的均值在低压区域增大，在高压区域无明显变化。焊接电压和前进速度增加时，会显著提升过梁持续时间T1、过梁爆破功率变化△P、过梁爆破电流变化△I和过梁输入能量W的极大值，即增加过梁爆破强度的离散性。　　（4）加速烧化阶段的工艺参数对接头的抗拉强度和冲击吸收能量的影响有限，接头中单个灰斑缺陷的面积Smax是影响接头断裂和性能的关键因素。在拉伸试样中，单个最大灰斑缺陷面积百分比与接头抗拉强度百分比呈线性关系，相应的拟合公式为R??/R??′=?2.1568S??????/S??+101.7597,拟合的R2达0.9461。在冲击试样中，大尺度灰斑缺陷平均降低了冲击吸收能量约30%。　　（5）加速烧化阶段焊接电压和前进速度增大会增大接头出现灰斑缺陷的倾向，在400V、1.2mm/s条件下接头产生大尺度灰斑缺陷的概率达到了62.5%。通过分析不同接头的过梁爆破特征，发现在顶锻前出现强单过梁爆破，且后续半周期为断路特征时；这种类型的过梁爆破特征会保留强单过梁爆破形成的火口状态至顶锻阶段，接头中就会出现大面积的灰斑缺陷。小试样闪光焊的临界过梁爆破△P值约为60kW。　　（6）根据大面积灰斑缺陷出现的过梁爆破特征和灰斑夹杂物的成分及熔点分析，提出了灰斑缺陷的形成机理：在闪光焊过程中氧化形成了不溶于钢液的液相夹杂物，在顶锻过程中因端面温度过低或端面不平度极大阻碍了液相夹杂物的挤出，其残留在接头焊缝中，就会形成灰斑缺陷。
作者：	赵国
专业：	载运工具运用工程
导师：	李力
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2023