摘要
无缝线路是我国现代铁路的重要组成部分，是国民经济大动脉和关键基础设施，钢轨闪光焊由于其焊接效率高且质量稳定等优点，已成为我国无缝线路焊接的主要方法。钢轨闪光焊接头质量主要取决于顶锻前端面的温度场分布、端面保护情况、端面的平整度以及顶锻过程，除顶锻过程外的其余三项都是由液桥的形成和爆破过程实现。另外，钢轨闪光焊的工艺参数多，调试需耗费大量的财力物力。因此，研究液桥在焊接过程中的演化行为有利于理解钢轨闪光焊接过程，不仅对深入研究焊接加热与保护机理有重要作用，而且为钢轨闪光焊过程数值模拟打下基础。 由于钢轨闪光焊液桥爆破过程具有瞬时性、高温性、剧烈性、随机性以及多发生于接触端面内部，且端面间隙内部的熔融金属流动无法通过试验进行观测。因此，本文通过对特殊设计的钢轨接头和常规钢轨接头进行闪光焊接试验，利用高速摄影技术采集钢轨交流闪光焊接过程中液桥形成与爆破过程图像，并对得到的图像进行计算与分析，高速摄影试验结果表明：液桥的形成和爆破时间为毫秒级，会产生大量有利于端面保护和液桥爆破的高压金属蒸气，因爆破产生的高温金属射流速度能达到90m/s以上；液桥在形成长大过程中会出现影响钢轨端面均匀加热的在钢轨端面上的动态移动，液桥爆破并不是在液桥初始形成的位置；焊接过程中熔体会出现“二次爆破”现象；不仅动端钢轨的送进能够形成液桥，端面熔融金属层的震荡也有利于形成液桥。为研究钢轨闪光焊液桥爆破对端面平整性的影响，对在焊接一段时间后拉开的钢轨端面进行分析，统计分析了爆破坑的形貌，爆破坑的深度一般在0～2.76mm之间，且爆破坑的形状近似椭球体，左右两端面爆破坑形状大小及深度基本相当，为液桥爆破模型尺寸的确定提供了有力支撑。 在了解液桥形成爆破过程的前提下，合理简化模型，作出合理假设。使用Fluent流体仿真软件根据磁流体动力学理论，对钢轨闪光焊液桥爆破过程建立了电磁场、热场和流场等多物理场耦合的二维轴对称单液桥爆破仿真模型，探究液桥爆破过程中存在的现象、液桥的演化行为。通过计算模拟得到了在内置蒸气压力的情况下的爆破过程,仿真计算结果表明：仿真计算得到的爆破液滴飞行速度、电流密度和爆破时间与实际情况基本吻合；当液桥在内部蒸气压力、表面张力和电磁力的共同作用下膨胀至离壁面比较近的位置时，此部位的流体温度和速度最大；液桥爆破后，流体均往外流动，能够避免空气的侵入，对端面金属起到保护作用；对液桥爆破过程的各物理场进行分析，发现液桥的形态影响着电流、焦耳热、电磁力、速度和温度等的分布。单液桥仿真模型的建立与研究为将来钢轨全断面闪光焊模型的建立提供了参考。
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