随着无缝铁路的大量铺设和长时间服役,钢轨损伤的频率也在增加。受损钢轨根据损伤程度有不同的处理方法,对于一般的表面磨损和变形等,通过打磨进行修正和控制,即可延长50%~100%的使用寿命。对于较严重的断裂、内部核伤等情况,就需要直接更换钢轨或在原位锯切并拉伸后再进行焊接。传统的钢轨焊接方法存在着设备庞大、效率低、接头质量不理想等问题,而超窄间隙焊接由于其线能量低、生产效率高、接头强度好等优点受到关注,但这种方法尚无广泛使用的设备。因此,本文基于焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法,研制了一套钢轨现场原位焊接自动化装置。钢轨铺设现场恶劣的环境条件,对装置的机械结构设计提出了更高的要求。经过多种方案的论证,本文最终采用悬臂梁式的结构,并将设备安装固定位置选择在轨枕上。这种结构及安装方法的优点是使设备体积较小,便于移动,而且使用后可随即通过旋转机构将机械臂旋转到钢轨外侧,为焊后打磨、清渣等工作预留更多的空间和时间。装置的基本控制思想是:在原模拟焊机的基础上,借助PLC控制器提高参数设置效率和焊枪自主运行程度,进而提高自动化水平及焊接效率。围绕该核心思想,本文对原模拟焊机进行了改造,将预置参数手动连续调节改为自动离散调节,同时将对焊机的特性影响尽量减小。在硬件方面主要完成了按键输入电路设计,输出控制电路设计;软件方面,完成了按键输入、参数切换、焊枪运行轨迹程序设计及整体PLC程序设计。系统初步实现了操作者只需输入坡口宽度值,预置电压、电流及焊接速度参数便会自动“跟随”的目的,大大降低了对操作者的技术水平要求。通过传感器、数据采集卡及计算机软件,还实现了焊接过程数据的实时采集和保存,为后续分析焊接质量以及寻找最佳焊接匹配参数奠定了基础。经过前期试验发现的问题,本文还对钢轨超窄间隙焊接板式焊枪进行了改进设计,改善了其受力、绝缘性能等。装置加工、组装完成后,进行了调试和焊接试验,结合焊缝形貌和数据分析,找出了适用于本装置的焊接工艺规范,并对焊接数据作了进一步分析,讨论了超窄间隙焊接坡口宽度对焊接电信号的影响,焊接过程熔滴过渡特性,以及对完善装置参数设置的作用。