鋼軌閃光焊接頭熱處理工裝和工藝的優(yōu)化

陳偉國，高成鋼，鄒良甫

(廣州鐵路(集團)公司廣州工務大修段，廣東 廣州 510100)

1 鋼軌閃光焊接頭熱處理效果現(xiàn)狀

1.1 工裝設備及工藝參數(shù)

鋼軌閃光焊接時，受熱處理設備性能參數(shù)的影響，頻率搭配的選擇性不夠，只能采用雙頻熱處理，即先低頻加熱再轉中頻加熱，低頻和高頻調試搭配選擇有限。低頻調整范圍為1 600～1 800 Hz，中頻調整范圍2 200～2 400 Hz。這有以下兩個缺點:①加熱線圈的形狀以及比例對加熱效果有較大的影響，容易導致整個斷面的接頭加熱不均勻，主要表現(xiàn)在三角區(qū)溫度過高，但軌腳溫度過低。②熱處理溫度上升過快，轉頻之后的軌腳溫度(測溫位置為軌腳邊緣10 mm以內)停留在800℃，之后就難以提升，對操作者作業(yè)精度要求較高。

1.2 未正透現(xiàn)象

在型式檢驗的落錘項目中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭被落錘砸斷后的斷口形貌，有熱處理未正透現(xiàn)象，即該處溫度不夠，如圖1所示。通過樣品送檢發(fā)現(xiàn)微觀上有三角區(qū)，軌頭以及軌腳晶粒度不達標;宏觀上熱處理加熱影響區(qū)未能覆蓋焊接熱影響區(qū)。

2 熱處理工裝和工藝的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化目標

主要通過控制加熱溫度，特別是控制軌腳溫度來優(yōu)化溫度場，要求:①軌腳溫度不低于830℃;②軌頭踏面與軌底腳溫差≤60℃。

圖1 熱處理未正透現(xiàn)象

2.2 工裝優(yōu)化

鋼軌焊接接頭加熱時不同部位有各自特點:①軌頭截面尺寸較大，容易使溫度停留在表面，同時難以使軌頭心部與表面同溫。②軌腳邊緣處，與空氣對流強烈，到磁化溫度(770℃)以后，升溫慢。③軌腰下部的三角區(qū)升溫快，散熱慢，往往是整個斷面溫度最高的部位，但溫度過高，容易導致晶粒長大。因此保持接頭各個部位加熱溫度的均勻性尤為重要。

對加熱的重要工裝器具——熱處理加熱線圈進行改造，如圖2所示。兩個加熱線圈的不同之處在于加熱軌底板的部位。優(yōu)化后的線圈，線圈與鋼軌軌底表面的距離增大了，所以減緩了軌底三角區(qū)的溫度上升速度，使接頭在全斷面范圍內更加均勻地加熱。

圖2 感應器形狀優(yōu)化

2.3 工藝參數(shù)試驗

加熱線圈尺寸的優(yōu)化，只能部分改善接頭力學性能，更重要的改進措施是熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化。先后進行了以下兩個方面的試驗探索:①嘗試熱處理由雙頻加熱改為單頻加熱;②細化并微調熱處理加熱參數(shù)，如溫度、頻率等。試驗參數(shù)見表1。

軌頭頂面溫度分別設置為920℃，900℃或者880℃，軌頭頂面加熱溫度到達設置值后，加熱過程即停止，同時測量軌腳邊緣的最高加熱溫度。由表1可知:①軌頭與軌底腳(離軌腳邊緣10 mm以內位置)的溫差較大，約90℃，表1中的工藝參數(shù)均未達到優(yōu)化目標。②單頻熱處理加熱工藝，軌頭與軌腳的溫度差總體上小于雙頻加熱工藝。因此，確定采用單頻加熱，并且工藝參數(shù)暫時確定為880℃，風壓為0.15 MPa。

表1 熱處理工藝參數(shù)調試

2.4 電氣參數(shù)優(yōu)化

初步確定了加熱溫度后，如果繼續(xù)提高加熱溫度，則會導致軌頭與軌腳溫差更大。對此，從電源功率和加熱固有頻率著手，精心細化系統(tǒng)參數(shù)。試驗參數(shù)及試驗結果見表2。

由表2可知，5號參數(shù)最為理想，也符合之前設定的優(yōu)化目標。最終確定的設備性能參數(shù)和工藝參數(shù)見表3。

表2 熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化試驗結果

表3 優(yōu)化后的熱處理設備性能參數(shù)和工藝參數(shù)

3 優(yōu)化后的檢驗結果

按照表3中確定的熱處理參數(shù)進行試驗，試驗樣品送鐵科院檢驗。除了硬度和軟化區(qū)寬度之外，主要檢驗之前不合格的宏觀覆蓋和晶粒度兩個方面，檢驗結果符合鐵標標準。

3.1 宏觀檢驗

焊接接頭的縱斷面經(jīng)硝酸酒精腐蝕后的宏觀形貌如圖3所示。

圖3 焊接接頭的縱斷面經(jīng)硝酸酒精腐蝕后的宏觀形貌

圖3(a)為熱處理工藝參數(shù)未優(yōu)化之前的試驗樣品，由于焊接熱處理工藝不當導致熱處理區(qū)域太窄，不利于覆蓋焊接熱影響區(qū)，軌頭中央熱處理最窄處寬度為38 mm。圖中所示為軌頭中央焊接原始熱影響區(qū)在熱處理后未消除。

圖3(b)是熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化之后的宏觀腐蝕覆蓋情況，可見被熱處理后的熱影響區(qū)已經(jīng)覆蓋了原焊接熱影響區(qū)。

3.2 晶粒度檢驗

焊縫處晶粒度檢驗結果見圖4，可見焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，未見異常組織。利用焊縫的鐵素體網(wǎng)進行晶粒度評級，軌頭晶粒度為9級，軌底中為8.5級，軌底角為8.5級、9級。

圖4 焊縫顯微組織(100×)

3.3 硬度檢驗

鋼軌焊接接頭的硬度測試按照鐵道行業(yè)標準TB/T 1632.2—2005執(zhí)行。硬度測試分析結果見表4。

表4 硬度測試分析結果

3.4 軟化區(qū)寬度

利用縱斷面測試線1上的HJ及0.9HP繪制硬度曲線，如圖5所示，可見軟化區(qū)寬度達到標準要求。

圖5 縱斷面測試線1(軌頭)上的硬度曲線

4 結論

1)熱處理加熱感應器的形狀、尺寸對加熱效果有較大的影響。采用優(yōu)化后的加熱感應器，使接頭在全斷面范圍內的加熱更加均勻。

2)單頻加熱熱處理也可以實現(xiàn)接頭均勻加熱，晶粒度達標。

3)優(yōu)化熱處理工藝，應結合熱處理加熱功率、頻率、溫度、風壓等參數(shù)綜合調試。

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