智能化移動熱軋鋼軌氣壓焊接及其焊后熱處理工藝研究

張靜

摘 要：通過臺達HMI、可編程序控制器、焊后熱處理控制系統(tǒng)，基于工藝參數(shù)全面智能化鋼軌氣壓焊接及其焊后熱處理。其中詳細分析了焊接工作系統(tǒng)、焊接工藝與焊后熱處理，進行了焊縫組織特性分析、硬度與淬火溫度臨界點測定。結(jié)果表明，U75V與U71Mn熱軋鋼軌焊縫區(qū)域冷卻到500℃狀態(tài)下，重新正火加熱，溫度上升到800℃后及時熄滅，開始淬火熱處理，溫度保持在575℃狀態(tài)之下最佳，時間則應(yīng)超出185s最佳，這樣一來，便可轉(zhuǎn)變組織，實現(xiàn)軌頭軌面硬度與母材之間高度匹配，以此為焊后熱處理選取最優(yōu)加熱溫度與時間奠定堅實的理論基礎(chǔ)，進而保障鋼軌接頭質(zhì)量與熱處理效果穩(wěn)定性、可靠性。關(guān)鍵詞：智能化;熱軋鋼軌;氣壓焊接;熱處理工藝

中圖分類號：U213.9+2;TG457.11 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2020）10-0018-04

Abstract：Through the Delta HMI， programmable controller， post-weld heat treatment control system， based on the process parameters fully intelligent steel rail gas pressure welding and its post-weld heat treatment. Among them， the welding working system， welding process and post-welding heat treatment are analyzed in detail， and the weld structure characteristics analysis， hardness and quenching temperature critical point are determined. The results show that the weld zone of U75V and U71Mn hot rolled rail is cooled to 500℃， then heated by normalizing， the temperature rises to 800℃ and then extinguished in time， the heat treatment is started， the temperature is kept optimum at 575℃ and the time should be better than 185s， in this way， the structure can be changed and the hardness of rail surface and the height of base metal can be matched， which can lay a solid theoretical foundation for selecting the optimal heating temperature and time after welding， and then ensure the stability and reliability of rail joint quality and heat treatment effect.

Key words：intelligentialize;hot rolled rail;gas pressure welding;heat treatment process

0 引言

在鐵路運輸行業(yè)快速更新發(fā)展趨勢下，重載鐵路要求不斷提高，期望通過高強度與高硬度鋼軌進行無縫線路鋪設(shè)、維護，從而最大程度上延長線路使用壽命。作為承載列車運行安全的線路重要組成部分，鋼軌在車輪反復(fù)摩擦撞擊下，其中上股鋪設(shè)的鋼軌在一定使用期限之后，軌頭內(nèi)部會出現(xiàn)磨損，在達到規(guī)定極限之后，便會威脅列車運行安全，而受損鋼軌則會當(dāng)作重傷鋼軌?，F(xiàn)階段我國貼到線路長軌條在焊接時一般會選用接觸焊，道岔內(nèi)部、兩端與線路銜接的鋼軌鎖定焊通常會選取鋁熱焊，焊接質(zhì)量較差，且需要焊后正火處理，所以在焊縫位置經(jīng)常出現(xiàn)軟帶，在通過車輪反復(fù)沖撞后會生成低接頭，以此對鋼軌穩(wěn)定性與使用壽命造成嚴(yán)重影響[1]。據(jù)此文章面向智能化移動熱軋鋼軌氣壓焊接與焊后熱處理工藝做了詳細分析。

1 鋼軌氣壓焊接工作系統(tǒng)

智能化移動鋼軌氣壓焊接工作系統(tǒng)都選用模塊化程序加以設(shè)計，能夠保壓頂鍛，促使加熱之后鋼軌端頭發(fā)生塑性變形、再結(jié)晶、擴散等現(xiàn)象，以形成接頭，焊接時未添加其他材料，只是鋼軌材質(zhì)金屬原子之間類似結(jié)合，構(gòu)成金屬鍵，使得金屬有機相連。

臺達HMI可設(shè)置運行參數(shù)，詳細記錄歷史趨勢曲線等;USB接口可轉(zhuǎn)換儲存數(shù)據(jù)信息，記錄并打印作業(yè)數(shù)量等。臺達自動化平臺宏指令應(yīng)用不僅集合了自動化系統(tǒng)，還避免了人為要素與環(huán)境溫度在焊接效率與質(zhì)量中的影響作用，同時保障了焊接質(zhì)量穩(wěn)定性與持續(xù)性。智能化移動熱軋鋼軌氣壓焊接工作系統(tǒng)[2]具體如圖1所示。

2 鋼軌氣壓焊接工藝分析

智能化移動熱軋鋼軌氣壓焊接工藝[3]具體如圖2所示。其中鋼軌結(jié)合層面的緊密度與焊接質(zhì)量密切相關(guān)，在焊接之前，需要使用專門的研磨機打磨處理，并明確定位焊軌車，合理安置加熱器等。

通過可編程序控制器與PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)有效控制氣壓焊接工藝參數(shù)，氣體在進入控制器混合之后，再次轉(zhuǎn)移到火焰加熱器?；鹧婕訜崞鲀?nèi)配置了燃氣管路與水冷卻系統(tǒng)，基于冷卻系統(tǒng)順暢，基于可編程序控制器科學(xué)設(shè)定臺達HMI宏指令及相關(guān)參數(shù)，詳細檢查氧氣瓶與乙炔瓶的出口壓力，確保保持在要求范圍內(nèi)。在明確參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確之后，啟動臺達自動控制系統(tǒng)，各工序嚴(yán)格遵循控制器預(yù)設(shè)參數(shù)智能化執(zhí)行。

鋼軌焊接接頭的腰部、底部、頭部加熱，溫度上升到800℃、850℃、900℃;自動復(fù)位焊接設(shè)施，啟動高壓油泵控制壓接機，面向焊縫進行除瘤處理;焊縫自然冷卻，溫度下降到500℃狀態(tài)下，及時正火處理，接頭溫度控制于800℃時，會自動熄滅。其中氣壓焊接工藝參數(shù)[4]具體如表1所示。

正火處理之后，可編程序控制器基于變頻器及時啟動鼓風(fēng)機，面向鋼軌焊縫噴吹，以此開展欠速淬火熱處理，直至完成焊接，然后轉(zhuǎn)移存儲數(shù)據(jù)，打印報告。

3 鋼軌焊后熱處理工藝設(shè)計

金屬材料重加熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，處于最佳溫度與時間狀態(tài)下，細化晶粒，有效改善韌性與塑性。通過可編程序控制器主機對變頻器、鼓風(fēng)機、測溫儀等進行控制，可自動化管控焊后熱處理溫度。選擇非接觸式測量方法進行溫度檢測，以可編程序控制器對測溫儀進行控制，溫度測量范圍局限于500～1400℃之間，焊縫接頭溫度下降到500℃以內(nèi)時，再次加熱，上升到800～900℃之間即可。在表層溫度處于規(guī)定狀態(tài)時，加熱則自動停止，此時開始噴風(fēng)冷卻軌面與軌頭側(cè)面，以此實現(xiàn)晶粒細化，軌面硬化[5]。

3.1 熱處理工藝系統(tǒng)

焊后淬處理工藝系統(tǒng)可實現(xiàn)具體流程，即熱處理工藝參數(shù)控制、自動化智能化啟動控制、控制氧氣與乙炔氣體流量、點火擺動加熱器、鋼軌加熱、顯示測溫狀態(tài)、啟停鼓風(fēng)機、變頻控制、啟動風(fēng)機、自主停止。熱處理工藝系統(tǒng)[6]具備其自身獨特功能性優(yōu)勢，具體如圖3所示。

3.2 正火與淬火熱處理

在完成除瘤之后，焊縫區(qū)域自然冷卻，溫度下降到500℃時，及時開始正火處理。通過焊接車火焰加熱器，正火處理焊縫，以促使此范圍溫度快速上升，瞬時過熱，同時根據(jù)參數(shù)表合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)。在鋼軌表層正火采樣溫度上升到規(guī)定值時，則自動關(guān)閉氣體流量，及時促使火焰熄滅。正火焊接之后，還需面向軌頭進行淬火處理。淬火熱處理后，鋼軌晶粒結(jié)構(gòu)稍許變化，整個金屬變?yōu)閮煞N硬度，加熱溫度與奧氏體精力尺寸、沖擊韌性、塑性息息相關(guān)，而冷卻速度對珠光體片的間距與硬度有著直接性影響。基于人機界面科學(xué)設(shè)定淬火熱處理工藝相關(guān)參數(shù)，可編程控制器與PC相結(jié)合，可有效解決淬火溫度變化不合理的問題，并且操作簡潔，經(jīng)濟性與精確性較高[7]。

3.3? ?特征分析

3.3.1 宏觀組織

焊縫通過正火與淬火處理，整個熱影響范圍的軌腰與軌頭表層硬化組織即索氏體與奧氏體，晶粒不存在連續(xù)游離鐵元素，生成結(jié)構(gòu)為鋼軌表層最優(yōu)組織，韌性、塑性、抗沖擊性良好，硬度較高。經(jīng)過詳細觀察焊后熱處理現(xiàn)象，并未發(fā)現(xiàn)過于粗大的珠光體，而鋼軌芯補是緊密的珠光體。

3.3.2 微觀組織

軌頭表層存在較少的奧氏體，晶粒尺寸相對偏大，其周圍存在些許白氣泡，組織內(nèi)部有所松散。軌頭表層正火處理之后，晶粒增加，尺寸與組織間距縮小，四周都開始出現(xiàn)白色氣泡。軌頭表層淬火熱處理之后，奧氏體與索氏體組織內(nèi)部晶粒越來越多，且四周衍生了較多白氣泡，組織結(jié)構(gòu)緊密均衡，鋼軌硬度與耐磨性顯著提升[8]。

3.3.3 溫度臨界點與硬度

熱處理過程中，U71Mn與U75V鋼軌焊接軌頭的頂層在不同風(fēng)冷速狀態(tài)下的硬度與淬火溫度臨界點[9]具體如表2、表3所示。

通過表2可以看出，U71Mn鋼軌焊縫區(qū)域的風(fēng)冷速以0.5～1℃·s-1最佳，其頂層硬度處于300～330HV之間;U75V鋼軌焊縫區(qū)域的風(fēng)冷速以1～2℃·s-1最佳，其頂層硬度處于320～360HV之間。

通過表3可以看出，不同類型鋼軌與狀態(tài)風(fēng)冷速，過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變與結(jié)束轉(zhuǎn)變的溫度、組織、硬度明顯存在差異。為確保焊后熱處理工藝順利轉(zhuǎn)變組織，淬火溫度處于575℃以內(nèi)最佳，其中500-800℃范圍內(nèi)，接頭軌面硬度與母材處于最佳匹配狀態(tài)。

總之，通過不同組織特征分析、硬度與溫度測定，結(jié)果表明，接頭在淬火熱處理之后，加熱溫度與奧氏體晶粒尺寸、韌性、塑性密切相關(guān)，且風(fēng)速會對珠光體片間距與硬度產(chǎn)生直接性影響，對不同風(fēng)冷速狀態(tài)與組織硬度關(guān)系進行測量，可以在很大程度上為熱處理工藝溫度與時間等參數(shù)的選取奠定有力的理論依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，通過設(shè)計智能化移動熱軋鋼軌氣壓焊接工作系統(tǒng)，實現(xiàn)了超長熱軋鋼軌焊接整個過程的自動化與智能化。而氣壓焊接參數(shù)可以基于臺達HMI隨意設(shè)定，只需要安排人員點擊啟動鍵，選擇預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，便可自動實現(xiàn)鋼軌氣壓焊接，且可消除焊接時人為要素在焊接接頭質(zhì)量中的影響;U75V與U71Mn熱軋鋼軌焊縫區(qū)域冷卻到500℃狀態(tài)下，重新正火加熱，溫度上升到800℃后及時熄滅，開始淬火熱處理，溫度保持在575℃狀態(tài)之下最佳，時間則應(yīng)超出185s最佳，這樣一來，便可轉(zhuǎn)變組織，實現(xiàn)軌頭軌面硬度與母材之間高度匹配，以此為焊后熱處理選取最優(yōu)加熱溫度與時間奠定堅實的理論基礎(chǔ)，進而保障鋼軌接頭質(zhì)量與熱處理效果穩(wěn)定性、可靠性。

參考文獻

[1]鐘元.重載鐵路用鋼軌氣壓焊工藝研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2017.

[2]鐘元，戴虹，周世恒，等.75kg/mU78CrV熱軋鋼軌與熱處理鋼軌氣壓焊質(zhì)量研究[J].熱加工工藝，2017， 46（15）：190-193+198.

[3]周清躍，劉豐收，焦吉明，等. 68kg/m鋼軌的試驗與評價[J].鐵道學(xué)報， 2015（6）：73-78.

[4]呂其兵，張曦.高速鐵路軌道焊接質(zhì)量控制現(xiàn)狀與趨勢[J].電焊機，2019，49（2）：1-5.

[5]郭峰，戴虹，周世恒，等.鋼軌恒位移控制氣壓焊接溫度場模擬研究[J].熱加工工藝，2013，42（19）：162-164+167.

[6]王子儒.移動式鋼軌氣壓焊接頭缺陷分析與應(yīng)對措施[J].中國鐵路，2011（5）：35-38.

[7]趙立財，余建星.智能移動式鋼軌氣壓焊接系統(tǒng)設(shè)計與焊接熱處理技術(shù)[J].工程研究-跨學(xué)科視野中的工程，2019，11（3）：235-246.

[8]江明明，何柏林.鋼軌焊接方法與焊接接頭的質(zhì)量控制研究[J].熱加工工藝，2017，46（13）：7-10+6.

[9]劉勇，陳志新，戴虹，等.氣壓焊軌車長吉城際重傷鋼軌焊復(fù)應(yīng)用[J].電焊機，2016，46（5）：88-92.