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1、摘 要伴随着我国铁路建设的步伐加快，国铁路运量、载重及行车速度的不断提高，对钢轨焊接接头质量也提出了更高的要求。原来国内在线上焊接普遍采用的铝热焊已逐渐显现出不能很好的满足现代高速铁路对焊缝的需求，各铁路局正逐步引进线上移动式焊轨车，采用闪光焊代替原来的焊接工艺。然而焊后热处理还都沿用的原有的现场铝热焊焊后热处理设备（火焰加热处理），这种老式的火焰加热方式采用氧气乙炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气乙炔焰的热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、工序繁琐复杂、劳动强度大、劳动条件差，且这种方法受认为因素影响较大，加热温度不易控制、效果很不稳定。在加上这种热处理方式加热后使其暴漏在
2、大气中自然冷却，未对焊缝部分进行强制冷却，表面硬度相比全长表面淬火的母材也出现明显降低，加上钢轨经焊接成长轨后，在其焊缝区熔合线上由于曾受过熔化过程和高温的影响，在热熔合的过热区会出现金属组织尤其是奥氏体晶粒粗化，产生焊接残余应力及硬度分布不均等问题，从而使接头冲击韧性下降，引起马鞍型磨耗，缩短钢轨的使用寿命，危机行车安全。为了解决这种缺陷，必须对焊缝进行合理的正火处理，使焊缝经正火后，晶粒重新细化，钢轨塑形、韧性大幅度提高，硬度分布均匀合理。保证钢轨使用质量、延长钢轨使用寿命、保障线路的行车安全。 第一章 绪论1.1线上焊缝热处理的现状及发展线上焊缝热处理的意义 伴随我国铁路运量、载重及行车
3、速度的不断提高，对钢轨焊接接头质量也提出了更高的要求。钢轨经焊接成长轨后，在其焊缝区熔合线上由于曾受过熔化过程和高温的影响，在热熔合的过热区会出现金属组织尤其是奥氏体晶粒粗化，产生焊接残余应力及硬度分布不均等问题，从而使接头冲击韧性下降，引起马鞍型磨耗，缩短钢轨的使用寿命，危机行车安全。所以必须对焊缝进行合理的正火处理，焊缝经电感应加热正火后，晶粒重新细化，钢轨塑形、韧性大幅度提高，硬度分布均匀合理。这是保证钢轨使用质量、延长钢轨使用寿命、保障行车安全的一项重要措施，然而现在各铁路局在线上焊后热处理的方式还都沿用的原有的现场铝热焊焊后热处理设备（火焰加热处理），这种老式的火焰加热方式采用氧气乙
4、炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气乙炔焰的热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、工序繁琐复杂、劳动强度大、劳动条件差，且这种方法受认为因素影响较大，加热温度不易控制、效果很不稳定。特别是线上移动式焊轨车被各铁路局引进以后，对更科学的热处理工艺及热处理设备的需求越来越迫切。1.2钢轨焊缝热处理系统的特点 钢轨焊缝热处理系统是专为焊轨车对钢轨接头焊接后进行正火处理、打磨以及其他后续处理工作而开发设计的一整套装置。能进行无缝线路线上、线下焊接的后续处理和基地钢轨焊接的后续处理。整套装置依集装箱的形势安装在平板车上，由焊轨车或轨道车牵引至作业地点。整套装置还包括柴油发电机组、蓄电池组、
5、中频加热设备、水冷系统、热处理喷风装置、供气系统、钢轨仿形打磨设备、电气控制系统、液压吊机等组成。 加热设备采用德国西门子IGBT变频，电压反馈串联谐振电路。拥有双闭环控制功能，最大程度高效快速加热，优化金属工件的加热过程。整个控制系统均为数字集成化，各种保护动作迅速，整机故障率低，寿命长；相比原火焰加热正火方式，具有操作方便、节省人力且更加经济等优点；整套设备还采用集成化和数字化等技术，使工人操作更具人性化及系统化，所有重要工作数据均可采集反馈给控制中心并存档，操作人员可以在工作时通过液晶显示屏幕实时读取钢轨加热温度、加热时间、风冷风压、风冷时间等重要参数，也可随时调出存档检查每一项数据，且
6、所有存档数据可以下载到专用转储卡上，转存到计算机中；也可直接通过打印设备进行打印，方便线路数据汇总、存档和后期分析；整套设备具有故障报警、错误操作报警、自动保护等功能，人性化操作方式，简单易懂。第二章 钢轨焊缝热处理系统介绍2.1 线上钢轨焊缝热处理新旧工艺对比 2.1.1 火焰加热正火 目前国内新研发的移动式焊轨车还没有专用的可移动式焊缝热处理设备，各铁路局基本都沿用原有的现场铝热焊焊后热处理设备（火焰加热处理），这种老式的火焰加热方式采用氧气乙炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气乙炔焰的热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、工序繁琐复杂、劳动强度大、劳动条件差，且这种方法受认
7、为因素影响较大，加热温度不易控制、效果很不稳定。在加上这种热处理方式加热后使其暴漏在大气中自然冷却，未对焊缝部分进行强制冷却，表面硬度相比全长表面淬火的母材也出现明显降低，现在只有在施工现场焊缝热处理还保留有这种方式，厂焊已基本被感应加热方式所取代。 图2.1 火焰加热器 如图2.1所示，这种老式的火焰加热正火的设备相当简陋，由一个防钢轨界面形状的加热器，加热器的内侧开有气孔，两侧为为氧气、乙炔的进气管接口，分别与氧气、乙炔罐引出的气管连接，需要加热时，将加热器的出气口点燃，为了满足加热区域的要求，需要有人拿一根推杆，不停的推拉加热器，使加热器沿着导轨前后移动，同时为了保证合适的加热温度，需要
8、配合一个专门拿着测温仪，每过一段时间就进行一次温度测量。这样在测温的时候，就造成了无法移动加热器，使这种本来就不易保证加热均匀、受人为因素影响较大的加热方式更大程度的收到影响。而且数据的记录、保存也都不方便，最重要的是无法很好的保证钢轨焊缝的质量，使钢轨焊缝处的寿命大打折扣，危机行车安全。2.1.2 新型感应加热正火 感应加热技术是近些年新型的一种高新加热技术，基本原理都是利用电磁感应原理，把被加热物体放在交变磁场中，使其内部产生感应电流，从而产生焦耳热来加进行热的方法。这种加热加热方式靠涡流产生热量，效率高、速度快、温度容易控制、不受人为因素影响，热处理质量稳定可靠。感应加热技术根据加热所用
9、的电流频率，分为高频加热、中频加热和工频加热，频率越高，加热效率越高，但加热的深度越浅，所以应根据并加热物体的体积和需要的透热深度选择合适的加热频率。这种高新的加热技术随着技术的不断发展和完善，变得越发成熟和高效，现已被所有的焊轨厂所引进。但这种加热方式因设备沉重、功率大、感应器设计困难以及线上焊接的条件限制等因素的限制，应用于线上焊缝热处理较为困难，但铁路技术的飞速发展特别是高速无缝铁路的发展，对这种技术的要求越来越强烈。钢轨焊缝热处理系统这一整套设备的研制成功，使上述难题得到了科学合理的解决方案。 这种高新的感应加热技术，配合强制风冷，和智能化的控制系统及记录存档功能，被共同集合于钢轨焊缝
10、热处理系统这一整套设备，并在这套设备里，配备了辅助的钢轨切割、钢轨打磨、平直度校验、焊缝超声波探伤等设备。焊缝经本套设备热处理后的韧性、塑性、表面硬度等综合性能均可达到要求，在焊接工艺满足的情况下，甚至可以达到母材的性能。本设备加热部分如图2.2所示。前段铜质感应器可打开，闭合通电后，产生交变磁场，将内部钢轨加热。设备由吊机吊至工作处，并可靠固定后，按下加热按钮即可实现钢轨的正火加热，设备自动测温探头，适时将数据传回控制中心，可以适时的显示、记录、存档加热过程中的每一时刻的为目的温度。加热到合适的温度，设备会制动停止。整体设备美观、实用、智能、高效、操作简单、稳定性高。 图2.2 感应加热设备
11、2.2 线上钢轨焊缝热处理系统整套设备介绍 2.2.1钢轨焊缝热处理系统技术参数1）适用环境环境温度：-10+45平均相对湿度：90海拔：3000m2）作业条件钢轨类型： 60kg/m，75kg/m轨距：1435mm 超高：180mm 最大坡度：33 最小曲线半径：145m2.2.2钢轨焊缝热处理系统主要组成设备技术参数1）发电机组发电机组采用250GF“康明斯”动力发电机组，整个发结构紧凑，采用大容量底盘油箱，满足野外作业加油周期长得需求，机组固定安装在集装箱内。机组外观如图2.3，相关参数如下： 图2.3 发电机组发电机组型号：250GF容量/功率：280/250KW柴油机型号：MTAA1
12、1-G3柴油机功率：310/282KW油箱容积：800L气缸数：6排列：直列排气量：11L进气方式：涡轮增压2）空压机 采用博莱特微油式螺杆压缩机，具有可靠性高、易损件少、动力平衡性好、震动小、噪音低、效率高等特点。在压缩过程中，凭借自身所产生的压力差，不断向压缩室及轴承注入润滑油，注入的润滑油可在转子之间行车油膜，阴转子可直接由阳转子带动，并起到密封的作用，同时润滑油可降低因高频压缩所产生的噪声，可吸收大量的压缩热。机组外观如图2.4，基本参数如下： 图2.4 空压机机组型号：BLT-60A/7外形尺寸：（长*宽*高）1335*970*1630机器重量：830kg冷却风量：3276m3/h电
13、机功率：45kw排气量：7.8m3/min排气压力：0.7MPa 3）中频感应加热设备 加热装置采用德国西门子IGBT变频，电压反馈串联谐振电路。变换效率高达97.5%以上；拥有双闭环控制功能，最大程度提高加热效率。整个控制系统均为数字集成化，各种保护动作速度快，整机的故障效率低，寿命长。基本参数如下：型号：JZ-200接入电源：380V/50Hz额定输出功率：200KW输入电流：330A频率：2000Hz 功率因数：0.95负载持续率：100%加热设备如图3.1所示 图2.5 中频加热设备 4）喷风装置喷风装置通过高压气管与空压机后的储气罐连接，主要为钢轨中频加热后，提供强制风冷，从而更好的
14、细化晶粒，并使钢轨表面因急速冷却产生一层马氏体、贝氏体，从而增加钢轨表面硬度，提高其耐磨性，延长钢轨寿命。喷风开启由电控控制，并自动计时，到达需要的停止的时间能自动停止，基本参数如下，其喷风盒外形如图3.3所示。 喷风压力：2-4bar（根据轨种不同进行适当调整） 喷风时间：150-210s（根据轨种及使用环境不同进行适当调整） 喷风孔径：3拉瓦尔孔 图2.5 喷风装置外形图5）液压吊机该机组采用全液压控制，操作方便灵活、动作平稳、安全可靠。机组主要技术参数如下，吊机外观如图2.6所示：工作类型：A5级允许工作风力：5级以下（风力不超过13.8m/s)使用环境温度：-15+45最大工作负荷：1
15、000kg工作半径：最小1.9m 最大2.7m回转角度：360回转速度：2r/min提升速度：7m/min外形尺寸：13008002200 图2.6 液压吊机 6）辅助设备辅助设备包括钢轨仿形打磨机、钢轨平直尺、焊缝探伤仪、钢轨仿形打磨机对焊接接头的轨顶、轨底面及轨头侧面工作边进行外形精整，提高其表面质量；钢轨平直尺用于检测钢轨平直度；焊缝探伤仪用于检测焊缝处探伤，防止有焊接缺陷的焊接接头给行车埋下隐患。2.2.3钢轨焊缝热处理系统工作环境及整体结构 钢轨焊缝热处理系统将上述所有设备集合一起，以集装箱的形势放置于平板车，与焊轨车共同完成线上钢轨接头焊接及热处理的任务，需配备的工作人员有机长一人
16、、技术员一人、轨道车司机一人、设备操作手一人和辅助操作手3-4人。 钢轨焊缝热处理系统整体设备外观如图2.7所示。 图2.7 钢轨焊缝热处理系统整体设备外观 第三章 钢轨焊缝热处理系统的使用3.1 设备调节参数对热处理效果的影响3.1.1加热频率和加热功率对加热效果的影响 频率的高低直接影响着感应器的透热性，也直接影响到钢轨焊缝处界面的内部与外表面的温差，频率越高，加热效率越高，但加热的深度越浅，一个合适的加热频率不但要保证很好透热性，还要综合考虑加热效率满足需求，经过多次的加热试验，选择符合铁路热处理需求的加热频率。 图3.1 测温点 为了测量钢轨加热时的内部温度，选取如图3.1所示的1、2
17、、3、4、5五个点，打孔深度为50mm。将热电偶插入钢轨内部，在加热时五个通道的温度分别依次显示，并进行循环显示。选定功率分别为60KW、80KW、100KW、120KW、140KW，加热频率分别选择1.5KHz、2.5KHz、3.5KHz、4.5KHz四种常用频率。用点温仪测量轨顶和轨底角的外表面温度，测量记录外轨顶表面温度到920时，其他各点的温度值。加热数据如下：表3-1：功率为60KW时测试数据:测温点加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点1（）918905880862测试点2（）878871869865测试点3（）858850846842测试点4（）86285
18、4850851测试点5（）861856852852加热时间（s）455405352294:测温点加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点1（）917905881861测试点2（）877872868865测试点3（）859851846843测试点4（）862853851852测试点5（）863854852852加热时间（s）405358316273表3-2：功率为80KW时测试数据表3-3：功率为100KW时测试数据:测温点加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点1（）917906883860测试点2（）876872867862测试点3（）857852
19、845841测试点4（）863855852853测试点5（）864854851852加热时间（s）355309264219表3-4：功率为120KW时测试数据:测温点加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点1（）915907880858测试点2（）875870864860测试点3（）855851843842测试点4（）862856850851测试点5（）861853852853加热时间（s）298256228195表3-5：功率为140KW时测试数据:测温点加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点1（）915907880858测试点2（）875870
20、864860测试点3（）855851843842测试点4（）862856850851测试点5（）861853852853加热时间（s）281245203181从以上测试数据可以看出，功率在120Kw再往上提高功率时，由于受到机组本身有效值的影响，功率继续调大所节省时间越来越不明显，140Kw比120Kw时，仅仅省时约10秒多一点，而在加热设备没有受到有效值的制约时，每提高20Kw，可减少用时在40-50秒。而随着频率的变化数值可以看出，在加热频率在1.5KHz和2.5KHz时，钢轨的透热性都很好，钢轨内外温差几乎没有变化。当频率继续增大到3.5KHz以上时，内外温差开始发生较大的变化，同时加热
21、时间也由于受到加热效率的影响，时间也在缩短。综合所有数据，设备的加热功率和加热频率的参数，选定在加热功率120Kw、加热频率2.5KHz，最为经济和科学，轨顶轨底温度满足钢轨正火温度轨顶900-950，轨底820-870的要求。在此参数下，钢轨的典型温升曲线如图3.2所示。 图3.2 温升曲线3.1.2喷风风压对热处理效果的影响 钢轨在经过感应加热，时内部组织完全转变为奥氏体，然后进行冷却，冷却时，根据冷却速度的不同，奥氏体会转变为珠光体或马氏体、贝氏体，钢轨正火的目的，就是为了得到珠光体这种组织，珠光体根据晶粒度的等级不同，对钢轨的机械性能也产生较大的影响。晶粒越细，性能越好，冷却速度越快晶
22、粒就越细，但冷却速度又不能无限制的快，否者，奥氏体来不及结晶成珠光体，就会成为马氏体和贝氏体，这种组织硬度大、韧性塑性差，钢材冷脆性明显。查阅铁路钢轨热处理相关文献，我国铁路上常用的钢轨的临界冷却速度分别如表3-6所列。表3-6：各种钢轨钢的临界冷却速度轨种U74U76NbREU71MnU75最高冷却速度（/s）7.53.752.53.0表3-7：各种钢轨钢适合的冷却风压轨种U74U76NbREU71MnU75冷却风压（MPa）0.450.30.20.2根据表中数据，用实际喷风装置进行测试，根据轨种不同，将喷风风压调整到0.2-0.45Mpa可满足冷却速度的要求。各种钢轨所对应的喷风冷却风压如
23、表3-7所示，各钢轨钢在不同冷却速度下的硬度如表3-8所示。表3-8：各钢轨钢在不同冷速下的硬度（IIV）冷却速度（/s）0.10.5122.5357.5U74钢273303331360376399U71Mn钢281334346370387U75V钢314338363395397U76NbBE钢2842953373543733.2 设备热处理效果测试 为了对设备热处理性能有一个确切的理解，将实际应用中记录保存的数据进行了整理，经大量的数据整理分析，将重要数据整理到3-9表格，U75V、U76、U71Mn、U74每种钢轨各随机抽样25根钢轨焊接接头的试验数据，表3-9中列举了U75其中13根钢轨
24、的记录数量，其余各组数据未一一列出，根据最终试验数据，作为测试设备热处理效果的依据。23表3-9： 热处理数据记录表焊缝编号加热前温度（）加热时间（S）加热功率（KW）加热后温度（）喷风压力（bar）喷风时间（S）喷风后温度（）加热频率（KHZ）轨种轨顶轨底角轨顶轨底角150050023512092085621804822.5U75250050022812092086221804862.5U75350050023612092085321804922.5U75450050021012092085021804852.5U75550050021612092085721804962.5U7565005
25、0020912092086121804832.5U75750050022412092085221804912.5U75850050021812092085921804832.5U75950050023412092085621804922.5U751050050023112092086021804912.5U751150050022812092085421804962.5U751250050023012092086121804862.5U751350050022612092085721804852.5U75记录人： 年 月 日锤数12344锤不断指数60Kg U75共30根挠度mm1-1011-
26、2021-3030-40断裂根数经处理25根1321未处理5根32060Kg U76共30根挠度mm1-1011-2021-3030-40断裂根数经处理25根2320未处理5根41060Kg U71Mn共30根挠度mm1-1011-2021-3030-40断裂根数经处理25根2122未处理5根81103.2.1落锤试验 落锤实验是检验焊接接头综合性能，尤其是整体韧性的主要手段，生产中的形式检验、周期性检验都离不开它，被称为焊接接头检验的第一关。大量实验证明，若焊接质量不合格或焊接后不经过热处理，落锤实验都难以通过。下表3-10是U75V、U76、U71Mn钢轨焊头的落锤实验结果。本试验采用一锤
27、制，即锤重1吨，高度4.6米，一锤不断为合格。表3-10：落锤试验结果 由表3-10可以看出，经过热处理的25根钢轨全部通过检验，绝大部分都达到了4锤不断指数，而未经过热处理的5根钢轨只有少部分通过了检验，但也基本再第二锤的时候就断了，这充分说明了，经过现在参数热处理后的钢轨，其焊接处的综合性能得到了很大的提升。3.2.2硬度试验 如图3.3所示,取图上标注位置处A、B、C、D、E处各点，向里每间隔3mm取点，每个标记处置取点个数如图3.3所示。钢轨轨头横断面硬度试验结果见表3-11。 图3.3 硬度测试位置示意图表3-11：钢轨横断面硬度测试结果轨种由表及里每点间隔3mmU74A向B向C向D
28、向E向35373835353537383534353636333234363735353334U71MnA向B向C向D向E向35383834353638373233343737303133373535353333U75VA向B向C向D向E向38393939373639403637363938363535383838373737U76NbREA向B向C向D向E向37404037383938393636383738353636383836353535 从试验结果可以看出, U74、U 71Mn 钢轨横断面A、B、C 向距表面3mm处点的硬度均35HRC; U 76NbRE 和U75V 钢轨的硬度3
29、7HRC，硬度值恢复了正常钢轨轨头。3.2.3 金相组织分析 图3.4金相分析取样位置示意图 图3.5 图3.6 钢轨焊接接头热处理后，综合性能大幅度提升，组织变化和晶粒细化是主要原因。参考TB/T1632.2钢轨焊接 第2部分：闪光焊接对金相组织的要求和检验位置，按照下图3.4截取试样进行金相分析。结果显示：未处理的焊头焊接熔合线部位，组织粗大，因焊接过程中发生过熔化过程造成脱碳，铁素体沿粗大组织晶界析出，并伴有缺陷存在。而经热处理后，组织明显细化，晶粒度有未处理前得2-3级细化到7-8级，比母材的晶粒度5-6级还细，内部组织均以层状珠光体伴随少量铁素体出现，无马氏体和贝氏体，图3.5和图3.6是经热处理的焊缝试块金相分析照片。 第四章 结论 上述三项检验指标为钢轨型式检验的主要三大指标，其他检验如疲劳测试、断裂韧性测试、耐磨性因不是钢轨检验的主要指标，疲劳测试更是因为不经热处理也基本能达到此指标，故未一一进行测试。从上述三项大指标，即可表面，经钢轨焊缝热处理系统处理后的焊缝，其性能得到了很大的提高，经处理后的钢轨完全达到要求。
