陳偉國(guó)，高成鋼，鄒良甫

(廣州鐵路(集團(tuán))公司廣州工務(wù)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(shè)備及工藝參數(shù)

鋼軌閃光焊接時(shí)，受熱處理設(shè)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(zhuǎn)中頻加熱，低頻和高頻調(diào)試搭配選擇有限。低頻調(diào)整范圍為1 600～1 800 Hz，中頻調(diào)整范圍2 200～2 400 Hz。這有以下兩個(gè)缺點(diǎn):①加熱線圈的形狀以及比例對(duì)加熱效果有較大的影響，容易導(dǎo)致整個(gè)斷面的接頭加熱不均勻，主要表現(xiàn)在三角區(qū)溫度過(guò)高，但軌腳溫度過(guò)低。②熱處理溫度上升過(guò)快，轉(zhuǎn)頻之后的軌腳溫度(測(cè)溫位置為軌腳邊緣10 mm以內(nèi))停留在800℃，之后就難以提升，對(duì)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(yàn)的落錘項(xiàng)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(guò)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(dá)標(biāo);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(biāo)

主要通過(guò)控制加熱溫度，特別是控制軌腳溫度來(lái)優(yōu)化溫度場(chǎng)，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(shí)不同部位有各自特點(diǎn):①軌頭截面尺寸較大，容易使溫度停留在表面，同時(shí)難以使軌頭心部與表面同溫。②軌腳邊緣處，與空氣對(duì)流強(qiáng)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(gè)斷面溫度最高的部位，但溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。因此保持接頭各個(gè)部位加熱溫度的均勻性尤為重要。

對(duì)加熱的重要工裝器具——熱處理加熱線圈進(jìn)行改造，如圖2所示。兩個(gè)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(nèi)更加均勻地加熱。

圖2 感應(yīng)器形狀優(yōu)化

2.3 工藝參數(shù)試驗(yàn)

加熱線圈尺寸的優(yōu)化，只能部分改善接頭力學(xué)性能，更重要的改進(jìn)措施是熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化。先后進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的試驗(yàn)探索:①嘗試熱處理由雙頻加熱改為單頻加熱;②細(xì)化并微調(diào)熱處理加熱參數(shù)，如溫度、頻率等。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

軌頭頂面溫度分別設(shè)置為920℃，900℃或者880℃，軌頭頂面加熱溫度到達(dá)設(shè)置值后，加熱過(guò)程即停止，同時(shí)測(cè)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(nèi)位置)的溫差較大，約90℃，表1中的工藝參數(shù)均未達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。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(shí)確定為880℃，風(fēng)壓為0.15 MPa。

表1 熱處理工藝參數(shù)調(diào)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(huì)導(dǎo)致軌頭與軌腳溫差更大。對(duì)此，從電源功率和加熱固有頻率著手，精心細(xì)化系統(tǒng)參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，5號(hào)參數(shù)最為理想，也符合之前設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)。最終確定的設(shè)備性能參數(shù)和工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

表3 優(yōu)化后的熱處理設(shè)備性能參數(shù)和工藝參數(shù)

3 優(yōu)化后的檢驗(yàn)結(jié)果

按照表3中確定的熱處理參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品送鐵科院檢驗(yàn)。除了硬度和軟化區(qū)寬度之外，主要檢驗(yàn)之前不合格的宏觀覆蓋和晶粒度兩個(gè)方面，檢驗(yàn)結(jié)果符合鐵標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 宏觀檢驗(yàn)

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(yàn)樣品，由于焊接熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)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(jiàn)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(yàn)

焊縫處晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，未見(jiàn)異常組織。利用焊縫的鐵素體網(wǎng)進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，軌頭晶粒度為9級(jí)，軌底中為8.5級(jí)，軌底角為8.5級(jí)、9級(jí)。

圖4 焊縫顯微組織(100×)

3.3 硬度檢驗(yàn)

鋼軌焊接接頭的硬度測(cè)試按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2—2005執(zhí)行。硬度測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硬度測(cè)試分析結(jié)果

3.4 軟化區(qū)寬度

利用縱斷面測(cè)試線1上的HJ及0.9HP繪制硬度曲線，如圖5所示，可見(jiàn)軟化區(qū)寬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 縱斷面測(cè)試線1(軌頭)上的硬度曲線

4 結(jié)論

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

2)單頻加熱熱處理也可以實(shí)現(xiàn)接頭均勻加熱，晶粒度達(dá)標(biāo)。

3)優(yōu)化熱處理工藝，應(yīng)結(jié)合熱處理加熱功率、頻率、溫度、風(fēng)壓等參數(shù)綜合調(diào)試。

［1］范穎，張憲良．淺析熱處理工藝對(duì)焊接接頭性能的影響［M］//中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)工務(wù)委員會(huì)．鐵道工務(wù)(2013)．北京:中國(guó)鐵道出版社，2013．

［2］郭晉龍，劉偉，董平禹，等．鋼軌閃光焊焊縫的雙中頻正火設(shè)備工藝的研制［M］//中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)工務(wù)委員會(huì)．鐵道工務(wù)(2011)．北京:中國(guó)鐵道出版社，2011．

［3］牛道安．提高鋼軌工廠焊接接頭可靠性的研究［J］．鐵道建筑，2012(7):118-120．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T 1632—2005 鋼軌焊接［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［5］李雯，李力，高振坤，等．?dāng)?shù)字化鋼軌外形檢測(cè)［J］．鐵道建筑，2014(9):125-127．