王瑩瑩， 李 力， 宋宏圖， 李金華， 趙 國(guó)， 張 琪(. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院， 北京 0008; . 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所， 北京 0008)

移動(dòng)鋼軌閃光焊接是最為穩(wěn)定的無(wú)縫線路鋼軌焊接方法。目前國(guó)內(nèi)無(wú)縫線路鋼軌閃光焊接比例不斷增加，焊后熱處理可以提高閃光焊接頭的強(qiáng)度、韌性等性能，有效延長(zhǎng)鋼軌焊接接頭的使用壽命[1-2]。在焊軌廠通常采用感應(yīng)加熱的正火工藝(噴風(fēng)冷卻)。在線上焊后熱處理主要有兩種方法[3]，一是傳統(tǒng)火焰加熱正火，火焰正火加熱溫度不均勻，難以保證焊接接頭質(zhì)量，而且鋼軌表面會(huì)被氧化，產(chǎn)生較厚氧化層，因此正被逐漸淘汰[4]。二是中頻感應(yīng)加熱正火，中頻感應(yīng)加熱正火設(shè)備逐步應(yīng)用于線上無(wú)縫線路焊后熱處理，并取得較好的實(shí)用效果[5]。目前通常是將閃光焊后熱處理工藝通過(guò)單獨(dú)的感應(yīng)正火熱處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，設(shè)備龐大[6]。本文采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)電源，以可開(kāi)合式雙匝單股線圈加熱鋼軌，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閃光焊接和焊后熱處理一體化作業(yè)，提高工作效率。

1 焊后熱處理裝置

為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊焊后熱處理，采用了IGBT中頻感應(yīng)加熱電源。感應(yīng)加熱裝置主要由串聯(lián)型IGBT 加熱電源、中頻正火變壓器、感應(yīng)線圈、冷卻系統(tǒng)等組成。中頻感應(yīng)加熱電源主要由逆變器、諧振單元、變壓器、補(bǔ)償電容、感應(yīng)器組成。其中斬波和逆變是一個(gè)交-直-直-交的逆變器[7]，將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)閹装俸掌澲翈装偾Ш掌澤踔粮叩母哳l電能。將高壓變成隔離的低壓并進(jìn)行阻抗匹配。感應(yīng)器上流過(guò)的高頻電流，通過(guò)雙匝單股線圈耦合在鋼軌焊接接頭上形成感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)鋼軌焊接接頭迅速加熱[8-9]。

為了配合現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊機(jī)作業(yè)，該套中頻感應(yīng)加熱裝置采用雙匝單股線圈仿型結(jié)構(gòu)，線圈及加熱器附件采用水冷，見(jiàn)圖1。采用FLIR A615型紅外成像儀(圖2)對(duì)各部件進(jìn)行測(cè)試：焊接接頭加熱到910 ℃時(shí)，線圈附件最高溫度到89 ℃，冷卻系統(tǒng)合理；在熱處理器工作階段，各電器元件溫升較小，滿足現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理需求。

感應(yīng)加熱裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可裝置于四軸移動(dòng)閃光焊機(jī)機(jī)頭。感應(yīng)電源兩側(cè)安裝有油缸和限位開(kāi)關(guān)，在焊接作業(yè)時(shí)通過(guò)油缸夾緊將感應(yīng)裝置提起。待焊接完成后，接頭溫度降至合理溫度區(qū)間時(shí)，加熱線圈兩側(cè)的油缸張開(kāi)，線圈張開(kāi)到最大角度，電源兩側(cè)的油缸張開(kāi)，作動(dòng)感應(yīng)裝置整體下降，下降位置通過(guò)限位開(kāi)關(guān)控制，裝置到位后，線圈兩側(cè)的油缸帶動(dòng)線圈夾緊焊縫，對(duì)焊縫進(jìn)行焊后感應(yīng)加熱?？砷_(kāi)合雙匝單股線圈直接夾在焊接接頭處，對(duì)閃光焊焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閃光焊接和焊后熱處理一體化作業(yè)，提高工作效率。

加熱感應(yīng)器是中頻感應(yīng)正火熱處理裝置的核心設(shè)備，鋼軌斷面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，軌頭較厚而軌底較薄[10]?？砷_(kāi)合式雙股單匝線圈仿型熱處理器可以較好的匹配斷面尺寸，實(shí)現(xiàn)鋼軌全斷面均勻加熱，最大限度的發(fā)揮焊后熱處理的加熱效果[11]。

2 焊后熱處理試驗(yàn)

鋼軌焊后熱處理的主要目的是改善閃光焊焊縫的綜合力學(xué)性能，提高焊縫硬度的同時(shí)還要保證焊縫的韌性，從而延長(zhǎng)鋼軌焊縫的疲勞壽命[12]。焊后熱處理溫度原則上保證鋼軌腰底部位具有最佳的韌塑性同時(shí)兼顧軌頭及軌底中加熱的強(qiáng)度[13]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初始確定了U75V鋼軌焊后熱處理溫度達(dá)到900 ℃。

電磁感應(yīng)加熱頻率對(duì)加熱效率影響較大，頻率太低加熱溫度不夠，頻率太高鋼軌表面很快達(dá)到加熱溫度，而鋼軌心部不容易正透。對(duì)于本試驗(yàn)IGBT電源，在2 400～3 000 Hz加熱時(shí)軌頭三角區(qū)正火效果較差，因此，調(diào)整電容和匝數(shù)比將電源頻率降到2 200 Hz左右進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。

為了測(cè)量鋼軌焊接接頭各部位溫升情況，在鋼軌焊接接頭的軌頭、軌腰、軌底角兩側(cè)及軌底中心各埋設(shè)熱電偶探頭，布置見(jiàn)圖3。

2.1 感應(yīng)加熱工藝選擇

本次試驗(yàn)采用60 kg/m國(guó)內(nèi)主型軌，鋼軌為熱軋態(tài)。對(duì)比兩組試驗(yàn)驗(yàn)證熱處理效果，第一組試驗(yàn)采用小功率長(zhǎng)時(shí)間加熱，加熱時(shí)間210 s。第二組試驗(yàn)采用大功率短時(shí)間加熱，加熱時(shí)間160 s。對(duì)比不同功率設(shè)置鋼軌焊縫加熱效果。

在對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行焊后正火試驗(yàn)中，針對(duì)不同的功率設(shè)置，電源頻率會(huì)隨著功率及加熱時(shí)間的變化產(chǎn)生變化，正火加熱時(shí)電源頻率的變化曲線見(jiàn)圖4。

鋼軌焊接接頭感應(yīng)加熱初始溫度為39 ℃，加熱到軌頭溫度900 ℃時(shí)停止， 采用熱電偶對(duì)軌頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

鋼軌各斷面在正火加熱條件下各部位溫升曲線見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，鋼軌各部位溫升較均勻；熱電偶測(cè)溫到900 ℃時(shí)由于滯后效應(yīng)，軌頭實(shí)際溫度在210、160 s加熱過(guò)程中實(shí)際達(dá)到了910 、920 ℃，軌頭、軌腰、軌腳、軌底在800 ℃以上時(shí)基本都能保持均勻加到910 ℃，軌頭和軌腳溫度差小于50 ℃，見(jiàn)表1。目前現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊鋼軌焊縫的中頻正火感應(yīng)熱處理機(jī)一般采用1 600～1 800 Hz的加熱頻率，加熱過(guò)程中軌腳溫度低于軌頭溫度,軌腳正火效果不理想。本套中頻感應(yīng)正火裝置可以均勻地加熱軌頭和軌腳，在鋼軌焊縫各部位達(dá)到最高溫時(shí)，加熱210 s的最大溫差出現(xiàn)在軌頭和軌腳，為31 ℃，而軌腰和軌底加熱均勻。加熱160 s時(shí)的最大溫差同樣出現(xiàn)在軌頭和軌腳，但160 s加熱設(shè)置的功率較大，實(shí)際加熱時(shí)頻率較高，加熱速度快，軌頭和軌腳溫差相對(duì)較大，原因在于加熱時(shí)間短，后期熱傳導(dǎo)過(guò)程不充分。

表1 不同加熱時(shí)間鋼軌不同位置最高溫度 ℃

2.2 焊接接頭正火性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊焊后感應(yīng)熱處理要求焊縫的綜合力學(xué)性能能達(dá)到文獻(xiàn)[14]的要求，因此對(duì)感應(yīng)正火后的焊接接頭進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.2.1 落錘性能試驗(yàn)

分別對(duì)210、160 s加熱時(shí)間處理過(guò)的鋼軌焊縫進(jìn)行落錘試驗(yàn)，落錘時(shí)軌頭溫度51 ℃。室外環(huán)境溫度42 ℃，落錘高度3.1 m，3錘砸斷。鋼軌焊接接頭落錘斷口宏觀形貌見(jiàn)圖6。210 s加熱時(shí)間的鋼軌焊縫斷裂源在焊筋邊緣軌角中心處，與未正火接頭宏觀晶粒度判斷，210 s正火后鋼軌焊縫的斷口處晶粒變細(xì)，且軌頭及軌底三角區(qū)處晶粒度較未正火樣品明顯變細(xì)小。160 s加熱時(shí)間的鋼軌焊縫斷裂源在焊縫中心處，與未正火接頭宏觀晶粒度判斷，160 s正火后鋼軌焊縫的斷口軌底角處晶粒變細(xì)，軌底三角區(qū)中心處晶粒度與未正火樣品相比區(qū)別不大。

2.2.2 焊接接頭宏觀形貌

鋼軌焊接接頭焊態(tài)和熱處理后的宏觀形貌見(jiàn)圖7。由圖7(a)可見(jiàn)，中間的一條豎直白線是閃光焊的焊縫，左右兩邊的顏色較深的部位是焊接熱影響區(qū)，焊縫兩側(cè)白色線條是焊接熱影響區(qū)與母材的分界線。焊縫兩側(cè)的鋼軌焊縫熱影響區(qū)較窄，按照文獻(xiàn)[14]的要求，熱處理后的熱影響區(qū)要完全覆蓋原鋼軌焊態(tài)的熱影響區(qū)。因?yàn)殇撥墧嗝嬷熊夘^較厚，軌頭三角區(qū)中心部位最不易被覆蓋。

由圖7 (b)可見(jiàn)，鋼軌焊接接頭經(jīng)過(guò)中頻感應(yīng)正火處理后，接頭熱影響區(qū)明顯變寬，且完全覆蓋了焊態(tài)的鋼軌焊接接頭熱影響區(qū)。由圖7(c)可見(jiàn)，160 s正火后，鋼軌焊接接頭熱影響區(qū)并未完全覆蓋焊態(tài)鋼軌焊接接頭的熱影響區(qū)。說(shuō)明2 200 Hz的頻率下在210 s加熱時(shí)間內(nèi)完全可以達(dá)到移動(dòng)閃光焊焊后熱處理溫度透入深度的要求。160 s加熱時(shí)間內(nèi)基本可以達(dá)到移動(dòng)閃光焊焊后熱處理溫度要求，但并未完全達(dá)到透入深度的要求。

2.2.3 焊接接頭硬度試驗(yàn)

對(duì)焊態(tài)和熱處理后的鋼軌焊接接頭同時(shí)進(jìn)行了硬度測(cè)試，見(jiàn)表2，焊態(tài)鋼軌焊接接頭焊縫硬度與母材相差較大，焊態(tài)焊接接頭硬度分布很不均勻，焊縫熱影響區(qū)較窄，軟化區(qū)較寬，硬度不滿足文獻(xiàn)[14]的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 鋼軌焊接接頭正火后軌頂硬度分布

經(jīng)過(guò)210 、160 s感應(yīng)正火熱處理的鋼軌焊接接頭洛氏硬度分布較均勻，洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)到各微小質(zhì)點(diǎn)的硬度變化，測(cè)量結(jié)果受微區(qū)組織的影響大，因此可以考察到組織的改變，有利于監(jiān)測(cè)熱處理過(guò)程中產(chǎn)生脆性組織，并考察軌頭軟化區(qū)的寬度[15]。鋼軌焊接接頭軌頂硬度分布見(jiàn)圖8，經(jīng)過(guò)檢測(cè)熱處理后的焊接接頭洛氏硬度符合文獻(xiàn)[14]的標(biāo)準(zhǔn)要求。接頭平均硬度與母材平均相近，且軟化區(qū)寬度合適。但160 s正火熱處理的接頭軟化區(qū)比210 s熱處理的軟化區(qū)寬，且硬度分布不均勻。

2.2.4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)焊后及熱處理后的焊接接頭進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。試樣取樣位置參照文獻(xiàn)[14]要求，見(jiàn)圖9。在軌頭軌腰各取4個(gè)試樣，在軌底取6個(gè)試樣，室溫下采用夏比U型缺口沖擊試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。閃光焊后的焊接接頭平均沖擊吸收功為12.2 J，經(jīng)210 、160 s熱處理后的沖擊吸收功分別為22.3、22.8 J，分別為未經(jīng)熱處理接頭的1.83、1.87倍，說(shuō)明經(jīng)電磁感應(yīng)正火處理后的鋼軌移動(dòng)閃光焊接頭的沖擊性能大幅提高，這是由于經(jīng)熱處理后的接頭顯微組織細(xì)化，鋼軌焊接接頭的韌化性能明顯提高。

2.2.5 金相顯微組織分析

對(duì)移動(dòng)閃光焊接頭正火前后進(jìn)行金相顯微組織分析，取樣部位按照文獻(xiàn)[14]的要求，見(jiàn)圖10。金相顯微組織分析結(jié)果見(jiàn)圖11，焊態(tài)的鋼軌焊接接頭晶粒度等級(jí)在1～2級(jí)，鐵素體組織粗大，經(jīng)過(guò)正火熱處理后，鐵素體網(wǎng)明顯細(xì)化，晶界增多，熱處理后的鋼軌焊接接頭晶粒度達(dá)到8級(jí)以上。

表3 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果 mm

3 結(jié)論

(1) 鋼軌移動(dòng)閃光焊焊后熱處理裝置可安裝在現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊機(jī)機(jī)頭動(dòng)靜架之間，集移動(dòng)閃光焊與焊后熱處理于一體，有效提高焊接作業(yè)效率，精簡(jiǎn)焊接裝備體積，方便現(xiàn)場(chǎng)焊接設(shè)備的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)場(chǎng)。

(2) 該裝置可以采用2 200 Hz的頻率對(duì)焊后鋼軌焊接接頭進(jìn)行感應(yīng)熱處理，加熱效率高，各附件溫升合理。適合現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)閃光焊后熱處理。

(3) 根據(jù)對(duì)熱處理接頭力學(xué)性能檢測(cè)，熱處理后鋼軌閃光焊接頭與母材硬度匹配良好，焊縫晶粒度由2級(jí)提高到8級(jí)，有效地提高了閃光焊接接頭的沖擊吸收功。該套裝置可以快速、有效地提高現(xiàn)場(chǎng)鋼軌移動(dòng)閃光焊接頭的力學(xué)性能。

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