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钢轨闪光焊接头热处理工装和工艺的优化

2014-12-25陈伟国高成钢邹良甫

铁道建筑 2014年11期
关键词:铁道钢轨晶粒

陈伟国,高成钢,邹良甫

(广州铁路(集团)公司广州工务大修段,广东 广州 510100)

1 钢轨闪光焊接头热处理效果现状

1.1 工装设备及工艺参数

钢轨闪光焊接时,受热处理设备性能参数的影响,频率搭配的选择性不够,只能采用双频热处理,即先低频加热再转中频加热,低频和高频调试搭配选择有限。低频调整范围为1 600~1 800 Hz,中频调整范围2 200~2 400 Hz。这有以下两个缺点:①加热线圈的形状以及比例对加热效果有较大的影响,容易导致整个断面的接头加热不均匀,主要表现在三角区温度过高,但轨脚温度过低。②热处理温度上升过快,转频之后的轨脚温度(测温位置为轨脚边缘10 mm以内)停留在800℃,之后就难以提升,对操作者作业精度要求较高。

1.2 未正透现象

在型式检验的落锤项目中,发现焊接接头被落锤砸断后的断口形貌,有热处理未正透现象,即该处温度不够,如图1所示。通过样品送检发现微观上有三角区,轨头以及轨脚晶粒度不达标;宏观上热处理加热影响区未能覆盖焊接热影响区。

2 热处理工装和工艺的优化

2.1 优化目标

主要通过控制加热温度,特别是控制轨脚温度来优化温度场,要求:①轨脚温度不低于830℃;②轨头踏面与轨底脚温差≤60℃。

图1 热处理未正透现象

2.2 工装优化

钢轨焊接接头加热时不同部位有各自特点:①轨头截面尺寸较大,容易使温度停留在表面,同时难以使轨头心部与表面同温。②轨脚边缘处,与空气对流强烈,到磁化温度(770℃)以后,升温慢。③轨腰下部的三角区升温快,散热慢,往往是整个断面温度最高的部位,但温度过高,容易导致晶粒长大。因此保持接头各个部位加热温度的均匀性尤为重要。

对加热的重要工装器具——热处理加热线圈进行改造,如图2所示。两个加热线圈的不同之处在于加热轨底板的部位。优化后的线圈,线圈与钢轨轨底表面的距离增大了,所以减缓了轨底三角区的温度上升速度,使接头在全断面范围内更加均匀地加热。

图2 感应器形状优化

2.3 工艺参数试验

加热线圈尺寸的优化,只能部分改善接头力学性能,更重要的改进措施是热处理工艺参数的优化。先后进行了以下两个方面的试验探索:①尝试热处理由双频加热改为单频加热;②细化并微调热处理加热参数,如温度、频率等。试验参数见表1。

轨头顶面温度分别设置为920℃,900℃或者880℃,轨头顶面加热温度到达设置值后,加热过程即停止,同时测量轨脚边缘的最高加热温度。由表1可知:①轨头与轨底脚(离轨脚边缘10 mm以内位置)的温差较大,约90℃,表1中的工艺参数均未达到优化目标。②单频热处理加热工艺,轨头与轨脚的温度差总体上小于双频加热工艺。因此,确定采用单频加热,并且工艺参数暂时确定为880℃,风压为0.15 MPa。

表1 热处理工艺参数调试

2.4 电气参数优化

初步确定了加热温度后,如果继续提高加热温度,则会导致轨头与轨脚温差更大。对此,从电源功率和加热固有频率着手,精心细化系统参数。试验参数及试验结果见表2。

由表2可知,5号参数最为理想,也符合之前设定的优化目标。最终确定的设备性能参数和工艺参数见表3。

表2 热处理工艺参数优化试验结果

表3 优化后的热处理设备性能参数和工艺参数

3 优化后的检验结果

按照表3中确定的热处理参数进行试验,试验样品送铁科院检验。除了硬度和软化区宽度之外,主要检验之前不合格的宏观覆盖和晶粒度两个方面,检验结果符合铁标标准。

3.1 宏观检验

焊接接头的纵断面经硝酸酒精腐蚀后的宏观形貌如图3所示。

图3 焊接接头的纵断面经硝酸酒精腐蚀后的宏观形貌

图3(a)为热处理工艺参数未优化之前的试验样品,由于焊接热处理工艺不当导致热处理区域太窄,不利于覆盖焊接热影响区,轨头中央热处理最窄处宽度为38 mm。图中所示为轨头中央焊接原始热影响区在热处理后未消除。

图3(b)是热处理工艺参数优化之后的宏观腐蚀覆盖情况,可见被热处理后的热影响区已经覆盖了原焊接热影响区。

3.2 晶粒度检验

焊缝处晶粒度检验结果见图4,可见焊缝和热影响区显微组织为珠光体和铁素体,未见异常组织。利用焊缝的铁素体网进行晶粒度评级,轨头晶粒度为9级,轨底中为8.5级,轨底角为8.5级、9级。

图4 焊缝显微组织(100×)

3.3 硬度检验

钢轨焊接接头的硬度测试按照铁道行业标准TB/T 1632.2—2005执行。硬度测试分析结果见表4。

表4 硬度测试分析结果

3.4 软化区宽度

利用纵断面测试线1上的HJ及0.9HP绘制硬度曲线,如图5所示,可见软化区宽度达到标准要求。

图5 纵断面测试线1(轨头)上的硬度曲线

4 结论

1)热处理加热感应器的形状、尺寸对加热效果有较大的影响。采用优化后的加热感应器,使接头在全断面范围内的加热更加均匀。

2)单频加热热处理也可以实现接头均匀加热,晶粒度达标。

3)优化热处理工艺,应结合热处理加热功率、频率、温度、风压等参数综合调试。

[1]范颖,张宪良.浅析热处理工艺对焊接接头性能的影响[M]//中国铁道学会工务委员会.铁道工务(2013).北京:中国铁道出版社,2013.

[2]郭晋龙,刘伟,董平禹,等.钢轨闪光焊焊缝的双中频正火设备工艺的研制[M]//中国铁道学会工务委员会.铁道工务(2011).北京:中国铁道出版社,2011.

[3]牛道安.提高钢轨工厂焊接接头可靠性的研究[J].铁道建筑,2012(7):118-120.

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