淺述高速鐵路無縫鋼軌焊接后的熱處理

郝興生

【摘要】高速鐵路無縫鋼軌焊接后再對焊接接頭重新進(jìn)行熱處理，以改善接頭使用性能，其工藝原理及優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】無縫鋼軌焊接；熱處理

為了適應(yīng)我國鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要，無縫線路長鋼軌在向重型化發(fā)展的同時，還必須提高其強(qiáng)度、韌性，經(jīng)國內(nèi)外多年實踐證明，鋼軌進(jìn)行全長淬火能提高鋼軌抗磨耗、抗壓潰、抗剝離、抗疲勞、耐沖擊性能，可延長其使用壽命，是提高線路質(zhì)量的最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。全長淬火鋼軌鋪設(shè)在小半徑曲線上其使用壽命比未淬火普通鋼軌提高l倍以上。 全長淬火鋼軌經(jīng)焊接后，焊縫附近由于受焊接高溫的影響，造成晶粒粗化，塑性、韌性大幅度下降。同時焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，原淬硬層將消失，而產(chǎn)生寬度為100mm左右的低硬度區(qū)。這將使鋼軌焊縫的脆性增大，使用中易產(chǎn)生接頭低陷并誘導(dǎo)波浪磨耗的產(chǎn)生，縮短使用壽命。為解決上述問題，一是將普通鋼軌焊接成250m或500m長后再進(jìn)行全長淬火，這樣可使焊接接頭性能均勻化。這種方法雖好，但大部分焊軌廠受條件限制無法采用；另一種辦法是將25m長全長淬火鋼軌焊接后再對焊接接頭重新進(jìn)行熱處理，以改善接頭使用性能。

1. 路軌道焊接成無縫鋼軌的原因之一是

（1）使鐵軌間不留空隙，火車開的時候沒有摩擦力。

（2）降低鋪設(shè)軌道的難度。

（3）減少輪子與鐵軌撞擊次數(shù)，減少共振帶來的車廂損傷。

（4）延長輪子與鐵軌撞擊的間隔時間，可以提高列車運(yùn)行的安全速度

2. 焊接缺陷鋼軌焊接缺陷

2.1接觸焊不良引起鋼軌斷裂。

接觸焊不良常常造成鋼軌焊縫端面不能完全焊合，而形成局部熔融狀表面和未熔融區(qū)，在行車中鋼軌從焊縫中發(fā)生脆斷。

2.2鋁熱焊不良引起鋼軌折斷。

鋁熱焊是一種鋁熱冶煉工藝，其生成物為鑄態(tài)組織，常存在各種鑄造缺陷，這些缺陷經(jīng)列車反復(fù)作用常由局部微小裂紋發(fā)展成鋼軌宏觀斷裂。引起鋼軌宏觀斷裂的鑄造缺陷為結(jié)晶裂縫、央渣、晶粒粗大。

2.3氣壓焊不起引起鋼軌斷裂。

氣壓焊不良常常造成鋼軌光斑和斷裂。光斑是指未能焊合的這種缺陷，其斷口呈銀灰色。由于氣壓焊不良造成鋼軌殘余應(yīng)力較大，尤其是在腰部焊縫處存在殘余拉應(yīng)力，在行車過程中這種拉應(yīng)力與列車通過產(chǎn)生的工作應(yīng)力疊加，超過其強(qiáng)度時則發(fā)生鋼軌沿腰部呈“s”形斷裂。

3. 鐵路對鋼軌的質(zhì)量要求

高速客運(yùn)鐵路對鋼軌的要求主要是：

3.1關(guān)于鋼軌斷面，多數(shù)國家選擇50Kg/m或60Kg/m平底軌，其長度為25m、36m、50m或焊接鋼長軌。

3.2關(guān)于鋼種，一般采用碳素鋼，其強(qiáng)度要求在900MPa以上。為防止早期疲勞和剝離的產(chǎn)生，要求鋼軌鋼采用硅脫氧鎮(zhèn)靜鋼，鋼中最大鋁含量不大于0.005%。為獲得潔凈鋼，要對鋼軌鋼包精爍和真空脫氣。按ASTME45/84條款規(guī)定對氧化物最壞的視場是B1，對硅酸鹽型夾雜的視場是C1。在德國DIN50602條款中，要求鋼必須滿足如下要求：

-K3≤10對95%的鋼軌；-K3≤20對其余5%的鋼軌。

3.3對平直度的要求是：

（1）軌端平直度：垂直上翹不大于0.2mm/m，垂直下彎不大于0.1mm/m，水平彎曲不大于0.25mm/m。

（2）全長平直度：垂直方向不大于0.1mm/m，水平方向不大于0.3mm/m，垂直方向上翹最大5mm，水平方向旁彎的彎曲半徑不小于1000m。

3.4對于焊接軌，焊縫處軌高尺寸公差要控制在0.1～0.2mm。

3.5為保證在高速下行車平穩(wěn)，輪、軌接觸帶寬不應(yīng)超過12～14mm，而且在這個接觸帶上不應(yīng)存在任何表面缺陷，為此必要時要對軌頭進(jìn)行打磨拋光。

3.6對于軸重大于20t的線路，則應(yīng)采用耐磨級鋼軌。

4. 鋼軌熱處理工藝

鋼軌熱處理工藝按其原理可分為下列三大類：

4.1QT工藝。它是把鋼軌加熱到奧氏體化溫度，然后噴吹冷卻介質(zhì)，讓鋼軌表面層急速冷卻到馬氏體相變溫度以下，然后進(jìn)行回火。其組織為回火馬氏體（也叫索氏體），這是一種傳統(tǒng)的金屬熱處理工藝，它可以提高鋼軌硬度和強(qiáng)度，改善鋼軌抗疲勞和耐磨耗性能。但這種工藝存在如下缺陷：淬火后鋼軌彎曲度大，需要對其進(jìn)行補(bǔ)充矯直，在淬火的軌頭斷面上有時出現(xiàn)因貝氏體而引起的硬度塌落。這種淬火十回火工藝及加熱方法叉可分為以下兩種：

（1）感應(yīng)加熱軌頭淬火工藝，如美國鋼鐵公司的格里廠、新日鐵的八幡、烏克蘭的亞速廠等均是采用上述工藝。通過電感應(yīng)加熱，使鋼軌加熱到A3以上50℃，然后空冷到750℃，噴吹壓縮空氣，使鋼軌冷卻到500℃左右，進(jìn)行自熱回火。這種工藝生產(chǎn)穩(wěn)定，對環(huán)境無污染，生產(chǎn)方式靈活，缺點是設(shè)備一次性投資大、能耗高。

（2）整體加熱整體淬火工藝。如前蘇聯(lián)下塔吉爾、庫茲涅茨克廠、美國伯利恒的斯蒂爾頓廠都采用這種工藝。采用煤氣對鋼軌整體加熱，然后在油中或溫水中進(jìn)行整體淬火，淬火后的鋼軌要在450～500℃進(jìn)行回火。這種工藝特點是產(chǎn)量高，淬火硬度均勻，可提高全斷面鋼軌的強(qiáng)韌性。

4.2SQ工藝。它是把鋼軌加熱到奧氏體化溫度后，用淬火介質(zhì)緩慢冷卻進(jìn)行淬火，直接淬成索氏體（不進(jìn)行回火），即細(xì)微珠光體，其力學(xué)性能、抗疲勞性能、耐磨耗性能均比由QT工藝得到的回火馬氏體要好。這種欠速淬火工藝按加熱方法也可分為三種：

（1）感應(yīng)加熱欠速淬火工藝，如中國攀鋼就是先用工頻電流對鋼軌全斷面進(jìn)行預(yù)熱，再用中頻電流對軌頭加熱到奧氏體化溫度，然后噴吹壓縮空氣淬火，淬火速度1.2m/Min該工藝直接得到淬火索氏體，即細(xì)片狀珠光體。

（2）焊氣加熱欠速淬火工藝。采用煤氣先將鋼軌預(yù)熱到450℃，然后快速加熱到奧氏體化溫度，噴吹壓縮空氣將鋼軌直接淬成索氏體，即細(xì)微珠光體。日本鋼管的福山廠就是采用這種工藝。endprint

（3）利用軋制余熱進(jìn)行熱處理的欠速淬火工藝。如日本的新日鐵的八幡廠、盧森堡的阿爾貝特一羅丹廠。它是充分利用鋼軌在軋制后800～900℃的高溫，直接對鋼軌在專門的冷床上進(jìn)行噴霧或壓縮空氣淬火。這是目前世界上最先進(jìn)的熱處理工藝，其最大優(yōu)點是降低成本，節(jié)能但增加了生產(chǎn)技術(shù)管理難度，也存在淬火質(zhì)量均勻性問題。

4.3形變熱處理。

（1）這種工藝目前仍處于實驗階段，但從前蘇聯(lián)庫鋼廠、日本新日鐵八幡鋼廠的實驗結(jié)果看，其效果顯著，前景可觀。其主要工藝是：把鋼坯加熱到960～1100℃，降溫到850～960℃左右進(jìn)行軋制，其終軋和預(yù)終軋均是在萬能軋機(jī)的孔型中進(jìn)行，這種萬能孔型給軌頭很大變形量，約14%～16%。在軋后用水霧進(jìn)行快速冷卻到550～600℃，然后在空氣中最終冷卻。其軌頭的金相組織是比普通熱處理還要細(xì)微的珠光體，其力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度900～980MPa，抗張強(qiáng)度1280～1330MPa，伸長率10%～11%，斷面收縮率33%～46%。

（2）但這種形變熱處理要求有高剛度的軋機(jī)、高水平的微機(jī)和先進(jìn)的檢測設(shè)備，目前其尚未被大量采用，但其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是相當(dāng)先進(jìn)的，代表著鋼軌熱處理技術(shù)的發(fā)展方向。

5. 焊接及焊后熱處理

5.1熱處理鋼軌與熱軋鋼軌的焊接在可焊性方面沒有太多的區(qū)別，其焊接工藝參數(shù)往往根據(jù)對實際鋼軌的試驗來確定。碳素?zé)崽幚礓撥壗?jīng)焊接后，因焊縫區(qū)域原軌頭硬化層消失，而出現(xiàn)一較寬的低硬度區(qū)。因此，在使用中易產(chǎn)生接頭低陷并誘導(dǎo)發(fā)生波磨，增加無縫線路接頭的不平順，會影響其使用壽命。為解決此問題，一般要采用焊后熱處理，即焊接后對焊接接頭軌頭部位噴壓縮空氣或水霧等，恢復(fù)其硬度[8]。國外也有在熱處理鋼軌中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪兀购附雍蟮匿撥壘哂杏捕茸曰謴?fù)性能，如歐洲鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中的350LHT熱處理鋼軌，日本研制的NSⅡ鋼軌等。

5.2碳素?zé)崽幚礓撥壩催M(jìn)行焊后再硬化處理，其焊接接頭處產(chǎn)生的低陷究竟多大，可參考文獻(xiàn)[9]中提供的數(shù)據(jù)，即：在半徑為450～500m的曲線上股鋪設(shè)使用近8年后（通過總重約420Mt），未1TIITI，此時1T11TI左右。

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[文章編號]1619-2737（2014）03-13-666endprint