放熱焊接鋼軌溫度分布及預(yù)熱保溫研究

黃尊地，常寧，馮振富，余啟智

(五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020)

放熱焊接鋼軌溫度分布及預(yù)熱保溫研究

黃尊地，常寧，馮振富，余啟智

(五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020)

軌道交通線路施工過程中，有很多導(dǎo)線接頭需要焊接在鋼軌上。放熱焊接時溫度處理不好導(dǎo)致鋼軌中馬氏體的存在，使鋼軌結(jié)構(gòu)脆化以及韌性變差，影響行車安全。通過試驗和仿真對比驗證分析，建立鋼軌有限元計算模型，從不同的預(yù)熱工況下分析焊接鋼軌的溫度分布情況以及馬氏體溫度點的影響范圍，最后提出放熱焊接鋼軌的預(yù)熱和保溫措施，為軌道交通線路現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。

放熱焊接；鋼軌；溫度分布；預(yù)熱；保溫

軌道交通線路施工中，鋪設(shè)的鋼軌都是由基本軌構(gòu)成，基本軌的長度為12.5 m或25 m，那么線路上就會有很多的鋼軌接頭；同時，為了保證通信信號和回流等，也會有很多的導(dǎo)電接頭等。鋼軌專用放熱焊接，主要用于軌道的均流、回流、軌間跳線、軌旁設(shè)備等與鋼軌連接，具有良好的導(dǎo)電性能、牢靠的連接效果、持久的耐震動特性等優(yōu)點，但同時存在預(yù)熱困難、焊接溫度分布不明確、焊接過程中易產(chǎn)生對鋼軌機(jī)械性能不利的馬氏體和貝氏體[1-3]等金相組織等缺點。馬氏體的存在使鋼軌結(jié)構(gòu)脆化以及韌性變差，導(dǎo)致鋼軌承受載荷及沖擊的能力下降，壽命縮短，同時對行車安全性有所影響。國內(nèi)外學(xué)者對放熱焊接過程中的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，并提出了一些建議對策等[4-8]，但文獻(xiàn)中對焊接過程中溫度的整體分布以及對馬氏體預(yù)防的預(yù)熱保溫范圍要求沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。鑒于以上問題，本文建立鋼軌的有限元模型[9-12]，通過實物實驗驗證，得到合理的有限元網(wǎng)格和正確的仿真計算方法，分別從不同的預(yù)熱工況下分析焊接鋼軌的溫度分布以及馬氏體溫度點的影響范圍，最后提出放熱焊接鋼軌的預(yù)熱和保溫措施，為軌道交通現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。

1 仿真計算模型

為了保證運輸安全及延長維修周期，軌道交通線路常用的鋼軌類型為60 kg/m鋼軌，采用工字形斷面，由軌頭、軌腰和軌底組成，其斷面尺寸和有限元計算模型如圖1所示。

(a)斷面尺寸圖;(b)有限元模型圖1 60 kg/m鋼軌計算模型Fig.1 Model of 60 kg/m rail

為了保證鋼軌計算模型網(wǎng)格劃分的合理性和溫度分布仿真的準(zhǔn)確性，本文首先建立400 mm長60鋼軌，與實物驗證模型一致。結(jié)合單元類型和材料參數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格最小離散尺寸為5 mm，劃分后得出單元模型如圖2所示，其中節(jié)點數(shù)為33 704個，單元數(shù)為26 883個。后期分析時為了保證與現(xiàn)場工況一致，鋼軌長度為1 000 mm，保證溫度場充分發(fā)展。

(a)鋼軌截面網(wǎng)格圖;(b)整體網(wǎng)格圖圖2 計算模型網(wǎng)格圖Fig.2 Grid of calculation model

進(jìn)行焊接溫度場仿真分析需要確定的熱物理參數(shù)，有導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容以及焊件的初始溫度等。本文使用60 kg/m鋼軌的熱物理性能參數(shù)見表1。

表1 60 kg/m鋼軌熱物理性能參數(shù)Table 1 Thermal physical properties of 60 kg/m rail

2 試驗驗證分析

鋼軌表面加熱試驗是采用長400 mm的60 kg/m鋼軌，利用紅外測溫儀測溫的方法，對鋼軌表面持續(xù)一定的時間澆開水(100 ℃)，測量出在距離加熱點背面一側(cè)沿鋼軌縱向上的溫度分布情況，并畫出溫度分布曲線。

實驗所用紅外測溫儀型號為GM500型，該測溫儀使用工業(yè)級傳感器和定位激光，測量穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏。測量物體溫度時，只需要1 s即可獲得被測物體的表面溫度，操作簡單，快捷方便。同時測溫儀也不會損壞被測物體。由于不同材料有不同的反射率，所以在測量前必須先調(diào)節(jié)測量的反射率，才能測量出比較準(zhǔn)確的溫度值。本實驗測量鋼軌的溫度使用的反射率為0.97。

試驗裝置見圖3，其驗證試驗過程為：

1)先把模具、模夾裝配完好把模具、模夾卡在鋼軌焊接處，調(diào)節(jié)模夾的調(diào)節(jié)螺絲并夾緊，保持模具的水平，用密封裝置把模具成型小孔堵上，防止漏水；

2)由于鋼軌加熱側(cè)有夾具，所以以鋼軌加熱點背面為起點，往鋼軌縱向標(biāo)記尺寸，分別為0，20，40，60，80，100和120 mm；

3)用紅外測溫儀記錄室溫下鋼軌的溫度，然后打開模具上蓋，開始往模具里面澆開水，持續(xù)時間5～10 min盡量保證加熱點溫度為100 ℃；

4)迅速用紅外測溫儀測量各個標(biāo)記點的溫度值并記錄；

5)為保證數(shù)據(jù)測量的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，待鋼軌冷卻至常溫，重復(fù)試驗3次。

圖3 鋼軌溫度分布驗證試驗Fig.3 Verification test of rail temperature distribution

(a) 試驗數(shù)據(jù)；(b) 仿真數(shù)據(jù)圖4 仿真和試驗數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of simulation and test data

整理試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，其對比分析結(jié)果如圖4所示。從2個溫度曲線圖可以看出，鋼軌加熱試驗結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果接近，試驗數(shù)據(jù)偏小一些，可能是試驗過程中的熱量損失導(dǎo)致，但整體變化規(guī)律和分布范圍一致，所以，本文建立的鋼軌放熱焊接有限元模型和仿真計算是準(zhǔn)確可信的。

3 仿真結(jié)果討論

實際施工過程中鋼軌放熱焊焊接的操作過程與試驗驗證的操作流程基本一樣，不同的是焊接時溫度達(dá)到1 500 ℃。仿真真實現(xiàn)場過程設(shè)置的參數(shù)為：長1 000 mm的60 kg/m軌道結(jié)構(gòu)，室溫25 ℃，溫度載荷1 500 °C。邊界條件設(shè)置如下：

1)施加溫度載荷。在模具焊接點與鋼軌接觸的軌腰上施加溫度載荷為1 500 °C。

2)施加初始溫度。鋼軌放熱焊焊接過程為瞬態(tài)熱分析過程，需要施加初始溫度。初始溫度定義為室溫25 °C，焊點附近預(yù)熱溫度分別為25，150，200，300和500 ℃。

3)設(shè)置求解選項。在熱的瞬態(tài)分析中，可以使用幾個載荷步來完成階躍或者漸變的邊界條件；而對于隨時間變化有改變的邊界條件，可以只使用一個載荷步來定義時間點。

4)設(shè)置溫度偏移量。由于ANSYS軟件默認(rèn)當(dāng)前使用的溫度值為華氏溫度，應(yīng)該定義一個溫度偏移量將其轉(zhuǎn)化為絕對溫度。設(shè)置溫度偏移量實際上是單位的換算，攝氏溫度與絕對溫度的偏移量為273。

5)求解。ANSYS軟件中有不同的求解器，選擇求解器的核心是根據(jù)需要求解節(jié)點的自由度數(shù)目和計算時間進(jìn)行選擇。

仿真計算結(jié)果分別如圖5～9所示。

(a)溫度云圖；(b)溫度分布圖5 預(yù)熱溫度為25 ℃時焊接鋼軌溫度分布Fig.5 Temperature distribution of welded rail when preheat temperature is 25 ℃

從以上5種工況的仿真結(jié)果可以看出，預(yù)熱溫度為25 °C時溫度場的分布范圍最小，預(yù)熱溫度為500 °C時溫度場分布范圍最大。預(yù)熱的溫度越高，焊后鋼軌的溫度場范圍就越廣，無疑會增加焊后保溫的難度。同時，焊接后鋼軌從高溫快速降溫的過程中，馬氏體的生成溫度點在150 °C左右，所以焊接后鋼軌溫度達(dá)到150 °C以上的區(qū)域為保溫范圍，具體如下：

1)預(yù)熱溫度為25 °C時，由焊接放熱所引起的溫度變化范圍大概在以焊接點處為中心，鋼軌縱向

(a)溫度云圖；(b)溫度分布圖6 預(yù)熱溫度為150 ℃時焊接鋼軌溫度分布Fig.6 Temperature distribution of welded rail when preheat temperature is 150 ℃

(a)溫度云圖；(b)溫度分布圖7 預(yù)熱溫度為200℃時焊接鋼軌溫度分布Fig.7 Temperature distribution of welded rail when preheat temperature is 200 ℃

(a)溫度云圖；(b)溫度分布圖8 預(yù)熱溫度為300 ℃時焊接鋼軌溫度分布Fig.8 Temperature distribution of welded rail when preheat temperature is 300 ℃

(a)溫度云圖；(b)溫度分布圖9 預(yù)熱溫度為500 ℃時焊接鋼軌溫度分布Fig.9 Temperature distribution of welded rail when preheat temperature is 500 ℃

方向0.4 m的范圍內(nèi)，溫度達(dá)到150 °C以上的范圍為0.17 m；

2)預(yù)熱溫度為150 °C時，由焊接放熱所引起的溫度變化范圍大概在以焊接點處為中心，鋼軌縱向方向上0.5 m的范圍內(nèi)，溫度達(dá)到150 °C以上的范圍為0.26 m；

3)預(yù)熱溫度為200 °C時，由焊接放熱所引起的溫度變化范圍大概在以焊接點處為中心，鋼軌縱向方向上0.55 m的范圍內(nèi)，溫度達(dá)到150 °C以上的范圍為0.30 m；

4)預(yù)熱溫度為300 °C時，由焊接放熱所引起的溫度變化范圍大概在以焊接點處為中心，鋼軌縱向方向上0.6 m的范圍內(nèi)，溫度達(dá)到150 °C以上的范圍為0.34 m；

5)預(yù)熱溫度為500 °C時，由焊接放熱所引起的溫度變化范圍大概在以焊接點處為中心，鋼軌縱向方向上0.7 m的范圍內(nèi)，溫度達(dá)到150 °C以上的范圍為0.40 m。

4 預(yù)熱保溫措施

1)從各種預(yù)熱溫度工況下的溫度分布情況可以看出，預(yù)熱溫度的高低對焊接溫度場覆蓋的范圍以及馬氏體生成溫度點以上范圍影響較大，且預(yù)熱溫度越高對技術(shù)和成本的投入則越多。本文中對鋼軌進(jìn)行焊前預(yù)熱的目的是清除鋼軌焊接部位表面的水分以及雜質(zhì)，所以對預(yù)熱的溫度和范圍要求不是很高，結(jié)合成本和技術(shù)分析，只要焊前對鋼軌焊接部位附近0.2～0.25 m的范圍進(jìn)行預(yù)熱至150 °C以下，或100 °C即可。

2)由于已經(jīng)確定焊前預(yù)熱的溫度為150 °C以下，則可以從150 °C預(yù)熱的路徑圖來確定焊后需要保溫的范圍。根據(jù)路徑圖可以得出，距離鋼軌焊接點處左右0.13 m范圍內(nèi)鋼軌的溫度在150 °C以上，所以保溫的范圍為以鋼軌焊接點為中心向鋼軌縱向兩邊各0.13 m的區(qū)域內(nèi)。由于保溫時是在鋼軌焊接背面一側(cè)進(jìn)行，所以保溫的范圍要比溫度達(dá)到150 °C以上的范圍大一些，建議在焊接點中心向鋼軌兩側(cè)正負(fù)0.15 m的區(qū)域內(nèi)。

3)鋼軌在焊后降溫的過程中，馬氏體生成的溫度點在150 °C左右，所以在鋼軌溫度降到該溫度之前要對鋼軌進(jìn)行保溫。由于實際施過程工溫度控制比較難，建議保溫的溫度為200～250 °C范圍，時間根據(jù)施工具體要求盡量延長。

5 結(jié)論

1)通過試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比分析，鋼軌有限元模型的網(wǎng)格劃分和仿真計算結(jié)果可信；

2)隨著預(yù)熱溫度的升高，放熱焊接所引起鋼軌的溫度變化范圍擴(kuò)大，同時由溫度快速下降產(chǎn)生馬氏體的150 °C溫度點以上的范圍變大；

3)建議焊前對鋼軌焊接部位附近0.2～0.25 m的范圍進(jìn)行預(yù)熱，溫度在150 °C以下較好，或100 °C即可，清除鋼軌焊接部位表面的水分以及雜質(zhì)；

4)保溫的范圍建議在焊接點中心鋼軌背面的兩側(cè)正負(fù)0.15 m的區(qū)域內(nèi)，保溫的溫度為200～250 °C范圍，為了減緩鋼軌溫度的快速下降，保溫時間盡量持續(xù)在10～15 min。

[1] 陳朝陽，周清躍，張銀花，等. 試驗用貝氏體鋼軌鋼連續(xù)冷卻曲線的測定及組織特征[J]. 鐵道學(xué)報，2005, 27(3):35-39. CHEN Zhaoyang，ZHOU Qingyue，ZHANG Yinhua，et al.Determination of CCT curves and characteristics of microstructure of testing bainitic rail steels[J]. Journal of the China Railway Society，2005, 27(3):35-39.

[2] 劉豐收，張銀花，陳朝陽，等. 基于焊接的UIC900A及U75V鋼軌鋼的連續(xù)冷卻特性[J]. 中國鐵道科學(xué)，2005, 26(6):63-68. LIU Fengshou，ZHANG Yinhua，CHEN Zhaoyang，et al. Characteristics of continuous cooling of UIC900A and U75V rail steel for welding[J]. China Railway Science, 2005, 26(6):63-68.

[3] 張銀花，周清躍，陳朝陽，等. 鋼軌閃光焊焊接接頭軌面橫向裂紋成因分析[J]. 中國鐵道科學(xué)，2006, 27(1):59-63. ZHANG Yinhua，ZHOU Qingyue，CHEN Zhaoyang，et al. Research on transversal cracks in the tread of flash welding joints of rails[J]. China Railway Science，2006, 27(1):59-63.

[4] Wang J, Ueda Y, Murakawa H, et al. Improvement in numerical accuracy and stability of 3-D FEM analysis in welding[J]. Welding Journal, 1996, 75(4):129-134.

[5] Perret W, Schwenk C, Rethmeier M. Comparison of analytical and numerical welding temperature field calculation [J]. Computation Materials Science, 2010, 47(4):1005-1015.

[6] Jerzy Winczek. Analytical solution to transient temperature field in a half-infinite body caused by moving volumetric heat source[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(25-26):5774-5781.

[7] 韓鈺，聶京凱，馮衛(wèi)民，等. 接地裝置連接用放熱焊粉研制及接頭性能研究[J]. 電力建設(shè)，2011，32(1):91-93. HAN Yu，NIE Jingkai，F(xiàn)ENG Weimin，et al. Development of exothermic welding solder and study on the properties of welded joints for grounding connection[J]. Electric Power Construction，2011，32(1):91-93.

[8] 郁堅. 接地線采用放熱焊接的質(zhì)量分析及建議[J]. 電力與能源，2011，32(5):427-430. YU Jian. Earth wire using exothermic welding quality analysis and advice[J].Electricity and Energy，2011，32(5):427-430.

[9] 周洋，向俊，余翠英，等. 溫度載荷作用下高速鐵路無砟軌道傷損反演分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016, 13(1):1-8. ZHOU Yang, XIANG Jun, YU Cuiying，et al. Inversion analysis of damage of ballastless track in high-speed railway under temperature loads[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(1):1-8.

[10] 劉柯，戴公連，朱乾坤. 簡支鐵路箱粱與軌道結(jié)構(gòu)溫度場仿真分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016, 13(4):613-618. LIU Ke，DAI Gonglian, ZHU Qiankun. Simulation analysis of temperature field of simply-supported railway box girder and track structure[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(4):613-618.

[12] 孫長青，張洪才，劉勁濤，等. 基于有限元法分析焊接參數(shù)對其溫度場的影響[J]. 焊接學(xué)報，2014, 43(4):16-18. SUN Changqing，ZHANG Hongcai, LIU Jintao，et al. Analysis of effect of welding parameters on temperature field based on finite element method [J]. Welding Technology, 2014, 43(4):16-18.

Research on temperature distribution, preheating and heat preservation of rail under exothermic welding

HUANG Zundi，CHANG Ning，F(xiàn)ENG Zhenfu，YU Qizhi

(School of Rail Transportation，Wuyi University，Jiangmen 529020，China)

In the construction process of Rail transit lines, a lot of wire connectors will be welded on the rail. When heat treatment can not be handled properly, Martensite will exist in the rail, and that will make the rail structure embrittlement and poor toughness. At last, it will affect the safety of the vehicle. In this paper, experiment and simulation analysis are compared for mutual proof. After finite element model of rail has been built, temperature distribution of welded rail and the influence range of Martensite temperature point are got from different preheating condition. In this paper, the exothermic welding rail preheating and heat preservation measures are proposed. These findings can provide a theoretical basis for the rail transit line construction.

exothermic welding; rail; temperature distribution; preheating; heat preservation

2016-07-22

江門市基礎(chǔ)與理論科學(xué)研究類計劃項目(江科[2014]145號)

黃尊地(1987-)，男，山東濟(jì)寧人，博士研究生，講師，從事軌道交通車輛研究；E-mail:wyuhzd@163.com

U213.46

A

1672-7029(2016)12-2490-06