鋼軌移動閃光焊感應(yīng)熱處理裝置及工藝研究

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

移動鋼軌閃光焊接是最為穩(wěn)定的無縫線路鋼軌焊接方法。目前國內(nèi)無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度、韌性等性能，有效延長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)用于線上無縫線路焊后熱處理，并取得較好的實用效果[5]。目前通常是將閃光焊后熱處理工藝通過單獨的感應(yīng)正火熱處理機實現(xiàn)，設(shè)備龐大[6]。本文采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)電源，以可開合式雙匝單股線圈加熱鋼軌，實現(xiàn)移動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)場移動閃光焊焊后熱處理，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、補償電容、感應(yīng)器組成。其中斬波和逆變是一個交-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行阻抗匹配。感應(yīng)器上流過的高頻電流，通過雙匝單股線圈耦合在鋼軌焊接接頭上形成感應(yīng)電流，實現(xiàn)鋼軌焊接接頭迅速加熱[8-9]。

為了配合現(xiàn)場移動閃光焊機作業(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，見圖1。采用FLIR A615型紅外成像儀(圖2)對各部件進行測試：焊接接頭加熱到910 ℃時，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，可裝置于四軸移動閃光焊機機頭。感應(yīng)電源兩側(cè)安裝有油缸和限位開關(guān)，在焊接作業(yè)時通過油缸夾緊將感應(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，加熱線圈兩側(cè)的油缸張開，線圈張開到最大角度，電源兩側(cè)的油缸張開，作動感應(yīng)裝置整體下降，下降位置通過限位開關(guān)控制，裝置到位后，線圈兩側(cè)的油缸帶動線圈夾緊焊縫，對焊縫進行焊后感應(yīng)加熱?？砷_合雙匝單股線圈直接夾在焊接接頭處，對閃光焊焊接接頭進行焊后熱處理，實現(xiàn)移動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)相對復雜，軌頭較厚而軌底較薄[10]?？砷_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

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性能，提高焊縫硬度的同時還要保證焊縫的韌性，從而延長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兼顧軌頭及軌底中加熱的強度[13]，根據(jù)經(jīng)驗，初始確定了U75V鋼軌焊后熱處理溫度達到900 ℃。

電磁感應(yīng)加熱頻率對加熱效率影響較大，頻率太低加熱溫度不夠，頻率太高鋼軌表面很快達到加熱溫度，而鋼軌心部不容易正透。對于本試驗IGBT電源，在2 400～3 000 Hz加熱時軌頭三角區(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左右進行熱處理試驗。

為了測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，布置見圖3。

2.1 感應(yīng)加熱工藝選擇

本次試驗采用60 kg/m國內(nèi)主型軌，鋼軌為熱軋態(tài)。對比兩組試驗驗證熱處理效果，第一組試驗采用小功率長時間加熱，加熱時間210 s。第二組試驗采用大功率短時間加熱，加熱時間160 s。對比不同功率設(shè)置鋼軌焊縫加熱效果。

在對鋼軌焊縫進行焊后正火試驗中，針對不同的功率設(shè)置，電源頻率會隨著功率及加熱時間的變化產(chǎn)生變化，正火加熱時電源頻率的變化曲線見圖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 ℃時停止， 采用熱電偶對軌頭溫度進行實時監(jiān)測。

鋼軌各斷面在正火加熱條件下各部位溫升曲線見圖5。由圖5可見，鋼軌各部位溫升較均勻；熱電偶測溫到900 ℃時由于滯后效應(yīng)，軌頭實際溫度在210、160 s加熱過程中實際達到了910 、920 ℃，軌頭、軌腰、軌腳、軌底在800 ℃以上時基本都能保持均勻加到910 ℃，軌頭和軌腳溫度差小于50 ℃，見表1。目前現(xiàn)場移動閃光焊鋼軌焊縫的中頻正火感應(yīng)熱處理機一般采用1 600～1 800 Hz的加熱頻率，加熱過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到最高溫時，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，實際加熱時頻率較高，加熱速度快，軌頭和軌腳溫差相對較大，原因在于加熱時間短，后期熱傳導過程不充分。

表1 不同加熱時間鋼軌不同位置最高溫度 ℃

2.2 焊接接頭正火性能試驗

現(xiàn)場移動閃光焊焊后感應(yīng)熱處理要求焊縫的綜合力學性能能達到文獻[14]的要求，因此對感應(yīng)正火后的焊接接頭進行各項力學性能試驗。

2.2.1 落錘性能試驗

分別對210、160 s加熱時間處理過的鋼軌焊縫進行落錘試驗，落錘時軌頭溫度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圖6。210 s加熱時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，且軌頭及軌底三角區(qū)處晶粒度較未正火樣品明顯變細小。160 s加熱時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，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圖7。由圖7(a)可見，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[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)。因為鋼軌斷面中軌頭較厚，軌頭三角區(qū)中心部位最不易被覆蓋。

由圖7 (b)可見，鋼軌焊接接頭經(jīng)過中頻感應(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，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)。說明2 200 Hz的頻率下在210 s加熱時間內(nèi)完全可以達到移動閃光焊焊后熱處理溫度透入深度的要求。160 s加熱時間內(nèi)基本可以達到移動閃光焊焊后熱處理溫度要求，但并未完全達到透入深度的要求。

2.2.3 焊接接頭硬度試驗

對焊態(tài)和熱處理后的鋼軌焊接接頭同時進行了硬度測試，見表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[14]的標準要求。

表2 鋼軌焊接接頭正火后軌頂硬度分布

經(jīng)過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)點是能夠檢測到各微小質(zhì)點的硬度變化，測量結(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)測熱處理過程中產(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圖8，經(jīng)過檢測熱處理后的焊接接頭洛氏硬度符合文獻[14]的標準要求。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 沖擊試驗結(jié)果分析

對焊后及熱處理后的焊接接頭進行了沖擊試驗。試樣取樣位置參照文獻[14]要求，見圖9。在軌頭軌腰各取4個試樣，在軌底取6個試樣，室溫下采用夏比U型缺口沖擊試驗方法。試驗結(jié)果見表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，說明經(jīng)電磁感應(yīng)正火處理后的鋼軌移動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

對移動閃光焊接頭正火前后進行金相顯微組織分析，取樣部位按照文獻[14]的要求，見圖10。金相顯微組織分析結(jié)果見圖11，焊態(tài)的鋼軌焊接接頭晶粒度等級在1～2級，鐵素體組織粗大，經(jīng)過正火熱處理后，鐵素體網(wǎng)明顯細化，晶界增多，熱處理后的鋼軌焊接接頭晶粒度達到8級以上。

表3 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果 mm

3 結(jié)論

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

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

(3) 根據(jù)對熱處理接頭力學性能檢測，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級提高到8級，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)場鋼軌移動閃光焊接頭的力學性能。

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