王莹莹， 李 力， 宋宏图， 李金华， 赵 国， 张 琪(. 中国铁道科学研究院， 北京 0008; . 中国铁道科学研究院 金属及化学研究所， 北京 0008)

移动钢轨闪光焊接是最为稳定的无缝线路钢轨焊接方法。目前国内无缝线路钢轨闪光焊接比例不断增加，焊后热处理可以提高闪光焊接头的强度、韧性等性能，有效延长钢轨焊接接头的使用寿命[1-2]。在焊轨厂通常采用感应加热的正火工艺(喷风冷却)。在线上焊后热处理主要有两种方法[3]，一是传统火焰加热正火，火焰正火加热温度不均匀，难以保证焊接接头质量，而且钢轨表面会被氧化，产生较厚氧化层，因此正被逐渐淘汰[4]。二是中频感应加热正火，中频感应加热正火设备逐步应用于线上无缝线路焊后热处理，并取得较好的实用效果[5]。目前通常是将闪光焊后热处理工艺通过单独的感应正火热处理机实现，设备庞大[6]。本文采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)电源，以可开合式双匝单股线圈加热钢轨，实现移动闪光焊接和焊后热处理一体化作业，提高工作效率。

1 焊后热处理装置

为了适应现场移动闪光焊焊后热处理，采用了IGBT中频感应加热电源。感应加热装置主要由串联型IGBT 加热电源、中频正火变压器、感应线圈、冷却系统等组成。中频感应加热电源主要由逆变器、谐振单元、变压器、补偿电容、感应器组成。其中斩波和逆变是一个交-直-直-交的逆变器[7]，将工频交流电能转变为几百赫兹至几百千赫兹甚至更高的高频电能。将高压变成隔离的低压并进行阻抗匹配。感应器上流过的高频电流，通过双匝单股线圈耦合在钢轨焊接接头上形成感应电流，实现钢轨焊接接头迅速加热[8-9]。

为了配合现场移动闪光焊机作业，该套中频感应加热装置采用双匝单股线圈仿型结构，线圈及加热器附件采用水冷，见图1。采用FLIR A615型红外成像仪(图2)对各部件进行测试：焊接接头加热到910 ℃时，线圈附件最高温度到89 ℃，冷却系统合理；在热处理器工作阶段，各电器元件温升较小，满足现场焊后热处理需求。

感应加热装置体积小，结构紧凑，可装置于四轴移动闪光焊机机头。感应电源两侧安装有油缸和限位开关，在焊接作业时通过油缸夹紧将感应装置提起。待焊接完成后，接头温度降至合理温度区间时，加热线圈两侧的油缸张开，线圈张开到最大角度，电源两侧的油缸张开，作动感应装置整体下降，下降位置通过限位开关控制，装置到位后，线圈两侧的油缸带动线圈夹紧焊缝，对焊缝进行焊后感应加热。可开合双匝单股线圈直接夹在焊接接头处，对闪光焊焊接接头进行焊后热处理，实现移动闪光焊接和焊后热处理一体化作业，提高工作效率。

加热感应器是中频感应正火热处理装置的核心设备，钢轨断面结构相对复杂，轨头较厚而轨底较薄[10]。可开合式双股单匝线圈仿型热处理器可以较好的匹配断面尺寸，实现钢轨全断面均匀加热，最大限度的发挥焊后热处理的加热效果[11]。

2 焊后热处理试验

钢轨焊后热处理的主要目的是改善闪光焊焊缝的综合力学性能，提高焊缝硬度的同时还要保证焊缝的韧性，从而延长钢轨焊缝的疲劳寿命[12]。焊后热处理温度原则上保证钢轨腰底部位具有最佳的韧塑性同时兼顾轨头及轨底中加热的强度[13]，根据经验，初始确定了U75V钢轨焊后热处理温度达到900 ℃。

电磁感应加热频率对加热效率影响较大，频率太低加热温度不够，频率太高钢轨表面很快达到加热温度，而钢轨心部不容易正透。对于本试验IGBT电源，在2 400～3 000 Hz加热时轨头三角区正火效果较差，因此，调整电容和匝数比将电源频率降到2 200 Hz左右进行热处理试验。

为了测量钢轨焊接接头各部位温升情况，在钢轨焊接接头的轨头、轨腰、轨底角两侧及轨底中心各埋设热电偶探头，布置见图3。

2.1 感应加热工艺选择

本次试验采用60 kg/m国内主型轨，钢轨为热轧态。对比两组试验验证热处理效果，第一组试验采用小功率长时间加热，加热时间210 s。第二组试验采用大功率短时间加热，加热时间160 s。对比不同功率设置钢轨焊缝加热效果。

在对钢轨焊缝进行焊后正火试验中，针对不同的功率设置，电源频率会随着功率及加热时间的变化产生变化，正火加热时电源频率的变化曲线见图4。

钢轨焊接接头感应加热初始温度为39 ℃，加热到轨头温度900 ℃时停止， 采用热电偶对轨头温度进行实时监测。

钢轨各断面在正火加热条件下各部位温升曲线见图5。由图5可见，钢轨各部位温升较均匀；热电偶测温到900 ℃时由于滞后效应，轨头实际温度在210、160 s加热过程中实际达到了910 、920 ℃，轨头、轨腰、轨脚、轨底在800 ℃以上时基本都能保持均匀加到910 ℃，轨头和轨脚温度差小于50 ℃，见表1。目前现场移动闪光焊钢轨焊缝的中频正火感应热处理机一般采用1 600～1 800 Hz的加热频率，加热过程中轨脚温度低于轨头温度,轨脚正火效果不理想。本套中频感应正火装置可以均匀地加热轨头和轨脚，在钢轨焊缝各部位达到最高温时，加热210 s的最大温差出现在轨头和轨脚，为31 ℃，而轨腰和轨底加热均匀。加热160 s时的最大温差同样出现在轨头和轨脚，但160 s加热设置的功率较大，实际加热时频率较高，加热速度快，轨头和轨脚温差相对较大，原因在于加热时间短，后期热传导过程不充分。

表1 不同加热时间钢轨不同位置最高温度 ℃

2.2 焊接接头正火性能试验

现场移动闪光焊焊后感应热处理要求焊缝的综合力学性能能达到文献[14]的要求，因此对感应正火后的焊接接头进行各项力学性能试验。

2.2.1 落锤性能试验

分别对210、160 s加热时间处理过的钢轨焊缝进行落锤试验，落锤时轨头温度51 ℃。室外环境温度42 ℃，落锤高度3.1 m，3锤砸断。钢轨焊接接头落锤断口宏观形貌见图6。210 s加热时间的钢轨焊缝断裂源在焊筋边缘轨角中心处，与未正火接头宏观晶粒度判断，210 s正火后钢轨焊缝的断口处晶粒变细，且轨头及轨底三角区处晶粒度较未正火样品明显变细小。160 s加热时间的钢轨焊缝断裂源在焊缝中心处，与未正火接头宏观晶粒度判断，160 s正火后钢轨焊缝的断口轨底角处晶粒变细，轨底三角区中心处晶粒度与未正火样品相比区别不大。

2.2.2 焊接接头宏观形貌

钢轨焊接接头焊态和热处理后的宏观形貌见图7。由图7(a)可见，中间的一条竖直白线是闪光焊的焊缝，左右两边的颜色较深的部位是焊接热影响区，焊缝两侧白色线条是焊接热影响区与母材的分界线。焊缝两侧的钢轨焊缝热影响区较窄，按照文献[14]的要求，热处理后的热影响区要完全覆盖原钢轨焊态的热影响区。因为钢轨断面中轨头较厚，轨头三角区中心部位最不易被覆盖。

由图7 (b)可见，钢轨焊接接头经过中频感应正火处理后，接头热影响区明显变宽，且完全覆盖了焊态的钢轨焊接接头热影响区。由图7(c)可见，160 s正火后，钢轨焊接接头热影响区并未完全覆盖焊态钢轨焊接接头的热影响区。说明2 200 Hz的频率下在210 s加热时间内完全可以达到移动闪光焊焊后热处理温度透入深度的要求。160 s加热时间内基本可以达到移动闪光焊焊后热处理温度要求，但并未完全达到透入深度的要求。

2.2.3 焊接接头硬度试验

对焊态和热处理后的钢轨焊接接头同时进行了硬度测试，见表2，焊态钢轨焊接接头焊缝硬度与母材相差较大，焊态焊接接头硬度分布很不均匀，焊缝热影响区较窄，软化区较宽，硬度不满足文献[14]的标准要求。

表2 钢轨焊接接头正火后轨顶硬度分布

经过210 、160 s感应正火热处理的钢轨焊接接头洛氏硬度分布较均匀，洛氏硬度的优点是能够检测到各微小质点的硬度变化，测量结果受微区组织的影响大，因此可以考察到组织的改变，有利于监测热处理过程中产生脆性组织，并考察轨头软化区的宽度[15]。钢轨焊接接头轨顶硬度分布见图8，经过检测热处理后的焊接接头洛氏硬度符合文献[14]的标准要求。接头平均硬度与母材平均相近，且软化区宽度合适。但160 s正火热处理的接头软化区比210 s热处理的软化区宽，且硬度分布不均匀。

2.2.4 冲击试验结果分析

对焊后及热处理后的焊接接头进行了冲击试验。试样取样位置参照文献[14]要求，见图9。在轨头轨腰各取4个试样，在轨底取6个试样，室温下采用夏比U型缺口冲击试验方法。试验结果见表3。闪光焊后的焊接接头平均冲击吸收功为12.2 J，经210 、160 s热处理后的冲击吸收功分别为22.3、22.8 J，分别为未经热处理接头的1.83、1.87倍，说明经电磁感应正火处理后的钢轨移动闪光焊接头的冲击性能大幅提高，这是由于经热处理后的接头显微组织细化，钢轨焊接接头的韧化性能明显提高。

2.2.5 金相显微组织分析

对移动闪光焊接头正火前后进行金相显微组织分析，取样部位按照文献[14]的要求，见图10。金相显微组织分析结果见图11，焊态的钢轨焊接接头晶粒度等级在1～2级，铁素体组织粗大，经过正火热处理后，铁素体网明显细化，晶界增多，热处理后的钢轨焊接接头晶粒度达到8级以上。

表3 焊接接头冲击试验结果 mm

3 结论

(1) 钢轨移动闪光焊焊后热处理装置可安装在现场移动闪光焊机机头动静架之间，集移动闪光焊与焊后热处理于一体，有效提高焊接作业效率，精简焊接装备体积，方便现场焊接设备的运输与转场。

(2) 该装置可以采用2 200 Hz的频率对焊后钢轨焊接接头进行感应热处理，加热效率高，各附件温升合理。适合现场移动闪光焊后热处理。

(3) 根据对热处理接头力学性能检测，热处理后钢轨闪光焊接头与母材硬度匹配良好，焊缝晶粒度由2级提高到8级，有效地提高了闪光焊接接头的冲击吸收功。该套装置可以快速、有效地提高现场钢轨移动闪光焊接头的力学性能。

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