钢轨焊缝热处理系统的应用1讲解

1、摘要伴随着我国铁路建设的步伐加快，国铁路运量、载重及行车速度的不断提 高，对钢轨焊接接头质量也提出了更高的要求。原来国内在线上焊接普遍采用 的铝热焊已逐渐显现出不能很好的满足现代高速铁路对焊缝的需求，各铁路局 正逐步引进线上移动式焊轨车，采用闪光焊代替原来的焊接工艺。然而焊后热 处理还都沿用的原有的现场铝热焊焊后热处理设备 （火焰加热处理），这种老式 的火焰加热方式采用氧气乙炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气乙 炔焰的热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、 工序繁琐复杂、 劳动强度大、劳动条件差，且这种方法受认为因素影响较大，加热温度不易控 制、效果很不稳定。 在加上这种热处理

2、方式加热后使其暴漏在大气中自然冷却， 未对焊缝部分进行强制冷却，表面硬度相比全长表面淬火的母材也出现明显降 低，加上钢轨经焊接成长轨后，在其焊缝区熔合线上由于曾受过熔化过程和高 温的影响，在热熔合的过热区会出现金属组织尤其是奥氏体晶粒粗化，产生焊 接残余应力及硬度分布不均等问题，从而使接头冲击韧性下降，引起马鞍型磨 耗，缩短钢轨的使用寿命，危机行车安全。为了解决这种缺陷，必须对焊缝进行合理的正火处理，使焊缝经正火后， 晶粒重新细化，钢轨塑形、韧性大幅度提高，硬度分布均匀合理。保证钢轨使 用质量、延长钢轨使用寿命、保障线路的行车安全。第一章 绪论1.1 线上焊缝热处理的现状及发展线上焊缝热处理的

3、意义 伴随我国铁路运量、载重及行车速度的不断提高，对钢轨焊接接头质量也 提出了更高的要求。钢轨经焊接成长轨后，在其焊缝区熔合线上由于曾受过熔 化过程和高温的影响，在热熔合的过热区会出现金属组织尤其是奥氏体晶粒粗 化，产生焊接残余应力及硬度分布不均等问题，从而使接头冲击韧性下降，引 起马鞍型磨耗，缩短钢轨的使用寿命，危机行车安全。所以必须对焊缝进行合 理的正火处理，焊缝经电感应加热正火后，晶粒重新细化，钢轨塑形、韧性大 幅度提高，硬度分布均匀合理。这是保证钢轨使用质量、延长钢轨使用寿命、 保障行车安全的一项重要措施，然而现在各铁路局在线上焊后热处理的方式还 都沿用的原有的现场铝热焊焊后热处理设备

4、 （火焰加热处理），这种老式的火焰 加热方式采用氧气乙炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气乙炔焰的 热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、工序繁琐复杂、劳动 强度大、劳动条件差，且这种方法受认为因素影响较大，加热温度不易控制、 效果很不稳定。特别是线上移动式焊轨车被各铁路局引进以后，对更科学的热 处理工艺及热处理设备的需求越来越迫切。1.2 钢轨焊缝热处理系统的特点 钢轨焊缝热处理系统是专为焊轨车对钢轨接头焊接后进行正火处理、 打磨 以及其他后续处理工作而开发设计的一整套装置。能进行无缝线路线上、线下 焊接的后续处理和基地钢轨焊接的后续处理。整套装置依集装箱的形势安装在平板车上，

5、由焊轨车或轨道车牵引至作业 地点。整套装置还包括柴油发电机组、蓄电池组、中频加热设备、水冷系统、 热处理喷风装置、供气系统、钢轨仿形打磨设备、电气控制系统、液压吊机等 组成。加热设备采用德国西门子 IGBT 变频，电压反馈串联谐振电路。拥有双闭 环控制功能，最大程度高效快速加热，优化金属工件的加热过程。整个控制系 统均为数字集成化，各种保护动作迅速，整机故障率低，寿命长；相比原火焰 加热正火方式，具有操作方便、节省人力且更加经济等优点；整套设备还采用 集成化和数字化等技术，使工人操作更具人性化及系统化，所有重要工作数据 均可采集反馈给控制中心并存档，操作人员可以在工作时通过液晶显示屏幕实 时读

6、取钢轨加热温度、加热时间、风冷风压、风冷时间等重要参数，也可随时 调出存档检查每一项数据，且所有存档数据可以下载到专用转储卡上，转存到 计算机中；也可直接通过打印设备进行打印，方便线路数据汇总、存档和后期 分析；整套设备具有故障报警、错误操作报警、自动保护等功能，人性化操作 方式，简单易懂。第二章 钢轨焊缝热处理系统介绍2.1 线上钢轨焊缝热处理新旧工艺对比这种2.1.1 火焰加热正火 目前国内新研发的移动式焊轨车还没有专用的可移动式焊缝热处理设备， 各铁路局基本都沿用原有的现场铝热焊焊后热处理设备 （火焰加热处理）， 老式的火焰加热方式采用氧气乙炔火焰加热，属于热传导加热方式，靠氧气 乙炔焰

7、的热量从钢轨外表面向内部传导，透热性较差、速度较慢、工序繁琐 复杂、劳动强度大、劳动条件差，且这种方法受认为因素影响较大，加热温度 不易控制、效果很不稳定。在加上这种热处理方式加热后使其暴漏在大气中自 然冷却，未对焊缝部分进行强制冷却，表面硬度相比全长表面淬火的母材也出 现明显降低，现在只有在施工现场焊缝热处理还保留有这种方式，厂焊已基本 被感应加热方式所取代。图 2.1 火焰加热器如图 2.1 所示，这种老式的火焰加热正火的设备相当简陋，由一个防钢轨 界面形状的加热器，加热器的内侧开有气孔，两侧为为氧气、乙炔的进气管接 口，分别与氧气、乙炔罐引出的气管连接，需要加热时，将加热器的出气口点 燃

8、，为了满足加热区域的要求，需要有人拿一根推杆，不停的推拉加热器，使 加热器沿着导轨前后移动，同时为了保证合适的加热温度，需要配合一个专门 拿着测温仪，每过一段时间就进行一次温度测量。这样在测温的时候，就造成 了无法移动加热器，使这种本来就不易保证加热均匀、受人为因素影响较大的 加热方式更大程度的收到影响。而且数据的记录、保存也都不方便，最重要的 是无法很好的保证钢轨焊缝的质量，使钢轨焊缝处的寿命大打折扣，危机行车 安全。2.1.2 新型感应加热正火感应加热技术是近些年新型的一种高新加热技术，基本原理都是利用电磁 感应原理，把被加热物体放在交变磁场中，使其内部产生感应电流，从而产生 焦耳热来加进

9、行热的方法。这种加热加热方式靠涡流产生热量，效率高、速度 快、温度容易控制、不受人为因素影响，热处理质量稳定可靠。感应加热技术 根据加热所用的电流频率，分为高频加热、中频加热和工频加热，频率越高， 加热效率越高，但加热的深度越浅，所以应根据并加热物体的体积和需要的透 热深度选择合适的加热频率。 这种高新的加热技术随着技术的不断发展和完善， 变得越发成熟和高效，现已被所有的焊轨厂所引进。但这种加热方式因设备沉 重、功率大、感应器设计困难以及线上焊接的条件限制等因素的限制，应用于 线上焊缝热处理较为困难， 但铁路技术的飞速发展特别是高速无缝铁路的发展， 对这种技术的要求越来越强烈。 钢轨焊缝热处理

10、系统这一整套设备的研制成功， 使上述难题得到了科学合理的解决方案。这种高新的感应加热技术，配合强制风冷，和智能化的控制系统及记录存 档功能，被共同集合于钢轨焊缝热处理系统这一整套设备，并在这套设备里， 配备了辅助的钢轨切割、钢轨打磨、平直度校验、焊缝超声波探伤等设备。焊 缝经本套设备热处理后的韧性、塑性、表面硬度等综合性能均可达到要求，在 焊接工艺满足的情况下，甚至可以达到母材的性能。本设备加热部分如图 2.2 所示。前段铜质感应器可打开，闭合通电后，产生交变磁场，将内部钢轨加热。 设备由吊机吊至工作处，并可靠固定后，按下加热按钮即可实现钢轨的正火加 热，设备自动测温探头，适时将数据传回控制中

11、心，可以适时的显示、记录、存档加热过程中的每一时刻的为目的温度。加热到合适的温度，设备会制动停止。整体设备美观、实用、智能、高效、操作简单、稳定性高。图 2.2 感应加热设备2.2 线上钢轨焊缝热处理系统整套设备介绍2.2.1 钢轨焊缝热处理系统技术参数1）适用环境环境温度： -10 +45平均相对湿度： 90海拔： 3000m2）作业条件钢轨类型： 60kg/m，75kg/m轨距： 1435mm超高： 180mm最大坡度： 33最小曲线半径： 145m2.2.2 钢轨焊缝热处理系统主要组成设备技术参数1）发电机组发电机组采用 250GF“康明斯 ”动力发电机组，整个发结构紧凑，采用大容 量底

12、盘油箱，满足野外作业加油周期长得需求，机组固定安装在集装箱内。机组外观如图 2.3，相关参数如下：图 2.3 发电机组发电机组型号： 250GF容量/功率： 280/250KW 柴油机型号： MTAA11-G3 柴油机功率： 310/282KW 油箱容积： 800L气缸数： 6排列：直列排气量： 11L进气方式：涡轮增压2）空压机采用博莱特微油式螺杆压缩机， 具有可靠性高、易损件少、动力平衡性好、 震动小、噪音低、效率高等特点。在压缩过程中，凭借自身所产生的压力差， 不断向压缩室及轴承注入润滑油，注入的润滑油可在转子之间行车油膜，阴转 子可直接由阳转子带动，并起到密封的作用，同时润滑油可降低因

13、高频压缩所 产生的噪声，可吸收大量的压缩热。机组外观如图 2.4，基本参数如下：图 2.4 空压机机组型号：BLT-60A/7外形尺寸：（长*宽*高） 1335*970*1630机器重量：830kg冷却风量： 3276m3/h电机功率： 45kw排气量： 7.8m3/min排气压力： 0.7MPa3）中频感应加热设备加热装置采用德国西门子 IGBT 变频，电压反馈串联谐振电路。变换效率 高达 97.5%以上；拥有双闭环控制功能，最大程度提高加热效率。整个控制系 统均为数字集成化，各种保护动作速度快，整机的故障效率低，寿命长。基本 参数如下：型号： JZ-200接入电源： 380V/50Hz 额

14、定输出功率： 200KW 输入电流： 330A 频率： 2000Hz功率因数： 0.95负载持续率： 100%加热设备如图 3.1 所示图 2.5 中频加热设备4）喷风装置喷风装置通过高压气管与空压机后的储气罐连接， 主要为钢轨中频加热后， 提供强制风冷，从而更好的细化晶粒，并使钢轨表面因急速冷却产生一层马氏 体、贝氏体，从而增加钢轨表面硬度，提高其耐磨性，延长钢轨寿命。喷风开 启由电控控制，并自动计时，到达需要的停止的时间能自动停止，基本参数如 下，其喷风盒外形如图 3.3 所示。喷风压力： 2-4bar（根据轨种不同进行适当调整）喷风时间： 150-210s（根据轨种及使用环境不同进行适当

15、调整）喷风孔径： 3 拉瓦尔孔图 2.5 喷风装置外形图5）液压吊机该机组采用全液压控制，操作方便灵活、动作平稳、安全可靠。机组主要技术参数如下，吊机外观如图 2.6 所示：工作类型： A5 级允许工作风力： 5 级以下（风力不超过 13.8m/s）使用环境温度： -15+45最大工作负荷： 1000kg工作半径：最小 1.9m 最大 2.7m回转角度： 36010回转速度： 2r/min提升速度： 7m/min外形尺寸： 2.6 液压吊机6）辅助设备辅助设备包括钢轨仿形打磨机、钢轨平直尺、焊缝探伤仪、钢轨仿形打磨 机对焊接接头的轨顶、轨底面及轨头侧面工作边进行外形精

16、整，提高其表面质 量；钢轨平直尺用于检测钢轨平直度；焊缝探伤仪用于检测焊缝处探伤，防止 有焊接缺陷的焊接接头给行车埋下隐患。2.2.3 钢轨焊缝热处理系统工作环境及整体结构钢轨焊缝热处理系统将上述所有设备集合一起， 以集装箱的形势放置于平 板车，与焊轨车共同完成线上钢轨接头焊接及热处理的任务，需配备的工作人 员有机长一人、技术员一人、轨道车司机一人、设备操作手一人和辅助操作手 3-4 人。 钢轨焊缝热处理系统整体设备外观如图 2.7所示。11图 2.7 钢轨焊缝热处理系统整体设备外观12第三章 钢轨焊缝热处理系统的使用3.1 设备调节参数对热处理效果的影响3.1.1 加热频率和加热功率对加热效

17、果的影响 频率的高低直接影响着感应器的透热性， 也直接影响到钢轨焊缝处界面的 内部与外表面的温差，频率越高，加热效率越高，但加热的深度越浅，一个合 适的加热频率不但要保证很好透热性，还要综合考虑加热效率满足需求，经过 多次的加热试验，选择符合铁路热处理需求的加热频率。图 3.1 测温点为了测量钢轨加热时的内部温度，选取如图 3.1 所示的 1、2、3、4、5 五 个点，打孔深度为 50mm。将热电偶插入钢轨内部，在加热时五个通道的温度分 别依次显示，并进行循环显示。选定功率分别为 60KW、80KW、100KW、 120KW、 140KW，加热频率分别选择 1.5KHz、2.5KHz、3.5K

18、Hz、4.5KHz 四种常用频率。 用点温仪测量轨顶和轨底角的外表面温度，测量记录外轨顶表面温度到920时，其他各点的温度值。加热数据如下：13表 3-1 ：功率为 60KW 时测试数据测温点 加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点 1（）918905880862测试点 2（）878871869865测试点 3（）858850846842测试点 4（）862854850851测试点 5（）861856852852加热时间（ s）455405352294表 3-2 ：功率为 80KW 时测试数据测温点 加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点 1（）

19、917905881861测试点 2（）877872868865测试点 3（）859851846843测试点 4（）862853851852测试点 5（）863854852852加热时间（ s）405358316273表 3-3 ：功率为 100KW 时测试数据测温点 加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点 1（）917906883860测试点 2（）876872867862测试点 3（）857852845841测试点 4（）863855852853测试点 5（）86485485185214加热时间（ s）355309264219表 3-4 ：功率为120KW 时测试数据

20、测温点 加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点 1（）915907880858测试点 2（）875870864860测试点 3（）855851843842测试点 4（）862856850851测试点 5（）861853852853加热时间（ s）298256228195测温点 加热频率1.5KHz2.5KHz3.5KHz4.5KHz测试点 1（）915907880858测试点 2（）875870864860测试点 3（）855851843842测试点 4（）862856850851测试点 5（）861853852853表 3-5 ：功率为 140KW 时测试数据15加热

21、时间（ s）281245203181从以上测试数据可以看出， 功率在 120Kw 再往上提高功率时， 由于受到机 组本身有效值的影响，功率继续调大所节省时间越来越不明显， 140Kw 比 120Kw 时，仅仅省时约 10 秒多一点，而在加热设备没有受到有效值的制约时， 每提高 20Kw，可减少用时在 40-50 秒。而随着频率的变化数值可以看出， 在加 热频率在 1.5KHz 和 2.5KHz 时，钢轨的透热性都很好，钢轨内外温差几乎没有 变化。当频率继续增大到 3.5KHz 以上时，内外温差开始发生较大的变化，同 时加热时间也由于受到加热效率的影响，时间也在缩短。综合所有数据，设备 的加热功

22、率和加热频率的参数， 选定在加热功率 120Kw、加热频率 2.5KHz ，最 为经济和科学，轨顶轨底温度满足钢轨正火温度轨顶 900-950，轨底 820-870 的要求。在此参数下，钢轨的典型温升曲线如图 3.2 所示。图 3.2 温升曲线3.1.2 喷风风压对热处理效果的影响钢轨在经过感应加热，时内部组织完全转变为奥氏体，然后进行冷却，冷 却时，根据冷却速度的不同，奥氏体会转变为珠光体或马氏体、贝氏体，钢轨 正火的目的，就是为了得到珠光体这种组织，珠光体根据晶粒度的等级不同， 对钢轨的机械性能也产生较大的影响。晶粒越细，性能越好，冷却速度越快晶16 粒就越细，但冷却速度又不能无限制的快，

23、 否者， 奥氏体来不及结晶成珠光体， 就会成为马氏体和贝氏体，这种组织硬度大、韧性塑性差，钢材冷脆性明显。 查阅铁路钢轨热处理相关文献，我国铁路上常用的钢轨的临界冷却速度分别如 表 3-6 所列。表 3-6 ：各种钢轨钢的临界冷却速度轨种U74U76NbREU71MnU75最高冷却速度（/s）7.53.752.53.017表 3-7 ：各种钢轨钢适合的冷却风压轨种U74U76NbREU71MnU75冷却风压 （MPa）0.450.30.20.2根据表中数据，用实际喷风装置进行测试，根据轨种不同，将喷风风压调整到 0.2-0.45Mpa 可满足冷却速度的要求。各种钢轨所对应的喷风冷却风压如 表

24、3-7 所示，各钢轨钢在不同冷却速度下的硬度如表 3-8 所示表 3-8 ：各钢轨钢在不同冷速下的硬度（ IIV ）冷却速度（/s）0.10.5122.5357.5U74 钢273303331360376399U71Mn 钢281334346370387U75V 钢314338363395397U76NbBE 钢2842953373543733.2 设备热处理效果测试为了对设备热处理性能有一个确切的理解，将实际应用中记录保存的数据 进行了整理，经大量的数据整理分析， 将重要数据整理到 3-9 表格，U75V、U76、 U71Mn、U74 每种钢轨各随机抽样 25根钢轨焊接接头的试验数据， 表

25、3-9中列 举了 U75 其中 13 根钢轨的记录数量，其余各组数据未一一列出，根据最终试 验数据，作为测试设备热处理效果的依据。18表 3-9： 热处理数据记录表焊缝编号加热前温度（）加热时间加热功率加热后温度（）喷风压力喷风时间喷风后温加热频率轨种轨顶轨底角（S）（KW）轨顶轨底角（bar）（S）度（）（KHZ）150050023512092085621804822.5U75250050022812092086221804862.5U75350050023612092085321804922.5U75450050021012092085021804852.5U755500500216120

26、92085721804962.5U75650050020912092086121804832.5U75750050022412092085221804912.5U75850050021812092085921804832.5U75950050023412092085621804922.5U751050050023112092086021804912.5U751150050022812092085421804962.5U751250050023012092086121804862.5U751350050022612092085721804852.5U75记录人： 年 月 日193.2.1 落锤试

27、验落锤实验是检验焊接接头综合性能， 尤其是整体韧性的主要手段， 生产中 的形式检验、周期性检验都离不开它，被称为焊接接头检验的第一关。大量实 验证明，若焊接质量不合格或焊接后不经过热处理，落锤实验都难以通过。下 表 3-10 是 U75V 、U76、U71Mn 钢轨焊头的落锤实验结果。 本试验采用一锤制， 即锤重 1吨，高度 4.6 米，一锤不断为合格。表 3-10：落锤试验结果锤数12344锤不断指数60Kg U75挠度 mm1-1011-2021-3030-40共 30 根断裂根数经处理 25 根1321未处理 5 根32060Kg U76挠度 mm1-1011-2021-3030-40共 30 根断裂经处理 25 根2320根数未处理 5 根41060Kg挠度 mm1-1011-2021-3030-40U71Mn断裂经处理 25 根2122共 30 根根数未处理 5 根8110由表 3-10可以看出，经过热处理的 25 根钢轨全部通过检验，绝大部分都 达到了 4锤不断指数，而未经过热处理的 5 根钢轨只有少部分通过了检验，但 也基本再第二锤的时候就断了， 这充分说明了， 经过现在参数热处理后的钢轨，20其焊接处的综合性能得到了很大的提升。3.2.2 硬度试验如图