CN108823394B - 钢轨焊后热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢轨焊接领域，提供了一种钢轨焊后热处理方法。本发明要解决的技术问题是现有技术操作复杂、成本偏高。本发明方法包括以下步骤：将异种材质钢轨焊接后的待冷却焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至570～640℃；接着使焊接接头进行第二阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至170～230℃；最后使钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至10～30℃。本发明方法能够改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的钢轨焊接接头“鞍型”磨耗，同时将钢轨接头的马氏体组织百分含量控制在≤3％范围内，有助于保证铁路运行安全。

Description

钢轨焊后热处理方法

技术领域

本发明属于钢轨焊接技术领域，具体涉及一种钢轨焊后热处理方法。

背景技术

目前，国内外重载铁路线路多采用共析珠光体钢轨，此类钢轨的含碳量通常在重量百分比0.72～0.82％范围内，金相组织为珠光体，具有强韧性匹配良好，综合力学性能指标适中等特点。随着铁路的快速发展，大轴重重载线路对钢轨性能提出了更高要求。由于传统珠光体钢轨的综合力学性能与焊接性能几乎发展到了极限，在此情形下，强度等级更高且兼顾良好耐磨损性能及接触疲劳性能等综合性能的过共析钢轨应运而生。过共析钢轨的含碳量通常在0.90～1.10％范围内，金相组织为珠光体+少量二次渗碳体。现阶段，钢轨移动闪光焊已成为国内外铁路施工现场的主流钢轨在线焊接技术，而对于强度等级与材质均不相同的两种钢轨，母材性能之间的差异给其焊接带来了巨大挑战。同时，钢轨受焊接热循环作用后，焊接区域的淬硬层消失并在焊缝两侧形成宽度较大的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。钢轨在线路服役过程中，容易先在焊接接头的轨头踏面形成“鞍型”磨耗，不仅增加了轮轨冲击，还严重影响到钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因而，如何恢复钢轨因焊接而降低的力学性能就成了钢轨得以应用的前提。

目前，关于过共析钢轨与共析钢轨焊接及焊后热处理工艺研究的报道和文献资料还相对较少。CN201610909362.1公开了一种过共析钢轨和PG4热处理共析珠光体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括将焊接得到的待冷却的钢轨焊接接头进行第一冷却至400℃以下，然后将第一冷却后的钢轨焊接接头加热至860～930℃，随后进行第二冷却至钢轨焊接接头的踏面温度为410～450℃。采用该方法获得的异种钢轨焊接接头可满足国内现行铁道行业标准TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中对于疲劳、拉伸、冲击以及静弯试验的测试要求；但上述方法中涉及到了钢轨焊后正火热处理过程，需要采用专业的钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头进行局部加热，不仅操作与实施过程复杂，而且成本偏高、适用性不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术操作复杂、成本偏高。本发明解决技术问题的技术方案是提供一种新的钢轨焊后热处理方法。

本发明的钢轨焊后热处理方法，包括以下步骤：将异种材质钢轨焊接后的待冷却焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至570～640℃；接着使焊接接头进行第二阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至170～230℃；最后使钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至10～30℃。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中待冷却焊接接头的起始温度为1000～1400℃。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第一阶段冷却的冷却速度为3.0～5.0℃/s。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第二阶段冷却的冷却速度为1.5～2.5℃/s。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第三阶段冷却的冷却速度为0.05～0.50℃/s。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第一阶段冷却的方式为在空气中自然冷却。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第二阶段冷却或第三阶段冷却以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨焊接接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却；第二阶段冷却使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.40～0.80MPa；第三阶段使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.05～0.25MPa。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中第二阶段冷却或第三阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行压缩空气或水雾混合气的喷射。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～50mm，所述钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头侧面为10～25mm。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中钢轨焊接接头为由具有同种轨型的为60～75kg/m的过共析钢轨与共析钢轨采用钢轨移动闪光焊机焊接而成的异种材质钢轨焊接接头。

本发明主要利用钢轨的焊接余热实现钢轨的焊后热处理过程。针对焊接得到的余温较高的钢轨接头实施焊后加速冷却，以降低接头轨头由奥氏体向珠光体转变的相变温度，从而提高奥氏体再结晶区的硬度。而由于发现了钢轨接头在焊后高温快速冷却条件下存在一定的动态过冷度，致使非平衡状态下奥氏体向珠光体转变的相变温度下移，且随着过冷度的增大，相变温度逐渐降低。因而，本发明在开冷温度相对较低的第二阶段冷却，接头轨头仍能发生由奥氏体向珠光体的组织转变。

本发明中，所述第一冷却为在空气中进行的自然冷却，可通过调节试验环境温度(如采用中央空调控温)实现对第一阶段冷却速度的控制，并可通过调节焊机设置或人工操作来将钢轨焊接接头第一冷却的终冷温度控制在570～640℃。

所述第二冷却的开冷温度为570～640℃。值得注意的是，本发明中，第二冷却的终冷温度为170～230℃，高于过共析钢轨钢及共析珠光体钢轨钢的马氏体转变开始温度(Ms温度)。

当对钢轨接头进行第三阶段冷却时，为避免接头出现淬硬的马氏体组织，本发明选择以低于共析珠光体钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度0.05-0.50℃/s对接头实施慢速冷却。

本发明的有益效果为：

本发明方法针对异种钢轨焊接接头，尤其是过共析钢轨与共析珠光体钢轨焊接接头实施焊后热处理，能够改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的钢轨接头“鞍型”磨耗，同时，能够将钢轨接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤3％范围内。实验证明使用本发明方法处理的钢轨接头能使在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应的共析珠光体钢轨及过共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心线脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)，接头焊缝两侧的软化区宽度均低于15mm，有助于保证铁路运行安全。而且使用本发明方法处理钢轨接头实施过程简便，成本低廉、设备要求低、适用性好，能在各种施工环境下使用，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为采用实施例1中的方法得到的焊后热处理条件下的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图2为采用实施例2中的方法所得到的焊后热处理条件下的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图3为采用对比例1中的方法所得到的焊后空冷条件下的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图4为采用对比例2中的方法所得到的焊后热处理条件下的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图5为采用对比例3中的方法所得到的焊后热处理条件下的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图6为本发明的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度检测示意图。

图7为本发明的钢轨接头的轨头踏面金相试样取样位置示意图。

图8为本发明使用轨头仿型冷却装置的示意图，可根据现场需要设计不同的形状和规格。

具体实施方式

本发明中，在未作相反说明的情况下，所述“钢轨焊接接头”为经焊接得到的包含焊缝和/或热影响区在内的长度为70～100mm范围的区域，该区域的中心为钢轨的焊缝。本发明中，所述“室温”为10～30℃范围的温度。本发明中的硬度“HV”是指维氏硬度。

在前期研究发明人发现由于共析珠光体钢轨钢连续冷却转变过程中的马氏体转变的临界冷却速度约0.7～1.5℃/s，而过共析钢轨钢连续冷却转变过程中的马氏体转变的临界冷却速度约1.8～3.0℃/s。共析珠光体钢轨Ms温度(马氏体组织形成的开始温度)约250℃，而过共析钢轨Ms温度约190℃。为避免钢轨焊接接头出现马氏体等异常组织，当对过共析钢钢轨与共析钢钢轨的焊接接头进行焊后热处理时，需将焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在共析珠光体钢轨Ms温度以上。

而焊后热处理过程中的冷却速度须以临界冷速相对较低的共析珠光体钢轨钢为限，否则接头将会由于淬硬的马氏体组织而导致过早疲劳断裂。因此，在一些国家的钢轨焊接标准中，如澳洲钢轨焊接标准AS1085.20-2012中规定：对于某些高强度等级、高含碳量及高合金含量的钢轨，在金相显微镜100x的观察倍率下，对于钢轨焊接接头中马氏体出现的最严重区域，马氏体组织的百分含量不得高于5％，否则接头将会由于大量淬硬的马氏体组织而导致过早疲劳断裂，严重影响铁路运行安全。因此，严格控制钢轨焊接组织中的马氏体含量对于铁路线路的稳定运行而言至关重要。此外，由于过共析钢轨母材中还存在少量的二次渗碳体，为避免二次渗碳体在钢轨焊接过程中呈网状沿晶析出，故须在奥氏体向珠光体转变开始前对接头实施快速冷却。基于上述发现和要求，发明人经过大量的思考和实验，找到了一种能控制组织与硬度的钢轨焊后热处理方法。

本发明方法，该方法包括以下步骤：将异种材质钢轨焊接后的待冷却焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至570～640℃；接着使焊接接头进行第二阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至170～230℃；最后使钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至10～30℃。

其中，上述第一阶段冷却的速度控制在3.0～5.0℃/s较佳。第二阶段的冷却速度控制在1.5～2.5℃/s较佳。第三冷却阶段冷却速度控制在为0.05～0.50℃/s较佳。

所述第一冷却阶段的冷却方式可采用为在空气中进行自然冷却；在极端天气下也可以采用空调等气温调节装置使空气温度保持在普通的温度下。

第二阶段冷却或第三阶段冷却以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨焊接接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却；第二阶段冷却使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.40～0.80MPa；第三阶段使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.05～0.25MPa。

所述第二冷却阶段和第三冷却阶段可以选用各种能喷射压缩空气或者水雾混合气的设备进行。本领域可采用钢轨轨头仿型冷却装置(参见图8)施行，钢轨轨头仿型冷却装置在本领域已经有较多的使用，可以近距离喷射压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却。其中，上述钢轨焊后热处理方法中钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～50mm较佳，而钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头侧面为10～25mm较佳。本发明采用轨头仿型冷却装置类似于图8，但具体置喷嘴孔径的大小、形状及分布可能与之不完全相同。因而装置的冷却能力和具体规格根据现场实施时的需要，本领域技术人员容易进行控制和设计。

其中，上述钢轨焊后热处理方法中钢轨焊接接头为由具有同种轨型的为60～75kg/m的过共析钢轨与共析钢轨采用钢轨移动闪光焊机焊接而成的异种材质钢轨焊接接头。

本发明中，采用红外测温仪采集钢轨轨头踏面的温度信号，所述钢轨轨头踏面为车轮与钢轨的接触承重部分，轨头侧面位于踏面的两侧。实施例中钢轨接头纵向硬度曲线中的软化区宽度测量线所对应的硬度值为钢轨母材平均硬度减去25HV后的硬度；硬度曲线中的软化区宽度为硬度曲线与软化区宽度测量线的截距。本发明中用于焊接的过共析钢轨和共析钢轨具有相同的轨型，具体为60～75kg/m的规格，所述钢轨焊接接头为采用同一焊接工艺由钢轨移动闪光焊机焊接而成的焊接接头。

以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。以下实例中过共析钢轨和共析珠光体钢轨皆由攀钢集团生产。

实施例1

规格为75kg/m的过共析钢轨和共析珠光体钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1100℃的钢轨接头以4.9℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至630℃，接着使钢轨接头以2.0℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至220℃，最后使钢轨接头以0.4℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却和第三冷却过程中采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面41mm，冷却装置距离钢轨轨头侧面为18mm。第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.60MPa。第三冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.20MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。

本发明实施例和对比例进行钢轨焊接接头硬度检验时，焊接接头纵断面硬度试样取样位置见图7，焊缝位于试样长度中心，测试钢轨焊接接头纵断面的硬度值，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距2mm；焊接接头纵断面检测维氏硬度，试验方法按GB/T4340.1-2009规定进行，试验力值294.2N；再结晶区为距离焊缝中心±10mm的区域；硬度检测应涵盖焊接接头整个区域，包含母材、热影响区，焊缝，延伸到焊接接头每侧钢轨母材20mm的区域。

将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表1，接头纵向硬度的分布效果如图1所示。

表1 实施例1处理后钢轨接头的硬度检验结果

由表1和图1可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应的共析珠光体钢轨与过共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为8.6mm，过共析钢轨一侧的软化区宽度为6.4mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均低于15mm。

参照图7所示的取样方法按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。检验结果表明：焊接接头共析钢轨一侧的热影响区中出现了少量的马氏体组织。在金相显微镜的100x观察倍率下，对于马氏体组织出现的最严重区域，经统计，马氏体组织的百分含量为1.5％。同时，焊接接头过共析钢轨一侧的金相组织正常，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。

实施例2

规格为60kg/m的过共析钢轨和共析珠光体钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1000℃的钢轨接头以4.2℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至620℃，接着使钢轨接头以2.3℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至185℃，最后使钢轨接头以0.10℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的异种材质钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却；第二冷却和第三冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面38mm，冷却装置距离钢轨轨头侧面为22mm；第二冷却过程中，冷却装置喷射的水雾混合气的气体压力为0.60MPa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的水雾混合气的气体压力为0.10MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。

将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表2，接头纵向硬度的分布效果如图2所示。

表2 实施例2处理后钢轨接头的硬度检验结果

由表2和图2可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应的共析珠光体钢轨与过共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为7.0mm，过共析钢轨一侧的软化区宽度为6.5mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均低于15mm。

参照图7所示的取样方法按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。检验结果表明，接头过共析钢轨及共析珠光体钢轨的焊接热影响区中均出现了不同程度的马氏体组织。在金相显微镜的100x观察倍率下，对于接头中马氏体组织出现的最严重区域，经统计，共析钢轨一侧的马氏体组织百分含量为2.8％，过共析钢轨一侧的马氏体组织百分含量为1.5％。钢轨焊接接头两侧的马氏体组织百分含量均小于3.0％，有助于保证铁路运行安全。

对比例1

规格为68kg/m的过共析钢轨和共析珠光体钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，将余温在1100℃的钢轨接头直接空冷至室温(约25℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的钢轨焊接接头。

取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表3，接头纵向硬度的分布效果如图3所示。

表3 对比例1处理后钢轨接头的硬度检验结果

由表3和图3可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，与焊缝两侧的钢轨母材硬度相比，整个焊接区域呈现为软化状态。在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度均不能满足所对应的共析珠光体钢轨与过共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为17.0mm，过共析钢轨一侧的软化区宽度为18.0mm。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中，易优先在钢轨焊接接头的软化区形成钢轨轨头踏面低塌，影响线路平顺性及行车安全。

参照图7所示的取样方法按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。检验结果表明，焊接接头金相组织正常，无马氏体、贝氏体等异常组织。

对比例2

规格为75kg/m的过共析钢轨和共析珠光体钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1050℃的钢轨接头以4.0℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至620℃，接着使钢轨接头以2.2℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至160℃，最后使钢轨接头以0.10℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的异种材质钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却；第二冷却和第三冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面45mm，冷却装置距离钢轨轨头侧面为20mm；第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.90MPa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.10MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。

取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表4，接头纵向硬度的分布效果如图4所示。

表4 对比例2处理后钢轨接头的硬度检验结果

由表4和图4可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头共析钢轨一侧的软化区宽度为9mm，过共析钢轨一侧的软化区宽度为8.2mm。接头焊缝共析珠光体钢轨一侧硬度偏高，距焊缝中心2mm位置的硬度达到480HV，超出共析珠光体钢轨母材平均硬度40HV。

参照图7所示的取样方法按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。检验结果表明，接头过共析钢轨及共析珠光体钢轨的焊接热影响区中均出现了不同程度的马氏体组织。在金相显微镜的100x观察倍率下，对于接头中马氏体组织出现的最严重区域，经统计，共析钢轨一侧的马氏体组织百分含量为11％，过共析钢轨一侧的马氏体组织百分含量为7％。钢轨焊接接头两侧的马氏体组织百分含量均超过了5％，不利于铁路运行安全。

对比例3

规格为68kg/m的过共析钢轨和共析珠光体钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1050℃的钢轨接头以4.2℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至600℃，接着使钢轨接头以2.4℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至180℃，最后使钢轨接头以2.5℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的异种材质钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却；第二冷却和第三冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面43mm，冷却装置距离钢轨轨头侧面为20mm；第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.65MPa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.80MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。

取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表5，接头纵向硬度的分布效果如图5所示。

表5 对比例3处理后钢轨接头的硬度检验结果

由表5和图5可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头共析钢轨一侧的软化区宽度为8.5mm，过共析钢轨一侧的软化区宽度为8.7mm。焊接接头共析珠光体钢轨一侧的硬度偏高，距焊缝2mm、4mm、6mm处的硬度均超出共析珠光体钢轨母材平均硬度30HV以上。

参照图7所示的取样方法按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。检验结果表明，接头过共析钢轨及共析珠光体钢轨的焊接热影响区中均出现了不同程度的马氏体。在金相显微镜的100x观察倍率下，对于接头中马氏体组织出现的最严重区域，经统计，接头共析钢轨的马氏体组织百分含量达到15％，接头过共析钢轨的马氏体组织百分含量达到10％。接头两侧的马氏体组织百分含量均超过了5％，不利于铁路运行安全。

通过对比图1至图5中的焊接接头轨头踏面纵向硬度及接头软化区宽度可以看出：采用本发明方法针对过共析钢轨与共析珠光体钢轨焊接接头实施焊后热处理，可使在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应的共析珠光体钢轨与过共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心线脱碳并产生元素烧损，导致硬度会略偏低)，并且接头焊缝两侧的软化区宽度均低于15mm。同时，还能够将钢轨接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤3％范围内，有利于保证铁路运行安全。

Claims (7)

1.钢轨焊后热处理方法，其特征在于包括以下步骤：将过共析钢轨与共析钢轨焊接后的待冷却焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至570～640℃，第一阶段冷却的冷却速度为3.0～5.0℃/s；接着使焊接接头进行第二阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至170～230℃，第二阶段冷却的冷却速度为1.5～2.5℃/s；最后使钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使钢轨焊接接头的轨头表层温度降至10～30℃，第三阶段冷却的冷却速度为0.05～0.50℃/s。

2.根据权利要求1所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述待冷却焊接接头的起始温度为1000～1400℃。

3.根据权利要求1所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述第一阶段冷却的方式为在空气中自然冷却。

4.根据权利要求1～3任一项所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述第二阶段冷却或第三阶段冷却以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨焊接接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却；第二阶段冷却使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.40～0.80MPa；第三阶段使用的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.05～0.25MPa。

5.根据权利要求4所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述第二阶段冷却或第三阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行压缩空气或水雾混合气的喷射进行冷却。

6.根据权利要求5所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～50mm，所述钢轨轨头仿型冷却装置距离钢轨轨头侧面为10～25mm。

7.根据权利要求1所述的钢轨焊后热处理方法，其特征在于：所述钢轨焊接接头为由具有同种轨型的为60～75kg/m的过共析钢轨与共析钢轨采用钢轨移动闪光焊机焊接而成的异种钢轨的焊接接头。

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