CN109022746B - U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法 - Google Patents

U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，属于钢轨焊接技术领域。本发明为了解决现有钢轨焊接接头在热处理过程中冷却时因局部冷速高于临界转变温度，而产生马氏体等有害组织影响接头硬度的问题，提供了一种U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，该方法是：对焊后冷却至300℃以下的U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热至870‑930℃后停止加热，采用喷风冷却，待钢轨接头踏面温度降至420‑470℃后停止喷风冷却，自然冷却至室温。采用本发明方法有效控制U71MnH钢轨闪光焊接接头的硬度的同时，保证了接头组织正常。

Description

U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法
技术领域
本发明属于钢轨焊接技术领域，具体涉及U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法。
背景技术
钢轨焊接具有加热温度高、加热速度快、高温停留时间短、温度分布不均匀及在空冷条件下连续冷却等特点，在接头尤其是热影响区容易出现组织粗大，甚至易形成马氏体、贝氏体等有害组织，使接头处出现硬化、脆化等现象；同时焊后接头产生内部应力，在复杂的外部应力作用下，极易发生断裂，成为线路运营的薄弱环节。为释放应力，细化晶粒，改变接头组织形态，改善已降低的性能状态，需对钢轨接头进行焊后热处理。
专利文献CN108103299A公开了一种全长淬火钢轨焊后热处理工艺，该工艺将便携式钢轨淬火器的风压调整到0.8～1.0Mpa、水量调整到15～20ml/s并达到雾化要求，当焊接接头温度降到400±10℃时，用氧炔焰加热焊接接头3～5分钟，测量接头温度达到900℃±10℃时，保温，使接头温度均衡，当温度达到800℃±10℃时，使用便携式钢轨淬火器喷雾，喷雾时间为100秒±10秒，喷雾完毕，自然冷却，当温度降到400℃±10℃时，打磨整型，探伤，检测钢轨及检测接头符合要求。该工艺通过热处理方法解决了钢轨的平滑程度，使钢轨可以无限长度化，但未对焊接接头的硬度做研究；同时该工艺采用喷雾的方式对焊接接头进行冷却，若雾化效果不达标，使冷却介质中含有较大颗粒的水滴，使钢轨接头表面局部冷速高于临界转变温度，进而在该区域产生马氏体等有害组织，接头硬度存在过高的风险。
许鑫等(铁道建筑，2016(08)：145-148)利用新型感应加热线圈对焊接接头进行焊后热处理，加热温度880±10℃；加热时间>130s；风压0.06～0.10MPa；喷风时间150s。使用新型感应加热线圈在上述工艺参数下进行焊后热处理后，接头踏面与母材硬度的比值为1.01，轨头、轨底三角区及2个轨底角晶粒得到细化，晶粒度级别可达9级以上。但其研究对象为U71Mn热轧钢轨，该方法不适用于U17MnH钢轨。
发明内容
本发明为了解决钢轨焊接接头在冷却过程中因局部冷速高于临界转变温度，而产生马氏体等有害组织使焊接接头硬度偏低。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是提供了U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法。该方法包括如下步骤：对焊后冷却至300℃以下的U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热至870-930℃后停止加热，采用喷风冷却，待钢轨接头踏面温度降至420-470℃后停止喷风冷却，自然冷却至室温。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热方式采用中频感应电加热或氧乙炔火焰加热。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热时间控制在110-330s。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风冷却的起始接头踏面温度控制在710-810℃。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风冷却的喷风口距离钢轨接头表面30±2mm。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风风压为0.08-0.25MPa。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述钢轨接头焊缝区域是指熔合线两侧各20mm内的区域。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过控制加热温度、喷风风压和终冷温度改善了U71MnH钢轨闪光焊接接头的硬度，其接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值≥0.90；接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值≥0.80；软化区域小于20mm，满足标准要求。本发明方法有效钢轨接头控制硬度的同时，保证了钢轨接头组织形态正常，改善了已降低的性能状态。本发明方法具有良好的推广应用前景，可在国内重载线路钢轨的焊接基地或在线焊接施工单位推广使用。
附图说明
图1为实施例1中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图2为实施例2中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图3为实施例3中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图4为实施例4中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图5为实施例5中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图6为实施例6中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图7为实施例7中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图8为实施例8中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图9为对比例1中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图10为对比例2中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
图11为对比例3中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理轨头踏面下5mm的硬度曲线。
具体实施方式
本发明提供了U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法。该方法包括如下步骤：对焊后冷却至300℃以下的U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热至870-930℃后停止加热，采用喷风冷却，待钢轨接头踏面温度降至420-470℃后停止喷风冷却，自然冷却至室温。
本发明中，对焊后冷却至300℃以下的U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热至870-930℃后停止加热，再冷却采用了正火工艺有效控制钢轨接头硬度的同时，释放了接头应力，细化接头晶粒，改变接头组织形态，改善已降低的性能状态。当钢轨轨头表面达到要求范围时，不能保证钢轨内部，尤其是心部温度也能达到要求温度，为了保证心部温度能够达到要求温度，温度不能过低；当温度过高时，一方面，相对较薄的钢轨轨底处温度比实际测量温度较高，存在组织过热的风险，另一方面，加热线圈为热量的来源，以其为中心热量向钢轨两端热传导，热影响区宽度会变宽，甚至不满足标准要求。
本发明中，终冷温度应控制在420-470℃。终冷温度过高，达不到硬度要求；终冷温度过低，会使整个钢轨接头组织发生异常。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热方式采用中频感应电加热或氧乙炔火焰加热。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热时间控制在110-330s。为了保持钢轨全断面受热的均匀程度，在加热过程中需控制加热时间为110-330s，若加热时间过短，实际相变区域只有钢轨表层，钢轨内部组织得不到提升；若加热时间过长，钢轨接头存在过热的风险，会影响接头组织，同时可能使钢轨接头软化区域超标。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风冷却的起始接头踏面温度控制在710-810℃。为了控制钢轨接头软化区的硬度，起始喷风温度需要控制在上述范围内。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风冷却的喷风口距离钢轨接头表面30±2mm。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述喷风风压为0.08-0.25MPa。喷风风压过高或过低，都会影响冷却速率，导致硬度不达标。
其中，在上述U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法中，所述钢轨接头焊缝区域是指熔合线两侧各20mm内的区域。
本发明中钢轨接头处是指以熔合线为中心两侧各100mm内的区域。
实施例1
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至870℃后停止加热，加热时间为120s。停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至735℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.2±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为458℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.92，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.87，接头左侧软化区宽度为17.0mm，右侧软化区宽度为9.0mm，满足标准要求。
实施例2
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至930℃后停止加热，加热时间为110s。停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至730℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.2±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为458℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.93，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.80，接头左侧软化区宽度为14.0mm，右侧软化区宽度为14.0mm，满足标准要求。
实施例3
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至930℃后停止加热，加热时间为141s。停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至785℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.13±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为431℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.95，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.85，接头左侧软化区宽度为13.0mm，右侧软化区宽度为7.5mm，满足标准要求。
实施例4
采用氧乙炔火焰加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至882℃后停止加热，氧气的压力为0.5MPa，流量为4m3/h，乙炔的压力为0.2MPa，流量为3.8m3/h，加热时间为330s。停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至730℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.2±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为462℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.90，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.87，接头左侧软化区宽度为18.5mm，右侧软化区宽度为11mm，满足标准要求。
实施例5
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至881℃后停止加热，加热时间为119s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至736℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.2±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为470℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.93，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.82，接头左侧软化区宽度为8.5mm，右侧软化区宽度为14.0mm，满足标准要求。
实施例6
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至919℃后停止加热，加热时间为135s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至810℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.13±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为420℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.93，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.80，接头左侧软化区宽度为12.5mm，右侧软化区宽度为17.5mm，满足标准要求。
实施例7
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至921℃后停止加热，加热时间为136s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至800℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.13±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为432℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.91，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.80，接头左侧软化区宽度为14.5mm，右侧软化区宽度为18.0mm，满足标准要求。
实施例8
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至919℃后停止加热，加热时间为250s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至710℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.13±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为429℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.91，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.80，接头左侧软化区宽度为19.0mm，右侧软化区宽度为17.0mm，满足标准要求。
对比例1
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至879℃后停止加热，加热时间为115s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至711℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.3±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为488℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.79，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.79，接头左侧软化区宽度为25.0mm，右侧软化区宽度为30.0mm，不满足标准要求。
对比例2
采用氧乙炔火焰加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至842℃后停止加热，氧气的压力为0.5MPa，流量为4m3/h，乙炔的压力为0.2MPa，流量为3.8m3/h，加热时间为300s。停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至715℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.1±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为431℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/mU71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.74，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.74，接头左侧软化区宽度为30.0mm，右侧软化区宽度为25.0mm，不满足标准要求。
对比例3
采用中频加热方式对60kg/m U71MnH钢轨闪光焊接接头焊缝区域加热至919℃后停止加热，加热时间为143s，停止加热后，待钢轨接头踏面温度降至788℃时，进行喷风冷却，喷风口距离钢轨接头表面30mm，喷风风压为0.1±0.05MPa，当接头踏面温度风冷降至终冷温度为489℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头进行自然冷却至室温。参照TB/T 1632.2-2014标准要求，采用HR-150A洛氏硬度计测试纵断面上轨头踏面下5mm洛氏硬度。本实施例中60kg/m U71MnH钢轨焊后热处理接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值为0.87，接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值为0.80，接头左侧软化区宽度为17.0mm，右侧软化区宽度为15.0mm，不满足标准要求。
由实施例1-8可知，采用本发明方法对U71MnH钢轨焊接接头进行热处理，处理后接头的硬度平均值HJ与母材硬度平均值HP的比值≥0.90；接头软点硬度平均值HJ1与母材硬度平均值HP的比值≥0.80；左侧和右侧的软化区域小于20mm，满足标准要求。而对比例1-3未采用本发明方法对U71MnH钢轨热处理的钢轨不满足标准要求。

Claims (4)

1.U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，其特征在于：对焊后冷却至300℃以下的U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热至870-930℃后停止加热，采用喷风冷却，待钢轨接头踏面温度降至420-470℃后停止喷风冷却，自然冷却至室温；所述喷风冷却的起始接头踏面温度控制在710-810℃；所述喷风冷却的喷风口距离钢轨接头表面30±2mm；所述喷风风压为0.08-0.25MPa。
2.根据权利要求1所述的U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，其特征在于：U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热方式采用中频感应电加热或氧乙炔火焰加热。
3.根据权利要求1所述的U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，其特征在于：所述U71MnH钢轨焊接接头焊缝区域加热时间控制在110-330s。
4.根据权利要求1所述的U71MnH钢轨闪光焊接接头的热处理方法，其特征在于：所述钢轨接头焊缝区域是指熔合线两侧各20mm内的区域。
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