CN110257620A - 槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法 - Google Patents

槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其包括以下步骤：首先将焊接得到的槽型钢轨焊接接头温度冷却至50℃以下，然后将焊接接头通过氧‑液化石油气火焰加热至880～920℃后停止加热，再然后立即通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却，待焊接接头的轨顶面焊缝中心温度降至450～520℃后停止喷风，最后使焊接接头自然冷却至室温。经过本发明的热处理方法的闪光焊接接头，焊接接头的轨顶面硬度与钢轨母材硬度匹配，接头无马氏体、贝氏体等异常组织，成本低，同时，焊接接头的轨唇、轨腰、轨底不喷风，这些部位冷速慢，硬度较低，具有良好的塑形及韧性。

Description

槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法。
背景技术
现代有轨电车以其节能、环保、较小的投资(造价仅1亿元/公里，是地铁的四分之一)、适中的载客量(每小时运力达到7000人，超过公交车)、较好的乘坐舒适性、较少的后期维护费用，在国外经过20多年的发展，已经有150多个城市的成熟应用业绩。有轨电车在解决城市核心区换乘、市郊接驳、以及景区旅游观光等方面发挥了重要作用，代表着未来的发展方向。在马路中部铺设无缝槽型轨线路，形成有轨电车与汽车共用是国际上目前最为通用的做法。槽型轨焊接是铺设有轨电车线路的关键环节，为确保焊接质量，需要采用可靠的焊接方法。与普通钢轨相比，槽型轨的轨头上有一个不对称的槽，形状复杂，属异型轨种，焊接及热处理过程中，各部分温度不均，焊接及热处理控制难度大。目前国内外槽型轨焊接方法有电弧焊、铝热焊和闪光焊。电弧焊效率低，工人的劳动强度大，焊接过程容易受到环境变化和人为操作因素影响，接头外观不理想，焊接质量不稳定。铝热焊质量较低，大量使用无法保证线路质量，闪光焊与铝热焊比较，断轨率低10倍以上，电弧焊比铝热焊稍强，但断轨率也大大高于闪光焊，因此槽型轨的焊接首选闪光焊。
目前，常用的槽型钢轨为U75V热轧轨，化学成分以重量百分数计为：C含量0.71～0.80％，Si含量0.5～0.8％，Mn含量0.75～1.05％，V含量0.04～0.12％，槽型轨截面形状及各部位名称见图1所示，与普通钢轨相比轨头上有一个不对称的槽，形状复杂，属异型轨种。该槽型轨闪光焊时，加热速度快、加热温度高、高温停留时间短、接头温度梯度大，接头焊后在空冷条件下连续冷却，会导致接头过热区晶粒粗大而脆化，正火区硬度太高，不完全正火区出现软化等现象；同时接头焊后内应力大，列车运行过程中，在复杂的外部应力作用下，极易发生断裂，成为线路的薄弱环节。为保证接头的安全使用，降低焊后应力，改善接头组织，故需对槽型钢轨闪光焊接头进行焊后热处理。目前，槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理后，容易出现槽型钢轨闪光焊接头轨顶面硬度小于钢轨母材硬度，焊接接头硬度偏低，导致列车长期运行后硬度偏低部位磨耗严重，造成列车运行不平稳，严重影响列车的行车安全，所以，为配合我国现代有轨电车线路建设的快速发展，亟需一种适合槽型钢轨闪光焊接头热处理方法，解决槽型钢轨闪光焊接头热处理后轨顶面硬度偏低问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种能够提高焊接接头轨顶面硬度的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，包括以下步骤：首先将焊接得到的槽型钢轨焊接接头温度冷却至50℃以下，然后将焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热至880～920℃后停止加热，再然后立即通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却，待焊接接头的轨顶面焊缝中心温度降至450～520℃后停止喷风，最后使焊接接头自然冷却至室温。
进一步的是，所述槽型钢轨为热轧轨，化学成分以重量百分数计为：C含量0.71～0.80％，Si含量0.5～0.8％，Mn含量0.75～1.05％，V含量0.04～0.12％。
进一步的是，首先焊接接头温度通过自然冷却的方式至50℃以下。
进一步的是，焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，采用全断面的方式进行加热。
进一步的是，焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，液化石油气压力0.16～0.18MPa，流量3.8～4.0m3/h，氧气压力0.5～0.52MPa，流量4.0～4.5m3/h，加热时间320～360s。
进一步的是，通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却时，轨唇、轨腰、轨底采用空冷。
本发明的有益效果是：采用氧-液化石油气火焰对焊接接头从外向内进行加热，保证焊接接头的加热效果，而且液化石油气成本低，操作时不易发生回火；通过对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风加速冷却，有利于降低轨顶面及行车边珠光体转变温度，细化轨顶面及工作边晶粒，提高轨顶面及行车边的强度及硬度，从而提高其耐磨性能，提高行车的安全；通过大量试验和实践得出，经过本发明的热处理方法的闪光焊接接头，焊接接头的轨顶面硬度与钢轨母材硬度匹配，接头无马氏体、贝氏体等异常组织，成本低，同时，焊接接头的轨唇、轨腰、轨底不喷风，这些部位冷速慢，硬度较低，具有良好的塑形及韧性，焊接接头性能满足相关标准要求。
附图说明
图1槽型钢轨截面形状及各部位名称；
图2槽型钢轨轨顶面硬度测点位置图；
图3为实施例1得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
图4为实施例2得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
图5为实施例3得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
图6为实施例4得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
图7为对比例1得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
图8为对比例2得到的槽型钢轨焊接接头的轨顶面硬度图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，所述槽型钢轨为热轧轨，化学成分以重量百分数计为：C含量0.71～0.80％，Si含量0.5～0.8％，Mn含量0.75～1.05％，V含量0.04～0.12％，包括以下步骤：首先将焊接得到的槽型钢轨焊接接头温度冷却至50℃以下，然后将焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热至880～920℃后停止加热，再然后立即通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却，待焊接接头的轨顶面焊缝中心温度降至450～520℃后停止喷风，最后使焊接接头自然冷却至室温。
本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内的长度为70～110mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。本发明涉及到的接头温度为焊接接头的轨头表层温度，也即是轨顶面温度，采用红外测温仪对温度信号进行采集，所述钢轨轨顶面为车轮与钢轨的接触部分。
具体的，首先焊接接头温度通过自然冷却的方式至50℃以下。为了保证焊接接头的加热效果，焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，采用全断面的方式进行加热。具体的，焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，液化石油气压力0.16～0.18MPa，流量3.8～4.0m3/h，氧气压力0.5～0.52MPa，流量4.0～4.5m3/h，加热时间320～360s。
为了保证焊接接头具有良好的塑形及韧性，通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却时，轨唇、轨腰、轨底采用空冷。也即是喷风装置只对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却，轨唇、轨腰、轨底不进行喷风冷却，进行自然冷却，这些部位冷速慢，硬度较低，从而使焊接接头具有良好的塑形及韧性，焊接接头性能满足相关标准要求。
综上所述，采用氧-液化石油气火焰对焊接接头从外向内进行加热，保证焊接接头的加热效果，而且液化石油气成本低，操作时不易发生回火；通过对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风加速冷却，有利于降低轨顶面及行车边珠光体转变温度，细化轨顶面及工作边晶粒，提高轨顶面及行车边的强度及硬度，从而提高其耐磨性能，提高行车的安全；通过大量试验和实践得出，经过本发明的热处理方法的闪光焊接接头，焊接接头的轨顶面硬度与钢轨母材硬度匹配，接头无马氏体、贝氏体等异常组织，成本低。
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例中所用槽型钢轨均产自攀钢集团研发生产的60R2槽型钢轨。
以下实施例按照CECS429：2016《城市轨道用槽型轨闪光焊接质量检验标准》规定对槽型钢轨轨顶面布氏硬度进行检测。槽型钢轨轨顶面布氏硬度检验标准取样，检验标准取样，试样应以焊缝为中心，在两侧各取100mm长度的槽型钢轨，将焊接接头轨顶面加工去除2mm，测点分为2行分布在轨顶中心两侧，两行测点中心线间距为15mm，同行测点与测点间距为15mm，槽型轨轨顶面硬度测点位置见图2所示。槽型钢轨闪光焊接头轨顶面硬度试样加工完成用3％硝酸酒精腐蚀后，根据试样槽型钢轨轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度。利用测试线上各测点硬度值绘制硬度曲线，绘制0.90Hp水平线，分别测试焊缝左侧、右侧水平线以下的硬度曲线宽度w，标准要求w≤20mm。并以Hp表示钢轨母材的硬度平均值，HJ表示焊接接头的硬度平均值，接头硬度低于0.9Hp的位置表示软化区域。
实施例1
槽型钢轨闪光焊接头空冷至40℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.18MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.5MPa，流量4.5m3/h，加热时间为340s；当焊接接头轨顶面温度达到910℃时停止加热，然后采用喷风装置对焊接接头轨顶面及工作边喷风冷却，喷风口距离焊接接头轨顶面40mm，喷风风压为0.20MPa；当轨顶面温度风冷降至终冷温度500℃时，停止喷风冷却，随后焊接接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图3所示。
本实施例中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝299HB，接头平均硬度HJ＝283HB，焊接接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.9465，软化区宽度左侧14mm，右侧13mm，满足CECS429:2016城市轨道用槽型钢轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。
实施例2
槽型钢轨闪光焊接头空冷至32℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.18MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.5MPa，流量4.5m3/h，加热时间为330s；当焊接接头轨顶面温度达到900℃时停止加热，然后采用喷风装置对焊接接头轨顶面及工作边喷风冷却，喷风口距离槽型钢轨轨顶面40mm，喷风风压为0.20MPa；当轨顶面温度风冷降至终冷温度480℃时，停止喷风冷却，随后焊接接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图4所示。
本实施例中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝303HB，接头平均硬度HJ＝297HB，焊接接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.9802，软化区宽度左侧4mm，右侧3mm，满足CECS429:2016城市轨道用槽型轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。
实施例3
槽型钢轨闪光焊接头空冷至30℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.17MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.5MPa，流量4.5m3/h，加热时间为352s；当焊接接头轨顶面温度达到920℃时停止加热，然后采用喷风装置对焊接接头轨顶面及工作边喷风冷却，喷风口距离槽型钢轨轨顶面40mm，喷风风压为0.18MPa；当轨顶面温度风冷降至终冷温度460℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图5所示。
本实施例中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝304HB，接头平均硬度HJ＝298HB，接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.9803，软化区宽度左侧0mm，右侧4mm，满足CECS429:2016城市轨道用槽型轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。
实施例4
槽型钢轨闪光焊接头空冷至25℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.17MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.5MPa，流量4.5m3/h，加热时间为360s；当焊接接头轨顶面温度达到920℃时停止加热，然后采用喷风装置对焊接接头轨顶面及工作边喷风冷却，喷风口距离槽型钢轨轨顶面40mm，喷风风压为0.22MPa；当轨顶面温度风冷降至终冷温度500℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图6所示。
本实施例中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝305HB，接头平均硬度HJ＝296HB，接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.9705，软化区宽度左侧6mm，右侧4mm，满足CECS429:2016城市轨道用槽型轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。
对比例1
槽型钢轨闪光焊接头空冷至25℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.16MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.5MPa，流量4.5m3/h，加热时间为360s；当焊接接头轨顶面温度达到820℃时停止加热，然后采用喷风装置对焊接接头轨顶面及工作边喷风冷却，喷风口距离槽型钢轨轨顶面40mm，喷风风压为0.22MPa；当轨顶面温度风冷降至终冷温度500℃时，停止喷风冷却，随后钢轨接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图7所示。
本对比例中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝300HB，接头平均硬度HJ＝254HB，接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.8467，软化区宽度左侧47mm，右侧46mm，不能满足CECS429:2016城市轨道用槽型轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。
对比例2
槽型钢轨闪光焊接头空冷至20℃时，采用氧-液化石油气火焰对槽型钢轨焊接接头进行加热，液化石油气压力0.16MPa，流量4.0m3/h，氧气压力0.52MPa，流量4.5m3/h，加热时间为350s；当焊接接头轨顶面温度达到920℃时停止加热，随后钢轨接头自然冷却至室温；将焊后热处理的槽型钢轨焊接接头，参照CECS429:2016标准，取试样并加工完成后，加工完成后用3％硝酸酒精腐蚀，按照焊接接头轨顶面上标示出测试点位置并测试轨顶面硬度，根据测试数据，得到焊接接头轨顶面的硬度曲线见图8所示。
本对比例2中所述槽型钢轨轨顶面母材平均硬度Hp＝302HB，接头平均硬度HJ＝269HB，接头硬度平均值HJ与母材硬度平均值Hp的比值为0.8907，软化区宽度左侧26mm，右侧24mm，不能满足CECS429:2016城市轨道用槽型轨闪光焊接头硬度1.05Hp≥HJ≥0.9Hp和软化区宽度≤20mm的技术要求。

Claims (6)

1.槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将焊接得到的槽型钢轨焊接接头温度冷却至50℃以下，然后将焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热至880～920℃后停止加热，再然后立即通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却，待焊接接头的轨顶面焊缝中心温度降至450～520℃后停止喷风，最后使焊接接头自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：所述槽型钢轨为热轧轨，化学成分以重量百分数计为：C含量0.71～0.80％，Si含量0.5～0.8％，Mn含量0.75～1.05％，V含量0.04～0.12％。
3.如权利要求1所述的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：首先焊接接头温度通过自然冷却的方式至50℃以下。
4.如权利要求1所述的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，采用全断面的方式进行加热。
5.如权利要求1所述的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：焊接接头通过氧-液化石油气火焰加热时，液化石油气压力0.16～0.18MPa，流量3.8～4.0m3/h，氧气压力0.5～0.52MPa，流量4.0～4.5m3/h，加热时间320～360s。
6.如权利要求1至5任意一项所述的槽型钢轨闪光焊接头焊后热处理方法，其特征在于：通过喷风装置对焊接接头的轨顶面及行车边进行喷风冷却时，轨唇、轨腰、轨底采用空冷。
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