CN112171103A - 一种细化焊缝晶粒的焊轨机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细化焊缝晶粒的焊轨机，包括夹持机构、热源系统、推凸机构、顶锻机构、顶锻尾座和导向机构；各组件相互连接成整体，还包括细晶机构，在所述细晶机构的作用下，使两待焊钢轨的焊接端面之间产生相对运动，对黏塑性状态或熔融状态的焊缝晶粒进行揉搓细化；所述细晶机构的揉搓方式为左右揉搓、上下揉搓、斜向揉搓、摆动揉搓、圆形轨迹揉搓中的一种或多种；该焊轨机只需要通过更换推凸刀、电极、夹紧块等少量零部件，就可以适用于各种不同型号、不同种类的钢轨焊接，是钢轨焊接领域的一台通用性焊轨机，实现一机多用；减少了焊机种类和数量，大大节约铁路钢轨焊接领域的设备投入成本。

Description

一种细化焊缝晶粒的焊轨机及方法

技术领域

本发明涉及钢轨焊接技术领域，尤其涉及一种细化焊缝晶粒的焊轨机及方法。

背景技术

随着轨道交通技术的不断发展和进步，更高速度、更大运力、更节能环保、更快捷舒适的乘坐体验等新需求，对铁路钢轨焊接技术提出了更高更严的要求。钢轨作为列车运行的基础，引导机车、车辆运行，承受车轮冲击动载荷。这就要求线路上的钢轨必须具有足够的强度、韧性、平顺性、稳定性和耐磨性。而无缝线路上钢轨焊缝连接部位，一直是轨道线路的薄弱环节之一，其焊接质量的好坏直接关系到钢轨的使用寿命和高速列车运行的安全性。

目前，世界上最主要的钢轨焊接方法有闪光焊、气压焊和铝热焊三种，它们的共同特点是：焊后的焊缝晶粒比较粗大。对闪光焊和气压焊接头，我国铁标要求焊后必须进行正火处理，即用热处理工艺对焊缝晶粒进行细化，尽管这样，对焊缝晶粒进行细化的效果也是非常有限的。由于铝热焊接头焊缝形成的是铸造组织，晶粒更加粗大，加上其他原因，甚至无法用正火方法进行晶粒细化处理。

众所周知，晶粒细化是同时能提高强度和韧性的唯一方法，超细晶粒组织因其卓越的综合机械性能，更是成为各科研院所和高校材料科学领域急需突破的关键技术。目前，用在冶金、材料加工等领域细化晶粒的方法很多，比如超声(电磁)搅拌熔池、机械(超声波)微铸锻、改变材料成分和工艺参数、等径角道挤压、大比率挤压、热锻、快速冷却等；而用在焊缝金属领域细化晶粒的方法却极其稀少。

专利CN109986189A公开的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其核心在于，通过对焊接的钢轨焊缝，在其再结晶过程中，施加并保持足够压力，以增加形核率；延长保压时间，直到再结晶过程充分完成，从而实现焊缝晶粒细化，平均晶粒尺寸达到63～75μm。虽然在一定程度上减小了焊缝平均晶粒尺寸(最大减小量15μM)。但由于没有采用，能更进一步细化焊缝晶粒的方法和手段，很难形成更细甚至超细晶粒组织的焊缝；更为重要的是，这种方法只适用于短轨试验性焊接，无法在现场工程施工的长轨焊接中得到推广和应用。

其原因在于：焊短轨时，钢轨不受外界阻力影响，闪光焊机保压时的顶锻力即等于细化晶粒的保压力，可监测也可控制；而现场施工中焊长轨时，钢轨长度可能达几十米、几百米、几千米、甚至更长。而且还存在外界的摩擦阻力、长轨拉伸应力、坡道、弯道等各种复杂工况所造成的各种阻力。由于在保压阶段两钢轨已经成为一个整体，加上各种阻力的存在，用于细化晶粒的实际有效保压力变得既无法准确监测，更是无法进行精确控制。因此，该工艺缺乏现场工程施工推广应用的可行性问题。

另一方面，尽管我国几大钢厂，在高韧性、高强度、高耐磨性钢轨研制方面早已取得突破性进展，但其可焊性问题一直未能得到解决，严重阻碍和限制了新材料优质钢轨的大面积推广和应用。比如U20Mn贝氏体新材料钢轨，是当前公认最难焊接的高韧性、高强度、高耐磨性钢轨，闪光焊和气压焊在相关高校和科研院所均已做了很长时间的探索和研究，至今未取得任何突破性进展。

随着高速铁路运营速度的不断提高，以及川藏铁路等极端环境工况下钢轨焊缝的使用，对线路焊缝都提出了极其严苛的安全性要求，急需一种能焊出，焊缝无内外缺陷、且具有优良的抗疲劳性能、较高强度、耐磨稳定、良好低温韧性，综合机械性能接近、等于甚至超过被连接母材钢轨的焊接设备及方法。

由于现有技术和设备的局限性，均不能解决和满足钢轨焊缝的高强度、高韧性、高耐磨性、良好低温韧性等焊接质量的高要求。迫切需要解决钢轨现场铺设焊接过程中，焊缝综合机械力学性能低下、难以适应极端环境使用工况等焊缝质量的关键性技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种细化焊缝晶粒的焊轨机及其细晶方法，该焊轨机既能彻底解决焊缝晶粒细化问题，又能在铁路钢轨现场焊接施工过程中，很好地进行推广和应用。

本发明是通过下述方案来实现的：

一种细化焊缝晶粒的焊轨机，包括夹持机构、热源系统、推凸机构、顶锻机构、顶锻尾座和导向机构；各组件相互连接成整体，其特征在于：还包括细晶机构，在所述细晶机构的作用下，使两待焊钢轨的焊接端面之间产生相对运动，对黏塑性状态或熔融状态的焊缝晶粒进行揉搓细化。

作为优选的，所述细晶机构的揉搓方式为左右揉搓、上下揉搓、斜向揉搓、摆动揉搓、圆形轨迹揉搓中的一种或多种。

作为优选的，所述细晶机构包括夹紧油缸、细晶油缸、移动外壳、细晶机构本体、夹紧缸座、连杆和夹持臂；所述夹紧油缸的缸筒与夹紧缸座固定连接，夹紧油缸的活塞杆贯穿夹紧缸座设置，所述夹紧油缸的活塞杆下端部与细晶机构本体固定连接，所述连杆分别与夹紧缸座和夹持臂铰接，所述夹持臂上设置转动轴，通过转动轴与细晶机构本体转动连接，所述连杆和夹持臂成对设置。

作为优选的，所述细晶机构本体可移动的设置在移动外壳内部，所述移动外壳上设置有供夹持臂贯穿和运动的通孔，所述细晶油缸的缸筒与移动外壳固定连接，所述细晶缸筒套设在夹紧油缸的活塞杆上。

作为优选的，所述移动外壳、细晶机构本体之间设有运动副；所述移动外壳、细晶机构本体上设置钢轨容纳槽，所述移动外壳、细晶机构本体上的钢轨容纳槽与固定外壳上的钢轨容纳槽相匹配。

作为优选的，所述移动外壳远离固定外壳的一端上设置有顶锻尾座，所述顶锻机构设置在顶锻尾座上；所述顶锻机构包括顶锻缸，所述顶锻缸成对设置在顶锻尾座上，所述顶锻缸靠近钢轨设置，所述顶锻缸的活塞杆端部与移动外壳固定连接。

作为优选的，所述夹持机构上还设置有钢轨横向对中调节油缸。

作为优选的，所述热源系统可以为闪光电阻加热系统、电磁感应加热系统、气体燃烧加热系统、摩擦加热系统、电弧加热系统、物理化学反应加热系统、电子束加热系统、激光加热系统等或其中某几种的组合系统，对钢轨待焊端面进行加热，在整个焊接界面形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层。

本发明还提供一种细化焊缝晶粒的方法，即在焊接过程中，加入细晶揉搓步骤；

所述细晶揉搓步骤为：当焊接热源系统在整个焊接界面加热形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层时，沿焊接界面法向施加或维持一定的顶锻力，使焊接界面的热塑性态或熔融态金属被挤出焊缝；启动运动机构，使两焊件的待焊界面之间产生相对运动，与顶锻力或挤压力联合作用，在焊接界面上形成细化晶粒的揉搓动作；随着揉搓动作的持续进行，焊缝区组织晶粒不断被揉碎搓细；同时也使得整个焊接界面温度进一步均匀化，沿焊件轴线和界面的温度梯度进一步减小，形成稳定的温度场分布；当整个焊接界面形成稳定的温度场且达到细化晶粒所设定的时间或焊件缩短量后，迅速停止揉搓动作，并立即对齐焊件；同时维持顶锻力或施加更大顶锻力，保压至焊缝区晶粒再结晶和重结晶过程充分完成，从而获得细晶和超细晶粒组织的优质焊缝接头。

所述运动机构的运动为平行于焊接界面的平面运动，或与焊接界面成一定夹角的空间运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本设备和方法解决了，在现场长轨焊接施工中，实现焊缝晶粒细化的可行性问题。

2、超细晶材料组织，因其卓越、超强的综合机械力学性能，一直是材料科学领域，各重点科研院所和高校在全力攻关，寻求突破的关键技术。本技术方案通过机械细晶揉搓运动使焊缝比较容易得到细晶和超细晶粒焊缝组织，使得焊缝综合机械性能接近、等于甚至超过被连接母材的钢轨，为高速铁路提速和极端环境工况下，线路钢轨焊缝必须满足极其严苛的安全性要求提供强有力的焊缝质量保障。

3、该焊机可以搭载多种不同的焊接热源系统，比如闪光电阻加热系统、电磁感应加热系统、气体燃烧加热系统、摩擦加热系统、电弧加热系统、物理化学反应加热系统、电子束加热系统、激光加热系统等或其中某几种的组合系统，为今后研发和创新各种新型钢轨焊接的新工艺、新技术提供了一个开放性的综合研究平台。

4、该焊机只需要通过更换推凸刀、电极、夹紧块等少量零部件，就可以适用于各种不同型号、不同种类的钢轨焊接，是钢轨焊接领域的一台通用性焊机，实现一机多用；减少了焊机种类和数量，大大节约铁路钢轨焊接领域的设备投入成本。

5、较现有的各种钢轨焊接方法，无需气体保护、节能环保、焊缝热影响区窄、钢轨损耗量小；母材、焊缝、热影响区硬度分布均匀；既彻底解决了熔焊的夹渣、气孔、疏松等各种焊接缺陷；也解决了闪光焊的灰斑、气压焊的光斑等长期以来，无法根除的焊接缺陷；也解决了高铁焊缝由于硬度分布不均匀所导致的“驼峰”问题；极大的提高了焊缝的焊接质量。该焊机及其方法所获得的焊缝组织是细晶和超细晶组织，将焊缝平均晶粒尺寸由闪光焊和气压焊的60～120μm细化到10～20μm左右。

6、本方法通过实验取得了及其优越的焊接效果，获得了综合机械性能均超过母材的无缺陷超细晶焊缝组织。还巧妙避开了闪光焊因受材质敏感性、多个焊接参数综合影响很大而造成焊接工艺参数调试纷繁复杂的问题；也避开了气压焊受环境风力、人为经验、气体质量、钢轨焊接端面清洁度等不可控因素和难控因素对焊接质量的巨大影响问题。大大降低了焊接质量控制和保证的难度；较大程度的避开了人为因素，不可控因素对焊接质量的影响；也降低了焊接对焊件材质的敏感性，解决了各种高强度、高耐磨钢轨，异种材质钢轨等各种高性能、新材料、优质钢轨的可焊性问题。

附图说明

图1是本发明整体立体结构示意图；

图2是本发明整体内部结构示意图；

图3是本发明整体主视结构示意图；

图4是本发明整体右视结构示意图；

图5是本发明整体去除掉移动外壳和固定外壳后的主视结构示意图；

图6是本发明所述细晶焊缝区微观形貌图(材质：U75VG钢轨)

图7是本发明所述细晶焊缝区轨顶沿钢轨纵向硬度分布图(材质：U20Mn贝氏体钢轨)

图8是本发明所述细晶焊缝区微观形貌图(材质：U20Mn贝氏体钢轨)

图中：1、夹持机构；2、闪光焊热源系统；4、细晶机构；5、导向机构；6、横向水平对中调节油缸；11、夹持油缸；12、夹紧缸座；13、连杆；14、夹持臂；15、固定外壳；16、夹持臂支座；31、顶锻尾座；32、顶锻缸；41、夹紧油缸；42、细晶油缸；43、移动外壳；44、细晶机构本体；45、通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

请参阅图1～5，本发明提供一种技术方案：

一种细化焊缝晶粒的焊轨机，包括夹持机构1、闪光焊热源系统2、推凸机构、顶锻机构、顶锻尾座31、细晶机构4和导向机构5；各组件相互连接成整体；所述夹持机构1用于对固定外壳端的待焊钢轨进行夹持；所述闪光焊热源系统2用于为焊接提供所需热量，使钢轨待焊端面形成黏塑性状态或熔融状态金属层；

所述推凸机构用于将焊接顶锻或挤压产生的焊瘤进行去除；所述顶锻机构为两待焊钢轨的焊接提供所需的顶锻力、挤压力和为焊接所需运动提供动力；

所述细晶机构4用于将，由闪光焊热源系统2已经加热到黏塑性状态或熔融状态下的钢轨待焊端面，进行挤压揉搓，使大部分黏塑性状态和熔融状态金属在顶锻力或挤压力作用下被挤出焊缝，形成焊瘤；随着揉搓运动的持续进行，焊接界面的高温黏塑性状态金属不断发生塑性变形，母材原有晶粒不断揉碎搓细，形成细晶和超细晶焊缝组织。

所述导向机构5用于对移动外壳43、细晶机构4以及细晶机构4所夹持钢轨构成的整体，沿钢轨轴线的往复运动提供高精度导向作用，使两待焊钢轨在焊接末阶段的顶锻、保压过程中始终保持工作边对齐状态。

本实施例中，所述细晶机构4的揉搓方式为左右揉搓、上下揉搓、斜向揉搓、摆动揉搓、圆形轨迹揉搓中的一种或多种；细晶机构4与外界控制系统电、液连接，在机械、电气和液压控制系统的联合作用下，实现精准控制的揉搓运动。

所述夹持机构1包括夹持油缸11、夹紧缸座12、连杆13、夹持臂14、固定外壳15和夹持臂支座16；所述夹持油缸11的缸筒与夹紧缸座12固定连接，所述连杆13分别与夹紧缸座12和夹持臂14铰接，所述夹持臂14上设置转动轴，且夹持臂14与转动轴转动连接，转动轴两端与固定外壳15可移动连接，所述连杆13和夹持臂14成对设置；夹持臂14的下端部，分别对待焊钢轨的左右轨腰部位进行夹持；所述夹持臂支座16设置在四夹持臂之间，所述夹持臂支座和夹持臂之间通过转动轴转动连接，转动轴贯穿夹持臂支座；所述夹持油缸11的活塞杆下端部与夹持臂支座固定连接。

在本实施例中，夹紧缸座12分别与四个连杆13铰接，四个连杆13和四个夹持臂14分别铰接，在夹持油缸11动作时，带动夹持臂14转动，实现对于钢轨的夹持或松开；当夹持油缸11带动连杆13向下运动时，通过传动，夹持臂14将围绕转动轴转动，对钢轨进行夹紧；反之，当夹持油缸11带动连杆13向上运动时，通过传动，夹持臂14将围绕转动轴反向转动，对钢轨进行松开。

当夹持油缸11夹持钢轨时，保持油缸下腔的的夹紧油压不变，成对设置的夹持臂14就对钢轨进行牢固夹持。

所述固定外壳15上设置有多个导向孔和一个钢轨容纳槽，钢轨容纳槽供钢轨导入焊机，便于夹持钢轨，导向孔供导向机构5穿过并固定，且导向机构5与固定外壳15之间电隔离(绝缘)固定连接。

所述细晶机构4包括夹紧油缸41、细晶油缸42、移动外壳43、细晶机构本体44、夹紧缸座12、连杆13、夹持臂14和夹持臂支座16；所述细晶油缸42的缸筒与移动外壳43固定连接；夹紧油缸41的活塞杆贯穿夹紧缸座12设置，所述连杆13分别与夹紧缸座12和夹持臂14铰接，所述夹持臂14上设置转动轴，且夹持臂14与转动轴转动连接，所述夹持臂支座16和夹持臂14之间通过转动轴转动连接，转动轴贯穿夹持臂支座16，转动轴两端与细晶机构本体44固定连接，所述连杆13和夹持臂14成对设置；夹持臂14的下端部，分别对移动外壳端的待焊钢轨的左右轨腰部位进行夹持。

所述夹持臂支座16设置在四夹持臂之间，所述夹持臂支座16和夹持臂14之间通过转动轴转动连接，转动轴贯穿夹持臂支座16，转动轴两端与细晶机构本体44固定连接；所述夹紧油缸41的活塞杆下端部与夹持臂支座16固定连接。

所述细晶机构本体44设置在移动外壳43内部，所述移动外壳43上设置有供夹持臂14贯穿和运动的通孔45，所述细晶油缸42的缸筒与移动外壳43固定连接，所述细晶缸筒套设在夹紧油缸41的活塞杆上，即夹紧油缸41和细晶油缸42共用一根活塞杆；

在使用时，首先保持细晶油缸42内的活塞杆固定不动；通过改变夹紧油缸41的进出油方向，使夹紧油缸41的缸筒和夹紧缸座12构成的整体一起上升或下降；当夹紧油缸41的缸筒和夹紧缸座12构成的整体下降时，通过连杆13的传动作用，夹持臂14将围绕转动轴转动，对钢轨进行夹紧；反之，当夹紧油缸41的缸筒和夹紧缸座12构成的整体上升时，通过连杆13的传动作用，夹持臂14将围绕转动轴反向转动，对钢轨进行松开；

当夹紧油缸41对其所在一端的钢轨进行夹紧时，夹紧油缸41、夹紧缸座12、连杆13和夹持臂14处于夹紧状态，位置保持恒定，并与其所夹持的钢轨通过夹紧力形成整体；此时在细晶油缸42中通入不断换向的交变压力油，细晶油缸42的活塞杆带动整个细晶机构4(除移动外壳43以外)及其所夹持的钢轨上下往复运动，形成细晶揉搓动作。由于细晶油缸42的缸筒与移动外壳43固定连接，且细晶油缸42和夹紧油缸41共用一根活塞杆，对细晶油缸42中通入换向的压力油，可以使共用的活塞杆在细晶油缸42中上下移动，从而带动整个细晶机构4(除移动外壳43以外)及其所夹持的钢轨上下移动，故还可以实现钢轨上下工作边的对齐功能。以上两种情况下，移动外壳43和细晶油缸42的缸筒均不随活塞杆的上下运动而运动。

所述移动外壳43、细晶机构本体44上均设有供钢轨穿过的钢轨容纳槽；且与固定外壳15上钢轨容纳槽相匹配。

所述移动外壳43远离固定外壳的一端上设置有顶锻尾座31，所述顶锻机构设置在顶锻尾座31上；所述顶锻机构包括顶锻缸32；所述顶锻尾座31上成对设置有顶锻缸32，所述顶锻缸32靠近钢轨设置，顶锻尾座31与导向机构5的端部固定连接，所述顶锻缸32的活塞杆与移动外壳43固定连接，所述顶锻缸32的缸筒与顶锻尾座31固定连接，通过顶锻缸32的活塞杆，带动移动外壳43沿导向机构5即钢轨轴线(纵向)往复运动，同时也可向待焊钢轨焊接端面提供顶锻力或挤压力；

移动外壳43在顶锻缸32的作用下沿着导向机构5可进行往复运动，所述导向机构5为多根独立的导向轴，导向轴贯穿固定外壳15和移动外壳43上的导向孔设置，移动外壳43和导向机构5之间可滑动或滚动连接。

通过将顶锻缸32独立设置在顶锻尾座31上，可以使顶锻缸32能尽可能靠近待焊钢轨设置。可以减小在顶锻时，顶锻缸32和钢轨之间的距离，从而降低顶锻时对机架所需的强度和刚性要求，降低对材料的强度需求；在相同顶锻力的情况下，可以减薄机架壁厚，从而减轻焊机重量。

所述夹持机构1上还设置有横向水平对中调节油缸6，所述横向水平对中调节油缸6成对设置在待夹持钢轨两侧位置，或单独一支油缸设置在待夹持钢轨的一侧位置，通过横向水平对中调节油缸6可以对待焊钢轨的横向位置进行移动调节，使两待焊钢轨的轨顶侧面工作对齐，提高焊接的对轨精度。横向水平对中调节油缸活塞杆与夹持臂支座16固定连接，横向水平对中调节油缸推动夹持臂支座，使夹持机构整体横移，实现对夹持机构所夹持钢轨的横向移动对位调节。

所述闪光焊热源系统2设置在固定外壳15和移动外壳43之间的位置，对待焊钢轨进行焊接加热。

本方案中的推凸机构为现有的焊瘤去除机构，本方案未对推凸机构作出改进。

本方案中的闪光焊热源系统仅为一种热源系统。热源系统还可以为气体燃烧加热系统、电磁感应加热系统、摩擦加热系统、电弧加热系统、物理化学反应加热系统、电子束加热系统、激光加热系统等或其中某几种的组合系统，对钢轨待焊端面进行加热，在整个焊接界面形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层。

本发明的工作过程如下：

第一步：焊前准备，钢轨除锈，除尽两钢轨待焊端面的浮锈及氧化皮，以及端面附近沿周的浮锈和油污，对闪光焊还需要除尽钢轨导电电极接触部位的浮锈、油污及氧化皮。

第二步：焊轨机下落，沿钢轨轴线(纵向)调整焊机位置，使轨缝处于焊机纵向的合适位置；继续下降焊机，将待焊钢轨导入到钢轨夹持机构中，使焊机轨顶基准块与钢轨的轨顶面接触。

第三步：焊机液压系统夹紧压力打到低压状态，以较小的压力预夹紧钢轨，检查并调整钢轨工作边的对齐情况，确定上下、左右工作边对齐后，控制系统记录下揉搓端钢轨的初始位置。将液压系统夹紧压力打到高压状态，全力夹紧钢轨。其中固定外壳端所夹持的钢轨对齐后，在随后的整个焊接过程中相对于机架保持固定不动。

第四步：启动焊接热源系统，对两钢轨待焊端面进行焊接加热，经过一系列的机械运动和电气、液压系统的共同作用，焊缝界面金属逐渐达到黏塑性状态或熔融状态，当在整个焊接界面形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层时；关掉焊接热源系统。

第五步：启动细晶机构揉搓细化晶粒。焊接热源系统关闭后，立即沿焊接界面法向施加或维持一定的顶锻力，使焊接界面的热塑性态或熔融态金属大部分被挤出焊缝，形成焊瘤；同时迅速启动细晶机构，细晶机构带动其所夹持的一端钢轨一起作小幅度的周期性运动，与顶锻力或挤压力联合作用，在焊接界面上形成细化晶粒的揉搓动作；随着揉搓运动的持续进行，焊缝热场分布逐渐均匀，焊接界面残留的高温黏塑性状态金属不断发生塑性变形，在顶锻力和揉搓运动作用下不断被挤出焊缝，焊瘤持续增大；母材原有晶粒不断揉碎搓细，两待焊钢轨界面高温金属原子相互扩散，再结晶和重结晶。同时也使得整个焊接界面温度进一步均匀化，沿焊件轴线和界面的温度梯度进一步减小，逐渐形成稳定的温度场分布。

第六步：当整个焊接界面形成稳定的温度场，且达到细化晶粒设定的揉搓时间或焊件缩短量后，迅速停止揉搓动作，并立即对齐顶锻焊件。即细晶机构带动揉搓端钢轨立即回到钢轨工作边最初的对齐状态，即初始位置；同时维持原顶锻力或施加更大顶锻力，并开始保压。

第七步：延迟一定时间后，推凸机构动作，完成推瘤工作。

第八步：持续保压至焊缝金属原子扩散、再结晶和重结晶过程充分完成，形成细晶和超细晶粒组织的优质焊缝接头。至此焊接过程完成。

第九步：当达到保压时间后，夹紧旋钮打到松开状态，钢轨夹持机构松开，释放下钢轨，焊机上升，焊接施工过程结束。为焊下一对钢轨作准备。

实施例2

本方案提供一种细化焊缝晶粒的方法，采用实施例1所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，包括钢轨夹持步骤、工作边对齐步骤、加热步骤、细晶揉搓步骤、对齐顶锻步骤：

所述钢轨夹持步骤具体为：分别将两待焊钢轨导入焊机的两钢轨夹持机构中，并用较小的夹紧力进行预夹紧。

所述工作边对齐步骤具体为：将两待焊钢轨的待焊端面进行对位、调整，对齐轨顶面和轨头侧面工作边。工作边对齐后并全力夹紧钢轨。

所述加热步骤具体为：利用闪光电阻加热系统、电磁感应加热系统、气体燃烧加热系统、摩擦加热系统、电弧加热系统、物理化学反应加热系统、电子束加热系统、激光加热系统等或其中某几种的组合系统，对钢轨待焊端面进行加热，在整个焊接界面形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层。

所述细晶揉搓步骤具体为：沿焊接界面法向施加或维持一定的顶锻力，使焊接界面的热塑性态或熔融态金属大部分被挤出焊缝，形成焊瘤；同时在焊接界面形成高温热塑性态或熔融态金属的残留薄层。迅速启动细晶机构，在两钢轨待焊端面之间产生的相对运动，再与顶锻力和挤压力联合作用，在焊接界面上形成揉搓动作。揉搓运动为平行于焊接界面的平面运动，或与焊接界面成一定夹角的空间运动；随着揉搓运动的持续进行，对焊缝区界面母材原有晶粒不断揉碎搓细，待焊钢轨端面形成的焊接界面不断地被搓化掉，形成新的界面，焊缝中心两侧金属原子相互扩散，逐渐形成细晶和超细晶组织，且越靠近焊缝中心晶粒越细，软化金属不断挤出焊缝，焊瘤继续增大，两钢轨产生少量的搓化缩短量。同时也使得整个焊接界面温度进一步均匀化，沿焊件轴线和界面的温度梯度进一步减小，逐渐形成稳定的温度场分布。

所述对齐顶锻步骤具体为：当两待焊钢轨之间达到一定的搓化量(缩短量)或达到一定的时间后，焊缝区温度及温度分布达到稳定状态，揉搓动作迅速停止；揉搓运动端钢轨在细晶机构的带动下复位对齐两待焊钢轨的工作边，同时维持顶锻力或施加更大顶锻力，然后保压至焊缝区金属原子相互扩散、再结晶和重结晶过程充分完成。从而获得细晶和超细晶粒组织的优质焊缝接头。

实施例3

本实施例提供了本方法的一些具体实验数据，图6～8为采用此方法焊接的试验效果图，实验所焊材质为：U75VG高速钢轨和U20Mn贝氏体新材料钢轨，其中U20Mn贝氏体钢轨，是目前公认最难焊接的高强度、高耐磨性钢轨，闪光焊和气压焊在相关高校和科研院所均已做了很长时间的探索和研究，至今未取得任何突破性进展。而用此方法却取得了及其优越的焊接效果，获得了综合机械性能均超过母材的无缺陷超细晶焊缝组织；

通过图6本发明所述细晶焊缝区微观形貌图，可见在使用本方法后，焊缝区域晶粒已基本上完全得到细化；通过图7本发明所述细晶焊缝区轨顶沿钢轨纵向硬度分布图，可见在使用本方法后，轨顶沿钢轨纵向硬度分布趋向均匀，使钢轨在焊后投入长时间的铁路运行使用过程中，钢轨焊缝区和钢轨母材的强度和磨耗基本保持一致，避免了焊缝区“驼峰”现象的产生，保证了列车运行时的平稳性和安全性，也减少了高铁为消除“驼峰”病害，经常需要对运营线路钢轨焊缝接头进行维护保养打磨的工作量和打磨维护频次，提高钢轨使用寿命和节约高铁维护成本。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细化焊缝晶粒的焊轨机，包括夹持机构、热源系统、推凸机构、顶锻机构、顶锻尾座和导向机构；各组件相互连接成整体，其特征在于：还包括细晶机构，在所述细晶机构的作用下，使两待焊钢轨的焊接端面之间产生相对运动，对黏塑性状态或熔融状态的焊缝晶粒进行揉搓细化。

2.根据权利要求1所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述细晶机构的揉搓方式为左右揉搓、上下揉搓、斜向揉搓、摆动揉搓、圆形轨迹揉搓中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述细晶机构包括夹紧油缸、细晶油缸、移动外壳、细晶机构本体、夹紧缸座、连杆和夹持臂；所述夹紧油缸的缸筒与夹紧缸座固定连接，夹紧油缸的活塞杆贯穿夹紧缸座设置，所述连杆分别与夹紧缸座和夹持臂铰接，所述夹持臂上设置转动轴，通过转动轴与细晶机构本体转动连接，所述连杆和夹持臂成对设置。

4.根据权利要求3所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述细晶机构本体可移动的设置在移动外壳内部，所述移动外壳上设置有供夹持臂贯穿和运动的通孔，所述细晶油缸的缸筒与移动外壳固定连接，所述细晶缸筒套设在夹紧油缸的活塞杆上。

5.根据权利要求4所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述移动外壳、细晶机构本体之间设有运动副；所述移动外壳、细晶机构本体上设置钢轨容纳槽，所述移动外壳、细晶机构本体上的钢轨容纳槽与固定外壳上的钢轨容纳槽相匹配。

6.根据权利要求5所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述移动外壳远离固定外壳的一端上设置有顶锻尾座，所述顶锻机构设置在顶锻尾座上；所述顶锻机构包括顶锻缸，所述顶锻缸成对设置在顶锻尾座上，所述顶锻缸靠近钢轨设置，所述顶锻缸的活塞杆端部与移动外壳固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述夹持机构上还设置有钢轨横向水平对中调节油缸。

8.根据权利要求7所述的一种细化焊缝晶粒的焊轨机，其特征在于：所述热源系统可以为闪光电阻加热系统、电磁感应加热系统、气体燃烧加热系统、摩擦加热系统、电弧加热系统、物理化学反应加热系统、电子束加热系统、激光加热系统等或其中某几种的组合系统，对钢轨待焊端面进行加热，在整个焊接界面形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层。

9.一种细化焊缝晶粒的方法，其特征在于：在焊接过程中，加入细晶揉搓步骤；

所述细晶揉搓步骤为：当焊接热源系统在整个焊接界面加热形成完全热塑性状态或完全熔融状态，且具有一定厚度的高温金属层时，沿焊接界面法向施加或维持一定的顶锻力，使焊接界面的热塑性态或熔融态金属被挤出焊缝；启动运动机构，使两焊件的待焊界面之间产生相对运动，与顶锻力或挤压力联合作用，在焊接界面上形成细化晶粒的揉搓动作；随着揉搓动作的持续进行，焊缝区组织晶粒不断被揉碎搓细；同时也使得整个焊接界面温度进一步均匀化，沿焊件轴线和界面的温度梯度进一步减小，形成稳定的温度场分布；当整个焊接界面形成稳定的温度场且达到细化晶粒所设定的时间或焊件缩短量后，迅速停止揉搓动作，并立即对齐焊件；同时维持顶锻力或施加更大顶锻力，保压至焊缝区晶粒再结晶和重结晶过程充分完成，从而获得细晶和超细晶粒组织的优质焊缝接头。

10.根据权利要求9所述的一种细化焊缝晶粒的方法，其特征在于：所述运动机构的运动为平行于焊接界面的平面运动，或与焊接界面成一定夹角的空间运动。

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