电磁感应正火工艺在钢轨移动闪光焊中的研究及应用

电磁感应正火工艺在钢轨移动闪光焊中的研究及应用

田晓波

田晓波

中铁一局集团新运工程有限公司咸阳712000

摘要：随着我国铁路和城市轨道交通的高速发展，对无缝线路钢轨焊接接头质量的要求也越来越高，钢轨经现场焊接成长轨后，其焊接接头必须经过合理的工序处理，才能进一步提高钢轨焊接接头的质量，而焊后正火工序是提高钢轨焊接质量的关键性工序，而目前传统的钢轨移动闪光焊焊后正火工序由于现场条件限制仍然大部分采用的氧气乙炔火焰正火，现场氧气乙炔正火工艺已在铁路建设领域使用多年，且普遍存在着机械化程度和作业效率低，尤其是传统氧气乙炔（易燃易爆）火焰正火模式存在着很大的安全隐患，从铁路行业机械自动化的发展趋势来看，传统的氧气乙炔正火工艺面临着逐渐淘汰和更新的局面，电感应正火工艺在钢轨移动闪光焊中有很大的推广应用空间。

关键词：电感应正火工艺钢轨移动闪光焊应用

ResearchandApplicationofElectromagneticInductionNormalizingTechnologyinRailMobileFlashWelding

TianXiaoBo

（XinyunEngineeringCo.，Ltd.，ChinaRailwayFirstBureauGroup，Xianyang，postcode712000）

Abstract：WiththerapiddevelopmentofrailwayandurbanrailtransitinChina，therequirementforweldedjointqualityofseamlessrailisgettinghigherandhigher.Aftertherailisweldedonsite，theweldedjointmustbeprocessedreasonablyinordertofurtherimprovethequalityofrailweldedjoint.Thenormalizingprocessafterweldingisthekeyprocesstoimprovethequalityofrailwelded.Atpresent，thenormalizingprocessafterweldingisthekeyprocesstoimprovethequalityofrailwelded.Oxyacetyleneflamenormalizingisstillmostlyusedinthetraditionalpost-weldnormalizingprocessofrailmovingflashweldingduetothelimitationoffieldconditions.Theon-siteOxyacetyleneflamenormalizingprocesshasbeenusedinthefieldofrailwayconstructionformanyyears，andtherearegenerallylowmechanizationdegreeandoperationefficiency.EspeciallythetraditionalOxyacetylene（flammableandexplosive）flamenormalizingmodehasgreatpotentialsafetyhazards.Inviewofthedevelopmenttrendofmechanicalautomationinroadindustry，thetraditionaloxygenacetylenenormalizingprocessisfacingaphase-outandrenewalsituation.Inductivenormalizingprocesshasagreatspaceforpromotionandapplicationinrailmobileflashwelding.

Keywords：ResearchandapplicationofinductiveNormalizingTechnologyforrailmovingflashwelding

1.概述

1.1研究背景

随着我国铁路和城市轨道交通的高速发展，对无缝线路钢轨焊接接头质量的要求也越来越高。钢轨经现场焊接成长轨后，其焊缝区域必须经过合理的工艺处理，才能进一步提高钢轨焊接接头的质量，而焊后正火是保证和提高焊接质量的一个关键性环节。正火处理是通过二次对焊接接头加热到一定温度且保温一段时间后，在空气中冷却的一种金属热处理工艺，其目的在于细化焊缝区域晶粒和消除残余应力。

目前铁路焊接施工中使用的正火工艺主要有中频电加热正火与乙炔+氧气的火焰正火方式，而电加热感应正火由于高效、安全、节能等特点受到施工单位的青睐，这种理想高效的中频电正火设备目前仅仅适用于各焊轨厂和焊轨基地，而在现场移动式焊接施工工况下，还在使用传统的乙炔+氧气的火焰正火方式，该正火工艺存在气瓶搬运和存贮不便、易燃易爆安全隐患、正火工艺性能低下、人员操作水平影响较大等诸多不利因素。

对于以上现状，研制一套控制可靠、操作轻便，使用安全的且能满足铁标规定技术要求的移动式正火设备，彻底改变传统的火焰正火方式，提高质量与工效，具有极大的经济效益和使用价值。

1.2国内外技术发展现状

通过使用中图文献数据库搜索，国内对中频感应加热有1500个以上的文献资料做了介绍，对钢轨焊头中频感应加热有17个期刊、66种图书做了介绍，查阅相关的文献和资料，绝大部分对加热原理、控制方式、模拟仿真等具有详尽的叙述，未见对现场移动式电感应正火设备有详尽的描述，可见本项目从国内实际使用环境下具有相当的应用和推广前景。

2．现场移动式中频电正火机的研制

2.1研制的主要内容

研究满足于现场移动式正火工艺要求的吊架吊具、控制电源柜、冷却柜、正火变压器以及一体式平板正火加热线圈，通过分析论证加载电流密度、电流频率和感应加热器与钢轨之间间隙对钢轨最终温度场分布的影响规律，在不断试验和改进后，确定了适宜于焊接接头正火规范要求的工艺参数，实现了从样机研制到设备初步定型的过渡。

设备主要包含以下几部分内容：中频电源、感应线圈（含变压器）、冷水机、小型变频起吊机。

2.2研制和试验过程

2.2.1感应加热原理

感应正火时，中频电源输出一定频率的交变电流，电流通入仿形正火线圈时将会在线圈内部和周围产生与电流频率相同的交变磁场。当钢轨置于仿形线圈内时，交变磁场的磁力线切割钢轨，将会在钢轨内部产生涡流。由于钢轨本身电阻的存在，涡流会使钢轨内部发热，即形成感应加热的内部热源。热量产生原理可用下面公式表达：

Q：热量I：涡流电流R：钢轨电阻t：加热持续时间

2.2.2感应加热线圈的设计

由于钢轨的形状及尺寸非常复杂，不同部位的薄厚程度也不一样，使得钢轨加热过程中温度的均匀性很难得到保证。本实验的线圈设计最初采用各个部位与钢轨的距离基本一致，为提高线圈的电感，感应线圈设计为两匝。经过试验表明，该感应线圈虽然能够对钢轨进行加热，但加热温度的均匀性很差，当轨脚温度达到750℃时，轨顶还没有达到550℃。针对于该种情况，对感应器与钢轨间的距离进行了调节，增加轨脚与钢轨的距离，同时对其形状进行了简化。

通过试验可以确定，该方法可以实现对钢轨进行均匀加热，但是也存在一些问题：（1）、线圈采用双匝，在现场拆卸较为不便，而且容易损坏；（2）线圈在两匝之间容易造成低温区，不利于焊缝的热处理；（3）线圈采用铜方管制造，不易加工。

2.2.3中频电源

感应加热是利用电磁感应原理和利用涡流对工件进行加热，在钢铁、有色金属和稀有金属的生产加工中得到广泛使用，现已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的能源，其主要有如下优点：

1）具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制；

2）易于实现高功率密集，加热速度快，效率高，能耗小；

3）加热温度易于控制，并且是非接触式加热；

4）加热温度由工件内部向外部传导或渗透；

5）采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质；

6）工件材料耗损小，氧化皮生成少；

7）作业环境符合环保要求，无明火、无废气污染；

8）易于实现加热工程自动化；

9）加热效率高，感应加热效率可达80%以上；

10）加热速度高，速度可达每秒几十度至几百度；

11）能加热复杂形状的工件；

本系统的中频电源控制器使用不控整流技术，相比其他全控整流技术具有功率因素高，电网污染小等优点，具有恒电流、恒功率、恒频率和自动寻找谐振频率四种控制方式，可始终保持控制器处于最有效功率输出模式，使输入电源得以充分利用，适用于频繁起动或长时间运行的工作场合。

2.2.4冷水机

感应选用IC8000-T型顶排风冷水机，机箱两侧快卸式门板，方便日常维护和保养；左右进风口内置过滤网，有效除尘，适应现场生产环境；顶排风散热，提高散热效率；独立液晶温控及显示，具备全面的电压监控和缺水保护；60L大容量蓄水箱，一体焊接成型，防锈、耐腐蚀；水箱内置液位保护，缺水时自动报警提醒；压缩机、水泵、风机性能稳定，可24小时连续运行。

2.2.5正火后接头的热影响区检验

焊接接头是由焊接区域和毗邻的钢轨母材构成的，焊接区域又划分为焊缝区和热影响区，其综合力学性能差于钢轨母材。

（1）焊缝融合线：焊缝融合线很窄，宽度只有零点几毫米，宏观照片上焊缝融合线是一条白线，是一层氧化脱碳的贫碳层，金相组织是珠光体和少量的铁素体。

（2）热影响区（HAZ）：热影响区分为粗晶区、细晶区、不完全重结晶区。粗晶区是焊接高温形成的过热区，其晶粒粗大，该区域金属硬度高、塑性和韧性较好。不完全重结晶区又称为部分相变区，其晶粒大小不一。

焊接热影响区测量数据：3.3cm移动式电正火机热影响区测量数据：6.5cm

结论：正火后热影响区宽度>焊接热影响区

通过实验分析，该移动式电正火机热影响区宽度约为焊接热影响区的2倍，满足正火工艺要求。

2.2.6正火后接头的硬度检验

焊接接头是由焊接区域和毗邻的钢轨母材构成的，焊接区域又划分为焊缝区和热影响区，其综合力学性能差于钢轨母材。

表2.2.6-2是几个试样的硬度测试结果，从表中可以看出，母材的平均硬度为30HRC左右，而经过正火处理后接头的平均硬度在28.5～29.6HRC之间，这样计算下来：

最小值为0.94，最大值为0.98，在合格范围内；

软点的最低硬度为24.7HRC，为0.81，合格；

软化区宽度最大10mm，低于20mm，合格；

2.2.7显微组织和晶粒度测试

根据标准要求在正火后的轨道焊头上分别截取试样，进行显微组织检测，其焊缝和热影响区显微组织技术要求为：珠光体，可出现少量铁素体，不应有马氏体或贝氏体等有害组织；焊缝晶粒度技术要求为轨头和轨脚边缘部位不应低于8级，轨底三角区不应低于6级。

2.2.8施工现场的大量试验

现场移动式电感应正火设备先后在宁高城际项目、上海地铁17号线项目进行了现场正火试验，在试验中通过不断的技术完善和数据采集分析，在逐步改进后已经达到了设备的基本定型。

目前该设备在上海地铁17号线的焊接型检试验中已投入了使用，并顺利通过了连续15根2锤不断的型检落锤试验，正火后的焊接接头已经通过国家铁路产品质量监督检验中心以及铁科院金化所的相关检验检测。

2.3规格和参数

电源尺寸：（L×W×H）/mm：400×500×700

电源重量：28kg

正火变压器尺寸：（L×W×H）/mm：400×500×650

正火变压器重量：60kg

冷水机尺寸：（L×W×H）/mm：630×460×775

冷水机重量：70kg

2）适用范围：

环境温度：-10℃～50℃

环境湿度：≤85%

作业工况：钢轨焊接接头热处理

钢轨轨型：60kg/m钢轨（标配）

3．结束语

根据电感应加热原理，研制中频电源控制系统，中频电源控制器使用不控整流技术，相比其他全控整流技术具有功率因素高，电网污染小等优点，具有恒电流、恒功率、恒频率和自动寻找谐振频率四种控制方式，可始终保持控制器处于最有效功率输出模式，使输入电源得以充分利用，适用于需要频繁起动或长时间运行的场合的工作场合。研究了满足于现场移动式正火工艺要求的吊架吊具、控制电源柜、冷却柜、正火变压器以及一体式平板正火加热线圈，通过分析论证加载电流密度、电流频率和感应加热器与钢轨之间间隙对钢轨最终温度场分布的影响规律，在不断试验和改进后，确定了适宜于焊接接头正火规范要求的工艺参数，实现了从样机研制到设备初步定型的过渡。根据电正火感应加热原理，设计出适用于现场移动的电加热感应线圈，能够满足正火工艺要求，电源、冷水机、变压器体积小，结构紧凑，能够适用于现场的移动和便捷组装，相对于传统的火焰正火，该移动式电磁感应设备有操作便捷、安全可靠、节能降耗、清洁环保等优点，提高了正火质量与施工工效，社会经济效益显著，该成果具有广阔的推广和应用前景。

参考文献：

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