热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法及装置与流程

本发明涉及铁路钢轨制造，尤其涉及一种用于热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法及装置。

背景技术：

1、根据生产工艺上的差异，钢轨可细分为热轧型钢轨和热处理型钢轨。对于热轧型共析珠光体钢轨，钢轨在完成轧制后随环境冷却至环境温度。对于热处理型共析珠光体钢轨，钢轨在轧制完成后，还有一道以压缩空气或水雾混合气为冷却介质进行的快速冷却热处理，通过大过冷度下强烈的细晶强化作用来细化奥氏体晶粒和珠光体片层间距，进而在热轧钢轨力学性能基础上进一步提升钢轨的强度、硬度和韧性。因此，热处理型共析珠光体钢轨的抗拉强度通常较同一成分的热轧型共析珠光体钢轨的抗拉强度高出180~220mpa，相应的，相同测试条件下，热处理型共析珠光体钢轨母材平均硬度较同一成分的热轧型共析珠光体钢轨母材平均硬度高出30~50hv。

2、不同铁路线路条件对于钢轨材质和性能的要求各不相同。对于普速铁路（运行速度在200km/h以下的铁路）和高速铁路（运行速度在200~350km/h的铁路）的直线段和大曲线半径路段，热轧型钢轨较为适宜，而小曲线半径路段则通常采用耐磨性能更佳的热处理型钢轨。对于某些线路条件复杂的铁路，高强度热处理型钢轨的使用可能会使接触疲劳裂纹扩展更为深入，这反而会降低钢轨服役寿命。而尽管耐磨性能略低的热轧型钢轨的使用会增加磨耗，但同时也会大幅度降低接触疲劳裂纹的深入扩展给钢轨服役带来的危害。因此，现阶段国内普速和高速铁路普遍存在热轧型钢轨与热处理型钢轨共用的情况，这就涉及到了异种强度等级钢轨之间的焊接。

3、现阶段，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。对于热轧型钢轨，受焊接热循环作用，热影响区相当于受到热处理。再加上钢轨钢中多元合金的作用，导致焊接热影响区的硬度整体上高于用于焊接的钢轨母材，即热轧型钢轨焊接热影响区硬度整体上高于用于焊接的钢轨母材。而当热轧型钢轨焊接热影响区硬度达到钢轨母材硬度的1.2倍以上时，由于母材硬度偏低，易优先在母材区域出现伤损。对于热处理型钢轨，在焊接热循环作用下，原本属于钢轨母材的淬硬层受到破坏，造成焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸粗大以及珠光体片层间距高于母材，进而导致热影响区的硬度整体上低于用于焊接的钢轨母材，因此，热处理型钢轨焊接热影响区的硬度整体上低于用于焊接的钢轨母材。而当热处理型钢轨焊接热影响区硬度在钢轨母材硬度的0.9倍以下时，由于焊接热影响区硬度偏低，易优先在焊接热影响区处出现伤损。此外，当热处理型钢轨焊接热影响区硬度达到钢轨母材硬度的1.0倍以上（如1.1~1.2倍）时，很可能是因为焊接热影响区内形成了高硬度的马氏体。马氏体内应力较高，易在轮轨接触压力下于组织内部形成裂纹，不利于钢轨焊接接头的整体服役安全。此外，马氏体还易造成轨头踏面的整体片状剥落。

4、热轧型共析珠光体钢轨和热处理型共析珠光体钢轨的力学性能的差异给两者的结合带来了难点。如何实现焊缝两侧热影响区域之间以及两侧热影响区域与不同强度的钢轨母材之间硬度的匹配成为本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种用于热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法及装置。该方法用于改善焊缝两侧热影响区域之间以及两侧热影响区域与不同强度的钢轨母材之间硬度的匹配。

2、根据本发明的一方面，提供一种用于热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：将由热轧型共析珠光体钢轨和热处理型共析珠光体钢轨焊接形成的热态的焊接接头进行分区域受控冷却，其中热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区在进行加热温度补偿的条件下以低的冷却速度缓慢冷却，热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区在冷却介质的作用下加速冷却，将所述焊接接头进行所述分区域受控冷却直至所述焊接接头表面温度降低至第一温度阈值；

4、步骤s2：将经过所述分区域受控冷却的所述焊接接头在空气环境中进行冷却，直至所述焊接接头表面温度降低至环境温度。

5、根据本发明的一个实施例，所述热轧型共析珠光体钢轨和所述热处理型共析珠光体钢轨的组分均选自下列范围：按重量百分比计，0.75%~0.82%的c，0.50%~0.80%的si，0.70%~1.0%的mn，0.30%~0.50%的cr，0.04%~0.08%的v，余量为fe和不可避免的杂质。

6、根据本发明的一个实施例，所述缓慢冷却的冷却速率为3.0~5.0℃/s，所述加速冷却的冷却速率为6.0~10.0℃/s。

7、根据本发明的一个实施例，所述热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区和所述热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区的分界线为所述焊接接头的焊缝中心，其中所述热轧型共析珠光体钢轨母材室温下的抗拉强度为1100~1180mpa，硬度为310~350hv，所述热处理型共析珠光体钢轨母材室温下的抗拉强度为1300~1380mpa，硬度为370~400hv。

8、根据本发明的一个实施例，所述处理方法使得所述热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为所述热轧型共析珠光体钢轨母材硬度的1.0~1.1倍，所述热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为所述热处理型共析珠光体钢轨母材硬度的0.9~1.0倍。

9、根据本发明的一个实施例，所述第一温度阈值为400~500℃，所述受控冷却的开始温度为1000~1100℃。

10、根据本发明的另一方面，提供一种用于热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理装置，所述装置用于实施上述任一项所述的处理方法中的分区域受控冷却，包括：

11、第一半部分，所述第一半部分具有与钢轨外形相仿的第一外壳，所述第一外壳内壁设有多个加热元件，所述加热元件内侧设有与钢轨外形相仿的保温层，所述保温层与所述外壳相连；以及

12、第二半部分，所述第二半部分具有与钢轨的轨头形状相仿的第二外壳，所述第二外壳形成用于容纳冷却介质的腔室，所述腔室靠近轨头踏面的侧壁开设有冷却介质喷射孔。

13、根据本发明的一个实施例，所述第一半部分包括能够相对旋转地连接到一起的前侧部分和后侧部分，所述前侧部分和所述后侧部分对称设置且在顶部枢转连接在一起。

14、根据本发明的一个实施例，所述前侧部分和所述后侧部分都包括轨头包覆部、轨腰包覆部和轨底包覆部，所述轨头包覆部提供的热量比所述轨腰包覆部和所述轨底包覆部提供的热量多。

15、根据本发明的一个实施例，在使用时，所述保温层与钢轨的外表面贴合。

16、由于采用以上技术方案，本发明提供的用于热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法一方面对热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区在使用温度补偿的条件下缓慢冷却，将其晶粒尺寸及珠光体片层间距控制在与热轧型共析珠光体钢轨母材相差预定范围内，使得热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为对应钢轨母材硬度的1.0~1.1倍；另一方面，使热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区在冷却介质的作用下加速冷却，从而使得受焊接热循环作用而产生的粗化的晶粒以及珠光体片层间距再次细化，确保热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为对应钢轨母材硬度的0.9~1.0倍；与此同时，由于热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度相对于母材得到了强化，而热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区相对于母材被弱化，使得焊缝两侧的热影响区的硬度差降低，钢轨焊接接头焊缝两侧热影响区的硬度差可以控制在21hv以内，有助于降低焊缝两侧热影响区硬度差异过大导致的钢轨焊接接头损伤，保证了铁路运行安全。

技术特征：

1.一种热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热轧型共析珠光体钢轨和所述热处理型共析珠光体钢轨的组分均选自下列范围：按重量百分比计，0.75%~0.82%的c，0.50%~0.80%的si，0.70%~1.0%的mn，0.30%~0.50%的cr，0.04%~0.08%的v，余量为fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缓慢冷却的冷却速率为3.0~5.0℃/s，所述加速冷却的冷却速率为6.0~10.0℃/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区和所述热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区的分界线为所述焊接接头的焊缝中心，其中所述热轧型共析珠光体钢轨母材室温下的抗拉强度为1100~1180mpa，硬度为310~350hv，所述热处理型共析珠光体钢轨母材室温下的抗拉强度为1300~1380mpa，硬度为370~400hv。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述处理方法使得所述热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为所述热轧型共析珠光体钢轨母材硬度的1.0~1.1倍，所述热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区的硬度为所述热处理型共析珠光体钢轨母材硬度的0.9~1.0倍。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一温度阈值为400~500℃，所述受控冷却的开始温度为1000~1100℃。

7. 一种热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理装置，所述装置用于实施根据权利要求1-6中任一项所述的处理方法中的分区域受控冷却，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理装置，其特征在于，所述第一半部分包括能够相对旋转地连接到一起的前侧部分和后侧部分，所述前侧部分和所述后侧部分对称设置且在顶部枢转连接在一起。

9.根据权利要求8所述的热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理装置，其特征在于，所述前侧部分和所述后侧部分都包括轨头包覆部、轨腰包覆部和轨底包覆部，所述轨头包覆部提供的热量比所述轨腰包覆部和所述轨底包覆部提供的热量多。

10.根据权利要求7所述的热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理装置，其特征在于，在使用时，所述保温层与钢轨的外表面贴合。

技术总结
本发明属于钢轨制造领域，本发明公开了热轧型钢轨与热处理型钢轨的焊接接头的处理方法及装置。方法包括：将由热轧型共析珠光体钢轨和热处理型共析珠光体钢轨焊接形成的热态的焊接接头进行分区域受控冷却，热轧型共析珠光体钢轨一侧热影响区在进行加热温度补偿的条件下缓慢冷却，热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区在冷却介质的作用下加速冷却，直至焊接接头表面温度降低至温度阈值；将经过分区域受控冷却的焊接接头在环境中冷却直至表面温度降低至环境温度。本发明的装置用于实施上述分区域受控冷却。该方法和装置能够改善焊缝两侧热影响区域之间以及两侧热影响区域与不同强度的钢轨母材之间的硬度的匹配。

技术研发人员：白威,王若愚,陈容,陆鑫
受保护的技术使用者：攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23