自主改良加热线圈形状尺寸

　　邹良甫+胡翔+蔡亮
　　摘要： 为了改善钢轨焊接接头热处理性能，以减小热处理加热过程轨头与轨底脚温度差，提高轨头、轨底三角区、轨底脚等薄弱部位内部组织晶粒度为优化目的，通过试验分析了热处理加热感应器的形状、加热温度、频率、功率等对轨头与轨底脚温度差的影响，发现合适的感应圈形状和尺寸比例是热处理工艺参数优化的基础，红海焊轨厂针对对外采购的感应圈，根据车间辊道线水平程度、正火控制柜功率等实际情况，自行改良了感应圈的形状尺寸比例，接头的显微组织、晶粒度等力学性能得到了显著改善。
　　关键词： 热处理；加热线圈；焊缝；力学性能
　　中图分类号： TG457.11
　　Abstract： In order to improve the quality of welded joint， reducing temperature difference during the different parts of the welded joint as the head of rail， rail web and the rail flange is our target of grain？refining. We analyzed all kinds of factors about temperature difference as induction coils shape and dimension， heating temperature， frequency and power in this experiment. The test results indicate that the induction coils shape and dimension is the basis of process parameter optimization. Hong-hai Welding Rail Plant， according to the level of roller line and the actual situation of power control cabinet， the shape size proportion of the induction coil is improved by ourselves. The microstructure and grain size of the weld have been improved remarkably.
　　Key words： heat treatment；induction coil；weld；mechanical properties
　　1改良热处理加热线圈的背景
　　为了检测焊缝热处理加热效果，对钢轨焊接接头取样分析钢轨显微组织和晶粒度，取样部位和尺寸如图1所示，铁标TB/T 1632—2014针对接头力学性能有关规定：轨头和轨底脚晶粒度不低于8级；三角区晶粒度不低于6级。正火后的热影响区宽度应在60～80 mm之间。
　　红海焊轨厂现先后对热处理的加热温度、电源功率、频率、冷却温度和喷风压力5个参数进行多次不同程度的排列组合，均难以完成对焊缝热处理的工艺参数调试，实现接头力学性能达标的目的。逐渐摸索出：受热处理设备性能参数的影响，功率和频率以及加热温度等搭配的选择性不够，加热线圈的形状以及比例尺寸对参数调试和加热效果有很大的影响，容易导致整个断面的接头加热不均匀。主要表现在：①三角区温度过高，但轨底脚温度过低（测温位置为轨脚边缘10 mm以内），轨底脚温度停留在800 ℃后就难以提升，对操作者作业精度要求较高；②因为轨底脚温度不够而轨脚奥氏体化不完全，导致轨底脚组织晶粒粗大，可以通过焊缝超声波探伤检测出轨底脚晶粒度粗大而引起的粗晶波；③加热时间过长而引起的热影响区宽度过宽，容易使接头在线路上出现类似马鞍形的外观尺寸缺陷。
　　从多个厂商采购的加热线圈都有着不同程度的匹配差异，难以找到合乎焊轨基地实际工况的理想线圈。因此自主改良热处理加热线圈至关重要。
　　2热处理加热线圈优化措施
　　2.1加热线圈改良的依据
　　基地钢轨焊接采用中频感应加热的方式，加热时不同部位有各自特点： 轨头截面尺寸较大，容易使温度停留在表面，难以达到轨头心部与表面同温。轨底脚边缘处与空气对流强烈，到磁化温度（770 ℃） 以后升温慢。轨腰下部的三角区升温快，散热慢，往往是整个断面温度最高的部位，但温度过高，容易导致晶粒长大。因此保持接头各个部位加热温度相差不大，即接头加热均匀性是改良加热线圈尺寸的出发点。
　　2.2加热线圈改良细节
　　对加热的重要工装器具——热处理加热线圈进行改造，原有感应圈以及尺寸如图 2中右侧所示，经过不断的进行修改和尝试，通过试验的方法来验证，最终确定得出的感应圈尺寸如图2左侧所示，两个加热线圈的不同之处在于：加热线圈轨底板的形状变化，呈圆弧状代替直线。轨头、轨腰、轨底脚部位与待加热钢轨各个部位的间距，具体尺寸见表1。优化后的线圈，线圈与钢轨轨底表面的距离增大，减缓了轨底三角区的温度上升速度；轨头部位距离增大，增加了轨头导热时间；轨底脚部位距离减小，保证了加热速度，降低了热量对流，使接头在全断面范围内更加均匀地加热。
　　3结果检验
　　3.1为正火工艺参数调试打下基础
　　为了达到了钢轨全断面加热均匀的目标，改善了加热线圈形状尺寸之后，根据钢轨个各个部位截面尺寸的不同，加热间距不同，保障了接头各个部位心部温度基本相同，建立了参数调试统一性，如实际加热过程中，以轨头温度为测量基准，兼顾了轨腰和轨底等部位的温度值，表2是简单确定了加热温度和喷风压力后，就可确定正火工艺参数，跟之前相比，以轨头加热温度为设置值，为了补偿轨底脚温度而采用大幅提高轨头加热温度的方式，但为了降低轨底三角区温度又采取降低轨头加热温度措施，改良加热线圈尺寸解决了这一矛盾。
　　3.2宏观检验
　　利用焊接接头的纵断面硬度试件，对接头进行宏观检验：接头热处理后的热影响区已覆盖原焊接影响区，见图3，以焊缝两侧软化区的内边界硬度值确定的热影响区（图3中双箭头标识）宽度为70 mm，符合60～80 mm的标准。
　　焊缝处晶粒度检验结果如图4所示，可见焊缝和热影响区显微组织为珠光体和铁素体，未见异常组织，利用焊缝的铁素体网进行晶粒度评级，轨头晶粒度为9 级，轨底中为 7.5 级，轨底角1和轨底角2均为 10级。
　　3.4日常生产中效果检验
　　改良后的加热线圈配套工艺参数，样品送专业机构检验合格以后，在生产过程中，对接头轨头和轨底部位日常监控，温控正常，轨头温度设置成910 ℃为控制温度，轨底脚温度可以提高至830 ℃左右，大幅高于770 ℃，表3是改良加热线圈后的生产监控数据，加热温度误差小，加热时间稳定，从而保障了钢轨焊缝热处理质量稳定。
　　4总结
　　（1）合理的钢轨闪光焊接头热处理参数能够科学提高焊缝质量，仅进行热处理工艺参数的调试难以实现力学性能达标的目的。
　　（2）热处理工艺参数调试应该基于合理形状尺寸的加热线圈。（3）自主改良热处理加热線圈更能符合焊轨基地实际工况的要求。