一种中碳钢钢轨的野外焊接方法
阅读说明：本技术 一种中碳钢钢轨的野外焊接方法 (Method for welding medium carbon steel rail in field ) 是由 白威 李大东 陆鑫 徐飞翔 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中碳钢钢轨的野外焊接方法。该方法包括以下步骤：对由中碳钢钢轨母材制作的多个钢轨进行焊接,控制钢轨焊接顶锻量保持在13.1-13.9mm,焊接采用12.1-13.8MJ的热输入量；使焊接后的钢轨焊接接头以预定的方式冷却；将冷却后的焊接接头进行热处理,热处理包括对钢轨接头进行全断面加热,将钢轨接头表面温度加热至900～940℃后停止加热,将钢轨接头在野外施工环境中冷却,当接头表面温度降至400～450℃时,重新将钢轨接头加热至460～500℃,通过热补偿和保温的方式使钢轨接头以0.5～1.0℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度。(The invention discloses a field welding method of a medium carbon steel rail. The method comprises the following steps: welding a plurality of steel rails made of medium carbon steel rail base materials, controlling the welding upset forging amount of the steel rails to be kept at 13.1-13.9mm, and adopting heat input amount of 12.1-13.8MJ for welding; cooling the welded rail joint in a predetermined manner; and carrying out heat treatment on the cooled welded joint, wherein the heat treatment comprises heating the whole section of the steel rail joint, heating the surface temperature of the steel rail joint to 900-940 ℃, stopping heating, cooling the steel rail joint in a field construction environment, heating the steel rail joint to 460-500 ℃ again when the surface temperature of the joint is reduced to 400-450 ℃, and slowly cooling the steel rail joint to the ambient temperature at a cooling speed of 0.5-1.0 ℃/s in a thermal compensation and heat preservation mode.)
技术领域
本发明涉及铁路钢轨制造
技术领域
，尤其涉及一种中碳钢钢轨的野外焊接方法。背景技术
现阶段，铁路用钢轨主要为碳含量在0.7-1.1％的高碳钢轨，通常要求钢轨强度≥880MPa并具有良好的耐磨性能，适用对象主要为平原地区。对于如川藏铁路这样线路服役条件极为苛刻的路段，其长上坡和长下坡的地形条件、全年温差和昼夜温度大等特殊的自然条件，对钢轨抗冲击和耐疲劳性能提出了更高要求。此外，列车在长期的牵引力和制动力作用下，会使钢轨表层局部升温，这也要求钢轨具有足够的抗疲劳性能。常温下，U71Mn热轧钢轨轨头U型冲击值为25-30J，而在低温-40℃环境下轨头U型冲击值仅为5-8J，冲击韧性大幅下降。
目前，随着铁路运输量的增加，低温环境下服役的钢轨对耐磨性、低温韧性等都提出了新的要求。现有焊接作业方法在这样的低温环境下焊接时，由于野外环境温度低，焊接工艺受限，焊接接头容易产生低温脆性断裂，导致焊接接头质量不合格。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种中碳钢钢轨的野外焊接方法。该方法通过对焊接工艺控制和焊后热处理控制，显著改善了焊接接头和焊接热影响区域的低温韧性。
根据本发明的一方面，提供一种中碳钢钢轨的野外焊接方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)：对由中碳钢钢轨母材制作的多个钢轨进行焊接，控制钢轨焊接顶锻量保持在13.1-13.9mm，焊接采用12.1-13.8MJ的热输入量；
步骤2)：使步骤1)中焊接后的钢轨焊接接头以预定的方式冷却；
步骤3)：对步骤2)中冷却后的焊接接头进行热处理，热处理包括对钢轨接头进行全断面加热，将钢轨接头表面温度加热至900～940℃后停止加热，将钢轨接头在野外施工环境中冷却，当接头表面温度降至400～450℃时，重新将钢轨接头加热至460～500℃，通过热补偿和保温的方式使钢轨接头以0.5～1.0℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度。
根据本发明的一个实施例，中碳钢钢轨母材中C含量为0.50-0.62％。
根据本发明的一个实施例，其中钢轨母材在室温的抗拉强度为1050-1130MPa、延伸率为17-25％、U型冲击功为30-42J，在-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功为18-24J。
根据本发明的一个实施例，焊接采用移动闪光焊接。
根据本发明的一个实施例，步骤2)中的冷却方式包括当钢轨接头焊接推瘤完成后立即采用对开式装置对钢轨接头轨头、轨腰及轨底进行包覆，但不给对开式装置供电，以使钢轨接头进行缓慢冷却。
根据本发明的一个实施例，步骤3)的全断面加热操作是在钢轨接头焊后轨头表面温度降至200～260℃时开始的，并且通过向对开式装置供电来对钢轨接头进行全断面加热。
根据本发明的一个实施例，步骤3)中的冷却是在钢轨接头被对开式装置包裹的情况下进行的，其中冷却速度为3.0～10.0℃/s。
根据本发明的一个实施例，步骤3)中的重新加热、热补偿和保温均是利用对开式装置进行的。
根据本发明，还提供了一种通过以上方法进行焊接的中碳钢钢轨。
本发明所公开的中碳钢钢轨的野外焊接方法通过对化学成分、轧制工艺、焊接工艺、焊后热处理的综合控制，可有效降低焊接灰斑的产生几率，并且显著提升焊接接头的低温韧性。采用本发明的焊接方法所得的钢轨焊接头在室温下(20-30℃)的全断面抗拉强度Rm≥900MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％以上，接头可连续2次通过落锤试验而不断裂，并且在-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值≥20J，与现有的焊接工艺相比，低温韧性获得大幅度改善。
附图说明
图1为钢轨焊接接头的各区域的示意图。
图2为各实施例中金相试样截取位置示意图。
图3为对开式钢轨加热装置轨头部位电热器分布情况示意图。
图4为对开式钢轨加热装置整体示意图。
图5为实施例1的焊接热影响区的金相组织图。
图6为实施例2的焊接热影响区的金相组织图。
图7为实施例3的焊接热影响区的金相组织图。
图8为实施例4的焊接热影响区的金相组织图。
图9为实施例5的焊接热影响区的金相组织图。
图10为对比例1的焊接热影响区的金相组织图。
图11为对比例2的焊接热影响区的金相组织图。
图12为对比例3的焊接热影响区的金相组织图。
图13为对比例4的焊接热影响区的拉伸断口图。
图14为对比例5的焊接热影响区的拉伸断口图。
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，下面结合具体实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
钢轨焊接过程中产生的脆性马氏体组织直接关系到钢轨服役性能，甚至危害行车安全。因此，国内外铁路钢轨焊接标准中均对可能出现的马氏体组织进行了严格规定。我国现行铁道行业钢轨焊接标准TB/T1632.2-2014规定钢轨接头焊缝和热影响区组织应以珠光体为主，可出现少量铁素体。不应出现马氏体或贝氏体等有害组织。澳洲钢轨焊接标准AS1085.20-2012中规定：对于某些高强度等级、高含碳量及高合金含量的钢轨，在金相显微镜100x的观察倍率下，对于钢轨焊接接头中马氏体出现的最严重区域，马氏体组织的百分含量不得高于5％，否则接头将会由于大量淬硬的马氏体组织而导致过早疲劳断裂，严重影响铁路运行安全。而焊接灰斑则是引起钢轨接头落锤及拉伸断裂的主要原因。
本发明中涉及的中碳钢钢轨的马氏体转变临界冷却速度为1.2～2.8℃/s，该钢轨钢Ms温度(马氏体形成的开始温度)为260～320℃。常温10～30℃情况下开展钢轨焊接施工时，由于施工环境冷速相对较慢，通常不会在钢轨焊接热影响区形成马氏体组织。而在野外低温(如+5～-20℃)环境下开展钢轨焊接施工时，因环境冷速较快(通常大于3℃/s，高于钢轨材料马氏体转变临界冷速)，故在野外开展钢轨焊接及焊后热处理冷却阶段易因环境冷速较快而在焊接热影响区形成马氏体组织。因此，在野外低温(如+5～-20℃)环境下开展钢轨焊接及焊后热处理施工时，为避免接头中出现马氏体，需采取钢轨焊接及焊后热处理缓慢冷却的措施，可用的措施包括采用较大的焊接热输入开展焊接试验，降低钢轨焊接热影响区冷速。而在完成钢轨焊后热处理后，可采用材质较软且具有一定厚度的石棉对钢轨焊接区域进行包覆，以避免钢轨接头在焊后热处理过程中形成马氏体组织。此外，在低温环境及石棉包覆层的共同作用下，包覆层内接头冷却速度适中，可实现细化焊接热影响区珠光体片层间距，使接头获得足够强度、韧性和硬度的目的。同时，又避免了马氏体组织的出现，有助于保证铁路运行安全。
需要指出的是，焊后冷却控制为当钢轨接头焊接推瘤完成后立即采用对开式装置对钢轨接头轨头、轨腰及轨底进行包覆，起到使钢轨接头缓慢冷却的作用，避免接头在焊后冷却过程中形成马氏体。
马氏体组织的形成条件为钢在奥氏体化温度以上，以高于马氏体转变临界冷速的条件冷却至Ms(马氏体转变开始)温度以下的产物。在不考虑成分偏析的情况下，当钢轨钢在焊接及焊后热处理冷却过程中的冷速若低于马氏体转变临界冷速则不会导致马氏体组织的形成。
而且，本发明利用钢轨移动闪光焊机，采用12.1-13.8MJ的较大热输入量开展焊接试验。若热输入量过大，则焊接高温停留时间过长，易引起接头硬度严重低塌及软化区宽度过宽。若热输入量过小，则接头易因焊后冷却速度过快而在热影响区形成有害的马氏体组织。
其中，焊接工艺控制焊接顶锻量保持在13.1-13.9mm。本发明在钢轨轧制结束后进入焊接工艺控制阶段，对顶锻量进行了特别控制。若焊接顶锻量控制过小，则焊缝存在未被排除的灰斑、焊接夹渣，降低接头力学性能；若焊接顶锻量控制过大，则易形成冷接头，同样降低接头力学性能。
图1示出了钢轨焊接接头的各区域的示意图。在实施例和对比例中，钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵断面硬度检测点位置如图1所示。图1中a和c处为钢轨母材，b处为焊接接头，d处为钢轨轨头踏面。图1中e处为焊缝中心。图2示出了钢轨焊接接头轨头踏面金相试样的取样位置，e处为焊缝中心。
图3为对开式钢轨加热装置轨头部位电热器分布情况示意图。需要说明的是，图中：A为轨头踏面加热区域；B为轨头侧面加热区域；C为轨头下颚加热区域；D为履带式陶瓷电热器。需要说明的是，该加热装置轨头、轨腰及轨底加热区域的布局类似。因轨头厚度较厚，传热较慢，故包覆轨头的陶瓷加热器数量较轨腰和轨底区域的陶瓷加热器数量多，以确保钢轨全断面充分受热。
图4为对开式钢轨加热装置整体示意图。该装置具有小巧、灵活、成本低等优势，便于野外现场施工。可采用柴油发电机380V电压或220V交流市电供电，额定功率为10kW。该装置以商业LCD履带式陶瓷加热器做热源，加热器为尺寸为10mm(长)×10mm(宽)×7mm(厚)的陶瓷片。配以保温材料及钢结构外壳，做成圈型对开式加热器，便于装拆，适用于钢轨焊接接头的局部加热。该加热装置的实际尺寸及加热器的规格与分布情况均可根据钢轨廓形的实际尺寸进行调整。装置设计过程中，将多组履带式加热器均匀固定在具有类似钢轨廓形的装置内侧，使加热器包覆在钢轨表面并与钢轨表面充分贴合以实现加热过程中良好的热传导，基于该装置可实现对钢轨接头的热处理过程。试验过程中，采用温度控制器对加热温度进行控制。该装置工作温度范围为200～990℃。该对开式装置最大可绕转动轴旋转180°。在图4中：A1/A2为左侧接线柱；B1/B2为右侧接线柱；C为履带式陶瓷加热器；D为转到轴；E为固定卡环；F为装置外壳，由金属薄板焊接而成；G为石棉绝缘保温层。需要指出的是，接线柱A1和接线柱A2形成回路。接线柱B1和接线柱B2形成回路。若干根平行排列的电热器通过并联的方式连接在一起。
焊后热处理控制为当钢轨接头焊接推瘤完成后立即采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头轨头、轨腰及轨底进行包覆，起到使接头缓慢冷却的作用。需要说明的是，钢轨焊接完成后在使用该对开式装置对钢轨接头进行缓慢冷却过程中，不采用该装置对接头进行加热，该装置此阶段可起到监控试样表面温度的作用。由于该对开式装置内部一定厚度石棉包覆层的存在，使得该装置在不进行加热的情况下也能起到使钢轨接头缓慢冷却的作用，以避免因施工环境冷却速度过快而使钢轨接头焊后冷却过程中形成马氏体组织。
当钢轨接头焊后轨头表面温度降至200～260℃时，采用该对开式装置对钢轨接头进行全断面加热，钢轨接头表面温度加热至900～940℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(+5～-20℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为3.0～10.0℃/s。当接头表面温度降至400～450℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至460～500℃，以使钢轨钢重新奥氏体化，以便于后续过程中降低马氏体出现的可能性。而且，重新加热也使得基体组织重新相变再结晶而细化晶粒，增强材料的韧性。通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.5～1.0℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(+5～-20℃)，从而完成中碳钢轨的焊接及焊后热处理过程。其中，460～500℃时钢轨接头已完成珠光体转变，后续采用低于马氏体转变临界冷速的冷却速度继续对钢轨钢冷却时不会产生马氏体组织。
本发明中，钢轨焊接“接头”为经焊接后得到的包含焊缝在内的长度为70～110mm范围的区域。全断面是指包含焊缝在内的长度约为70～110mm范围内的钢轨焊接接头整个截面，包括轨头、轨腰、轨底。
发明人在研究中发现，钢轨焊接过程中要严格控制焊接热输入量，避免热输入过低而导致接头焊后冷却较快，形成马氏体或贝氏体组织。同时，钢轨焊接接头性能控制还需要搭配适当的顶锻量，以充分排除焊缝内可能形成的焊接灰斑、焊接夹渣等缺陷，以降低焊接缺陷对钢轨接头力学性能的影响。另外，焊接后对于焊接接头的热处理工艺对接头的低温韧性会产生显著影响。
实施例1
控制钢轨母材C含量为0.5％。利用钢轨移动闪光焊机，采用12.1MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.1mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至200℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至900℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-10℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为8.0℃/s。当接头表面温度降至400℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至460℃，之后通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.5℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-10℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本发明的焊接方法获得的中碳钢轨钢焊接接头，如图5所示，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头室温下(20℃)全断面抗拉强度平均值为905MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％，接头连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为21J，满足低温环境中钢轨焊接接头所需的各项指标。
实施例2
控制钢轨母材C含量为0.55％。利用钢轨移动闪光焊机，采用12.5MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.5mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至220℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至920℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-10℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为5.0℃/s。当接头表面温度降至420℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至490℃，之后通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.8℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-10℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本发明的焊接方法获得的中碳钢轨钢焊接接头，如图6所示，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头室温下(20℃)全断面抗拉强度平均值为915MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％，接头连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为22J，满足低温环境中钢轨焊接接头所需的各项指标。
实施例3
控制钢轨母材C含量为0.61％。利用钢轨移动闪光焊机，采用12.8MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.2mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至240℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至910℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-10℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为3.0℃/s。当接头表面温度降至430℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至470℃，之后通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.9℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-10℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本发明的焊接方法获得的中碳钢轨钢焊接接头，如图7所示，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头室温下(25℃)全断面抗拉强度平均值为920MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的91％，接头连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为23J，满足低温环境中钢轨焊接接头所需的各项指标。
实施例4
控制钢轨母材C含量为0.60％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.2MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.4mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至250℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至930℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为4.5℃/s。当接头表面温度降至440℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至485℃，通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.8℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-18℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本发明的焊接方法获得的中碳钢轨钢焊接接头，如图8所示，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头室温下(25℃)全断面抗拉强度平均值为905MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的92％，接头连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为21J，满足低温环境中钢轨焊接接头所需的各项指标。
实施例5
控制钢轨母材C含量为0.62％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.8MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.9mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至260℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至940℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为10℃/s。当接头表面温度降至450℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至500℃，通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以1.0℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-18℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本发明的焊接方法获得的中碳钢轨钢焊接接头，如图9所示，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头室温下(25℃)全断面抗拉强度平均值为920MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的94％，接头连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为23J，满足低温环境中钢轨焊接接头所需的各项指标。
对比例1
控制钢轨母材C含量为1.10％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.2MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.4mm，钢轨焊接推瘤完成后，采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至250℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热，钢轨接头表面温度加热至930℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-10℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为4.5℃/s。当接头表面温度降至440℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至485℃，通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.8℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-10℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，如图10所示，在100X观察倍率下，由于钢轨母材较高的碳含量使得钢轨钢马氏体转变临界冷速下降，导致在较低焊接热输入条件下在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨焊接热影响区中出现马氏体组织，影响钢轨接头的低温韧性。焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，未出现马氏体区域的热影响区组织为珠光体。因热影响区马氏体组织的存在，所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面抗拉强度平均值为750MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的93％，接头落锤试验过程中第1次落锤断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为11J，该钢轨接头的低温韧性较差。
对比例2
控制钢轨母材C含量为0.60％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.2MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.4mm，当接头推瘤完成后在-10℃的施工环境中自然冷却至环境温度(-10℃)。
将本对比例得到的经焊后的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，如图11所示，在100X观察倍率下，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体。因施工环境温度较低、钢轨接头焊后无缓冷装置保护，焊接接头无焊后热处理，导致接头冷却速度较快，在距离焊缝中心±20mm内的热影响区中出现大量块状马氏体组织。由于马氏体组织的形成，所得焊态下钢轨闪光焊接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的95％，钢轨闪光焊接头全断面抗拉强度平均值为580MPa，接头落锤试验过程中第1次落锤断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为4J，低温韧性明显不足。
对比例3
控制钢轨母材C含量为0.60％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.5MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.2mm。钢轨焊接推瘤完成后采用对开式装置对焊后残余温度在600℃以上的钢轨接头全断面进行包覆。当轨头表面温度降至230℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热，钢轨接头表面温度加热至930℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为4.5℃/s。随后，钢轨接头表面温度降至480℃时，不采取对开式装置加热升温和任何操作，使由对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却至环境温度(-18℃)。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺；参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，如图12所示，在100X观察倍率下，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体。因施工环境温度较低、钢轨接头焊后虽有对开装置内的石棉缓冷，但由于钢轨接头后续冷却过程中冷却速度较快且未受到人工干预，导致在距离焊缝中心±20mm内的热影响区中出现大量块状马氏体组织。由于马氏体组织的形成，所得焊态下钢轨闪光焊接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的97％，钢轨闪光焊接头全断面抗拉强度平均值为450MPa，接头落锤试验过程中第1次落锤断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为3J，低温韧性较差。
对比例4
控制钢轨母材C含量为0.60％。利用钢轨移动闪光焊机，采用13.2MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在7.4mm。钢轨焊接推瘤完成后轨头表面温度降至250℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热。钢轨接头表面温度加热至930℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为4.5℃/s。当接头表面温度降至440℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至485℃，通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.8℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-18℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本对比得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，焊缝及热影响区组织正常。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。焊接过程中，由于钢轨焊接顶锻量过小导致焊缝处焊接灰斑缺陷未能被排除(参考图13)，使接头拉伸性能下降，钢轨闪光焊接头全断面抗拉强度平均值仅为800MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的91％，由于焊缝处焊接灰斑的存在导致接头落锤试验过程中第1次落锤断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为6J，低温韧性明显不足。
对比例5
控制钢轨母材C含量为0.60％。利用钢轨移动闪光焊机，采用15.2MJ的热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在13.5mm。钢轨焊接推瘤完成后轨头表面温度降至250℃时，采用如图4所示的对开式装置对钢轨接头进行全断面加热，钢轨接头表面温度加热至930℃后停止加热。随后，让对开式装置包裹的钢轨接头在野外施工环境(-18℃)中自然冷却，钢轨接头在此冷却阶段的冷却速度为4.5℃/s。当接头表面温度降至440℃时，采用该对开式装置重新将钢轨接头加热至485℃，通过热补偿和对开式装置内石棉保温的方式使钢轨接头以0.8℃/s的冷却速度缓慢冷却至环境温度(-18℃)，从而完成中碳钢钢轨的焊接及焊后热处理过程。
将本对比得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头落锤试验。钢轨焊接接头落锤试验过程中，锤头撞击钢轨接头焊缝区域。所用锤头质量为1000kg，自由落体高度为3.1m。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，焊缝及热影响区组织正常。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。焊接过程中，由于钢轨焊接热输入过大，钢轨接头软化区宽度较宽，接头热影响区软化严重，硬度大幅下降。钢轨闪光焊接头全断面抗拉强度平均值为850MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的86％。如图14所示，由于焊缝处焊接灰斑的存在导致接头落锤试验过程中第2次落锤断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为13J，不符合铁路运行安全要求。
通过对比实施例1-5和对比例1-5可知：采用本发明提供的焊接工艺方法，可有效降低焊接灰斑的产生几率并且避免钢轨接头热影响区中出现马氏体组织。采用本发明的焊接方法获得的焊接头室温下(20-30℃)全断面抗拉强度Rm≥900MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％以上，接头可连续2次通过落锤试验而不断裂，且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值≥20J，有助于保证铁路运行安全。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。