槽型轨中频感应正火操作参数研究与应用

槽型轨中频感应正火操作参数研究与应用

李铨

（中铁上海工程局集团（苏州）轨道交通科技研究院有限公司，苏州市 215100）

摘要：

城市轨道交通施工在钢轨无缝焊接施工后，为去除材料内应力，需要对焊接接头经行正火处理。目前，中频电磁感应正火技术作为氧气乙炔明火正火的改进方式，在普通工字形钢轨正火环节已证明其优越性。但槽型轨作为有轨电车使用的走行轨，其外形尺寸具有特殊性，在普通工字形钢轨正火时使用的操作参数不能满足槽型轨正火需求。本篇从安装距离、升温时间、升温功率、保温时间及保温功率角度对槽型轨中频感应正火操作参数进行研究，

关键词：中频感应加热 正火 槽型轨 钢轨焊头 轨道交通

1 引言

在城市轨道工程中，钢轨无缝焊接施工后，需要对焊接接头进行正火处理，使钢轨接头晶粒细化碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，防止变形与开裂。

中频电磁感应正火技术作为原有氧气乙炔明火正火的改进工艺，解决了氧气乙炔明火正火时存在的易燃易爆、排放废气、设备倒运困难等问题。其工作基本原理为对待焊接的工字轨或槽型轨的异型断面设计仿形线圈，利用电磁感应加热原理对待正火钢轨进行加热。

由于有轨电车走行轮的特殊性，其走行钢轨形状在原有工字轨形状的基础上多增加了一处轨顶凹槽。正由于其形状的特殊性，其对应的仿形线圈需要增加针对其凹槽的凸起部分，随之而来的便是槽型轨中频电磁感应正火时参数选定问题。如何通过参数的选定，实现正火过程节约能源并保证槽型轨正火后性能能够满足国家要求成为电磁感应正火实际施工中的一大难题。

本文目的是依托苏州高新区有轨电车2号线工程中槽型轨焊接作业作为数据来源，针对正火线圈位置、升温功率、升温时间、保温功率及保温时间五点参数，通过实验与实际生产相结合的确定一套高效节能的槽型轨中频感应正火操作参数。

2 工程概况

苏州高新区有轨电车2号线工程位于苏州高新区内,、主线起点站龙安路站与苏州高新区有轨电车1号线龙安路站换乘，终点站风栀路站与铁路苏州城际站换乘。全线一次性建成，线路总长约18.646km。本工程正线、支线、联络线、车辆段部分整体道床铺设温度应力式无缝线路，整体道床地面线铺设跨区间无缝线路，高架线铺设区间无缝线路。区间钢轨接头采用闪光焊焊接，在成品道床上，利用移动式接触焊机进行钢轨焊接；

正线无缝线路钢轨焊接接头2574个，支线焊接接头222个，联络线焊接接头16个，车辆段焊接接头142个，共计2954个。

3 施工器具

3.1 仿形感应正火线圈

感应正火线圈由无氧T2紫铜管制作而成。主要由凹槽侧线圈、平头侧线圈两主体部分组成，两侧线圈均为U型铜管结构，电流沿铜管通行，水流沿铜管空腔通行。凹槽侧线圈与平头侧线圈在钢轨凹槽侧轨底角处采用两颗螺栓将铜法兰接触连接，实现整体仿形槽型轨线圈安装。平头侧线圈设计成上下两部分结构，在中部采用两颗螺栓将铜法兰接触连接，连接处采用两根软水管连接，方便拆装线圈。其具体形状如下图所示

图1仿形感应正火线圈示意图

3.2热电偶测温片

耦合电阻测温原理是将耦合电阻用手持式电焊机点焊于工件进行实时测温。但钢轨焊接及正火工艺严格限制钢轨通电受热，因而未采用点焊工艺，选用了工铜片连接耦合电阻线贴于轨面的方式对正火中钢轨进行测温。

通过与红外线测温的方式经行数据比对发现，发现耦合电阻测温与红外线测温有3℃-14℃误差，耦合电阻测温数据均低于红外测温，上限未超过15℃。误差在现场能够介绍的范围以内。

4 中频感应正火参数选定

4.1感应正火线圈安装位置

为确定正火线圈最佳安装位置。在采用输出功率为40kw，作用时间为3min的条件下。将钢轨轨头、凹槽、轨腰、轨底与线圈之间的距离分别为（15mm，20mm，12mm，17mm）、（10mm，15mm，12mm，22mm）、（5mm，10mm，12mm，27mm）四组进行实验。实验结果见下表：

表1感应正火线圈安装位置实验

结论：将正火感应线圈调节至距离轨头5毫米、凹槽10毫米、轨腰12毫米、轨底27毫米时，各部位升温后温度差值最小正火感应效果最佳。

4.2正火升温时间

为确定不同功率下钢轨升温最快部位（轨腰）升温至900℃时所需的时间。输出功率设定为15kw，20kw，25kw，30kw，35kw，40kw进行实验，记录钢轨升温至900℃时所需的时间。实验结果如下表所示。

表2 感应正火升温时间实验

结论：采用电磁感应正火标准时间为单个接头耗时10分钟。按照实际现场生产经验，正火升温过程时间不宜超过350秒，以防止后续自然冷却时间不足。因而采用的输出功率不应低于25kw，随着输出功率的增加，正火升温时间应逐渐减少。

4.3 正火保温时间

为确定将钢轨保温所需的功率。将输出功率设定为40kw，将钢轨加热至温度最高部位为900℃后，分别设置输出功率为12kw，13kw，14kw，15kw，16kw，作用5min，每隔1min记录钢轨温度最高及最低部位的温度。实验结果如下表所示。

表3 感应正火保温时间实验

结论：以保保温过程中钢轨温度量，保温功率选定为14kw。

5 综合作业模式选定

确定工艺程序运行模式。对每个钢轨接头试件进行编号，工艺程序运行总时间保持在10min以内。

为实现电磁感应正火的高效化与节能化，结合上述实验以及现场实际生产经验，将保温功率确定为14kw，就升温功率、升温时间、保温运行时间三点进行综合实验。共进行10次实验，不同实验参数如下表所示。

表4 综合作业模式参数选定表

在槽型轨正火完成后，对各组试件采用落锤砸断，以观察断面晶粒以及热影响区进行观察，观察结果如下表所示。

表5 综合作业模式落锤实验结果表

结论：从钢轨热传导区域、断面金属颗粒、升温效率等角度考虑，实验组③的正火效果远好于其他实验组。可以将实验组③的参数作为最优参数进行推广应用。

6 应用效果

此套槽型轨中频感应正火操作参数经由苏州高新区有轨电车2号线工程应用验证，正火加热总时间不超过550s，且处理后的焊接接头其拉伸、冲击、硬度等性能经中国铁道科学研究院金属及化学研究所的检验，均符合要求。与以往中频感应正火时仅依靠施工人员经验判断相比，该套参数有效的节约了正火作业所需的物料与人工成本，加快了施工进度。

7 结论

针对有轨电车60R2槽型轨正火作业时，正火感应线圈的最佳安装位置距离轨头5毫米、凹槽10毫米、轨腰12毫米、轨底27毫米。设备升温功率选用30kw、运行340秒，保温功率选用14kw、运行210秒的作业模式。正火作业时钢轨焊缝表里温差与热传导区域较小，对母材质量影响较小，可在实际生产应用中推广。

参考文献

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