浅述高速铁路无缝钢轨焊接后的热处理
郝兴生
【摘要】高速铁路无缝钢轨焊接后再对焊接接头重新进行热处理，以改善接头使用性能，其工艺原理及优点。
【关键词】无缝钢轨焊接；热处理
为了适应我国铁路运输发展的需要，无缝线路长钢轨在向重型化发展的同时，还必须提高其强度、韧性，经国内外多年实践证明，钢轨进行全长淬火能提高钢轨抗磨耗、抗压溃、抗剥离、抗疲劳、耐冲击性能，可延长其使用寿命，是提高线路质量的最有效、最经济的方法。全长淬火钢轨铺设在小半径曲线上其使用寿命比未淬火普通钢轨提高l倍以上。 全长淬火钢轨经焊接后，焊缝附近由于受焊接高温的影响，造成晶粒粗化，塑性、韧性大幅度下降。同时焊缝热影响区内，原淬硬层将消失，而产生宽度为100mm左右的低硬度区。这将使钢轨焊缝的脆性增大，使用中易产生接头低陷并诱导波浪磨耗的产生，缩短使用寿命。为解决上述问题，一是将普通钢轨焊接成250m或500m长后再进行全长淬火，这样可使焊接接头性能均匀化。这种方法虽好，但大部分焊轨厂受条件限制无法采用；另一种办法是将25m长全长淬火钢轨焊接后再对焊接接头重新进行热处理，以改善接头使用性能。
1. 路轨道焊接成无缝钢轨的原因之一是
（1）使铁轨间不留空隙，火车开的时候没有摩擦力。
（2）降低铺设轨道的难度。
（3）减少轮子与铁轨撞击次数，减少共振带来的车厢损伤。
（4）延长轮子与铁轨撞击的间隔时间，可以提高列车运行的安全速度
2. 焊接缺陷钢轨焊接缺陷
2.1接触焊不良引起钢轨断裂。
接触焊不良常常造成钢轨焊缝端面不能完全焊合，而形成局部熔融状表面和未熔融区，在行车中钢轨从焊缝中发生脆断。
2.2铝热焊不良引起钢轨折断。
铝热焊是一种铝热冶炼工艺，其生成物为铸态组织，常存在各种铸造缺陷，这些缺陷经列车反复作用常由局部微小裂纹发展成钢轨宏观断裂。引起钢轨宏观断裂的铸造缺陷为结晶裂缝、央渣、晶粒粗大。
2.3气压焊不起引起钢轨断裂。
气压焊不良常常造成钢轨光斑和断裂。光斑是指未能焊合的这种缺陷，其断口呈银灰色。由于气压焊不良造成钢轨残余应力较大，尤其是在腰部焊缝处存在残余拉应力，在行车过程中这种拉应力与列车通过产生的工作应力叠加，超过其强度时则发生钢轨沿腰部呈“s”形断裂。
3. 铁路对钢轨的质量要求
高速客运铁路对钢轨的要求主要是：
3.1关于钢轨断面，多数国家选择50Kg/m或60Kg/m平底轨，其长度为25m、36m、50m或焊接钢长轨。
3.2关于钢种，一般采用碳素钢，其强度要求在900MPa以上。为防止早期疲劳和剥离的产生，要求钢轨钢采用硅脱氧镇静钢，钢中最大铝含量不大于0.005%。为获得洁净钢，要对钢轨钢包精烁和真空脱气。按ASTME45/84条款规定对氧化物最坏的视场是B1，对硅酸盐型夹杂的视场是C1。在德国DIN50602条款中，要求钢必须满足如下要求：
-K3≤10对95%的钢轨；-K3≤20对其余5%的钢轨。
3.3对平直度的要求是：
（1）轨端平直度：垂直上翘不大于0.2mm/m，垂直下弯不大于0.1mm/m，水平弯曲不大于0.25mm/m。
（2）全长平直度：垂直方向不大于0.1mm/m，水平方向不大于0.3mm/m，垂直方向上翘最大5mm，水平方向旁弯的弯曲半径不小于1000m。
3.4对于焊接轨，焊缝处轨高尺寸公差要控制在0.1～0.2mm。
3.5为保证在高速下行车平稳，轮、轨接触带宽不应超过12～14mm，而且在这个接触带上不应存在任何表面缺陷，为此必要时要对轨头进行打磨抛光。
3.6对于轴重大于20t的线路，则应采用耐磨级钢轨。
4. 钢轨热处理工艺
钢轨热处理工艺按其原理可分为下列三大类：
4.1QT工艺。它是把钢轨加热到奥氏体化温度，然后喷吹冷却介质，让钢轨表面层急速冷却到马氏体相变温度以下，然后进行回火。其组织为回火马氏体（也叫索氏体），这是一种传统的金属热处理工艺，它可以提高钢轨硬度和强度，改善钢轨抗疲劳和耐磨耗性能。但这种工艺存在如下缺陷：淬火后钢轨弯曲度大，需要对其进行补充矫直，在淬火的轨头断面上有时出现因贝氏体而引起的硬度塌落。这种淬火十回火工艺及加热方法叉可分为以下两种：
（1）感应加热轨头淬火工艺，如美国钢铁公司的格里厂、新日铁的八幡、乌克兰的亚速厂等均是采用上述工艺。通过电感应加热，使钢轨加热到A3以上50℃，然后空冷到750℃，喷吹压缩空气，使钢轨冷却到500℃左右，进行自热回火。这种工艺生产稳定，对环境无污染，生产方式灵活，缺点是设备一次性投资大、能耗高。
（2）整体加热整体淬火工艺。如前苏联下塔吉尔、库兹涅茨克厂、美国伯利恒的斯蒂尔顿厂都采用这种工艺。采用煤气对钢轨整体加热，然后在油中或温水中进行整体淬火，淬火后的钢轨要在450～500℃进行回火。这种工艺特点是产量高，淬火硬度均匀，可提高全断面钢轨的强韧性。
4.2SQ工艺。它是把钢轨加热到奥氏体化温度后，用淬火介质缓慢冷却进行淬火，直接淬成索氏体（不进行回火），即细微珠光体，其力学性能、抗疲劳性能、耐磨耗性能均比由QT工艺得到的回火马氏体要好。这种欠速淬火工艺按加热方法也可分为三种：
（1）感应加热欠速淬火工艺，如中国攀钢就是先用工频电流对钢轨全断面进行预热，再用中频电流对轨头加热到奥氏体化温度，然后喷吹压缩空气淬火，淬火速度1.2m/Min该工艺直接得到淬火索氏体，即细片状珠光体。
（2）焊气加热欠速淬火工艺。采用煤气先将钢轨预热到450℃，然后快速加热到奥氏体化温度，喷吹压缩空气将钢轨直接淬成索氏体，即细微珠光体。日本钢管的福山厂就是采用这种工艺。
（3）利用轧制余热进行热处理的欠速淬火工艺。如日本的新日铁的八幡厂、卢森堡的阿尔贝特一罗丹厂。它是充分利用钢轨在轧制后800～900℃的高温，直接对钢轨在专门的冷床上进行喷雾或压缩空气淬火。这是目前世界上最先进的热处理工艺，其最大优点是降低成本，节能但增加了生产技术管理难度，也存在淬火质量均匀性问题。
4.3形变热处理。
（1）这种工艺目前仍处于实验阶段，但从前苏联库钢厂、日本新日铁八幡钢厂的实验结果看，其效果显著，前景可观。其主要工艺是：把钢坯加热到960～1100℃，降温到850～960℃左右进行轧制，其终轧和预终轧均是在万能轧机的孔型中进行，这种万能孔型给轨头很大变形量，约14%～16%。在轧后用水雾进行快速冷却到550～600℃，然后在空气中最终冷却。其轨头的金相组织是比普通热处理还要细微的珠光体，其力学性能为：屈服强度900～980MPa，抗张强度1280～1330MPa，伸长率10%～11%，断面收缩率33%～46%。
（2）但这种形变热处理要求有高刚度的轧机、高水平的微机和先进的检测设备，目前其尚未被大量采用，但其技术经济指标是相当先进的，代表着钢轨热处理技术的发展方向。
5. 焊接及焊后热处理
5.1热处理钢轨与热轧钢轨的焊接在可焊性方面没有太多的区别，其焊接工艺参数往往根据对实际钢轨的试验来确定。碳素热处理钢轨经焊接后，因焊缝区域原轨头硬化层消失，而出现一较宽的低硬度区。因此，在使用中易产生接头低陷并诱导发生波磨，增加无缝线路接头的不平顺，会影响其使用寿命。为解决此问题，一般要采用焊后热处理，即焊接后对焊接接头轨头部位喷压缩空气或水雾等，恢复其硬度[8]。国外也有在热处理钢轨中加入适当的合金元素，使焊接后的钢轨具有硬度自恢复性能，如欧洲钢轨标准中的350LHT热处理钢轨，日本研制的NSⅡ钢轨等。
5.2碳素热处理钢轨未进行焊后再硬化处理，其焊接接头处产生的低陷究竟多大，可参考文献[9]中提供的数据，即：在半径为450～500m的曲线上股铺设使用近8年后（通过总重约420Mt），未1TIITI，此时1T11TI左右。
参考文献
[1]钱钟侯编.高速铁路概论.中国铁道出版社.1994.
[2]李惠春译.欧洲长钢轨生产线现状.沈铁科技.1995（增刊）.
[3]丁伟等.日本高速铁路钢轨的焊接.中国铁道科学.1998.1.
[4]王仪康.铁路用钢.中科院金属所（内部资料）.
[5]颜东.攀钢钢轨性能及实物尺寸评价.钢铁钒钛.1990.2.
[6]铁道部工务局.我国钢轨的现状.全国低台金钢工作会议（资料汇编）.1997.10.
[7]攀钢公司.攀钢低合金及微醒钢的生产与开发.全国低台金钢工作会议（资料汇编）1997.10.
[8]包钢公司.包钢八五产品开发和九五发展规划.全国低合金钢工作会议（资料汇编）1997.10.
[9]严学模等.钢水吹氩工艺研究.钢铁钒镀.1996.3.
[10]王建等.攀钢钢水质量的现状.钢铁钒钛.1994.9.
[11]朱美华.钢轨联合矫直研究.钢铁钒钛.1993.3.
[12]周清跃等.进口钢轨的性能分析.中国铁道科学.1997.3.
[13]单麟关.重轨钢的炉外耩练与连铸.铁铁钒钛，1996.6.
[14]李炜.重轨的高精度轧制技术现状.铁铁钒钛.1995+9.
[15]周清跃.法国钢轨生产及其性能特点.铁道工务.1997.2.
[16]郭介平.广深线气压焊接头外观质量探讨.铁道工务.1997.1.
[文章编号]1619-2737（2014）03-13-666
【摘要】高速铁路无缝钢轨焊接后再对焊接接头重新进行热处理，以改善接头使用性能，其工艺原理及优点。
【关键词】无缝钢轨焊接；热处理
为了适应我国铁路运输发展的需要，无缝线路长钢轨在向重型化发展的同时，还必须提高其强度、韧性，经国内外多年实践证明，钢轨进行全长淬火能提高钢轨抗磨耗、抗压溃、抗剥离、抗疲劳、耐冲击性能，可延长其使用寿命，是提高线路质量的最有效、最经济的方法。全长淬火钢轨铺设在小半径曲线上其使用寿命比未淬火普通钢轨提高l倍以上。 全长淬火钢轨经焊接后，焊缝附近由于受焊接高温的影响，造成晶粒粗化，塑性、韧性大幅度下降。同时焊缝热影响区内，原淬硬层将消失，而产生宽度为100mm左右的低硬度区。这将使钢轨焊缝的脆性增大，使用中易产生接头低陷并诱导波浪磨耗的产生，缩短使用寿命。为解决上述问题，一是将普通钢轨焊接成250m或500m长后再进行全长淬火，这样可使焊接接头性能均匀化。这种方法虽好，但大部分焊轨厂受条件限制无法采用；另一种办法是将25m长全长淬火钢轨焊接后再对焊接接头重新进行热处理，以改善接头使用性能。
1. 路轨道焊接成无缝钢轨的原因之一是
（1）使铁轨间不留空隙，火车开的时候没有摩擦力。
（2）降低铺设轨道的难度。
（3）减少轮子与铁轨撞击次数，减少共振带来的车厢损伤。
（4）延长轮子与铁轨撞击的间隔时间，可以提高列车运行的安全速度
2. 焊接缺陷钢轨焊接缺陷
2.1接触焊不良引起钢轨断裂。
接触焊不良常常造成钢轨焊缝端面不能完全焊合，而形成局部熔融状表面和未熔融区，在行车中钢轨从焊缝中发生脆断。
2.2铝热焊不良引起钢轨折断。
铝热焊是一种铝热冶炼工艺，其生成物为铸态组织，常存在各种铸造缺陷，这些缺陷经列车反复作用常由局部微小裂纹发展成钢轨宏观断裂。引起钢轨宏观断裂的铸造缺陷为结晶裂缝、央渣、晶粒粗大。
2.3气压焊不起引起钢轨断裂。
气压焊不良常常造成钢轨光斑和断裂。光斑是指未能焊合的这种缺陷，其断口呈银灰色。由于气压焊不良造成钢轨残余应力较大，尤其是在腰部焊缝处存在残余拉应力，在行车过程中这种拉应力与列车通过产生的工作应力叠加，超过其强度时则发生钢轨沿腰部呈“s”形断裂。
3. 铁路对钢轨的质量要求
高速客运铁路对钢轨的要求主要是：
3.1关于钢轨断面，多数国家选择50Kg/m或60Kg/m平底轨，其长度为25m、36m、50m或焊接钢长轨。
3.2关于钢种，一般采用碳素钢，其强度要求在900MPa以上。为防止早期疲劳和剥离的产生，要求钢轨钢采用硅脱氧镇静钢，钢中最大铝含量不大于0.005%。为获得洁净钢，要对钢轨钢包精烁和真空脱气。按ASTME45/84条款规定对氧化物最坏的视场是B1，对硅酸盐型夹杂的视场是C1。在德国DIN50602条款中，要求钢必须满足如下要求：
-K3≤10对95%的钢轨；-K3≤20对其余5%的钢轨。
3.3对平直度的要求是：
（1）轨端平直度：垂直上翘不大于0.2mm/m，垂直下弯不大于0.1mm/m，水平弯曲不大于0.25mm/m。
（2）全长平直度：垂直方向不大于0.1mm/m，水平方向不大于0.3mm/m，垂直方向上翘最大5mm，水平方向旁弯的弯曲半径不小于1000m。
3.4对于焊接轨，焊缝处轨高尺寸公差要控制在0.1～0.2mm。
3.5为保证在高速下行车平稳，轮、轨接触带宽不应超过12～14mm，而且在这个接触带上不应存在任何表面缺陷，为此必要时要对轨头进行打磨抛光。
3.6对于轴重大于20t的线路，则应采用耐磨级钢轨。
4. 钢轨热处理工艺
钢轨热处理工艺按其原理可分为下列三大类：
4.1QT工艺。它是把钢轨加热到奥氏体化温度，然后喷吹冷却介质，让钢轨表面层急速冷却到马氏体相变温度以下，然后进行回火。其组织为回火马氏体（也叫索氏体），这是一种传统的金属热处理工艺，它可以提高钢轨硬度和强度，改善钢轨抗疲劳和耐磨耗性能。但这种工艺存在如下缺陷：淬火后钢轨弯曲度大，需要对其进行补充矫直，在淬火的轨头断面上有时出现因贝氏体而引起的硬度塌落。这种淬火十回火工艺及加热方法叉可分为以下两种：
（1）感应加热轨头淬火工艺，如美国钢铁公司的格里厂、新日铁的八幡、乌克兰的亚速厂等均是采用上述工艺。通过电感应加热，使钢轨加热到A3以上50℃，然后空冷到750℃，喷吹压缩空气，使钢轨冷却到500℃左右，进行自热回火。这种工艺生产稳定，对环境无污染，生产方式灵活，缺点是设备一次性投资大、能耗高。
（2）整体加热整体淬火工艺。如前苏联下塔吉尔、库兹涅茨克厂、美国伯利恒的斯蒂尔顿厂都采用这种工艺。采用煤气对钢轨整体加热，然后在油中或温水中进行整体淬火，淬火后的钢轨要在450～500℃进行回火。这种工艺特点是产量高，淬火硬度均匀，可提高全断面钢轨的强韧性。
4.2SQ工艺。它是把钢轨加热到奥氏体化温度后，用淬火介质缓慢冷却进行淬火，直接淬成索氏体（不进行回火），即细微珠光体，其力学性能、抗疲劳性能、耐磨耗性能均比由QT工艺得到的回火马氏体要好。这种欠速淬火工艺按加热方法也可分为三种：
（1）感应加热欠速淬火工艺，如中国攀钢就是先用工频电流对钢轨全断面进行预热，再用中频电流对轨头加热到奥氏体化温度，然后喷吹压缩空气淬火，淬火速度1.2m/Min该工艺直接得到淬火索氏体，即细片状珠光体。
（2）焊气加热欠速淬火工艺。采用煤气先将钢轨预热到450℃，然后快速加热到奥氏体化温度，喷吹压缩空气将钢轨直接淬成索氏体，即细微珠光体。日本钢管的福山厂就是采用这种工艺。
（3）利用轧制余热进行热处理的欠速淬火工艺。如日本的新日铁的八幡厂、卢森堡的阿尔贝特一罗丹厂。它是充分利用钢轨在轧制后800～900℃的高温，直接对钢轨在专门的冷床上进行喷雾或压缩空气淬火。这是目前世界上最先进的热处理工艺，其最大优点是降低成本，节能但增加了生产技术管理难度，也存在淬火质量均匀性问题。
4.3形变热处理。
（1）这种工艺目前仍处于实验阶段，但从前苏联库钢厂、日本新日铁八幡钢厂的实验结果看，其效果显著，前景可观。其主要工艺是：把钢坯加热到960～1100℃，降温到850～960℃左右进行轧制，其终轧和预终轧均是在万能轧机的孔型中进行，这种万能孔型给轨头很大变形量，约14%～16%。在轧后用水雾进行快速冷却到550～600℃，然后在空气中最终冷却。其轨头的金相组织是比普通热处理还要细微的珠光体，其力学性能为：屈服强度900～980MPa，抗张强度1280～1330MPa，伸长率10%～11%，断面收缩率33%～46%。
（2）但这种形变热处理要求有高刚度的轧机、高水平的微机和先进的检测设备，目前其尚未被大量采用，但其技术经济指标是相当先进的，代表着钢轨热处理技术的发展方向。
5. 焊接及焊后热处理
5.1热处理钢轨与热轧钢轨的焊接在可焊性方面没有太多的区别，其焊接工艺参数往往根据对实际钢轨的试验来确定。碳素热处理钢轨经焊接后，因焊缝区域原轨头硬化层消失，而出现一较宽的低硬度区。因此，在使用中易产生接头低陷并诱导发生波磨，增加无缝线路接头的不平顺，会影响其使用寿命。为解决此问题，一般要采用焊后热处理，即焊接后对焊接接头轨头部位喷压缩空气或水雾等，恢复其硬度[8]。国外也有在热处理钢轨中加入适当的合金元素，使焊接后的钢轨具有硬度自恢复性能，如欧洲钢轨标准中的350LHT热处理钢轨，日本研制的NSⅡ钢轨等。
5.2碳素热处理钢轨未进行焊后再硬化处理，其焊接接头处产生的低陷究竟多大，可参考文献[9]中提供的数据，即：在半径为450～500m的曲线上股铺设使用近8年后（通过总重约420Mt），未1TIITI，此时1T11TI左右。
参考文献
[1]钱钟侯编.高速铁路概论.中国铁道出版社.1994.
[2]李惠春译.欧洲长钢轨生产线现状.沈铁科技.1995（增刊）.
[3]丁伟等.日本高速铁路钢轨的焊接.中国铁道科学.1998.1.
[4]王仪康.铁路用钢.中科院金属所（内部资料）.
[5]颜东.攀钢钢轨性能及实物尺寸评价.钢铁钒钛.1990.2.
[6]铁道部工务局.我国钢轨的现状.全国低台金钢工作会议（资料汇编）.1997.10.
[7]攀钢公司.攀钢低合金及微醒钢的生产与开发.全国低台金钢工作会议（资料汇编）1997.10.
[8]包钢公司.包钢八五产品开发和九五发展规划.全国低合金钢工作会议（资料汇编）1997.10.
[9]严学模等.钢水吹氩工艺研究.钢铁钒镀.1996.3.
[10]王建等.攀钢钢水质量的现状.钢铁钒钛.1994.9.
[11]朱美华.钢轨联合矫直研究.钢铁钒钛.1993.3.
[12]周清跃等.进口钢轨的性能分析.中国铁道科学.1997.3.
[13]单麟关.重轨钢的炉外耩练与连铸.铁铁钒钛，1996.6.
[14]李炜.重轨的高精度轧制技术现状.铁铁钒钛.1995+9.
[15]周清跃.法国钢轨生产及其性能特点.铁道工务.1997.2.
[16]郭介平.广深线气压焊接头外观质量探讨.铁道工务.1997.1.
[文章编号]1619-2737（2014）03-13-666
