用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法与流程

本发明属于钢轨焊后热处理技术领域，具体涉及一种用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法。

背景技术：

目前，国内外重载铁路线路多采用共析珠光体钢轨，此类钢轨的含碳量通常在0.72～0.82％重量范围内，金相组织为珠光体，具有强韧性匹配良好，综合力学性能指标适中等特点。随着铁路的快速发展，大轴重重载线路对钢轨服役性能提出了更高要求。由于传统珠光体钢轨的综合力学性能与焊接性能几乎发展到了极限，在此情形下，强度等级更高，兼顾良好耐磨损性能及抗接触疲劳性能的贝氏体钢轨应运而生，此类钢轨的含碳量通常在0.20～0.30％重量范围内，金相组织为贝氏体+少量马氏体(或马奥岛)和残余奥氏体组成的复相组织。现阶段，钢轨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，而对于强度等级与材质均不相同的两种钢轨，母材性能之间的差异给其焊接带来了巨大挑战。此外，钢轨受焊接热循环作用后，焊接区域的淬硬层消失并在焊缝两侧形成宽度较大的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。钢轨在线路服役过程中，易优先在焊接接头的轨头踏面形成“鞍型”磨耗，不仅增加了轮轨冲击，还严重影响到钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因而，如何恢复钢轨因焊接而降低的力学性能就成了钢轨得以应用的前提。

cn201610909362.1公开了一种过共析钢轨和pg4热处理共析珠光体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括将焊接得到的待冷却的钢轨焊接接头进行第一冷却至400℃以下，然后将第一冷却后的钢轨焊接接头加热至860～930℃，随后进行第二冷却至钢轨焊接接头的踏面温度为410～450℃。采用该方法获得的异种钢轨焊接接头可满足国内现行铁道行业标准tb/t1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中对于疲劳、拉伸、冲击以及静弯试验的测试要求。但上述发明中涉及到了钢轨焊后正火热处理过程，需要采用钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头进行局部加热，不仅操作与实施过程复杂，而且成本偏高。

201210394058.x公开了一种贝氏体钢轨的热处理方法，该方法包括将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460-490℃；将钢轨以2.0-4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250-290℃；使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；将钢轨置于炉膛温度为300-350℃的加热炉内回火处理2-6h；将钢轨空冷至室温。该发明的目的是为了获得综合力学性能良好的贝氏体钢轨，属于钢轨生产热处理工艺，并不适合于贝氏体与珠光体钢轨焊接接头的焊后热处理。

201810480790.6公开了一种贝氏体焊接接头焊后热处理方法，该方法具体为将焊接得到的待冷却接头踏面表面温度冷却到850～500℃的温度区间后对接头的轨头部分进行风冷，当踏面表面温度冷却至270～210℃后结束风冷，让接头自然冷却至室温。该发明是在贝氏体钢轨完成焊接后直接对接头实施风冷，钢轨焊后无加热过程，热处理效果有待商榷。

cn201410135909.8公开了贝氏体钢轨焊接接头的热处理方法并对钢轨接头热处理原理进行了介绍，焊后热处理过程中需将钢轨接头加热至奥氏体化温度以上，以压缩空气为冷却介质对焊接区域实施快速冷却，以恢复钢轨因焊接而降低的力学性能；但该方法中并未对贝氏体焊接接头冲击韧性具体数值进行描述，且其适用对象为具有相同材质的贝氏体钢轨，并不适用于贝氏体钢轨和共析珠光体钢轨焊接形成的异种接头。

cn201810581145.3公开了一种过共析钢钢轨与共析钢钢轨焊接接头的焊后热处理方法、cn201810720765.0公开了一种钢轨焊接接头的热处理方法、cn201810710040.3公开了一种异种材质钢轨焊接接头的热处理方法，三者对过共析钢钢轨与共析钢钢轨焊接接头焊后热处理方法进行了介绍，但其过共析钢钢轨与共析钢钢轨两种钢轨的组织均以珠光体为主，焊后热处理原理均为以压缩空气或水雾混合气为冷却介质，通过对奥氏体化温度的钢轨接头实施快速冷却，达到细化珠光体片层间距，达到提升钢轨焊接区域热塑性的目的，并不适用于贝氏体钢轨与共析珠光体钢轨焊接形成的接头。

综上所述，铁路工程领域亟需一种适应于用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，以改善钢轨因焊接而降低的踏面硬度，同时改善钢轨接头冲击韧性，以保证异种钢轨焊接接头的服役性能及铁路运行安全。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种成本较低且热处理后焊接接头力学性能良好的用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是提供了一种用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，其包括以下步骤：

a、将贝氏体钢轨和共析珠光体钢轨焊接形成的温度为1000～1300℃的焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头表面温度降低至100～200℃，第一阶段冷却为空气中自然冷却，冷却速度为0.1～15.0℃/s；

b、第一次阶段冷却后，进行正火加热，将接头表面温度加热至920～980℃时停止加热；

c、正火加热完成后进行第二阶段冷却，第二阶段冷却的开冷温度不低于780℃，以高压冷却气体或水雾混合气作为冷却介质，冷却速度为2.5～3.0℃/s，终冷温度为380～450℃；

d、第二阶段冷却后，进行第三阶段冷却，以高压冷却气体或水雾混合气作为冷却介质，使焊接接头表面温度降低至100～180℃，该阶段冷却速度为0.6～0.8℃/s；

e、对表面温度降至100～180℃的钢轨焊接接头进行回火热处理，回火温度为280～350℃，保温时间为1h～2h，然后置于空气中自然冷却，使焊接接头表面温度降低至10～30℃，该阶段冷却速度为0.05～0.5℃/s。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法中，所述贝氏体钢轨的抗拉强度为1300mpa以上，其母材化学成分以重量百分比计为：c：0.20～0.30％，si：0.8～1.8％，mn：1.5～2.5％，cr：0.50～1.60％，mo：0.20～0.50％；所述共析珠光体钢轨的抗拉强度为1250mpa以上，其母材化学成分以重量百分比计为：c：0.75～0.82％，si：0.70～1.10％，mn：0.5～0.9％，cr：0.30～0.50％，v：0.05～0.10％。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤a中，第一次阶段冷却中，当温度＞800℃时，冷速为6.0～15.0℃；温度在800～500℃时，冷速为3.0～5.8℃；温度在500～300℃时，冷速为1.0～2.8℃；温度＜300℃时，冷速为0.1～0.9℃/s。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤b中，所述正火加热为采用中频感应仿型电加热线圈和/或氧-乙炔火焰仿型加热器对钢轨焊接接头进行全断面正火加热。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤c中，第二次阶段冷却中，正火机组搭配的喷嘴型冷却装置距离焊接接头表面30～50mm；冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.30～0.60mpa。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤d中，第三次阶段冷却中，正火机组搭配的喷嘴型冷却装置距离焊接接头表面30～50mm；冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.05～0.10mpa。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤e中，采用对开式电加热回火装置进行回火处理，开式电加热回火装置距离焊接接头表面5～10mm。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，步骤e中，所述开式电加热回火装置的结构包括：左侧接线柱a1和a2、右侧接线柱b1和b2、履带式陶瓷加热器c、转到轴d、固定卡环e、金属薄板外壳f和石棉绝缘保温层g；其中，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。

其中，上述用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法中，所述焊接接头为由钢轨轨型相同，规格为60～75kg/m的贝氏体钢轨和共析珠光体钢轨通过钢轨移动闪光焊机焊接形成的接头。

本发明的有益效果：

本发明由于在热处理过程中采用了一次正火加热+三次冷却+一次回火来对异种钢轨焊接接头进行焊后热处理，可实现异种钢轨焊接接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中无马氏体，钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中无明显大尺寸块状马氏体。可使异种钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度≤50mm，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度≤30mm。可使异种材质钢轨接头贝氏体钢轨一侧的平均硬度达到母材的85％以上，珠光体钢轨一侧的平均硬度达到母材的90％以上；同时，焊接接头全断面焊缝室温冲击功达到15j，高于tb/t1632.2-2014规定的6.5j。

采用本发明有助于改善钢轨焊接接头在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的“鞍型”磨耗，接头韧性良好，有助于保证铁路运行安全。

附图说明

图1为采用实施例1中焊后热处理条件下得到的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图2为采用实施例2中焊后热处理条件下得到的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图3为采用对比例2中焊后热处理条件下得到的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图4为采用对比例3中焊后热处理条件下得到的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵向硬度效果图。

图5为本发明钢轨焊接接头中各部位或位置示意图，其中，a为贝氏体钢轨，b为焊接接头，c为共析珠光体钢轨，d为轨头踏面，e为焊缝中心。

图6为本发明钢轨焊接接头的轨头踏面金相试样取样位置示意图，其中，e为焊缝中心，f为金相试样取样位置。

图7为本发明开式电加热回火装置轨头部位电热器分布情况示意图，其中，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。

图8为本发明开式电加热回火装置整体示意图，其中，a1和a2为左侧接线柱；b1和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；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。

具体实施方式

本发明中贝氏体钢轨钢连续冷却过程中的马氏体转变临界冷却速度为0.8～1.2℃/s，钢轨钢ms温度(马氏体形成的开始温度)为330～370℃；共析珠光体钢轨钢连续冷却过程中马氏体转变的临界冷却速度为1.0～1.5℃/s，钢轨钢ms温度(马氏体形成的开始温度)为220～280℃。为避免钢轨焊接接头出现马氏体等异常组织，当对贝氏体钢轨与共析珠光体钢轨的焊接接头进行焊后热处理时，需将焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在贝氏体钢轨ms温度以上。同时，焊后热处理过程中的冷却速度须以临界冷速相对较低的贝氏体钢轨钢为限，否则接头将会由于大量淬硬的马氏体而导致过早疲劳断裂。

在钢轨焊接标准中，如澳洲钢轨焊接标准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。因此，严格控制钢轨焊接组织中的马氏体含量对于铁路线路的稳定运行而言至关重要。

基于上述发现，本发明设计了一种用于异种钢轨焊后接头热处理的施工方法，其包括以下步骤：a、将贝氏体钢轨和共析珠光体钢轨焊接形成的温度为1000～1300℃的焊接接头进行第一阶段冷却，使钢轨焊接接头表面温度降低至100～200℃，第一阶段冷却为空气中自然冷却，冷却速度为0.1～15.0℃/s；

b、第一次阶段冷却后，进行正火加热，将接头表面温度加热至920～980℃时停止加热；

c、正火加热完成后进行第二阶段冷却，第二阶段冷却的开冷温度不低于780℃，以高压冷却气体或水雾混合气作为冷却介质，冷却速度为2.5～3.0℃/s，终冷温度为380～450℃；

d、第二阶段冷却后，进行第三阶段冷却，以高压冷却气体或水雾混合气作为冷却介质，使焊接接头表面温度降低至100～180℃，该阶段冷却速度为0.6～0.8℃/s；

e、对表面温度降至100～180℃的钢轨焊接接头进行回火热处理，回火温度为280～350℃，保温时间为1h～2h，然后置于空气中自然冷却，使焊接接头表面温度降低至10～30℃，该阶段冷却速度为0.05～0.5℃/s。

本发明中，所述第一阶段冷却为在空气中进行的自然冷却，可通过调节试验环境温度(如采用中央空调控温)实现对第一阶段冷却速度的控制。该阶段虽然是空冷但温度下降速度依然较快的原因是焊接接头与空气温差较大。第一阶段进行自然冷却时，由于存在高温阶段冷速较快，低温阶段冷速相对缓慢的情况，各温度段的冷却速度均不相同，此时各温度段的冷却速度为：当温度＞800℃时，冷速为6.0～15.0℃；温度在800～500℃时，冷速为3.0～5.8℃；温度在500～300℃时，冷速为1.0～2.8℃；温度＜300℃时，冷速为0.1～0.9℃/s。在不考虑成分偏析的情况下，钢轨焊接接头在焊后空冷条件下焊接热影响区中通常不会出现马氏体组织。

本发明中，所述正火热处理是指将金属工件加热至ac3(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)以上30～50℃，保温一段时间后，将金属工件从炉中取出，并在空气中进行自然冷却、或喷雾、或喷压缩空气冷却的热处理工艺。而钢轨焊接接头的焊后正火热处理与通常小尺寸工件使用的热处理工艺不同，因钢轨焊接后试样长度可高达数百米，这就决定了钢轨焊接接头的正火热处理不可能在达到目标温度后进行长时间保温(奥氏体化温度以上的温度)。因而，本发明采用比常规正火温度稍高的温度将钢轨焊接接头加热至目标温度后，再进行空冷或风冷的热处理工艺，本发明优选的正火加热温度为920～980℃。

本发明在钢轨接头加热至正火温度920～980℃，完成正火加热后，通过传送通道快速将钢轨接头传送至冷却装置所在位置，随即在自然条件下发生冷却，伴随着温降过程，采用手持式红外测温枪对钢轨接头表面温度进行实时温度监控，以保证接头表面温度在780℃以上。本发明在上述参数内进行正火是为了确保钢轨接头能够充分奥氏体化，为后续快速冷却细化焊接组织提供动力学条件，然后采用适当的冷却速度对其表面进行快速冷却以达到细化焊接区域组织，提升接头强度及硬度的目的。

本发明中，第二冷却阶段的开冷温度不低于780℃，第二冷却的终冷温度高于贝氏体钢轨钢和共析珠光体钢轨钢的马氏体转变开始温度(ms温度)，本发明中第二冷却的终冷温度为380～450℃，第二冷却阶段的冷却速度控制在2.5～3.0℃/s，以通过对过冷奥氏体进行加速冷却细化珠光体片层间距以及细化贝氏体组织，提升焊接区域力学性能。第二冷却阶段中，要保证冷却速度为2.5～3.0℃/s，可采用如下方法：正火机组搭配的喷嘴型冷却装置距离焊接接头表面30～50mm；冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.30～0.60mpa。

本发明中，当对钢轨接头进行第三阶段冷却时，为避免接头出现淬硬的马氏体组织，本发明选择以低于钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度0.6～0.8℃/s对接头实施冷却。第三阶段冷却中，要保证冷却速度0.6～0.8℃/s，可采用如下方法：正火机组搭配的喷嘴型冷却装置距离焊接接头表面30～50mm；冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.05～0.10mpa。

本发明步骤e中，回火温度较低，一般在500℃以下，通常用来改善钢轨接头韧性及去除焊接残余应力。根据金属学原理：低温回火温度为150～250℃，中温回火温度为350～500℃，高温回火温度为500～650℃。经试验：当回火温度在350℃以上时接头冲击韧性无明显提升，而当回火温度低于280℃时，接头冲击有所改善但提升幅度较低。

因此，步骤e中，当采用开式(仿形)电加热回火装置对表面温度在100～180℃的钢轨焊接接头进行回火热处理时，回火温度设置为280～350℃，保温时间设置为1h～2h。该仿形装置可与钢轨焊接接头表面紧密贴合，实现良好的热传导，在履带式加热器的共同作用下可实现回火热处理过程。当回火保温过程结束后，取下回火装置。将焊接接头置于空气中进行自然冷却，使焊接接头表面温度降低至10～30℃，该阶段的冷却速度为0.05～0.5℃/s。

需要说明的是：图7中的加热装置轨头、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。

需要说明的是：图8中的装置具有小巧、灵活、成本低等优势，便于野外现场施工，可采用柴油发电机或220v电源供电，额定功率10kw。该装置以商业lcd履带式陶瓷加热器做热源，加热器尺寸可以为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200～750℃。该对开式装置最大可绕转动轴旋转180°。该对开式加热器a1和a2形成回路、b1和b2形成回路，可从中间连接位置拆分成相互对称的两部分，故其两侧单独也能进行加热。

本发明中所述焊接接头为由轨型相同，规格为60～75kg/m的贝氏体钢轨与共析珠光体钢轨通过钢轨移动闪光焊机或气压焊机焊接形成的接头。焊接接头包含焊缝和/或热影响区在内的长度为80～120mm范围的区域，该区域的中心为焊缝。本发明中，所述“室温”为10～30℃范围的温度。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

以下实施例中，贝氏体钢轨与共析珠光体钢轨均为热处理型钢轨，皆由攀钢集团生产。

本发明所述的一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理工艺方法，参照tb/t1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》及tb/t1632.4-2014《钢轨焊接第4部分：气压焊接》标准将钢轨焊接接头机加工成纵断面硬度试样，并在踏面下5mm位置对焊接接头进行纵断面洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm，洛氏硬度方法按gb/t230.1-2009规定进行，采用hrc标尺，以hp表示钢轨母材的硬度平均值，hj表示接头的硬度平均值，接头硬度低于0.9hp的位置表示软化区域。

实施例1

规格为75kg/m的异种钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1200℃的异种钢轨接头置于空气中自然冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至200℃；接着采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热，当钢轨的踏面温度达到950℃时停止加热；随后以压缩空气为冷却介质，以3.0℃/s的冷却速度进行快速冷却，该阶段的终冷温度为430℃；接着，以0.8℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至170℃；接着，采用对开式电加热回火装置对表面温度在170℃的钢轨焊接接头进行温度为350℃，保温时间为1h的回火热处理，回火保温过程结束后，取下回火装置，将接头置于空气中以0.3℃/s的冷却速度进行自然冷却至室温温度，从而得到本实施例的经焊后热处理的钢轨焊接接头。

本实施例中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却和第三冷却过程中采用钢轨焊后热处理机组搭配的喷嘴型冷却装置以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置喷嘴距离钢轨轨头踏面40mm。第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.60mpa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.10mpa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。回火热处理时，仿形电加热回火装置中的履带式陶瓷加热器距离钢轨焊接接头表面为8mm，该回火装置配带有温控系统可对回火加热温度进行实时监控。

将本实施例得到的贝氏体钢轨焊接接头机加工成纵向硬度试样，并在踏面下5mm位置对焊接接头进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按gb/t230.1-2009规定进行，采用hrc标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表1，纵向硬度的分布效果如图1所示。

表1实施例1纵向硬度数据

表1和图1可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度为50mm，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为30mm。经计算，本发明可使异种材质钢轨接头贝氏体钢轨一侧的平均硬度达到母材的86％，珠光体钢轨一侧的平均硬度达到母材的91％。

参照图6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。检验结果表明：在金相显微镜的100x观察倍率下，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中金相组织正常，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中无明显块状马氏体。此外，焊接接头全断面焊缝室温冲击功达到15j，有助于保证铁路运行安全。

实施例2

规格为68kg/m的异种钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1250℃的异种钢轨接头置于空气中进行自然冷却以将钢轨接头轨头表层温度降至150℃；接着采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热，当钢轨的踏面温度达到930℃时停止加热；随后以压缩空气为冷却介质，以2.5℃/s的冷却速度进行快速冷却，该阶段的终冷温度为400℃；接着，以0.6℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至160℃；接着，采用对开式电加热回火装置对表面温度在170℃的钢轨焊接接头进行温度为320℃，保温时间为1h的回火热处理，回火保温过程结束后，取下回火装置，将接头置于空气中以0.5℃/s的冷却速度进行自然冷却至室温温度，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。

本实施例中，第一冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却和第三冷却过程中采用钢轨焊后热处理机组搭配的喷嘴型冷却装置以压缩空气或水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置喷嘴距离钢轨轨头踏面40mm。第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.30mpa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.08mpa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。回火热处理时，仿形电加热回火装置中的履带式陶瓷加热器距离钢轨焊接接头表面为8mm，该回火装置配带有温控系统可对回火加热温度进行实时监控。

将本实施例得到的贝氏体钢轨焊接接头机加工成纵向硬度试样，并在踏面下5mm位置对焊接接头进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按gb/t230.1-2009规定进行，采用hrc标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表2，纵向硬度的分布效果如图2所示。

表2实施例2纵向硬度数据

表2和图2可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度为48m，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为30mm。经计算，本发明可使异种材质钢轨接头贝氏体钢轨一侧的平均硬度达到母材的87％，珠光体钢轨一侧的平均硬度达到母材的90％。

参照图6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。检验结果表明：在金相显微镜的100x观察倍率下，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中金相组织正常，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中无明显块状马氏体。此外，焊接接头全断面焊缝室温冲击功达到14j，有助于保证铁路运行安全。

对比例1

本对比例与实施例2中的钢轨焊接及焊后冷却过程中所涉及的工艺条件一致，唯一不同的是本对比例在钢轨焊接接头完成第三阶段冷却至轨头表层温度为160℃后未对钢轨焊接接头实施焊后回火热处理。

将本对比例得到的钢轨接头加工成纵向硬度试样，硬度分布曲线与图2一致。金相检验结果表明：在金相显微镜的100x观察倍率下，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中金相组织正常，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中无明显块状马氏体。不同的是，实施例2中异种钢轨接头全断面焊缝室温冲击功为14j，而本对比例中异种钢轨接头全断面焊缝室温冲击功仅为7j，接头韧性相对较差，不利于铁路运行安全。

对比例2

按照实施例1的方法对贝氏体钢轨焊接接头进行焊后热处理，采用中频感应仿型电加热线圈将钢轨焊接接头加热至950℃，不同的是，进行第二冷却至150℃时停止风冷，然后再将焊接接头空冷至室温(约23℃)。

取本对比例得到的贝氏体钢轨焊接接头的纵向硬度试样，于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按gb/t230.1-2009规定进行，采用hrc标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表3，纵向硬度的分布效果如图3所示。

表3对比例2纵向硬度数据

由表3和图3可知，对于采用本对比例处理的钢轨焊接接头，钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度为40m，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为30mm。经计算，本对比例可使异种材质钢轨接头贝氏体钢轨一侧的平均硬度达到母材的89％，珠光体钢轨一侧的平均硬度达到母材的92％。

参照图6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。检验结果表明：在金相显微镜的100x观察倍率下，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中出现大量马氏体，马氏体百分含量达10％。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中也出现了明显块状马氏体。此外，焊接接头全断面焊缝室温冲击功仅有4j，不利于铁路运行安全。

对比例3

将采用气压焊焊接得到的温度在1500℃的贝氏体钢轨焊接接头直接进行空冷至室温(约23℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的贝氏体钢轨焊接接头。

取本对比例得到的贝氏体钢轨焊接接头的纵向硬度试样，于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按gb/t230.1-2009规定进行，采用hrc标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表4，纵向硬度的分布效果如图4所示。

表4对比例3纵向硬度数据

由表4和图4可知，对于采用本对比例处理的钢轨焊接接头，钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度为63m，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度为65mm。与钢轨母材硬度相比，整个焊接区域的硬度偏低，硬度呈“w形”分布趋势。由此对比例得到的焊接接头在线路服役过程中易造成接头轨头马鞍形磨耗，影响线路平顺性及行车安全。经计算，本对比例可使异种材质钢轨接头贝氏体钢轨一侧的平均硬度达到母材的84％，珠光体钢轨一侧的平均硬度达到母材的87％。

参照图6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。检验结果表明：在金相显微镜的100x观察倍率下，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区组织正常，无马氏体、贝氏体等异常组织出现。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中未出现明显块状马氏体。此外，焊接接头全断面焊缝室温冲击功仅有4j，不利于铁路运行安全。

通过对比图1至图4中的焊接接头轨头踏面纵向硬度分布可以看出：采用本发明提供的工艺方法能够将异种钢轨接头贝氏体钢轨一侧的软化区宽度控制在≤50m，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的软化区宽度控制在≤30mm。同时，钢轨接头共析珠光体钢轨一侧的焊接热影响区中金相组织正常，无马氏体、贝氏体等异常组织出现。钢轨接头贝氏体钢轨一侧的焊接热影响区中无明显块状马氏体。此外，焊接接头全断面焊缝室温冲击功达到15j，有助于保证铁路运行安全。