一种钢轨焊接头正火系统的制作方法

本发明涉及金属热处理领域的一种钢轨焊接头正火系统。

背景技术：

目前铁路钢轨的连接主要采用闪光焊接技术，由于焊口的温度很高，致使两边钢轨晶粒过分长大，严重影响钢轨焊接头处的力学性能。通过正火处理可以有效地改善钢轨焊缝两边晶粒度，提高钢轨的力学性能。现在钢轨焊接头正火系统主要采用两种加热方式，分别是中频感应加热线圈加热和火焰加热。与火焰加热方式相比，中频感应加热具有加热速度快、加热温度可以测量、可以实现自动控制、保证正火质量等优点。

目前使用的中频感应加热线圈主要是仿形为主，但是钢轨焊接头各个部位的形状尺寸差异很大，仿形的中频感应加热线圈很难实现均匀加热而且拆卸困难，仅能在企业内固定焊可以使用，很难在野外钢轨铺设现场使用。

同时，用于由于钢轨铺设的路基可能会有上坡或下坡，故可能导致正火变压器向下坡方向滑行，无法准确地将中频感应加热线圈置于钢轨焊接头处。

以上问题都是目前钢轨焊接头正火系统目前所要解决的突出问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钢轨焊接头正火系统，其能保证正火过程中，钢轨焊接头顶部与底部的温差在100℃以内，保证对于钢轨焊接头的正火质量。

实现上述目的的一种技术方案是：一种钢轨焊接头正火系统，包括中频电源控制箱、正火变压器以及中频感应加热线圈，所述正火变压器的输入端连接所述中频电源控制箱的输出端；

所述中频感应加热线圈包括第一有效线圈和第二有效线圈；

所述第一有效线圈和所述第二有效线圈围成一个垂直截面的形状为“凸”字形的闭环线圈，所述第一有效线圈的顶部连接第一汇流排，所述第二有效线圈的顶部连接第二汇流排，所述第一汇流排的顶部和所述第二汇流排的顶部对应通过一块顶部电极板连接所述正火变压器的输出端，使所述第一汇流排，所述第一有效线圈，所述第二有效线圈、所述第二汇流排和所述正火变压器之间形成闭环回路。

进一步的，所述第一汇流排和所述第二汇流排之间设有绝缘垫，且所述第一汇流排和所述第二汇流排之间通过绝缘螺栓固定。

进一步的，所述第二有效线圈分为连为一体的纵向线圈和水平线圈，所述纵向线圈的顶部和所述第二汇流排的底部均焊接水平的中部电极板，两块所述中部电极板之间通过螺栓固定；

所述第一有效线圈的底部焊接水平的底部电极板，所述底部电极板与所述水平线圈远离所述纵向线圈一端的顶面之间通过螺栓固定。

进一步的，所述钢轨焊接头正火系统还包括线圈定位装置，所述线圈定位装置包括固定支架平台，所述固定支架平台与钢轨所在的路基平行，所述固定支架平台的顶面放置所述正火变压器；

所述固定支架平台的四个顶角上各设有一根与所述钢轨所在的路基垂直的，从下至上贯穿所述固定支架平台的可旋转支架；

所述可旋转支架的底部可与所述钢轨所在的路基固定，所述可旋转支架的顶部设有可与所述正火变压器的外周面，受力接触的操作手柄。

再进一步的，所述可旋转支架的底部设有用于将所述可旋转支架的底部与所述钢轨所在的路基固定的旋转压紧装置。

再进一步的，所述固定支架平台的顶面设有两根与所述钢轨平行的，可与所述正火变压器底面的卡槽卡接的定位滑轨。

再进一步的，所述正火变压器的顶部连接变频吊机，所述变频吊机连接所述中频电源控制箱。

进一步的，所述中频电源控制箱的输入端连接三相五线电源线的A相电源线，B相电源线和C相电源箱；所述中频电源控制箱的电源控制端，同时连接两个单显示仪表的负载端，两个所述单显示仪表的中性端同时连接所述三相五线电源线的N相电源线，两个所述单显示仪表的正极信号输入端和负极信号输入端，同时连接信号转接排的信号输出端，所述信号转接排的信号输入端，同时连接位于钢轨焊接头顶部的顶部红外探头和位于钢轨焊接头底部的底部红外探头。

进一步的，所述中频电源控制箱连接冷水机，所述第一汇流排与所述第一有效线圈的外表面焊接有对所述第一汇流排与所述第一有效线圈进行一体冷却的第一冷却水管；所述第二汇流排的外表面焊接有对所述第二汇流排进行冷却的第二冷却水管，所述第二有效线圈的外表面焊接有对所述第二有效线圈进行冷却的底部冷却水；所述顶部电极板上设有对所述顶部电极板进行冷却的，垂直的顶部冷却水管；

所述第一冷却水管、所述第二冷却水管、所述底部冷却水管和所述顶部冷却水管的进水端连接所述冷水机的出水口，所述第一冷却水管、所述第二冷却水管、所述底部冷却水管和所述顶部冷却水管的出水端连接所述中频电源控制箱的冷却水进口，所述中频电源控制箱的冷却水出口连接所述冷水机的进水口。

进一步的，所述中频电源控制箱的电源控制端连接有双闸急停开关和电源开关。

采用了本发明的一种钢轨焊接头正火系统的技术方案，包括中频电源控制箱、正火变压器以及中频感应加热线圈，所述正火变压器的输入端连接所述中频电源控制箱的输出端；所述中频感应加热线圈包括第一有效线圈和第二有效线圈；所述第一有效线圈和所述第二有效线圈围成一个垂直截面的形状为“凸”字形的闭环线圈，所述第一有效线圈的顶部连接第一汇流排，所述第二有效线圈的顶部连接第二汇流排，所述第一汇流排的顶部和所述第二汇流排的顶部对应通过一块顶部电极板连接所述正火变压器的输出端，使所述第一汇流排，所述第一有效线圈，所述第二有效线圈、所述第二汇流排和所述正火变压器之间形成闭环回路。其技术效果是：在对钢轨焊接头表面进行正火过程中，可实现钢轨焊接头表面各部位温度按一定关系升高，当钢轨焊接头顶面温度达到900℃，钢轨焊接头底面温度在800～850℃之间，满足钢轨焊后对于焊接头表面进行热处理的标准要求，有利于实现钢轨焊接头的正火处理，提高钢轨焊接头的金属组织性能。

附图说明

图1为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的结构示意图。

图2为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的水路示意图。

图3本发明的一种钢轨焊接头正火系统的电气图。

图4为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈的主视图。

图5为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈的左视图。

图6为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈中第二有效线圈的主视图。

图7为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈中第二有效线圈的右视图。

图8为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈中第二有效线圈的水平线圈远离纵向线圈一端的俯视图。

图9为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的中频感应加热线圈中底部电极板的俯视图。

图10为图7的A-A向剖视图。

图11为本发明的一种钢轨焊接头正火系统的线圈定位装置的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图1至图3，本发明一种钢轨焊接头正火系统包括中频感应加热线圈1、正火变压器10、线圈定位装置2、中频电源控制箱3、冷水机4和变频吊机5。其中中频电源控制箱3的输入端连接三相五线电源的A相电源、B相电源线和C相电源线。三相五线电源线连接航空五芯插座。中频电源控制箱3的电源控制端通过双闸急停开关31连接该三相五线电源线的A相电源线以及C相电源线。中频电源控制箱3的电源控制端还连接电源开关32，用于控制该钢轨焊接头正火系统的启动和关闭。中频电源控制箱3的电源控制端通过负载线同时连接两个单显示仪表33的负载端，两个单显示仪表33的中性端同时连接该三相五线电源线的N相电源线。两个单显示仪表33的输入电流为4～20mA。两个单显示仪表33的正极信号输入端和负极信号输入端均连接一个输入电压为+24V的信号转接排34的信号输出端，信号转接排34上设有COM端口。信号转接排34的信号输入端同时连接位于钢轨9的焊接头顶部的顶部红外探头91和位于钢轨9的焊接头底部的底部红外探头92。顶部红外探头91和底部红外探头92对应探测到的钢轨9的焊接头顶面的温度和钢轨9的焊接头底面的温度，并对应显示在两个单显示仪表33上。中频电源控制箱3上还设有对中频电源控制箱3的参数进行设定的触摸屏35和电位器37。

中频电源控制箱3的输出端连接正火变压器10。正火变压器10连接中频感应加热线圈1。其中正火变压器10的同名输入端与中频电源控制箱3的输出端之间还设有电热电容36。

中频电源控制箱3使用不控整流技术，相比其他全控整流的中频电源控制箱3具有功率因素高，电网污染小等优点，具有恒电流、恒功率、恒频率和自动寻找谐振频率四种控制方式，可始终保持中频电源控制箱3处于最有效功率输出模式，使输入电源得以充分利用，适用于需要频繁启动或长时间运行的场合的工作场合。

中频电源控制箱3带有通讯功能，使用RS-485接口和ModBus RTU总线，可远程读写中频电源控制箱3的参数和运行状态。

同时三相五线电源线上还连接有变频吊机电源50和冷水机电源40，变频吊机电源50和冷水机电源40均连接三相五线电源的A相电源、B相电源线、C相电源线和N相电源线。变频吊机电源50连接变频吊机5，冷水机电源40连接冷水机4，从而实现变频吊机5，以及冷水机4与中频电源控制箱3的连接。

中频感应加热线圈1,包括第一有效线圈11、第二有效线圈12、顶部电极板131、中部电极板132、底部电极板133、第一汇流排141、第二汇流排142和绝缘垫143。第二有效线圈12分为连为一体的纵向线圈121和水平线圈122。

第一汇流排141垂直于钢轨9所在的路基设置，第一汇流排141的顶部通过一块顶部电极板131连接正火变压器10的同名输出端，第一汇流排141的底部通过焊接，连接第一有效线圈11的顶部。第一汇流排141也可与第一有效线圈11一体成型。

第二汇流排142与第一汇流排141平行设置，第二汇流排142的顶部通过一块顶部电极板131连接正火变压器10的非同名输出端。第二汇流排142的底部焊接有中部电极板132。第二汇流排142底部的高度高于第一汇流排141底部的高度。

第二有效线圈12的纵向线圈121的顶部焊接中部电极板132，两块中部电极板132之间通过螺栓固定，从而使第二汇流排142与第二有效线圈12固定。两块中部电极板132上均设有与所述螺栓位置对应的水平的U形螺栓槽，两块中部电极板132上的U形螺栓槽开口方向均相同，便于安装和拆卸，便于野外使用。螺栓采用304不锈钢。

第一有效线圈11的底部焊接底部电极板133，第二有效线圈12的水平线圈122远离纵向线圈121一端的顶面与底部电极板133之间通过螺栓固定，从而使第一有效线圈11与第二有效线圈12固定。底部电极板133和水平线圈122远离纵向线圈121一端的顶面均设有与所述螺栓位置对应的水平的U形螺栓槽，底部电极板133上的U形螺栓槽和水平线圈122远离纵向线圈121一端的顶面上U形螺栓槽的开口方向均相同，便于安装和拆卸，便于野外使用。螺栓采用304不锈钢。

由此，第一有效线圈11和第二有效线圈12围成一个垂直截面形状为“凸”字形的闭环线圈。垂直截面为垂直于铺设钢轨9的路基的截面。

其中顶部电极板131由8～10mm厚紫铜板加工而成，其作用主要是将中频感应加热线圈1固定在正火变压器10上,并使正火变压器10与中频感应加热线圈1形成闭环回路，正火变压器10向中频感应加热线圈1传导中频电流，顶部电极板131具体尺寸取决于正火变压器10输出端电极的尺寸。

第一汇流排141和第二汇流排142均由5～8mm厚紫铜板制成，宽度为45～50mm。第一汇流排141和第二汇流排142之间设置绝缘垫143，并通过四个绝缘螺栓固定在一起，固定时保证第一汇流排141和第二汇流排142无法接触导电。绝缘垫143能够承受300℃不变形燃烧。

第一有效线圈11和第二有效线圈12也采用5～8mm厚紫铜板制成紫铜板制成。

第一汇流排141和第一有效线圈11的外表面焊接有对第一汇流排141和第一有效线圈11进行一体冷却的第一冷却水管151，即第一冷却水管151在第一汇流排141和第一有效线圈11的外表面从第一汇流排141的顶部延伸到第一有效线圈11的底部，第一冷却水管151的数量为两根。

第二汇流排142的外表面焊接有对第二汇流排142进行冷却的第二冷却水管152，即第二冷却水管152在第二汇流排142的外表面从第二汇流排142的顶部延伸到第二汇流排142的底部，第二冷却水管152的数量为两根。

第二有效线圈12的外表面焊接有对第二有效线圈12进行冷却的底部冷却水管153，即底部冷却水管153在第二有效线圈12的外表面从纵向线圈121的顶部延伸到水平线圈122远离纵向线圈121的一端，底部冷却水管153的数量为两根。

顶部电极板131上设有垂直的，从顶部电极板131的顶部延伸到顶部电极板131底部的顶部冷却水管154，每块顶部电极板131上的顶部冷却水管154的数量均为一根。

第一有效线圈11与第二有效线圈12围成的闭环线圈的尺寸如表1所示：

中频感应加热线圈1，采用由第一有效线圈11和第二有效线圈12围成的垂直截面的形状为“凸”字形的闭环线圈，并将钢轨9套接在所述闭环线圈中形状简单，整体采用铜板压型后焊接水管的方案，加工时工艺简单，易于批量生产。其在通过中频感应加热对钢轨焊接头进行正火的过程中，可实现钢轨焊接头各部位温度同时提高，当钢轨9的焊接头顶部温度达到900℃，钢轨9的焊接头底面的温度在800～850℃之间，满足钢轨9焊接后对钢轨焊接头表面进行正火处理的标准要求，有利于钢轨9焊接头的正火处理，提高钢轨9焊接头的力学性能。垂直截面形状为“凸”字形的闭环线圈结构具有普适性，通过调节闭环线圈与钢轨9之间的第一间隙的宽度a、第二间隙的宽度b和第三间隙的宽度c，可使其应用于50kg、60kg、75kg规格的钢轨的中频感应加热正火处理。L2为第一汇流排141和第一有效线圈11的总高度，L2为第一有效线圈11和第二有效线圈12与正火变压器10之间的水平距离。d为第一汇流排141、第一有效线圈11、第二汇流排142或第二有效线圈12的宽度。

表1：第一有效线圈与第二有效线圈围成的闭环线圈的尺寸

将中频感应加热线圈1安装在正火变压器10上，第一有效线圈11、第一汇流排141置于钢轨9的左侧，第二有效线圈12固定在钢轨9的右侧和底部，并与第二汇流排142以及第一有效线圈11固定，然后向由第一有效线圈11和第二有效线圈12围成的闭环线圈中通入频率3.4kHz中频电流，正火变压器10的电源输出功率35kW。加热5min后钢轨9的焊接头顶面的温度达到900℃，钢轨9的焊接头底面的温度达到850℃，空冷后对钢轨3的焊接头落锤试验2次未断，达到相关标准要求。

线圈定位装置2，包括与钢轨9所在的路基平行的固定支架平台21。固定支架平台21的底面是一个对钢轨9顶面进行仿形的仿形底面。固定支架平台21的四个顶角上，各设有一根与钢轨9所在的路基垂直的，从下至上贯穿固定支架平台21的可旋转支架22。

固定支架平台21的顶面上设有两根与钢轨9平行的定位滑轨211，定位滑轨211与正火变压器10底部的两根卡槽101对应卡接。这样设计的目的在于：通过定位滑轨211与卡槽101的卡接，防止与正火变压器10连接的中频感应加热线圈1发生水平晃动，保证所述闭环线圈与钢轨9之间的第一间隙的宽度a、第二间隙的宽度b和第三间隙的宽度c保持恒定，防止中频感应加热线圈1水平晃动可能导致的中频感应加热线圈1与钢轨9之间的短路，防止短路导致正火变压器10的损坏以及潜在的人身伤害。

可旋转支架22的底部设有旋转压紧装置221，用于将可旋转支架22与钢轨9所在的路基固定。可旋转支架22的顶部，设有操作手柄222，操作手柄222可与固定支架平台21顶面上的正火变压器10的外周面，受力接触，从而当钢轨9所在的路基为坡面时，防止正火变压器10在固定支架平台21上向着下坡方向滑行。操作手柄222只要向上一体就可解除操作手柄222对正火变压器10的压力，正火变压器10可沿定位滑轨211滑移。

固定支架平台21的顶面上还设有一个红外温度传感器212，红外传感器212用于监测正火变压器10底面的温度，一旦正火变压器10底面的温度超过阈值，则红外加热传感器10报警。

同时，正火变压器10的上方连接变频吊机5，变频吊机5沿着钢轨9的轴向对正火变压器10进行定位，使正火变压器10所连接的中频感应加热线圈1与钢轨9上的焊接头的位置对应。当变频吊机5对中频感应加热线圈1的定位完成后，变频吊机5放下正火变压器10，使正火变压器10底部的卡槽101与固定支架平台21顶面的定位滑轨211卡接。最后调节可旋转支架22的顶部的操作手柄222，使操作手柄222与正火变压器10的外周面，受力接触，从而将正火变压器10固定在固定支架平台21的顶面上。

变频吊机5结构紧凑，体型小，重量轻，占用空间小；变频控制满足起吊低速可控的要求，适合正火变压器10连带中频感应加热线圈1安装位置微调的需要。

钢轨9位于坡道上时,线圈定位装置2通过对正火变压器10的定位,完成中频感应加热线圈1与钢轨9的焊接头之间的定位，防止正火变压器10向下坡方向滑行，保证正火变压器10所连接的中频感应加热线圈1处于钢轨9的焊接头处。线圈定位装置2可灵活方便的定位正火变压器10所连接的中频感应加热线圈1与钢轨9的焊接头之间的相对位置，且定位固定后正火变压器10不会沿着坡面向下滑行，保证对钢轨9的焊接头进行正火时正火参数的一致性。

冷水机4的出水口连接第一冷却水管51、第二冷却水管152、底部冷却水管153和顶部冷却水管154的进水端。第一冷却水管51、第二冷却水管152、底部冷却水管153和顶部冷却水管154的出水端连接中频电源控制箱3的冷却水进口，中频电源控制箱3的冷却水出口连接冷水机4的进水口。有此形成冷却水的循环，对中频感应加热线圈1和正火变压器10进行降温。当冷却水流经中频电源控制箱3时，中频电源控制箱3对冷却水的温度进行检测，并在冷却水的温度高于阈值时报警。

冷水机4选用深圳市朕大基业机械有限公司的IC8000-T型顶排风冷水机。机箱两侧快卸式门板，方便日常维护和保养；左右进风口内置过滤网，有效除尘，适应现场生产环境；顶排风散热，提高散热效率；独立液晶温控及显示，具备全面的电压监控和缺水保护；60L大容量蓄水箱，一体焊接成型，防锈、耐腐蚀；水箱内置液位保护，缺水时自动报警提醒；压缩机、水泵、风机性能稳定，可24小时连续运行。图2中箭头表示水流方向。

本发明的一种钢轨焊接头正火系统，充分发挥了中频感应加热的优点，即具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制；易于实现高功率密集加热，加热速度快，效率高，能耗小；加热温度高，加热温度易于控制，并且是非接触式加热；加热温度由工件表面向内部传导或渗透，或者直接从金属内部进行加热；采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质；工件材料耗损小，氧化皮生成少；作业环境无明火、废气和空气污染；易于实现加热工程自动化；加热效率高，感应加热效率可达80％以上；加热速度高，在中频感应加热中，速度可达每秒几十度至几百度；能加热复杂形状的工件等。

本发明的一种钢轨焊接头正火系统的优势在在于：中频感应加热线圈1对钢轨9的焊接头的各部位都进行加热，中频感应加热线圈1中通入电流后五分钟后，钢轨9的焊接头各部位之间的温差在100℃内，而且中频感应加热线圈1与钢轨9的焊接头之间定位更加准确和稳定，控制了正火后钢轨9的焊接头处晶粒的尺寸。保证了正火后钢轨9的焊接头处的金属组织性能的一致性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。