| 摘要：研制了采用多层堆焊工艺的K1000 钢轨焊机推瘤刀，介绍了该推瘤刀的材料选择、结构特点和加工要点。 |
1 引言
为了建设我国第一条高速铁路——秦皇岛—沈阳客运专线，中铁一局进口了一台乌克兰巴顿研究所生产的K1000 钢轨焊机，用于该专线钢轨的无缝化基地焊接。K1000 钢轨焊机推瘤刀是用于钢轨焊接后对焊接接头的焊后余高进行加工(即推瘤)。通过推瘤刀对焊接接头的加工，可减少后序打磨的工作量，使焊缝表面成型美观，焊接质量提高。由于焊机使用一段时间后需要更换易损件，而推瘤刀是K1000 钢轨焊机上最易损坏的零件之一，从国外进口不但价格昂贵而且周期较长，难以满足生产需要。因此，笔者所在单位开展了推瘤刀的国产化研究。 2 推瘤刀的设计
由于K1000 钢轨焊机的推瘤动作是在钢轨焊接结束后立即进行的，因此推瘤刀是在1000℃左右的高温环境下工作；而推瘤刀环绕着焊机的次级回路，由于次级回路电流很大，为了减少电磁损失，防止推瘤刀发热，必须考虑推瘤刀材料的防磁性能。 根据推瘤刀的恶劣工作环境和工作情况，在设计时主要考虑以下三个方面要求：①材料应具有很高的红硬性，耐磨损，韧性好，强度高；②加工的钢轨接头表面光滑，后序留量较小且留量均匀；③推瘤刀应具有断屑功能和防磁功能。 2.1 材料选择
焊机进口时所配推瘤刀(乌克兰巴顿研究所生产)的钢材牌号为12$18%10&(为前苏联ГОСТ5632标准中的钢型，为奥氏体形不锈钢和耐热钢，可用于制造耐高温的零部件和非磁性部件)，通过查询资料，发现与之对应的国产钢牌号为GB/T1221中的1Cr18Ni9Ti。12Х18Н10Т和1Cr18Ni9Ti的化学成分及力学性能对照分别见表1和表2。 表1 12Х18Н10Т和1Cr18Ni9Ti的化学成分对照| 钢号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | W | Ti |
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12X18H10T
(ГОСТ5632) | ≤0.12 | ≤0.8 | ≤2.00 | ≤0.035 | ≤0.02 | 17.00～19.00 | 9.00～11.00 | ≤0.30 | ≤0.20 | ≥5×C% |
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1Cr18Ni9Ti
(GB/T1221) | ≤0.12 | ≤1.0 | ≤2.00 | ≤0.035 | ≤0.03 | 17.00～19.00 | 8.00～11.00 | — | — | 5×(C%-0.02)～0.80 |
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表2 12Х18Н10Т和1Cr18Ni9Ti的力学性能对照| 钢号 | 热处理 | σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ5(%) | Ø(%) | 硬度(HB) |
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12X18H10T
(ГОСТ5632) | 1050～1100℃， 空、油或水冷 | 510 | 195 | 40 | 55 | — |
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1Cr18Ni9Ti
(GB/T1221) | 固溶920～ 1150℃，快冷 | 520 | 205 | 40 | 50 | ≤187 |
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由于推瘤刀在1000℃左右的高温环境下工作，因此必须对刀口进行特定的表面处理。经对推瘤刀工作环境和加工要求进行分析，选择多层堆焊工艺进行刀口表面处理。采用堆焊工艺可以提高刀口耐磨性和耐腐蚀性，从而延长推瘤刀寿命；同时，在韧性较好的母材(1Cr18Ni9Ti)上制取一个高硬度的金属表面，可以获得最佳的材料性能组合。 选择刀口堆焊材料时应考虑到在高温工作环境下可能引起刀口堆焊金属硬化组织的回火或稳定组织的暂时软化、因产生相变使其硬度和脆性发生变化以及可能造成的加剧氧化或起鳞。此外，温度的交替变化还会因热应力导致刀口堆焊组织的热疲劳或热冲击破坏。由于钴基合金在650℃左右仍能保持较高的硬度，具有高的抗擦伤能力和低的摩擦系数以及较高的抗氧化性、抗腐蚀性和耐热性能，因此，可选择钴基合金作为刀口的表面堆焊材料。 经过综合考虑，选择具有防磁化的耐热钢1Cr18Ni9Ti 作为K1000 钢轨焊机推瘤刀刀体，选择钴基合金作为推瘤刀刀口的表面堆焊材料。
图1
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图2
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图3
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图4
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图5
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2.2 结构设计
K1000钢轨焊机的推瘤刀总体结构见图1。推瘤刀分为左右两片，通过螺纹销固定在刀架上，由油压缸控制刀架使两刀片合拢、分开以及完成推瘤动作。 - 选择断屑结构
- 由于焊机推瘤后的废屑呈封闭状态且温度较高(见图2a)，难以从很长的钢轨上取下，必须将封闭的废屑断成两段以上，以便清理。
- 选择钢轨底部两侧为断屑口，使轨底废屑可自动掉下，钢轨头部和腰部废屑也可轻松地挑出(在复杂的专用推瘤机上可将废屑切成三段以上，使所有废屑均可自动掉下)。可采用断屑刀加工法(先加工断口处)或断口处留屑的方法来实现轨底两侧断屑。
- 断屑刀加工法：在推瘤刀轨底外侧处增加两把断屑刀(见图3a)，利用断屑刀先加工断屑处的焊后余高来实现断屑(加工后的断屑形状见图2b)。但采用这种方法时焊机必须要有安装断屑刀的空间。
- 断口处留屑法：将推瘤刀的轨底两侧刀口后缩(见图3b)，使该处刀口部加工焊后余高，来实现断屑(加工后的断屑形状见图2c)。采用这种方法将在钢轨焊接接头轨底两侧留有少量焊后余高，需经打磨除去。
图3 - 比较上述两种方法，考虑到K1000钢轨焊机留有空间位置可安装断屑刀，为了减少推瘤后的打磨工作量，提高加工效率，因此选择断屑刀加工法(方法①，先加工断口处)。两把断屑刀由定位螺栓分别固定在推瘤刀的左右刀片上(见图1)。
- 确定后角
- 为了防止推瘤后焊缝表面拉伤、保证焊缝接头成型美观，推瘤刀口应有一定的后角α；考虑到刀口硬度高难加工同时避免降低刀口的强度，后角α 应距刃口一段距离L(见图4)。图4图5
- 确定刀口尺寸
- 刀口尺寸的确定是实现推瘤加工的关键：如果刀口尺寸过大，推瘤后留下的打磨工作量太大，就失去了推瘤的意义；如果刀口尺寸太小，则有可能在推瘤时损伤母轨，造成损失。此外，由于我国铁道行业标准《钢轨型式尺寸》中规定钢轨腰部最大允许偏差达1mm，其它部分最大允许偏差一般为0.5mm，钢轨尺寸也非完全一致，因此必须选择适当的刀口尺寸。经过分析，确定刀口尺寸比标准钢轨型式尺寸大1～1.5 mm。
- 刀口厚度的确定
- 采用多层堆焊工艺时，为了保证堆焊层具有所需性能，考虑到母材对堆焊层的稀释作用(即稀释率的影响)，刀口厚度应适当增加；而考虑到堆焊材料钴基合金的价格昂贵，刀口厚度则应尽量减少。综合考虑后，确定刀口厚度一般取为8～12mm。
3 推瘤刀的加工
加工K1000钢轨焊机推瘤刀时主要应注意以下问题： - 推瘤刀刀口尺寸为仿钢轨型式尺寸，形状较复杂且需加工后角，因此其关键工序的基准选择应一致，并在相应的数控机床上加工。
- 实施刀口多层堆焊时，为了降低堆焊层稀释率，应采用较小的电流作短弧焊接，增加横向摆动的频率。
- 为了防止刀口堆焊层开裂，焊接前应对推瘤刀预热至200℃～400℃；在焊接过程中，每焊完几道都要进行消除应力处理；推瘤刀刀口堆焊完成后应立即放入干燥箱中保温，然后进行缓冷处理。
- 为了防止焊接后变形过大，在焊接过程中应将推瘤刀压装在专用的工装上，使其向焊接变形的反方向产生预变形s(见图5)，直到焊接后完全冷却。
4 结语
我所研制的用耐热钢作刀体、钴基合金堆焊层作刀口的推瘤刀，经秦沈客运专线的钢轨焊接加工实践证明，完全满足K1000钢轨焊机的综合性能要求，完全可以替代进口推瘤刀。 
