激光強化設(shè)備對鋼軌焊接接頭抗磨抗疲勞性能的影響研究

段一平

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

隨著鐵路系統(tǒng)的發(fā)展，連續(xù)焊接鋼軌已被廣泛應(yīng)用。一般來說，鋼軌失效與應(yīng)力狀態(tài)以及車輪和鋼軌之間的力學相互作用有關(guān)。而焊點是焊接軌道的微觀結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，是疲勞裂紋成核和增長的易發(fā)點。且焊接過程會產(chǎn)生不同于母材的殘余應(yīng)力場。之前的許多實驗和計算結(jié)果表明，殘余應(yīng)力分布對鋼軌斷裂機制非常重要。此外，鋼軌材料主要由珠光體組成。熱影響（HA）區(qū)發(fā)生的微結(jié)構(gòu)變化可能會降低焊接接頭的機械性能。以往的研究表明，該區(qū)域通常會出現(xiàn)雪明碳酸鹽球化現(xiàn)象，從而導致局部屈服強度和抗拉強度降低。在焊縫（WB）中，奧氏體晶粒長大和碳化物析出可能發(fā)生在邊界。這些析出物會降低軌道鋼的斷裂韌性。因此，應(yīng)加強焊接接頭的強度，以提高軌道的使用壽命和安全性?；诖?，在本研究中，首先，是研究現(xiàn)場鋼軌焊接接頭的疲勞損傷機理。其次通過實驗室滾動接觸疲勞（RCF）試驗，研究激光淬火（LQ）和激光沖擊噴丸（LSP）2種強化設(shè)備對鋼軌焊接接頭抗磨損和抗疲勞性能的影響。并根據(jù)實驗結(jié)果對LSP和LQ設(shè)備進行比較。

1 現(xiàn)場鋼軌焊接接頭分析

從現(xiàn)場鋼軌軌道上切割出一個焊接接頭，并將其應(yīng)用于小半徑彎曲軌道。鋼軌基材為U75 V熱軋鋼，焊接過程中采用了閃光對焊技術(shù)?？瓦\列車和貨運列車均在該線路上運行。鋼軌焊接接頭在總運輸量約為500 Mt后從現(xiàn)場切割。磨損鋼軌的橫截面如圖1所示。根據(jù)非對稱輪廓，將軌頭分為3個區(qū)域：非接觸區(qū)域、軌頂區(qū)域和側(cè)面磨損區(qū)域。

圖1 軌道焊接接頭在縱向上的硬度

切割軌頭的縱向部分，其中包括焊接點和正常軌道材料。使用維氏硬度計（MVK-H21）在距表面37mm處測量硬度。根據(jù)硬度，焊點在縱向可分為四個不同的區(qū)域：中心線（CL）區(qū)、焊縫（WB）區(qū)、熱影響（HA）區(qū)和母材（BM）區(qū)。其中HA區(qū)之間的WB區(qū)寬度約為130mm。通過對普通鋼軌材料的硬度測量，其硬度值約為318.9HV0.5。此外，設(shè)定HA區(qū)和CL區(qū)的硬度值低于WB區(qū)。

硬度：在WB、HA和BM區(qū)切割了3個橫截面。由于CL區(qū)的厚度非常小，因此沒有在CL區(qū)切割橫截面（圖1）。如圖2所示，在每個橫截面上測量了非接觸區(qū)、軌頂區(qū)和側(cè)磨區(qū)深度方向的硬度。

圖2 鋼道焊接接頭硬度

在非接觸區(qū)（圖2a），隨著深度的增加，所有WB、HA和BM區(qū)的硬度值都略有下降。主要由于軌道磨削工藝的預(yù)防作用。此外，WB和BM區(qū)的硬度均高于HA區(qū)，這與縱向截面上測量到的硬度相符（圖2）。綜上所述，在鋼軌的近表面，WB區(qū)和BM區(qū)的硬度值相似，在400HV0.5和420HV0.5之間（圖2a）。然而，HA區(qū)段的硬度明顯較低，約為340HV0.5。

在鋼軌頂部區(qū)域（圖2b），WB、HA和BM區(qū)的硬度值在400HV0.5和440HV0.5之間，明顯高于非接觸區(qū)域（圖2a）。主要由于車輪和鋼軌之間的滾動滑動相互作用產(chǎn)生了加工硬化過程。此外，隨著深度的增加，硬度也明顯下降，然后達到穩(wěn)定值。這是因為隨著深度的增加，加工硬化效應(yīng)變?nèi)?。而在鋼軌近表面的?cè)面磨損區(qū)域（圖2c），WB、HA和BM區(qū)的硬度值在420HV0.5至460HV0.5之間，高于鋼軌頂部區(qū)域（圖2b）的硬度值。同時，可觀察到硬度隨著深度的增加而降低。但是，加工硬化層比軌頂區(qū)域的加工硬化層稍厚。以HA區(qū)為例，側(cè)磨區(qū)的硬度在7mm左右達到低值（圖2c中的圓形曲線），而軌頂區(qū)的硬度在4mm左右達到低值（圖2b中的圓形曲線）。側(cè)面磨損區(qū)域的表面硬度和加工硬化深度值較高，主要因為車輪與鋼軌的接觸應(yīng)力較大。

2 滾動接觸疲勞

根據(jù)現(xiàn)場鋼軌焊接接頭的分析，焊接接頭的抗疲勞性比普通鋼軌材料差。因此，本研究在焊接接頭上應(yīng)用了兩種激光強化設(shè)備（即LQ和LSP），并利用滾動接觸疲勞測試探討兩種激光強化設(shè)備對抗磨損和抗疲勞性能的影響。

磨損率：每個輥筒的磨損損耗（μg）測量共進行10次。圖3為RCF試驗后滾輪和鋼軌滾筒的平均磨損率（即每滾動距離（m）的平均磨損量（μg））。對于未經(jīng)處理的滾輪，WB滾輪的磨損率（14.4μg/m）低于HA滾輪的磨損率（19.8μg/m），這是因為WB區(qū)的硬度較高。但是，在與WB滾輪滾動滑行時，對撞體（即車輪滾輪）的磨損率要高于與HA滾輪滾動滑行時的磨損率。由于硬質(zhì)馬氏體層的存在，經(jīng)LQ處理的鋼軌軋輥的磨損率（1.2～1.5μg/m）明顯低于未經(jīng)處理的軋輥（14.4～19.8μg/m）（圖3a和b）。磨損率降低了約91.6%～92.4%。然而，在與經(jīng)LQ處理的鋼軌滾子滾動滑行時，對撞體（即滾輪）的磨損率要比與未經(jīng)處理的鋼軌滾輪滾動滑行時高得多。滾輪的磨損率增加了約36.4%～96.9%。且經(jīng)過LSP處理的鋼軌滾筒的磨損率（13.7～17.8μg/m）略低于未處理的滾筒，主要因為經(jīng)過LSP處理的表面硬度略高。磨損率降低了約5.1%～10.1%。但是，與經(jīng)過LSP處理的鋼軌滾筒相比，對撞體（即滾輪）在滾動滑行時的磨損率略高。滾輪磨損率增加了約10.0%～34.6%。

圖3 磨損率

3 結(jié)語

本文首先分析了現(xiàn)場鋼軌焊接接頭的疲勞損傷。之后，探討了兩種激光強化設(shè)備（LQ和LSP）對焊接接頭抗磨損和抗疲勞性能的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

鋼軌焊接接頭根據(jù)硬度和顯微組織可分為4個區(qū)域：CL、WB、HA、BM區(qū)域。HA區(qū)的硬度較低，抗磨性能較差，但抗疲勞性能優(yōu)于WB區(qū)。WB和HA區(qū)的裂紋比BM區(qū)的裂紋更長更深，這意味著，焊接接頭的疲勞損傷比普通鋼軌材料更嚴重。

LQ設(shè)備在焊接接頭上產(chǎn)生了500μm的馬氏體層?？鼓バ阅茱@著提高。且WB和HA鋼軌材料的磨損率分別降低了91.6%和92.4%。而LSP處理后，WB和HA鋼軌材料的磨損率分別降低了5.1%和10.1%。激光淬火設(shè)備可以有效提高鋼軌焊接接頭抗磨抗疲勞性能。