激光強化設備對鋼軌焊接接頭抗磨抗疲勞性能的影響研究

段一平

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

隨著鐵路系統的發展，連續焊接鋼軌已被廣泛應用。一般來說，鋼軌失效與應力狀態以及車輪和鋼軌之間的力學相互作用有關。而焊點是焊接軌道的微觀結構不連續性，是疲勞裂紋成核和增長的易發點。且焊接過程會產生不同于母材的殘余應力場。之前的許多實驗和計算結果表明，殘余應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）區發生的微結構變化可能會降低焊接接頭的機械性能。以往的研究表明，該區域通常會出現雪明碳酸鹽球化現象，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生在邊界。這些析出物會降低軌道鋼的斷裂韌性。因此，應加強焊接接頭的強度，以提高軌道的使用壽命和安全性。基于此，在本研究中，首先，是研究現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種強化設備對鋼軌焊接接頭抗磨損和抗疲勞性能的影響。并根據實驗結果對LSP和LQ設備進行比較。

1 現場鋼軌焊接接頭分析

從現場鋼軌軌道上切割出一個焊接接頭，并將其應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。客運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后從現場切割。磨損鋼軌的橫截面如圖1所示。根據非對稱輪廓，將軌頭分為3個區域：非接觸區域、軌頂區域和側面磨損區域。

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。根據硬度，焊點在縱向可分為四個不同的區域：中心線（CL）區、焊縫（WB）區、熱影響（HA）區和母材（BM）區。其中HA區之間的WB區寬度約為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，設定HA區和CL區的硬度值低于WB區。

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

圖2 鋼道焊接接頭硬度

在非接觸區（圖2a），隨著深度的增加，所有WB、HA和BM區的硬度值都略有下降。主要由于軌道磨削工藝的預防作用。此外，WB和BM區的硬度均高于HA區，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區和BM區的硬度值相似，在400HV0.5和420HV0.5之間（圖2a）。然而，HA區段的硬度明顯較低，約為340HV0.5。

在鋼軌頂部區域（圖2b），WB、HA和BM區的硬度值在400HV0.5和440HV0.5之間，明顯高于非接觸區域（圖2a）。主要由于車輪和鋼軌之間的滾動滑動相互作用產生了加工硬化過程。此外，隨著深度的增加，硬度也明顯下降，然后達到穩定值。這是因為隨著深度的增加，加工硬化效應變弱。而在鋼軌近表面的側面磨損區域（圖2c），WB、HA和BM區的硬度值在420HV0.5至460HV0.5之間，高于鋼軌頂部區域（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域的加工硬化層稍厚。以HA區為例，側磨區的硬度在7mm左右達到低值（圖2c中的圓形曲線），而軌頂區的硬度在4mm左右達到低值（圖2b中的圓形曲線）。側面磨損區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力較大。

2 滾動接觸疲勞

根據現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用了兩種激光強化設備（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。由于硬質馬氏體層的存在，經LQ處理的鋼軌軋輥的磨損率（1.2～1.5μg/m）明顯低于未經處理的軋輥（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 結語

本文首先分析了現場鋼軌焊接接頭的疲勞損傷。之后，探討了兩種激光強化設備（LQ和LSP）對焊接接頭抗磨損和抗疲勞性能的影響。可以得出以下結論：

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

LQ設備在焊接接頭上產生了500μm的馬氏體層。抗磨性能顯著提高。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%。激光淬火設備可以有效提高鋼軌焊接接頭抗磨抗疲勞性能。