关键词:
闪光焊
焊接接头
冲击磨损
动力学响应
分层磨损
摘要:
钢轨焊接接头是无缝线路的关键组成部分,对保持轨道的连续性和平顺性至关重要。然而,钢轨焊接接头是整条线路的薄弱环节之一,在现代高速、重载和列车运行密度增大等日趋严苛的服役环境下,钢轨焊接接头损伤问题愈加严重。接头处的低塌、压溃、不平顺等使列车通过钢轨焊接接头时会产生强烈的轮轨冲击作用,加剧轮轨损伤,钢轨焊接接头的寿命被极大限制,严重影响列车舒适性及运行安全。因此,迫切需要研究钢轨焊接接头的冲击磨损行为,为提高钢轨焊接接头服役性能和无缝线路的维护提供理论依据与技术支撑。
本文对比分析了U75VG闪光焊焊接接头的显微组织,测试了其硬度分布及力学性能。在可控动能冲击实验平台上开展了恒定动能/变化动能冲击下钢轨焊接接头区的冲击磨损实验。探讨了恒定动能/变化动能冲击下焊接接头不同区域材料(基材、焊缝区和热影响区)冲击损伤的演变。并进一步从能量角度探讨了冲击能量对U75VG闪光焊焊接接头基材、焊缝区和热影响区损伤的影响。通过分析焊接接头各区域材料组织结构形态和裂纹扩展过程,揭示其冲击损伤的演变过程及磨损机制。获得的主要结论如下:
(1)在冲击过程中,材料表面损伤的发展与冲击能量的吸收密切相关。焊接接头受到冲击后,吸收能量的能力从小到大为:基材(BM)<焊缝区(WZ)<热影响区(HAZ)。随着吸收能量的增加,它主要被更严重的塑性变形和磨损所消耗,这导致热影响区容易过早损坏。随着冲击次数的增加,基材(BM)、焊缝区(WZ)和热影响区(HAZ)的能量吸收率逐渐降低。
(2)基材硬度最高,焊缝区次之,热影响区硬度最低。热影响区是钢轨焊接接头抗冲击磨损最弱的区域,在冲击磨损的早期阶段,冲击坑内便表现出广泛的疲劳分层特征。此外,该区域抵抗冲击变形的能力也最差,冲击坑的深度和直径几乎达到基材的2倍。因此,钢轨焊缝附近很容易发生钢轨上的低塌。
(3)热影响区对速度的响应最显著,冲击速度越大,冲击力越大,疤痕面积也越大,材料堆积现象愈发明显。与冲击初期快速塑性变形带来的磨损体积增大相比,冲击中后期的磨损体积增大效应很低,这也是高冲击速度低冲击循环次数下磨损率较低冲击速度高冲击循环次数下磨损率高的原因。但在冲击速度增大时,能量吸收率的变化幅度较小。冲击速度的提高会导致更多的能量用于材料的冲击磨损,但材料吸收能量的能力没有明显的提高。
(4)钢轨焊接接头不同区域的损伤一般经历塑性变形和局部点蚀降解,逐渐演变为以分层为主要失效机制的疲劳磨损,并伴有显著的氧化磨损。其中,焊缝区点蚀损伤的发生比基材更早,且热影响区最容易形成氧化物磨损碎屑层。因此,焊接接头不同区域之间的不同失效机制导致了不均匀轨道磨耗,不可忽视。