CN101252861A

CN101252861A - 通过超声冲击处理改进焊轨接头性质质量和可靠性的方法

Info

Publication number: CN101252861A
Application number: CNA2006800321608A
Authority: CN
Inventors: E·S·斯塔尼科夫; V·Y·科罗斯特尔; V·维泰亚泽夫; O·科罗尔科夫
Original assignee: UIT LLC
Current assignee: U I T 有限责任公司; UIT LLC
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: TW200714717A; KR20080032138A; CN101252861B; JP2008544861A; KR101346968B1; WO2007005080A2; US20060016858A1; EP1898759A2; WO2007005080A3; JP5797369B2; TWI316550B

Abstract

披露了一种通过在焊接之前、在焊接过程中、在焊接之后或者在对用旧了的轨道进行修补的过程中利用超声冲击处理(UIT)工艺对焊接接头进行再加工从而对通过焊接联接在一起的轨道的部段的性能作出改进的方法，所述再加工包括围绕接头和/或一定长度的轨道对接头进行的处理，以便改进焊接轨道部段的疲劳寿命和/或其它性质。所述方法使得减少了应力缺陷且提供了轨道的焊接接缝附近的内应力型式的再分布。所述超声冲击处理提供了对焊接轨道中的表面进行的周期性脉冲能量冲击处理从而引发出内部压缩波，所述内部压缩波在轨道的焊接接缝附近或在轨道本身中引发产生了金属塑性状态。

Description

通过超声冲击处理改进焊轨接头性质质量和可靠性的方法

技术领域

本发明涉及通过在焊接之前、在焊接过程中、在焊接之后或者在对用旧了的轨道进行修补的过程中利用超声冲击处理(UIT)工艺对焊接接头进行再加工从而对通过焊接联接在一起的轨道的部段的性能作出的改进，所述焊接例如是热焊或者热剂焊接，如铝热焊或者铜热焊，以及例如电弧焊接、气体压力焊接和闪光焊等焊接工艺，所述再加工包括通过超声冲击工具以手动或自动的方式连续或分批地施加超声冲击处理从而围绕接头和/或一定长度的轨道对接头进行的处理，其目的在于改善焊接轨道部段的疲劳寿命和/或其它性质。

背景技术

轨道被用来提供一种用于铁路和地铁机车车辆、有轨电车、机车、单轨、电车以及其它活动的、旋转的和转动的结构的运输手段。轨道必须满足所在国家规定的各种标准和规范。轨道可由适当的材料制成并且以适当的方式例如通过热剂焊接被联接在一起。在对轨道进行热剂焊接的过程中，化学反应导致产生了热剂焊接钢(thermite steel)，这使得形成了具有铸造结构的焊接部(weld)。由于不充分的预热或者由于在焊接面之间存在过大的间隙而使得产生的不良熔合可能导致在焊接过程中在轨道中出现裂纹。移位的轨道端部也可能导致出现裂纹。焊接轨道的其它缺陷包括不完全的焊透和热结晶裂纹。

轨道接头，例如用于桥式起重机和轨道车通行的轨道接头，通常会经受高载荷循环、高车轮载荷和接触应力的作用。被用旧、受损、破裂或分离开的轨道接头可能会给运输工业带来严重且昂贵的问题。因此，使列车和生产用起重机以高效率且在维护修补时间和成本都较低的情况下来进行安全且可靠的运行是很关键的。因此，可靠的轨道条件对于起重机或列车良好的运行而言是必要的。

更特别地，许多轨道问题是由被用旧、受损和/或分离开的接头失效所带来的。劣化的轨道接头导致在起重机/列车和支承结构上产生了高冲击载荷，所述支承结构例如为大梁、桥梁和建筑物支柱。已经发现：冲击载荷促使产生了车轮轴承断裂和轴的破裂并且使得加快了车轮转向架、轨道车和结构性构件中疲劳裂纹的产生。此外，由于起重机/列车的运转而在有缺陷的轨道接头上产生的冲击振动会导致起重机/列车内的其它部件产生失效或损伤。

由于修补轨道接头是昂贵的和/或并不存在快捷且容易的解决方案，从而带来许多问题。许多年来，已经采用了多种轨道联接方法来修补和/或防止轨道裂纹和轨道接头失效。这些轨道联接方法包括拼接板螺栓连接、电弧焊接、热剂焊接、闪光对接焊和气体压力焊接。在这些方法中，热剂焊接工艺尤其由于成本方面的优点而因此是轨道网络中最常用的工艺。然而，闪光对接焊工艺更经常地用于敷设新轨道的情况下。

闪光对接焊是一种提供了高质量接头的方法，与其它联接方法相比，该高质量接头有最强的耐破裂性。此外，闪光焊接部不会被磨耗(battering out)，而这是其它联接方法所遇到的共同的问题。通过闪光对接焊工艺联接的轨道代表了接近真正连续轨道的条件。闪光对接焊工艺是一种用来联接轨道部段的自动工艺。通过被充电的焊接机使轨道的长度对齐且轨道的端部被置于一起。当端部进行接触时，形成了电弧，使得在不利用焊条的情况下端部被熔融并焊接在一起。整个焊接工艺耗时约2至3分钟且所得的接头是坚固且均匀的且失效的风险较低。

通过电弧焊接获得良好的焊接接头是困难且耗时的过程，通常需要10至12小时才能完成且需要具有高技能的操作者。电弧焊接技术需要在轨道头部的端部处具有35°的全斜角、在轨腹上具有35°的双斜角且在轨底的上侧上具有35°的全斜角。在焊接前需要通过焊接接头对轨道进行对准以便确保平直度。通常通过位于接头开口下方中心处的8乘以2乘以1/4英寸的铜垫片确定出1/8英寸的根部间隙。该垫片用作用于初始焊头的垫板且提供了有助于补偿随着焊接部的冷却而出现的收缩性扭曲的垂直弧面。轨道端部被预热至500且在焊接过程中被保持在该温度下。在两侧上交替地顺序进行对轨道的底部、腹部和头部的焊接。为了确保完全的焊透，有必要采取专门的措施来避免异物、熔渣等的夹带。随后通过磨削且随后焊后加热至700来去除过多的焊接材料。通过绝缘覆层来防止焊接部受到雨或雪和环境低温的作用。应该允许将接头尽可能缓慢地冷却至环境温度。

目前，电弧焊接继续得以普遍使用且被用于特定应用情况下并提供了可接受的接头。然而，长度为约3英寸的磨耗效应是固有的磨损特性。由于无法识别出这种状态的开始阶段且由于采取了早期的矫正作用，因此使得磨耗区域被深化并且因此使得在车轮穿过接头时产生了更高的冲击，由此导致产生破裂。

接头的拼接板螺栓连接首先被用作修补方法且随后被用于对项目体进行复轨(for rerailing project)。为了有助于减少所需接头的数量，60英尺的轨道长度成为标准长度。起初，起重机/列车在新的螺栓连接的接头上安静且平滑地运行。然而，在几个月内，端部被磨耗且被切碎。为了使乘车变得平稳，要进行焊接修补。这些焊接修补被证明仅仅是暂时的解决方案且需要被频繁地重复。螺栓连接的接头的其它特性还使得修补活动复杂化并且削弱了其合意性。

由于存在来自拼接板、轨夹和螺栓的干扰，因此在切去缺陷后用千斤顶降下轨道以便闭合间隙的作法并不令人满意。此外，轨夹必须在拼接板处被除去且螺栓被拧松且在轨道端部之间出现了间隙。此外，出现了轨道在弱化螺栓孔区域处被穿透的事件。目前，通常认为，拼接板螺栓连接的接头在某些轨道应用中被视为是不可接受的。

在轨道的热剂焊接工艺中，在铝与铁的氧化物之间进行的高度放热的反应导致产生了熔融的钢，所述熔融的钢被浇注入围绕着要被焊接到间隙的模型内。过热的熔融金属导致轨道在要被焊接的间隙的边缘处产生熔化且还用作填料金属，以使得来自轨道的材料随着其固化而与添加的熔融钢相结合并与其联接，从而形成了焊接部。

用于进行热剂焊接的过程通常发生在被切成方形的轨道以及被制备成处于预定界限内的要被焊接的间隙上。通过刷用钢丝或磨具对要被焊接的边缘进行机械清洁以便除去锈迹、毛刺、氧化物或油脂污染物。钢质的长且直的边缘被用来对齐轨道头部的运行边缘。轨道端部被“尖顶化(peaked)”以便适应在热剂焊接钢的固化和冷却过程中产生的收缩。如果并未进行轨道的“提升(rising)”，则接头将由于在冷却之后轨道头部(在所述轨道头部处有更多的材料且因此冷却更为缓慢)与轨足之间的差别冷却而产生下垂。下垂的接头使得乘坐变得不舒服且成为了轨道的维护问题。这种接头将受到由于动力增量而导致产生的更大应力的作用。

用于坩埚和焊炬的垫座随后在适当位置处且在焊接间隙的相对侧上被固定在轨道头部上，并且通过将预热燃烧器或焊炬放置在焊炬垫座上来检查并调节该焊炬垫座的高度，所述焊炬垫座随后被除去并被置于一旁以便稍后使用。随后选择适当轨道部段的一组预制模型。模型被置于模瓦(mold shoe)，即夹具中，并利用封泥沙(luting sand)对所述模瓦进行适当地密封。模型应该被放置在间隙上方的中心，原因在于否则的话，在浇注熔融金属时，一个轨道端部将获得比另一端部更多的热量且在该另一轨道处可能发生不完全的金属熔合。出渣盘(slag bowl)被附接到模型底座上以便收集在浇注过程中溢出的熔渣和熔融金属。衬有镁石的坩埚在转动的坩埚垫座上并且在适当的高度处且在被对齐的情况下被罩住。合箱销随后被置于底部处且位于开口上。销的头部被约5克的石棉粉末所覆盖，以使得当其与熔融金属接触且发生过“自动出渣(auto tapping)”时，该头部不会熔化。坩埚被摆动离开轨道且部分(产生了熔融金属的自燃混合物)被浇注到坩埚上且例如被堆成锥形形状。

在利用商用汽缸和氧的情况下，预热燃烧器或焊炬被点燃且对火焰进行调整。该焊炬被置于其底座上，所述底座被固定在间隙上，且火焰通过中心开口被引导到模型上。对于每个轨道部段而言，火焰对轨道端部加热达特定时间，且采用了预热气体。当完成预热时，通过点燃发火物(sparkler)并将其放置在坩埚内来启动热剂焊接反应。该反应的出现达到了预定时间且允许熔渣与熔融金属分离开。

其后，合箱销从外部被抽出，因此将金属释放进入模型的顶部中心腔体内。其后，坩埚和焊炬底座被除去。在固化后，但在金属仍然处于赤热状态时，通过手工凿削或利用液压焊接部清理机来除去轨道头部(头部冒口)上任何过多的热剂焊接钢。剩余的难熔金属被除去且附接到焊接部足部的轴颈上的钢质泄放冒口被折断。楔块随后被除去且被除去的任何紧固件被重新固定且轨道头部被接地。

在热剂焊接反应中，铝与铁的氧化物特别是三氧化二铁在高度放热的反应中进行反应，将铁的氧化物还原成游离铁，且形成了铝的氧化物的熔渣。该反应可如下所示：

3Fe₃O₄+8Al＝4Al₂O₃+9Fe(3088℃，719.3kCal↑)

3FeO+2Al＝Al₂O₃+3Fe(2500℃，187.1kCal↑)

Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe(2960℃，181.5kCal↑)

以适当比例利用各种铁的氧化物以便获得具有适当的所得数量和温度的熔融金属。适当的等量熔融钢和液态的铝的氧化物在几秒钟的放热反应之后在约2400℃下被分离。从该反应所获得的铁是软的且不可用作用于联接轨道的焊接金属。为了产生具有适当成分的合金，合金如铁锰合金与低碳钢的碎片一起均作为用来允许迅速溶于熔融铁中的小颗粒而被添加到混合物中以便控制温度并提高“金属回收率(metalrecovery)”。通过添加化合物如碳酸钙和氟石使得在短时间内就实现了完全的熔渣分离且使得获得了熔融金属的更好的流动性。

需要对轨道端部预热(至约1000℃)以便有助于被浇注的熔融金属将轨道端部上的表面氧化物冲走，原因在于不然的话，熔融金属可能在与冷的轨道端部接触时迅速变冷并固化，而不会冲走表面氧化物。

尽管热剂焊接为联接轨道提供了多种优点，但热剂焊接可能存在问题。与热剂焊接相关联的问题包括，但不限于，低拉伸延展性、低冲击韧性、粗晶粒枝晶微观结构、夹杂物和多孔性、内部裂纹的发生、裂纹易于扩展、孔隙成为严重缺陷、砂进入焊接部内以及疲劳失效。本发明解决了与热剂焊接相关联的这些问题和缺点。

发明内容

通过根据本发明的超声冲击处理而使得实现了内应力的降低、补偿和再分布且使得在轨道的焊接接缝中产生了有利的压缩应力。这种结果是通过对焊接轨道中的表面进行周期性脉冲能量冲击处理以便引发出内部压缩波而实现的，所述内部压缩波在轨道的焊接接缝附近或在轨道本身中引发产生了金属塑性状态。

因此，根据本发明，超声冲击技术无损表面处理步骤通过压缩波型而在焊接轨道中的焊接部附近形成了塑性状态，所述压缩波型使应力松弛且引入了使焊接部位被大大增强的应力梯度型式。在焊接轨道中所导致产生的内部梯度微观结构型式避免了微观应力集中边界的形成，所述微观应力集中边界通常以焊接部附近的金属晶粒结构为中心。这导致焊接轨道具有更长的寿命和更高的载荷承载能力。这种超声冲击处理步骤在起初的产品制造、维护操作、以及对应力疲劳或灾变失效进行的用来恢复寿命的处理过程中是有用的。

在本发明的一个实施例中，超声冲击处理换能器头位于焊接轨道表面上与其间隔达超声波波长的四分之一的倍数的距离处，所述超声波在一定体积的焊接部内产生了超声的且具有脉冲性的应力，该应力足以使残余应力松弛并影响焊接金属和热影响区带的微观结构。焊接区域处的温度在从环境温度至熔融金属温度的范围内变化。超声换能器头可以是活动的以便确保超声波的波节点和波腹点沿焊接接头部段进行位移，或者所述超声换能器头在利用例如在具有共振尺寸的区域中“扫描”激发载波频率的方式来控制超声波的节点和腹点位置的过程中可以是固定的，所述在具有共振尺寸的区域中“扫描”激发载波频率的方式对应于使多频从更低的多频向更高的多频进行变化且反之亦然。超声换能器头被安装在焊接部的表面处或邻近区域处；所述表面的温度可从环境温度向材料塑性温度进行变化。超声换能器头沿焊接部或热影响区带的表面进行移动、在表面层中形成了具有有利的压缩应力的塑性变形区域、并且通过所述区域在材料中引发出超声波，伴随而来地发生了超声应力和变形的分布，该分布足以释放残余应力并影响焊接金属和热影响区带的微观结构。

通过超声冲击处理对焊接接头进行的处理提供了以下效应中的至少一种效应：

-提高了韧性、接触强度、对热和收缩尺寸变化的抵抗力、低周和高周持久性、对腐蚀和腐蚀疲劳损伤的耐受性、在可变载荷下的耐久极限和冲击阻力；

-与实际标准相比提高了对于材料强度而言的保证的最大可允许载荷；

-在焊接部的剖面中、热影响区带(HAZ)中以及焊趾中提供了均匀性得到保证的细晶粒结构；

-增加了液相焊接材料的产量；

-提供了脱气的焊接材料；

-由于使液态金属在超声冲击处理脉冲的效应下从熔池的中心进行移动而因此使得优化了在焊接部的边界处的鼓风冷却区域中的热交换和质量交换；

-由于超声冲击处理脉冲的作用所致的现象而因此使得抑制了以孔隙、液化裂纹、不稳定相、晶粒间沉积物和损伤以及不良熔合的形式存在的微观和宏观缺陷；

-控制了第一类、第二类和第三类应力和结构变形；

-控制了由对材料挠曲模式(material deflected mode)以及晶粒、子晶粒和镶嵌(mosaic)结构产生的影响所决定的材料性质；

-优化了拉伸应力区域中的焊接部和热影响区带金属的挠曲模式；

-基于在超声冲击处理效应下改进了的工艺可靠性和接头质量而使得扩展了技术参数的范围且使得当对焊接接头进行制备来进行焊接时以及在焊接过程中的限制最小化；以及

-改进了焊接接头的焊接后热处理工艺的统计学可靠性且取消了对焊接接头进行的热处理。

附图说明

下面参见附图，其中：

图1示意性地示出了在焊接过程中在波应力腹点区域中的激发过程中的本发明的超声振荡；

图2示意性地示出了在焊接过程中在行波腹点(travel antinode)区域中的激发过程中的本发明的超声振荡；

图3示意性地示出了在焊接过程中的激发过程中的沿纵剖面的本发明的超声振荡；

图4示意性地示出了在轨道底部接头上实施的本发明的超声冲击处理方法；

图5示意性地示出了本发明的超声冲击处理工具的一个实施例；

图6示意性地示出了利用图5所示的工具沿焊接部轮廓对焊接部进行的机械化超声冲击处理；

图7示意性地示出了利用手动超声冲击处理工具沿焊接接头轮廓对焊接部进行的超声冲击处理；

图8是图7所示的焊接接头的侧视图；

图9(a)示意性地示出了并未受到超声冲击处理且具有热裂纹的轨道；

图9(b)示意性地示出了并未受到超声冲击处理且具有气孔的轨道；

图9(c)示意性地示出了并未受到超声冲击处理且具有孔隙的轨道；

图9(d)示意性地示出了并未受到超声冲击处理且具有熔渣夹杂物的轨道；

图9(e)示意性地示出了并未受到超声冲击处理且具有不良熔合处的轨道；

图10(a)示意性地示出了已经通过超声冲击处理进行焊接的轨道，且如图所示消除了图9(a)所示的热裂纹；

图10(b)示意性地示出了已经通过超声冲击处理进行焊接的轨道，且如图所示消除了图9(b)所示的气孔；

图10(c)示意性地示出了已经通过超声冲击处理进行焊接的轨道，且如图所示消除了图9(c)所示的孔隙；

图10(d)示意性地示出了已经通过超声冲击处理进行焊接的轨道，且如图所示消除了图9(d)所示的熔渣夹杂物；

图10(e)示意性地示出了已经通过超声冲击处理进行焊接的轨道，且如图所示消除了图9(e)所示的不良熔合处；

图11是轨道的示图，图中示出了疲劳裂纹的起始部位；

图12(a)和图12(b)示出了轨道的剖面，图中示出了介于焊接填充材料与轨底金属之间的经过处理的区域和轨道材料上的与该经过处理的区域相邻的热影响区带；

图13示出了经过超声冲击处理的轨道底部的底侧；

图14示出了经过超声冲击处理的图13所示的轨道底部的详图；

图15示出了经过超声冲击处理的轨道腹部的详图；

图16示出了经过超声冲击处理的轨道头部的详图；

图17示出了用来在轨道上实施疲劳试验的MTS试验机；

图18示出了在图17所示的MTS试验机上实施的疲劳试验的示意图；

图19示出了具有沿一定方向的断裂部的样品1的轨道的侧视图；

图20示出了样品1的轨道(底部)的底侧，且图中示出了沿一定方向的断裂部；

图21示出了样品1的轨道的端视图，且图中示出了断裂部的表面；

图22示出了邻近图21所示的轨道底部的底侧的断裂部表面的详图；

图23示出了样品2的轨道的侧视图，且图中示出了沿一定方向的断裂部；

图24示出了图23所示的轨道(底部)的底视图，且图中示出了沿一定方向的断裂部；

图25示出了样品2的轨道的端视图，且图中示出了断裂部表面的总体视图；

图26示出了邻近图25所示的轨道底部的底侧的断裂部起始处的详图；

图27示出了样品3的轨道(底部)的侧视图，且图中示出了沿一定方向的断裂部；

图28示出了样品3的轨道的端视图，且图中示出了断裂部的表面；

图29示出了图28所示的轨道的断裂部起始区域的详图；

图30是对图19-图29所示的样品1-3所进行的疲劳试验结果的总结性图表；

图31是在轨道底部的底侧处的热剂焊接部的剖视图；

图32示出了在图31所示的轨道底部(左侧)处的从焊接部至焊接部的底侧上的轨道底部处的轨底的过渡区域；

图33示出了在图31被拆裂之后的从焊接部至焊接部的底侧上的轨道底部(右侧)处的轨底的过渡区域；

图34示出了图32中的被框住的区域在更高放大率下的详图；

图35示出了图33中的被框住的区域在更高放大率下的详图；

图36示出了图34中的被框住的区域中的变形在更高放大率下的详图，图中示出了由于进行了超声冲击处理而导致产生的100μm的最大变形深度；和

图37示出了图35中的被框住的区域中的变形在更高放大率下的详图，图中示出了由于进行了超声冲击处理而导致产生的80μm的最大变形深度。

具体实施方式

本发明涉及通过在焊接之前、在焊接过程中、在焊接之后或者在对轨道进行修补的过程中利用超声冲击处理(UIT)工艺对焊接接头进行再加工从而对通过焊接联接在一起的轨道的部段的性能作出的改进，所述焊接例如是热焊或者热剂焊接，如铝热焊或铜热焊，以及例如电弧焊接、气体压力焊接和闪光焊等焊接工艺，所述再加工包括通过超声冲击工具以手动或自动的方式连续或分批地施加超声冲击处理从而围绕接头和/或一定长度的轨道对接头进行的处理，其目的在于改进焊接轨道部段的疲劳寿命和/或其它性质。

施加的脉冲能量以在焊接接合处与轨道中的轨底部位之间形成了渐小的梯度应力型式的方式而在轨道内产生了压缩波。这消除了应力缺陷和不可预知或不受控制的应力型式，所述应力缺陷和不可预知或不受控制的应力型式降低了总的产品载荷承载能力且引入了易于产生失效和疲劳的区带。为了优化有效性，冲击处理优选是以超声方式引发的。

总的来说，本发明通过在生产、维护和修补的各个阶段对焊接轨道的内部微观结构进行再加工以便对焊接部附近或轨道本身中的结构应力型式进行释放和再分布从而修正现有技术中的缺陷。该过程消除了临界应力型式或集中或使得所述临界应力型式或集中最小化，所述临界应力型式或集中会缩短轨道的寿命并降低轨道的载荷承载能力。因此，应用本发明提供的超声冲击技术使得替代了一些现有技术中的技术性操作且用来改进焊接轨道的载荷承载能力以及应力集中中心的减少，所述应力集中中心会导致产生疲劳、应力腐蚀和灾变失效。

因此，根据本发明，超声冲击技术无损表面处理步骤通过压缩波型而在焊接轨道中的焊接部附近形成了塑性状态，所述压缩波型使应力松弛且引入了使焊接部位被大大增强的应力梯度型式。在焊接轨道中所导致产生的内部梯度微观结构型式避免了微观应力集中边界的形成，所述微观应力集中边界通常以焊接部附近的金属晶粒结构为中心。这导致焊接轨道具有更长的寿命和更高的载荷承载能力和得以增强的耐磨性。这种超声冲击处理步骤在起初的产品制造、维护操作、以及对应力疲劳或灾变失效进行的用来恢复寿命的处理过程中是有用的。

在对缺陷如裂纹进行修补的技术性操作中，本发明的特征在于具有超声冲击处理的基本方法步骤，除了所述基本方法步骤以外，还存在对尖锐边缘进行斜切的机械变形步骤以及将支撑结构焊接到焊接轨道上作为用于释放内部残余应力缺陷并影响裂纹形成和发展的动力学的进一步的手段的附加步骤。在本发明的实施例中，超声冲击处理换能器头位于焊接轨道表面上与其间隔达超声波波长的四分之一的倍数的距离处，所述超声波在一定体积的焊接部内产生了超声的且具有脉冲性的应力，该应力足以使残余应力松弛并影响焊接金属和热影响区带的微观结构。焊接区域处的温度在从环境温度至熔融金属温度的范围内变化。超声换能器头可以是活动的以便确保超声波的波节点和波腹点沿焊接接头部段进行位移，或者所述超声换能器头在利用例如在具有共振尺寸的区域中“扫描”激发载波频率的方式来控制超声波的节点和腹点位置的过程中可以是固定的，所述在具有共振尺寸的区域中“扫描”激发载波频率的方式对应于使多频从更低的多频向更高的多频进行变化且反之亦然。超声换能器头被安装在焊接部的表面处或邻近区域处；所述表面的温度可从环境温度向材料塑性温度进行变化。超声换能器头沿焊接部或热影响区带的表面进行移动、在表面层中形成了具有有利的压缩应力的塑性变形区域、并且通过所述区域在材料中引发出超声波，伴随而来地发生了超声应力和变形的分布，该分布足以释放残余应力并影响焊接金属和热影响区带的微观结构。

因此，本发明提供了一种在初始焊接时对轨道进行处理以便增加其载荷承载寿命和强度的无损变形方法，所述方法使得需要最少的步骤或技术性操作，所述方法包括：优选采用具有一定频率和幅值的超声波周期性冲击能量而在轨道外表面上的一定部位处被焊接的接缝附近的轨道的外表面或焊接部或接头处无损地引发脉冲冲击能量、在轨道内部引发暂时的塑性区带，所述暂时的塑性区带是由位于焊接接缝接合处附近且包括所述焊接接缝接合处的内部压缩波型引发的，由此对轨道的内部晶体结构进行重新布置从而产生了具有一定型式的晶粒结构，且轨道表面处的焊接接缝接合处构成了大体上无晶粒的白层，从而引起了被导向轨道中的内部基点的应力梯度型式。所产生的晶粒结构梯度基本上没有倾向于集中在晶界处的内部微观应力中心且因此在该梯度范围内消除了相当多的在除去超声波能量且相关的暂时塑性状态被终止之后保留在轨道中的晶界应力中心微观缺陷。

按照前述实施例所示的这种方式，本发明提供了一种在初始生产工艺过程中、在焊接过程中、在焊接之后、或者在对用旧了的轨道进行修补的过程中对轨道进行处理以便增加其载荷承载寿命和强度的新颖的方法，所述方法具有下文将结合本发明的实施例进行详述的其它优点、特征和实施例。

本发明还包括一种对轨道中的灾变失效如断裂部或裂纹进行修补的方法。此外，尽管该修补方法在最低程度上利用了专用工具，但该修补方法在释放裂纹区域中的内部残余应力、形成具有增强的强度性质的塑性变形区带、减少内部微观结构应力的缺陷和集中因素、在接近裂纹且邻近焊接接缝接合处的边界层中形成有利的压缩应力区域、形成从焊缝延伸进入轨道内的梯度应力型式从而由此降低了轨道的焊接接头中的外部应力和内应力、并且减轻或防止在处理之后的轨道使用寿命期间产生进一步的裂纹发展和应力疲劳失效的方面是存在仪器性的。通过进一步损伤性地去除沿裂纹的尖锐边缘结构和裂纹端部的应力中心，还使得附加地大大延长了预期的更新寿命并减轻了应力疲劳。

本发明的方法还基于利用超声冲击处理作为控制由特定的可靠性标准决定的焊接接头的状态和性质的手段而提供了提高电流限制标准的方式。可靠性标准包括焊接接头的下列机械特性：屈服强度、极限强度、冲击强度和耐疲劳性(所述耐疲劳性是基于在顾客指定的循环次数下的疲劳极限而评估得到的)。该标准可用于(a)在焊接部和热影响区带上的局部超声冲击处理；(b)在离开焊接部的位置处沿着轨道长度和在轨道剖面中在焊接接头的低频振荡的谐振下进行的远程超声冲击处理，所述处理是由应力和行波腹点的区域中的超声脉冲引发的；或(c)根据工作条件而在焊接过程中或者在焊接后随着标准化的加热而对冷却金属进行的远程超声冲击处理。可通过利用下文详述的手持的便携式和/或机械化的超声冲击处理工具来实施超声冲击处理过程。

本发明的方法提供了基于上面的超声冲击处理过程来增加结果的一致性且使结果的分散性最小化从而作为在铁路上的载荷持续增长的条件下保证焊接接头的预定质量和可靠性的手段的方式。在标准试验中，结果的分散性达到60％是众所周知的常识。在超声冲击处理之后的分散性则不超过15％。

通过根据本发明的超声冲击处理对热剂焊接接头和轨道进行处理改进了焊接部、接头和轨道的特性和/或性质和/或提供了焊接部、接头和轨道的新特性和/或性质，正如下文所详述地那样。改进的和/或新的特性和/或性质可以是在焊接前、在焊接过程中、在焊接后和/或在轨道的修补过程中获得的。此外，焊接接头或轨道具有的这些改进的和/或新的性质使得扩展了利用超声冲击处理来制造和维修轨道而不仅是修补焊接接头的热剂焊接和其它类型的焊接的应用。受到超声冲击处理的焊接接头所具有的改进的和/或新的性质可包括，但不限于，在焊接部、热影响区带(HAZ)、焊趾、索氏体结构和贝氏体结构中具有细晶粒和良好的晶粒均匀性，且消除了缺陷如热裂纹、气孔、孔隙、熔渣夹杂物和不良熔合。此外，受到与对轨道进行的热剂焊接或其它类型的焊接相结合的超声冲击处理的轨道的底部材料的其它性质包括提高了冲击强度、接触强度、对热和收缩尺寸变化的耐受性、低周和高周强度、对腐蚀和腐蚀疲劳损伤的耐受性、在可变载荷下的疲劳极限和冲击阻力、以及与目前的标准相比增加了在材料强度水平下的保证的最大可允许载荷。

通过将超声冲击处理施加到热剂焊接部和围绕该焊接部的区域上从而实现的焊接接头所具有的改进的和新的结构性质还包括，但不限于：增加了液相焊接材料的产量；由于使液态金属在超声冲击处理脉冲的效应下从熔池的中心进行移动而因此使得优化了在焊接部的边界处的鼓风冷却区域中的热交换和质量交换；并且通过超声冲击处理脉冲的作用而导致抑制了以孔隙、液化裂纹、不稳定相、晶粒间沉积物和损伤以及不良熔合的形式存在的微观和宏观缺陷。图9(a)-图9(e)和图10(a)-图10(e)示出了焊接缺陷的实例，如图所示，通过利用焊接以及超声冲击处理而使得这些缺陷最小化。

本发明的方法还提供了对第一类、第二类和第三类应力和结构变形的控制和对由在晶粒、子晶粒和镶嵌块的水平上对材料的应力变形状态和结构的影响所决定的材料性质的控制。上面列举的效应是改变的超声冲击直接作用的结果，所述超声冲击的模式是根据任务来设定的。受控的参数包括在载荷下的超声换能器振荡的幅值和频率、取决于受处理材料的性质的回弹的模式和参数。

本发明的方法还提供了在拉伸应力的作用区域中的焊接金属和热影响区带的优化的挠曲模式，所述拉伸应力的作用区域(1)在焊接接头的剖面中且在其表面上；(2)在焊接接头金属和表面中的应力集中区域中、轨道头部、壁部和足部以及介于单元之间的轨脚(fillet)区域中的轨道边缘上的应力集中区域中；(3)在焊接部与热影响区带金属之间以及热影响区带与轨道底部金属之间的过渡区域中；并且(4)在修补位置上。

此外，本发明的方法基于在超声冲击处理效应下改进了的工艺可靠性和接头质量而使得提供了技术参数的扩展的范围且使得当对焊接接头进行制备以便进行焊接时和在焊接过程中的限制最小化。所述技术参数(更准确地说是技术需求)包括：(a)进行接头制备以便进行焊接的需求：对与边缘垂直的间隙进行斜切；(b)焊接条件：热输入(用于进行电弧焊接的电流和电压)、速度、电极直径、预先加热和同时加热的温度；和(c)焊接消耗品：每单位长度或单位体积的焊接部所消耗的焊接消耗品的类型、化学成分、量。改进的工艺可靠性意味着可能提供生产对象的稳定的可再生产的性能，且使得焊接接头的物理-机械性质的分散性最小化。改进的工艺可靠性是通过对使得获得了生产对象的预定性能的工艺参数进行精细控制的可能性来提供的。

本方法还使得基于本发明的超声冲击处理过程而改进了焊接接头的焊接后热处理工艺的统计学可靠性且还消除了对焊接接头进行的热处理，所述焊接接头具有特定材料性质和介于其元件的剖面区域之间的特定比率。

本方法提供了一种在焊接和超声冲击处理过程中对焊接接头进行质量控制的手段。该方法基于与用于高质量的参考值进行比较而对幅值和频率特性进行的分析而利用反伸缩(back-striction)信号在改变了材料条件并满足了其规范的超声冲击处理过程中提供主动控制。该方法旨在基于与高质量参考样品制造工艺的特性进行比较而对幅值-频率特性进行的分析而利用反磁致伸缩(back-striction)信号来对材料条件变化和材料对标准需求的相符性进行就地工艺控制(在超声冲击处理过程中)。由各种工艺引发的且在焊接过程中出现的焊接接头中的不规则性改变了反磁致伸缩信号的幅值和频率特性。在特性与高质量参考样品的特性之间进行比较的结果在工艺过程中被实时记录并且用来进行就地工艺控制。主动控制使得产生了管控超声冲击处理参数的信号从而在最大程度上接近了高质量的参考值，由此导致在超声冲击处理过程中对工艺进行主动控制和管理，由此使得取代了在处理之后进行的被动控制。

根据本发明的方法，为了评价和预测服役中的轨道焊接接头的状态，利用了移动的声学监控系统。该系统采用了在焊接区域处的轨道对于标准化冲击的响应信号。对上述信号的参数进行数学处理以及将所述参数与在焊接接头上进行了第一次超声冲击处理操作之后获得的和/或在制造高质量参考样品的过程中记录的结果进行的比较使得允许预测轨道状态或检查该轨道与当前标准的相符性。

利用本发明的方法，当轨道处于服役中时对焊接轨道接头的状态进行评价和预测成为可能。这是通过基于利用焊接部中的轨道对标准化冲击的响应信号且对与在焊接接头的初始超声冲击处理之后获得的结果和/或用于高质量的参考信号的参数进行比较的焊接部性质进行的数学处理的本发明的方法的便携实施方式来实现的。该响应信号是换能器的反磁致伸缩电压的示波器图或示波器图的数字化表述。示波器图或其数字化表述的形式是由受到处理的表面对超声标准化冲击的响应而导致产生的。该信号具有与经过处理的对象的状态相关的信息化功能。参考信号的参数反映了对应于在制造出高质量参考样品或者标准接头之后从该高质量参考样品或者从标准接头获得的用来进行进一步监控的响应信号的值。

与焊接轨道相关的一些缺陷包括引入的压缩应力或释放了拉伸应力、内部缺陷的存在、根据由Q因子和表面硬度表达的内摩擦标准的粒度。这些特性可易于通过反伸缩参数来确定。主要的反伸缩信号参数包括频率、幅值、相和阻尼因子。

通过超声冲击处理对热剂焊接接头进行的处理提供了以下效应中的至少一种效应：

-提高了韧性、接触强度、对热和收缩尺寸变化的耐受性、低周和高周持久性、对腐蚀和腐蚀疲劳损伤的耐受性、在可变载荷下的耐久极限和冲击阻力；

-增加了液相焊接材料的产量；

-提供了脱气的焊接材料；

-控制了第一类、第二类和第三类应力和结构变形；

-控制了通过对材料挠曲模式以及晶粒、子晶粒和镶嵌结构产生影响所决定的材料性质；

-改进了焊接接头的焊接后热处理工艺的统计学可靠性且消除了对焊接接头进行的热处理。

如图1-3所示，本发明的超声振荡在焊接过程中或者在焊接后被引入轨道内。根据工作条件优选在冷却金属上、在焊接过程中或者在焊接后随着标准化的加热而实施超声冲击处理。图1示出了在激发过程中在波应力腹点区域中的轨道上的超声振荡。图1示意性地示出了在应力波与焊接区域之间重合的条件下在超声换能器的载波频率下对轨道进行的超声振荡的激发。为了激发轨道的超声振荡，超声冲击工具与轨道垂直地被放置在与焊接接头的轴向剖面相距一定距离的位置处，所述距离等于超声波的第一四分之一或者是超声波的第一四分之一的倍数。

图2示出了在焊接过程中的轨道的激发过程中的行波腹点区域中的轨道的超声振荡。在这种情况下，超声冲击工具垂直于轨道进行放置。

图3示出了在焊接过程中的激发过程中的沿轨道的纵剖面的轨道上的超声振荡。图3示出了当工具被安装在轨道头部上时在轨道的剖面中的沿垂直于轨道轴线的方向从轨道头部至轨道底部的超声应力分布和超声位移幅值。最大位移幅值对应于位于轨道头部和轨道底部表面上的剖面点。最大超声应力对应于最小位移(或节点)区域，在这种情况下，所述最小位移区域出现在轨道底部中。然而，通过例如从更低的多频向更高的多频在复合共振区域中“扫描”激发频率且反之亦然的方式来控制超声波的节点和腹点位置是可能的。

图4示出了根据本发明的对热剂焊接轨道底部接头进行的超声冲击处理。根据工作条件，对轨道进行的超声冲击处理优选在冷却金属上实施或者在焊接后随着标准化的加热来实施。图5示出了根据本发明的用于进行超声冲击处理的优选的超声冲击处理工具。超声冲击处理工具30优选包括振动速度方向波导32的转换器、销保持器支架34、位于波导32的第一端上的通过销保持器支架34连接至波导32的销保持器36。销保持器36的自由端优选具有位于其上的至少一个压头38。该工具可以手动方式使用、可被置于电车上或者可被置于可沿轨道移动的其它适当类型的小车上。本发明的超声冲击处理可发生在电车被固定在适当位置处或者沿轨道进行移动时。

图6示出了利用超声冲击工具30沿轨道的焊接轮廓对焊接部进行的机械化超声冲击处理的实施例。

图7示出了利用手动超声冲击工具沿轨道的焊接接头轮廓实施的手动超声冲击处理的实施例。根据工作条件而在冷却金属上或者在焊接后随着标准化的加热来实施该处理。沿焊接接头轮廓(沿轨道轮廓周部)的焊接部表面和焊趾受到了超声冲击处理。图8示出了轨道的焊接区域的侧视图。如图所示，焊接区域与邻近焊接部的区域一起受到了超声冲击处理。

图9(a)-9(e)分别示出了未进行超声冲击处理的轨道中可能出现的一些缺陷，所述缺陷包括热裂纹、气孔、孔隙、熔渣夹杂物和不良熔合。图10(a)-10(e)示出了在焊接和超声冲击处理之后被最小化的图9(a)-9(e)所示的焊接缺陷，这包括分别使得热裂纹、气孔、孔隙、熔渣夹杂物和不良熔合被消除或最小化。

焊接失效中的大多数失效是由于疲劳或焊接部中的夹杂物而导致出现的。疲劳失效最常见地出现在轨腹中的轨脚处的焊趾处以及轨道底侧处的区域处。图11示出了轨道40上的疲劳裂纹起始部位。轨道40具有轨道头部44、轨道腹部48、轨道底部50和介于轨道腹部48与轨道底部50之间的轨腹至轨底的轨脚46。轨道40具有位于轨道头部44上的内部疲劳裂纹42、位于轨脚46中的焊趾处的疲劳裂纹52以及位于轨底50中的焊趾处的疲劳裂纹52。

轨道可在其制造之后、在就地组装之前或之后、作为维护和防止损伤过程的一部分、在严重的磨损之后、或者在任何其它适当期间受到处理。

试验分两阶段实施以便确定利用轨道上的超声冲击处理实现的热剂焊接部的疲劳寿命改进。阶段1是对在轨底、轨腹和轨头上受到超声冲击处理的样品进行的初始试验以便指示出疲劳寿命的大约增加-初始销售试验。用于热剂焊接部的疲劳寿命的标准需求是在下文所述的载荷和试验程序下不小于2百万次循环。样品在位于焊接部的两侧上的轨底材料的热影响区带中的轨底材料和焊接部材料的距离达15mm的接合处受到超声冲击处理。超声冲击处理围绕着包括轨道头部、轨道腹部和轨道底部的轨道来实施。受到超声冲击处理的样品的初始试验结果达到5百万次循环且试验被停止。样品并未失效。

在阶段2中，制造出三个样品且随后通过本文所述的超声冲击处理对所述三个样品进行处理。在阶段2中，仅有轨道的底部和腹部区域受到处理。处理区带是位于焊接部的两侧上的轨底材料的热影响区带的底部材料与焊接部材料的距离达15mm的接合处。如图12(a)和图12(b)所示，受到处理的区域被示作介于焊接填充材料与轨底金属之间的接合区带“A”以及与区带“A”紧邻的底部轨道材料上的具有约10mm至约15mm的宽度的热影响区带“B”。

在本发明中，可使用任何适当的超声冲击系统。然而，上面的试验利用的是便携式超声冲击处理系统，该系统包括具有1Kw系统的手动工具，所述系统在未加载时具有26微米的幅值。工具的频率为27kHz且功率设定为全功率。对于压头而言，使用的是标准的半径为3mm且长度为25mm的针。

在通过超声冲击处理进行处理之后以目测的方式检查试验焊接部。图13和图14示出了经过处理的轨道底部的底侧。图15示出了经过处理的轨道腹部且图16示出了经过处理的轨道头部的底侧。

随后对经过处理的轨道实施疲劳试验。如图17所示，利用750kN的MTS试验机在经过处理的轨道上实施4点疲劳弯曲试验。如图18所示，试验机上的支承辊60之间的距离为1250mm且压力辊62之间的距离为150mm。然而，可利用具有介于支承辊之间和介于压力辊之间的任何适当距离的任何适当的试验机。轨道的轨道底部在试验过程中经受拉伸应力。

在介于+20与+200MPa之间(应力幅值为180MPa)的应力范围内且在8Hz的频率下在轨道底部的底侧上实施试验。样品运行至5.19个百万次循环且没有失效。此时，应力范围增加至200MPa的应力幅值(+20至+220MPa)。应力是通过313,000MPa的阻力矩计算出来的。试验被实施以便符合欧盟承认程序的标准和准则。

图30中总结性地示出了疲劳试验结果且在下文中会进行详述。

1号样品在180MPa的应力幅值下在5.19×10⁶次循环之后并未出现裂纹或损伤。在将幅值增加至200MPa之后，样品在该幅值下在进行了附加的3.39×10⁶次循环之后产生破裂。该样品的断裂始于由于在轨道底部的底侧处实施的热剂焊接工艺而导致产生的过多焊接金属的“过松垂(over blousing)”(突出了轨道的限制)。图19和图20示出了1号样品的断裂部方向且图21和图22示出了1号样品的断裂部表面。

2号样品在180MPa的应力幅值下在2.25×10⁶次循环之后产生破裂。断裂部始于轨道底部的底侧处的夹杂物(沙粒)。图23和图24示出了2号样品的断裂部方向且图25和图26示出了2号样品的断裂部表面。

3号样品在180MPa的应力幅值下在2.44×10⁶次循环之后产生破裂。断裂部始于由于热剂焊接工艺而使得在轨道底部的上侧处产生的夹杂物。图27示出了3号样品的断裂部方向且图28和图29示出了3号样品的断裂部表面。

截取2号样品的轨道底部的剖面来进行显微检查。该检查集中在焊接金属与轨底材料的热影响区带之间的过渡区域上。图31-图37示出了检查的结果。图31示出了在轨道底部的底侧处的热剂焊接部的剖面。图32示出了在图31所示的轨道底部(左侧)处的从焊接部至焊接部的底侧上的轨道底部处的轨底材料的过渡区域，图中示出了受到超声冲击处理的区域的塑性变形以及“过松垂”的过多的焊接金属。图33示出了在图31被拆裂之后的轨道底部(右侧)处的从焊接部至焊接部的底侧上的轨道底部处的轨底材料的过渡区域。图34示出了图32中的被框住的区域在更高放大率下的详图。图35示出了图33中的被框住的区域在更高放大率下的详图。图36示出了图34中的被框住的区域在更高放大率下的变形的详图，图中示出了由于进行了超声冲击处理而导致产生的100μm的最大变形深度。图37示出了图35中的被框住的区域在更高放大率下的变形的详图，图中示出了由于进行了超声冲击处理而导致产生的80μm的最大变形深度。总体而言，在微观检查过程中的可见变形深度在50μm与100μm之间。

作为试验的结果，1号样品在180MPa的规定应力幅值下在5.19×10⁶次循环之后并未产生破裂。仅仅在将应力幅值增加至200MPa之后，样品才在运行了附加的3.39×10⁶次循环之后产生断裂。2号和3号样品在180MPa的规定应力幅值下分别在2.25×10⁶次和2.44×10⁶次循环之后产生断裂。这两个样品都是由于焊接部中的夹杂物而产生失效的。规范要求在180MPa的应力载荷幅值下达到2×10⁶次循环，而这两个样品均达到了这一要求。在通常的未经处理的条件，即未进行超声冲击处理的条件下，历史数据已经毋庸置疑地表明，在焊接部中具有夹杂物的样品将在1.5×10⁶次循环之间就产生失效。

即使在具有焊接缺陷的情况下，由于进行了根据本发明的超声冲击处理，也可实现2×10⁶的所需标准。

正如本领域技术人员易于理解地：可在前述说明书的范围内作出多种变型。在本领域的技术人员的能力范围内的这些变型构成了本发明的一部分且被所附权利要求所涵盖。

Claims

1、一种通过脉冲处理来改进或产生轨道中的至少一种预定性质以便在所述轨道中获得至少一种技术效应的方法，所述方法包括：

-通过超声冲击处理对轨道的至少一部分进行处理；并且

-通过所述超声冲击处理在所述轨道中获得至少一种技术效应。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述超声冲击处理的所述至少一种技术效应是以下技术效应中的至少一种：

-提高了韧性、接触强度、对热和收缩尺寸变化的耐受性、低周和高周持久性、对腐蚀和腐蚀疲劳损伤的耐受性、在可变载荷下的耐久极限和/或冲击阻力；

-在焊接部的剖面中、热影响区带(HAZ)中和/或焊趾中提供了均匀性得到保证的细晶粒结构；

-增加了液相焊接材料的产量；

-提供了脱气的焊接材料；

-由于超声冲击处理脉冲的作用所致的现象而因此使得抑制了作为孔隙、液化裂纹、不稳定相、晶粒间沉积物和损伤和/或不良熔合存在的微观和宏观缺陷；

-控制了第一类、第二类和第三类应力和结构变形；

-控制了由对材料挠曲模式以及晶粒、子晶粒和镶嵌结构产生的影响所决定的材料性质；

3、根据权利要求1所述的方法，其中所述超声冲击处理的所述至少一种技术效应是以下技术效应中的至少一种：

-在焊接部、热影响区带、焊趾、索氏体结构和/或贝氏体结构中具有细晶粒和良好的晶粒均匀性；

-消除了缺陷，所述缺陷包括热裂纹、气孔、孔隙、熔渣夹杂物和/或不良熔合；

-提高了冲击强度、接触强度、对热和收缩尺寸变化的耐受性、低周和高周强度、对腐蚀和腐蚀疲劳损伤的耐受性、和/或在可变载荷下的疲劳极限和冲击阻力；

-与目前的标准相比增加了在材料强度水平下的保证的最大可允许载荷；

-增加了液相焊接材料的产量；

-通过超声冲击处理脉冲的作用而导致抑制了微观和宏观缺陷，所述微观和宏观缺陷包括孔隙、液化裂纹、不稳定相、晶粒间沉积物和损伤以及不良熔合。

4、根据权利要求1所述的方法，其中在对所述轨道的所述至少所述部分进行焊接或联接之前、焊接或联接过程中、焊接或联接之后发生通过超声冲击处理对所述轨道的所述至少所述部分进行的处理。

5、根据权利要求1所述的方法，其中受到超声冲击处理的所述轨道的所述至少所述部分是焊接部。

6、根据权利要求1所述的方法，其中受到超声冲击处理的所述轨道的所述至少所述部分是轨道头部、轨道底部或轨道腹部。

7、根据权利要求1所述的方法，其中所述轨道的所述至少所述部分在其制造之后、在使用区域中进行组装之前或之后、作为维护和防止损伤过程的一部分或者在严重的磨损之后受到处理。

8、根据权利要求1所述的方法，其中所述超声冲击处理是由工具提供的。

9、根据权利要求8所述的方法，其中所述工具是机械化工具或手动工具。

10、根据权利要求8所述的方法，其中所述工具被置于电车上，所述电车在所述超声冲击处理过程中可沿所述轨道移动。

11、根据权利要求8所述的方法，其中所述工具被置于电车上，所述电车在所述超声冲击处理过程中沿所述轨道是固定的。