CN216192532U

CN216192532U - 一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头

Info

Publication number: CN216192532U
Application number: CN202122086269.4U
Authority: CN
Inventors: 张凤明; 梁正伟; 何建中; 尹亮亮; 王嘉伟; 谢丽
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2031-08-31

Abstract

本实用新型公开了一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，包括用于与轨头紧密接触的冲击针，所述冲击针呈“工”字型，冲击针厚度为8mm～10mm，中间部分的宽度20～30mm，下端的冲击头端直径与冲击针厚度相当，且所述冲击头端为Ф8mm～Ф10mm半圆柱球型头，即球头直径等于冲击针厚度；所述冲击针长度为50mm～60mm，所述冲击针安装在主体冲击针孔后其外露部分长度为20mm～30mm。本实用新型的目的是提供一种超声冲击降低贝氏体钢轨铝热焊缝残余应力、提高疲劳性能、耐磨性、表面硬度的冲击头。

Description

一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头

技术领域

本实用新型涉及钢轨焊接技术领域，尤其涉及一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头。

背景技术

近年来中国铁路向高速和重载两大方向发展，对钢轨的耐磨性提出了更高的要求，开发新一代高强钢轨具有重要意义。为了满足高强度、高韧性贝氏体钢轨在无缝线路中应用的需求，许多学者对贝氏体钢轨的焊接性和焊接工艺展开研究。铝热焊是我国钢轨焊接的主要方式之一，提高贝氏体钢轨铝热焊接头的质量至关重要。因此贝氏体钢轨铝热焊接头接触疲劳性能、焊缝低塌问题至关重要，同时对铝热焊接头耐磨性还有待提高。

目前，贝氏体钢轨铝热焊接头在线路服役过程中普遍存在接头疲劳伤损、接头低塌、剥离掉块等问题。针对试铺钢轨试验段内使用电子平直仪、硬度计等设备测量接头焊缝服役过程中的变化情况，发现焊缝低塌接头磨耗量大于未低塌接头，硬度较低的接头磨耗量大于硬度较高接头，当接头出现鱼鳞纹时，会导致钢轨出现剥离掉块，从而加速接头磨损现象。钢轨焊接接头的硬度分布对接头各位置的磨耗量有着重要影响。铝热焊接头的焊缝及软化区硬度低于母材，服役时磨耗量较大，使用过程中接头高度逐渐低于母材，焊缝及软化区逐渐低塌。当软化区宽度增大，软化区相对于母材的磨耗量也随之增大。

大秦线贝氏体钢轨试验段的铝热焊接头服役过程中经过一段时间的滚动接触疲劳，个别接头在熔合线位置出现疲劳裂纹。焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中产生焊接应力和变形，通常应力集中是降低焊接接头疲劳强度的主要原因。有研究指出，轨头以下0-10mm范围内等效应力较大，轨顶通过车轮时产生的滚动接触疲劳荷载与残余应力叠加，当2种应力叠加超过疲劳极限时萌生出疲劳裂纹，实践证明减小焊缝处的应力集中和调整残余应力场是提高焊缝疲劳强度的有效方法，可以明显降低裂纹数量。

超声冲击处理是一种相对较新且有前途的技术，具有执行机构轻巧、使用灵活方便、效率高、噪音小、成本低、适用性强等优点。超声冲击技术是利用大功率的超声波推动冲击工具，以每秒万次以上的频率冲击金属物体表面。由于超声波的高频、高效和聚焦下的高能量，冲击针高速撞击使材料近表面产生局部塑性变形，可以在材料表面形成硬化层，焊接接头表面的晶粒得到显著细化，从而提高了焊缝的强度、硬度及耐磨性能。且可以消除有害的焊接残余拉应力并引入残余压应力，压应力可以提高焊缝疲劳极限值、降低裂纹扩展速率，延迟裂纹起裂、扩展，从而提高焊接接头的疲劳寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超声冲击降低贝氏体钢轨铝热焊缝残余应力、提高疲劳性能、耐磨性、表面硬度的冲击头。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，包括用于与轨头紧密接触的冲击针，所述冲击针呈“工”字型，冲击针厚度为8mm～10mm，中间部分的宽度20～30mm，下端的冲击头端直径与冲击针厚度相当，且所述冲击头端为Ф8mm～Ф10mm半圆柱球型头，即球头直径等于冲击针厚度；所述冲击针长度为50mm～60mm，所述冲击针安装在主体冲击针孔后其外露部分长度为20mm～30mm。

进一步的，所述冲击头表面的粗糙度＜1.6μm。

进一步的，所述冲击头采用硬度＞60HRC的材质制成。

进一步的，所述冲击头为一体结构。

进一步的，所述冲击头通过连接装置与Hy2050毫克能焊接应力消除设备相连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果：

通过本实用新型的冲击头以每秒二万次以上的频率冲击轨头焊缝表面，可以使钢轨焊缝在高频、大能量作用下，使钢轨踏面产生一定的压缩塑性变形，产生一定数值的压应力，使被冲击部位得以强化、硬化，可以高效的消除钢轨焊缝表面或焊缝区有害残余拉应力，引进有益压应力，从而明显的提高焊接件的耐疲劳性能、降低焊缝残余应力、提高焊缝表面硬度、细化焊缝进表面晶粒度。

钢轨在线路服役过程中，火车轮主要接触钢轨踏面位置，所以焊缝位置的强度、韧性、耐磨性、疲劳性能的优劣直接影响到列车运行的安全和钢轨服役寿命。

附图说明

下面结合附图说明对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头的示意图；

图2为钢轨轮轨接触位置及焊缝示意图；

图3为头连接装置示意图；

图4为冲击头焊缝振动处理示意图；

附图标记说明：1-冲击针；101-中间部分；102-冲击头端；2-连接装置。

具体实施方式

如图1至4所示，一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，包括用于与轨头紧密接触的冲击针1，所述冲击针1呈“工”字型，冲击针1厚度为8mm～10mm，中间部分101的宽度20～30mm，下端的冲击头端102直径与冲击针厚度相当，且所述冲击头端102为Ф8mm～Ф10mm半圆柱球型头，即球头直径等于冲击针厚度；所述冲击针1长度为50mm～60mm，所述冲击针1安装在主体冲击针孔后其外露部分长度为20mm～30mm。

所述冲击头表面的粗糙度＜1.6μm。所述冲击头采用硬度＞60HRC的材质制成。所述冲击头为一体结构。所述冲击头通过连接装置2与Hy2050毫克能焊接应力消除设备相连接。

制作过程：

①冲击头的制作可根据钢轨硬度及强度的特点，选特殊材质的材料(硬度＞60HRC以上)进精密加工，且要保证冲击头表面的粗糙度(＜1.6μm)。冲击头按照以下尺寸进行坯料加工：冲击针厚度为8mm～10mm，宽度20～30mm。将冲击头端打磨为Ф8mm～Ф10mm圆柱球型头，使冲击头端直径与冲击针厚度相当，即球头直径等于冲击针厚度，见图2。

②将冲击头进行二次精加工，测量冲击头尺寸、硬度及粗糙度。

③将冲击头(图2)与冲击枪连接部位(图3)进行装配，冲击头主体内腔尺寸必须保证冲击针能安装上，使冲击针与冲击枪一定的间距，为了保持其谐振配合。

用过程：

①本实用新型针对新上线的铝热焊接头或已经服役的接头进行超声冲击处理。

②当贝氏体钢轨铝热焊接接头热处理完成后，待焊缝温度降低到100℃以下时，或针对已经服役过程中的铝热焊接头，使用Hy2050毫克能焊接应力消除设备和本实用新型的冲击头对焊缝进行处理。

②选用的冲击头(图1)按照使用要求配装，使用螺纹连接装置(图3)将冲击头主体与Hy2050毫克能焊接应力消除设备紧密相连接。

③使用本实用新型的冲击头，对铝热焊缝熔合线±150mm范围内的轨头踏面进行超声冲击处理，处理过程中尽量保持冲击头与钢轨踏面表面成90°夹角垂直振动处理。为保证超声冲击效果和防止出现不均匀凹坑，冲击速度控制在0.5～1.0m/min，冲击时应保持速度恒定，同时略施压力，使其基本在略大于超声冲击枪自重的条件下进行冲击处理，以保持冲击针与焊件的稳定接触和冲击效果。冲击头使用示意图，见图4。

使用效果：

通过实用新型的击头及配套的操作方法可以使以焊缝为中心的一定焊接接头表面产生足够深度的塑变层，从而有效的降低了焊接接头的应力集中程度，并使焊接接头附近一定厚度的金属得以强化，重新调整了焊接残余应力场，消除有害的焊接残余拉应力并引入残余压应力，从而提高焊接接头的疲劳寿命。研究表明超声冲击处理后的焊趾表面的晶粒得到显著细化，从而提高了焊缝处的强度、硬度及耐磨性能。

本实用新型采用的冲击针可显著提高超声冲击处理效率,比单针式、扁平式冲击头提高效率200％以上，其保证了冲击力、冲击强度、对焊缝应力消除的同时，冲击效果更好，钢轨表面质量更加光滑过渡，大大提高冲击效率和稳定性，具有极好的经济效益。

表1钢轨焊缝处理前后实物疲劳试验结果

由表1可知，贝氏体钢轨焊接接头按照标准《TB/T 1632.3-2014》进行实物疲劳试验，两种状态焊缝疲劳结果均满足标准要求，但是超声处理态焊缝载荷循环次数高于标准2.5～3倍，高于未处理态焊缝1.6～2.8倍，所以超声处理可有效的改善贝氏体钢轨焊缝实物疲劳性能。

表2钢轨焊缝处理前后残余应力、晶粒度检测结果

注：+：拉应力，-：压应力。

由表2可知，超声处理后的贝氏体钢轨铝热焊缝轨头残余应力明显降低，超声冲击处理后轨头较未处理降低154MPa，超声处理后的贝氏体钢轨焊缝热影响区(踏面下0-5mm)晶粒度有所提高，较未处理提高1-2个等级。

表3超声处理后钢轨焊缝服役过程中硬度变化 (HB)

由表3可知，超声处理后铝热焊焊缝软化区最低硬度可提高53HB，焊缝平均硬度可提高90HB，超声冲击使钢轨晶粒细化是硬度提升的主要原因。焊缝平均硬度比上母材硬度可由超声冲击处理前0.86提高到超声冲击处理后1.06，这样可以使焊缝和母材硬度等强度匹配，从而保证焊缝在服役过程中具有良好的平直度和平顺状态。

表4超声处理后钢轨焊缝服役过程中硬度变化 (HB)

由表4可知，超声冲击处理后的接头在服役过程中，软化区最低硬度和接头平均硬度逐渐降低，但都要高于未经超声冲击处理的接头。在服役1-40天之间，超声冲击处理可提高软化区最低硬度16-43HB，提高接头平均硬度29-38HB。当接头焊缝服役到150天左右时，接头平均硬度与未经超声冲击处理的硬度相当，基本维持在400HB左右。这是由于超声冲击处理后靠近加工面形成一个随深度增加硬度逐渐降低的硬化层，超声冲击形成的硬化层随着焊缝服役过程中，轮轨接触产生磨损而逐渐消耗，直至超声冲击处理的硬化效果消失。

表5超声处理后钢轨焊缝服役过程中高度及磨耗量 (mm)

由表5可知，超声冲击处理后的接头在0-40天服役过程中接头磨耗量明显降低，磨耗量在0.02mm左右。未处理的接头在第0-40天内焊缝的磨耗量为0.1-0.12mm，磨耗量明显大于超声冲击处理的接头，超声冲击处理后接头在0-40天内可提高耐磨性约为5-6倍。当接头服役大于150天后，接头磨耗量基本相当。超声冲击处理前后磨耗量与焊缝硬化效果接服役周期基本相同，由此可见，超声冲击处理可以在一定时间内提高贝氏体铝热焊接头耐磨性。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，其特征在于，包括用于与轨头紧密接触的冲击针，所述冲击针呈“工”字型，冲击针厚度为8mm～10mm，中间部分的宽度20～30mm，下端的冲击头端直径与冲击针厚度相当，且所述冲击头端为Ф8mm～Ф10mm半圆柱球型头，即球头直径等于冲击针厚度；所述冲击针长度为50mm～60mm，所述冲击针安装在主体冲击针孔后其外露部分长度为20mm～30mm。

2.根据权利要求1所述的超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，其特征在于，所述冲击头表面的粗糙度＜1.6μm。

3.根据权利要求1所述的超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，其特征在于，所述冲击头采用硬度＞60HRC的材质制成。

4.根据权利要求1所述的超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，其特征在于，所述冲击头为一体结构。

5.根据权利要求1所述的超声冲击提高贝氏体钢轨铝热焊接头力学性能的冲击头，其特征在于，所述冲击头通过连接装置与Hy2050毫克能焊接应力消除设备相连接。