Page 25 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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580 摩 擦 学 学 报 第 40 卷
随全球铁路运输需求的增加，列车轴重、速度以 国内外的研究更多集中在焊接接头的缺陷、断裂
及铁路运量大幅增加，这对铁路结构完整性有了有更 等问题，钢轨焊接方法以及接头性能优化以及新材料
加严格的要求，以减少运行故障，提高运输效率. 连续 的应用性的研究等方面，但是对于焊接接头区域材料
焊接钢轨(Continuous welded rails，CWR)可确保钢轨 的滚动接触磨损特性的研究还很少，尤其是对气压焊
的连续性，改善铁路系统的动态特性，有效保证列车 (现场施工的常用方法)的焊接接头的滚动接触磨损特
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运行安全性和平稳性 . 性的研究尚未涉及. 因此，本文中通过模拟试验，研究
但是现场调查发现，在列车长期碾压和冲击下， U71Mn钢轨气压焊焊接接头材料滚动磨损和损伤特
钢轨焊接接头处易形成伤损、开裂和磨损低塌，使钢 性，通过对比分析母材及接头各部分区域试样的磨损
轨接头寿命低于钢轨母材. 钢轨焊接接头仍旧是无缝 量、硬度及伤损，了解接头各区域滚动接触磨损特性
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线路最薄弱的环节 . 高新平等 根据在钢轨探伤过程 与母材的差异，期望为钢轨的气压焊焊接工艺的改进
中积累的大量数据，对重伤焊接接头发展规律进行统 提供理论依据.
计分析，观察焊接接头部位损伤的发展过程，发现在 1 试验部分
车轮载荷作用下，钢轨焊接接头处会产生低塌. 这些
不同程度的低踏，会使得车辆经过此处时产生巨大的 1.1 试验方法
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冲击和振动 ，还会导致较大的钢轨局部塑性变形 . 试验在MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机上
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李金华 对现场钢轨焊接接头进行监测，焊缝产生低 进行，车轮试样与钢轨试样相互滚动接触. 试验采用
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塌的原因是接头区域相对于相邻母材的不均匀磨损. 赫兹模拟准则进行 . 试验中上试样为钢轨试样，下
对于钢轨焊接接头而言，除了要求确保焊接接头强度 试样为车轮试样，轮轨试样尺寸如图1所示. 下试样转
和韧性以防止断轨外，接头与钢轨母材同步磨损也是 速为200 r/min，上下试样滑差为0.91%. 试验条件为常
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确保线路状况良好的重要方面 . J.F. Peng等 研究了 温干态，法向力为800 N，循环次数分别是1×10 、2×10 5
5
U71MnK和U71MnG两种钢轨闪光焊接头的接触磨损 和3×10 .
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特性. 谢旭辉等 对U71MnK 钢轨焊缝及母材在滚动
5
接触疲劳条件下进行模拟试验，对比研究了钢轨焊缝 Φ40
及母材在滚动接触过程中的材料磨损演变行为. 此 Φ30
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外，王莹莹 对钢轨闪光焊机理和灰斑、微裂纹等缺
陷产生的原因进行了系统的研究，分析了焊接材料本
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身对焊接接头的影响. L.B. Godefroid等 对钢轨焊接
Φ16
接头两个案例进行了研究，发现疲劳裂纹都是从焊缝
附近开始，并以脆性的方式扩展，导致材料的过早断
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裂. X.M. Yu等 研究了U71Mn钢轨闪光对焊接头的 Φ40
10 mm
断裂问题，认为焊接接头为疲劳断裂，断口形貌为解
Fig. 1 Schematic of wheel and rail rollers
理断裂特征，裂纹来源是钢轨腹板左侧与钢轨头部的 图 1 轮轨试样的尺寸示意图
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连接处由外向内的自由凝固组织. 江园 对U71Mn 钢
轨的电渣焊方法下的焊接性进行了试验研究，电渣焊 1.2 试验材料
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钢轨焊接接头综合性能较好. H.C. Shi等 通过滚动 车轮试样取自CL60车轮踏面处，钢轨试样取自
接触疲劳试验，对激光淬火和激光冲击强化的焊接接 U71Mn钢轨母材及气压焊焊接接头，轮轨材料成分见
头进行了抗磨损和抗疲劳性能研究，发现激光淬火工 表1，接头硬度值如图2所示. 由于焊接过程，焊接接头
艺显著改善了钢轨焊接接头的抗磨损性能，但抗疲劳 组织性能与母材产生差异. 图3和图4是母材(Parent
性能变差. 激光冲击强化工艺改善了焊接接头的抗磨 metal，PM)、焊缝(Weld Bead，WB)及软化区(Softened
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损和抗疲劳性能. R. Baptista等 以钢轨生产为目标， Zone，SE)的组织，3个区域均为珠光体组织，但是焊缝
对S700MC级高强度TMCP钢的焊接性能进行了分 和软化区晶界处存在铁素体组织. 母材珠光体呈层片
析，以建立材料性能与材料微观结构的关联，为新材 状[见图4(a)]，层片平行排列，层片间距最大为1.07 μm，
料开发新材料应用提供依据. 最小为0.623 μm. 焊缝组织[见图4(b)]是层片状珠光体
