一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法技术

技术编号:18778088 阅读:20 留言:0更新日期:2018-08-29 04:58
本发明专利技术公开了一种激光‑辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域,激光作为主要热源使熔覆层材料和钢轨表面部分基底材料同时快速熔融形成熔池,辅助热源与激光热源同向同速移动,对激光熔池、热影响区及钢轨基底表层进行同步预热或/和后热,降低其温度梯度,从而降低其冷却速率,避免了热影响区马氏体转变以及开裂现象。本发明专利技术通过复合作用可使热影响区冷却时间大于CCT曲线或TTT曲线中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间,使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。该方法可在铁路钢轨现场表面在线熔覆金属层,也可在生产车间对钢轨表面实现熔覆加工。

【技术实现步骤摘要】
一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法
本专利技术属于材料加工领域,具体涉及一种采用激光-辅助热源复合熔覆在钢轨表面高效制备金属熔覆层的方法。该方法可用于提高钢轨耐磨性和接触疲劳性能,也可用于解决铁路分路不良以及损伤钢轨的修复等。
技术介绍
我国轨道交通发展迅速,截至2016年底,全国铁路运营里程达12.4万公里。随着铁路运输量和列车速度及轴重的增加,钢轨的损伤问题日益凸显,如钢轨磨损、滚动接触疲劳和钢轨腐蚀等。钢轨的损伤主要发生在表面,所以在钢轨的表面制备覆层对于延长其使用寿命具有重要的意义。热喷涂、电镀和堆焊是目前在钢轨表面制备金属覆层的主要方法。热喷涂和电镀涂层与钢轨基底呈机械结合,结合力弱,在轮轨摩擦过程中容易脱落。堆焊层与钢轨基底为冶金结合,但是该方法热输入和热影响区大,堆焊层组织结构与性能均匀性差,且在钢轨基体内部易诱发马氏体组织。与等离子弧和电弧堆焊相比,激光熔覆具有能量密度高、热影响区小、热输入小、残余应力低、基底熔深小、熔覆效率高等优点,广泛应用于金属零件表面强化涂层的制备以及增材制造等,中国专利技术专利[CN107099793A]公开了一种激光熔覆钴合金涂层提高重载轮轨耐磨性的方法,该方法利用高功率激光将钴合金粉末熔覆在轮轨的表面,以降低其表面摩擦系数,提高耐磨性,延长其使用寿命。但是,由于激光的快速加热和快速冷却作用,在钢轨热影响区会产生高碳针状马氏体组织。马氏体组织硬度高,但是韧性低,易导致断轨风险,所以在铁路行业标准TB/T2344-2003中一直禁止钢轨中存在马氏体组织。其次,在高激光扫描速率下,由于熔覆层与热影响区冷却速率高及与钢轨基底的温度梯度大,容易导致熔覆层和热影响区产生裂纹,影响列车的安全运营。将高能激光束和辅助热源结合起来,实现复合加工,可以有效解决上述问题。专利文献(公开号CN101125394A)公开了一种自动送粉激光感应复合熔覆方法及装置,采用激光和感应热源复合加工,不但可以大幅度提高熔覆效率,还可以解决焊接性差的合金材料在激光熔覆过程中易开裂的难题。但是,该方法并未考虑在大型高碳钢基底(如钢轨)上熔覆涂层时,如何减少和避免热影响区马氏体相变的问题,以及在特定的服役环境(轮轨滚动接触)下,熔覆层、热影响区和基底力学性能匹配等技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种采用激光-辅助热源在钢轨表面高效制备高性能熔覆层的方法,以实现钢轨表面强化以及修复等目的。激光与辅助热源同时作用于钢轨待熔覆加工面,不仅可避免在高扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象,还可避免在热影响区产生马氏体等有害组织,确保熔覆层、热影响区及基体力学性能匹配良好。本专利技术可用于钢轨表面高性能熔覆层的制备,以提高钢轨耐磨性能和接触疲劳性能,也可以用于解决铁路分路不良和损伤钢轨的修复等问题。本专利技术提供的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,利用激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域,激光作为主要热源使熔覆层材料和钢轨表面部分基底材料快速熔融形成熔池,辅助热源位于激光热源的前方或/和后方,与激光热源同向同速移动,对激光熔池、激光热影响区及钢轨基底表层进行同步预热或/和后热,以降低激光熔池和热影响区的冷却速率,避免热影响区马氏体转变以及高激光扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象。作为上述技术方案的改进,所述激光与辅助热源通过复合作用合理调控激光作用热影响区的温度循环曲线,使其冷却时间大于钢轨材料连续冷却曲线(CCT曲线)和等温转变曲线(TTT曲线)中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间,满足奥氏体向珠光体完全转变的临界条件,热影响区组织转变为片间距小于或等于钢轨基底的片状珠光体,硬度介于熔覆层和基底之间,使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。作为上述技术方案的进一步改进,辅助热源采用感应加热、氧乙炔焰和丙烷喷灯中的任一种或任几种的组合;预热温度为100-1000℃,后热温度为300-700℃;单次加工获得的金属熔覆层厚度为0.1-2mm,宽度为3-20mm,熔覆层硬度可以根据轨道的具体要求,在HV250-HV500范围内可调;激光热影响区的宽度小于1mm,硬度为HV250-HV400,可避免热影响区马氏体转变;所述感应加热采用感应电源和感应线圈实现。其中,感应线圈由铜管弯折、焊接而成,工作区铜管上嵌有导磁体,铜管下表面与钢轨熔覆面平行,间隙为0.5-15mm;加热面沿着钢轨长度方向呈“一”字型结构,长度为10-500mm。本专利技术方法的具体实现步骤为:(1)先将钢轨表面待熔覆区域进行打磨处理,去除表面锈迹和污染物;(2)调整激光束离焦量,将激光光斑设置为直径3~10mm的圆形或为(1~3)mm×(6~30)mm的矩形;(3)调整激光光斑与辅助热源的相对位置,使光斑在辅助热源的前方、中间或后方;(4)开启激光器和辅助热源,采用自动送粉器将涂层材料同步送入或预置于钢轨表面激光辐照区域,激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池,熔池凝固后在钢轨表面形成熔覆层;辅助热源对钢轨起到预热、后热和预热+后热的作用,预热温度为100-1000℃,后热温度为300-700℃;(5)熔覆完一层金属熔覆层后,判断熔覆层厚度是否达到工况需求,如果是,则结束熔覆过程;如果否,则重复上述步骤(2)(3)和(4),直至达到满足需求的厚度;(6)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测耐蚀熔覆层表面,保证熔覆层无冶金缺陷;(7)根据应用需求,选择对钢轨踏面进行清理和廓形修整,使表面平整。上述熔覆层材料可以是铁基合金,主要化学成分为(Wt.%):(0.01-0.60)C,(10-40)Cr,(5-18)Ni,(0.1-3.0)Si,(0-3)B,(0-3)Mo,(1-3)Mn,Fe余量;上述熔覆层材料可以是镍基合金,主要化学成分为(Wt.%):(0.01-0.50)C,(20-30)Cr,(5-10)W,(3-5)Si,(0-3)B,(5-10)Fe,Ni余量;上述熔覆层材料可以是钴基合金,主要化学成分为(Wt.%):(0.01-0.5)C,(20-35)Cr,(1-10)Ni,(1-3)Si,(5-15)W,(0-3)B,(0.5-2)Mn,Co余量。本专利技术具有以下优点:①激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域,高能激光束使熔覆层材料和钢轨表面薄层材料同时快速熔融形成熔池,辅助热源对激光熔池、热影响区及钢轨基底表面进行同步预热及后热作用,降低熔池、热影响区和钢轨基体的温度梯度,从而降低其冷却速率,避免金属熔覆层及热影响区在激光高速扫描下的开裂及剥落现象;②通过调整激光与辅助热源的相对位置、激光加工功率、激光扫描速率以及辅助热源对钢轨的加热温度,可合理控制热影响区温度循环曲线,使其冷却时间大于CCT曲线和TTT曲线中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间,满足奥氏体向珠光体完全转变的临界条件,热影响区转变为片间距小于或等于钢轨基底的细片状珠光体组织,硬度介于熔覆层和基底之间,使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。③与等离子弧和电弧等其他方法相比,激光能量密度高、热影响区小,感应线圈及其他辅助热源的加热宽度及深度仅大于其热影响区宽度即可消除本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种激光‑辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于,该方法利用激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域,激光作为主要热源使所添加的粉末材料和钢轨表面部分基底材料同时快速熔融形成熔池并形成熔覆层,辅助热源位于激光热源的前方或/和后方,与激光热源同向同速移动,对激光熔池、激光热影响区及钢轨基底表层进行同步预热或/和后热,降低激光熔池和热影响区与钢轨基底间的温度梯度,从而降低其冷却速率,避免激光热影响区马氏体转变以及高激光扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象。

【技术特征摘要】
1.一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于,该方法利用激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域,激光作为主要热源使所添加的粉末材料和钢轨表面部分基底材料同时快速熔融形成熔池并形成熔覆层,辅助热源位于激光热源的前方或/和后方,与激光热源同向同速移动,对激光熔池、激光热影响区及钢轨基底表层进行同步预热或/和后热,降低激光熔池和热影响区与钢轨基底间的温度梯度,从而降低其冷却速率,避免激光热影响区马氏体转变以及高激光扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象。2.根据权利要求1所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于:所述激光与辅助热源通过复合作用合理调控激光作用热影响区的热循环过程,使其在冷却时间大于CCT曲线或TTT曲线中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间,满足奥氏体向珠光体完全转变的临界条件,热影响区转变为片间距小于或等于钢轨基底的细片状珠光体组织,硬度介于熔覆层和基底之间,使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。3.根据权利要求1或2所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于:辅助热源采用感应加热、氧乙炔焰和丙烷喷灯中的任一种或任几种的组合。4.根据权利要求1或2所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于:预热温度为100-1000℃,后热温度为300-700℃。5.根据权利要求1或2所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于:单次加工获得的金属熔覆层厚度为0.1-2mm,宽度为3-20mm,熔覆层硬度根据轨道的具体要求,在HV250-HV500范围内调控。6.根据权利要求1或2所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,特征在于:激光热影响区的宽度小于1mm,硬度为HV250-HV400,热影响区内没有马氏体转变。7.根据权利要求1或2所述的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法,其特征在于:该方法的具体实现步骤为:(1)先将钢轨表面待熔覆区域进行打磨处理,去除表面锈迹和污染物;(2)调整激光束离焦量,将激光光斑设置为直径3~20mm的圆形或为(1~3)mm...

【专利技术属性】
技术研发人员:曾晓雁孟丽王邓志胡乾午郭平华许晓明牛莅
申请(专利权)人:华中科技大学武汉新瑞达激光工程有限责任公司
类型:发明
国别省市:湖北,42

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