钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法

本发明涉及激光加工，具体涉及一种钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法。

背景技术：

1、随着轨道交通车辆向着高速化与重载化方向发展，钢轨的磨损与损伤问题日益突出。钢轨表面疲劳裂纹的萌生与扩展将导致轨面剥落掉块，严重威胁到了列车的运行安全。因此，在钢轨损伤初期，及时采用一种快速有效的方法对损伤区域进行修复，能够极大减少由于换轨产生的人力物力成本，并提升列车运行的安全程度。

2、传统的修复方法包括补焊、电弧堆焊、铝热焊等。但是传统的焊接工艺热输入较大，修复表面热影响区深度较大，增加了钢轨脆性，在钢轨服役过程中容易产生断轨事故。同时，在焊接过程中，容易引入新的杂质，导致钢轨内部形成损伤，降低钢轨的力学性能。近年来，随着激光技术的不断发展，部分学者将激光技术运用到钢轨修复中。激光重熔技术作为钢轨表面改性技术的一种，利用高能激光热源辐照材料表面，使得材料熔化后迅速凝固，且凝固表面具有较高的光洁度。然而，由于激光快热快冷的特性，激光辐照区域材料的凝固速率较快，在修复过程中难以保证裂纹完全愈合。同时，在钢轨服役过程中，由于热机耦合的作用，会导致钢轨表面形成一层马氏体白层。钢轨白层(wel)是指钢轨材料通过硝酸-酒精溶液浸蚀后，在光学显微镜下呈白色的一种组织。目前已有大量研究表明，钢轨白层组织脆性较大，在服役过程中容易萌生裂纹，降低钢轨力学性能。并且，由于钢轨的材料特性，在高能激光束作用下，会促进钢轨白层形成。因此，采用现有的激光修复方法难以达到修复要求。此外，目前损伤钢轨的修复流程主要是按照先打磨，再修复，再打磨，最后检测的顺序进行，每个步骤依次进行，会产生大量的时间成本。

3、综上所述，目前服役钢轨表面裂纹及钢轨白层的修复方法还存在众多不足。因此，从精度可控、能在现场使用、高效低成本以及确保修复后钢轨力学性能等方面综合考虑，开发一种服役钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化修复方法具有重要工程意义。钢轨棕层(bel)是指将钢轨材料用硝酸-酒精溶液浸蚀后，在光学显微镜下呈棕色的一种组织。钢轨棕层是马氏体分解的产物，其主要成分为近贝氏体组织。相关研究表明，钢轨棕层具有更好的塑性与韧性，能够提高修复后钢轨的力学性能。

4、因此，亟需一种能降低时间成本且能够完全消除钢轨疲劳裂纹与钢轨白层的服役钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层修复方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，通过多次激光重熔的方式实现钢轨白层向钢轨棕层的转变，达到消除钢轨白层的目的；同时，在激光重熔过程中，安装一体化激光重熔修复装置，能够使预处理、激光修复、修复后检测同步进行，极大降低了时间成本，能够完全消除钢轨疲劳裂纹与钢轨白层，并能实时对钢轨的修复效果进行评价，解决了上述背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，包括如下步骤：

3、s1、对损伤钢轨进行探伤，确定服役钢轨表面的损伤类型与损伤区域，根据不同损伤类型对应的权重系数，确定第一道激光重熔工艺参数；

4、s2、安装一体化激光重熔修复装置；

5、s3、根据不同损伤类型确定一体化激光重熔修复工艺；

6、s4、按确定的一体化激光重熔修复工艺，开启一体化激光重熔修复装置，对钢轨损伤区域进行多道多次梯度激光重熔处理；

7、s5、依据同步检测结果，实时判断修复效果与评价，完成服役钢轨现场修复。

8、优选的，在步骤s1中，所述对损伤钢轨进行探伤具体是指：利用一体化激光重熔修复装置中的裂纹检测模块与白层检测模块，对服役钢轨表面损伤进行扫描；

9、所述损伤类型分为四类，所述第一类损伤为单一疲劳裂纹损伤，所述疲劳裂纹深度小于0.5mm；所述第二类损伤为单一钢轨白层；所述第三类损伤为疲劳裂纹与钢轨白层共存，疲劳裂纹深度小于0.5mm；所述第四类损伤为疲劳裂纹与钢轨白层，疲劳裂纹深度大于0.5mm。

10、优选的，在步骤s1中，所述根据不同损伤类型对应的权重系数，确定第一道激光重熔工艺参数，具体包括：

11、裂纹深度与激光功率权重系数之间的关系满足：

12、

13、式中，ηp为裂纹深度对激光功率权重系数，dc为裂纹深度，i为样本序号，n为裂纹样本总数，dci为第i个裂纹样本的裂纹深度，dcmax为裂纹样本中最大裂纹深度，dcmin为裂纹样本中最小裂纹深度；

14、裂纹深度与扫描速度权重系数之间的关系满足：

15、

16、式中，ηv为裂纹深度对扫描速度权重系数；

17、白层厚度与激光功率权重系数之间的关系满足：

18、

19、式中，λp为白层厚度对激光功率权重系数，dw为白层厚度，为平均白层厚度，dwmax为白层样本中最大白层厚度，dwmin为白层样本中最小白层厚度；

20、白层厚度与扫描速度权重系数之间的关系满足：

21、

22、式中，λv为白层厚度对激光功率权重系数；

23、第一道激光重熔功率与权重系数之间的关系满足：

24、p＝1000·(ηp+λp)

25、式中，p为激光功率；

26、第一道激光重熔扫描速度与权重系数之间的关系满足：

27、v＝45-20(ηv+λv)

28、式中，v为扫描速度。

29、优选的，在步骤s2中，所述一体化激光重熔修复装置由一体化支架、同步打磨装置、同步预热装置、同步熔池监控模块、激光头、同步红外模块、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块组成。

30、优选的，所述同步打磨装置、同步预热装置、激光头、同步红外模块、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块均通过螺栓连接在一体化支架上；

31、所述一体化支架为十字形结构，所述一体化支架的支架臂ⅰ与激光扫描速度方向一致，支架臂ⅱ与激光扫描速度方向垂直。

32、优选的，所述同步打磨装置安装在支架臂ⅰ最前端，所述同步预热装置安装在同步打磨装置与激光头之间；所述同步裂纹检测模块与激光头相邻，所述同步白层检测模块安装在支架臂ⅰ尾部，所述同步红外模块与同步超声振动模块均安装在支架臂ⅱ上并位于激光头两侧，所述同步熔池监控模块通过螺栓固定在激光头上部；

33、所述同步打磨装置由液压缸、升降模组、打磨电机与打磨砂轮组成；所述打磨砂轮安装在打磨电机上，所述打磨电机安装在升降模组上；所述升降模组与液压缸相连，通过液压缸带动升降模组上下运动调节打磨压力；

34、所述同步预热装置由加热器与加热线圈组成；所述加热线圈与钢轨表面廓形近似，以便对钢轨进行预热。

35、优选的，在步骤s3中，所述根据不同损伤类型确定一体化激光重熔修复工艺具体是指：根据损伤类型不同，针对第一、二、三类损伤，无需启动同步打磨装置，仅需开启激光头、同步预热装置、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块进行一体化激光重熔修复；对所述第四类损伤，需同时开启同步打磨装置、激光头、同步预热装置、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块进行一体化激光重熔修复。

36、优选的，所述同步打磨装置的砂轮转速为500～750r/min，同步打磨压力为400～600n；所述同步预热装置预热温度为200～300℃；所述同步超声振动模块的振动频率为20～22khz，所述同步超声振动模块的振动电流为0.2～0.6a。

37、优选的，在步骤s4中，包括如下步骤：

38、s41、结合温度与激光重熔工艺参数关系并利用同步红外模块与同步熔池监控模块对修复过程温度变化进行监测；

39、温度与激光重熔工艺参数之间的关系满足：

40、

41、式中，a为吸收系数，p为激光功率，k为导热系数，α为热扩散率，r为动坐标原点到计算点距离，x为激光照射点到坐标原点距离，v为扫描速度；

42、随后通过同步红外模块与同步熔池监控模块监测修复过程中温度曲线，并计算出激光重熔过程中平均温度曲线斜率ka，若斜率小于0.15，表明在激光重熔过程中热积累较小，工艺选择恰当；

43、温度曲线斜率计算公式为：

44、

45、式中，ka为斜率，δt为温度变化，δt为重熔时间；

46、s42、采用多道多次梯度激光重熔处理完成一体化激光重熔修复；

47、所述多道多次梯度激光重熔处理是一种激光功率与扫描速度梯度变化的激光重熔方法，即每次激光重熔结束后，下一次的激光重熔初始功率和扫描速度与上一次激光重熔初始功率和扫描速度呈梯度减小趋势；

48、对于第一类损伤，激光重熔初始功率为1200～1600w，扫描速度为20～25mm/s；对于第二类损伤，激光重熔初始功率为1100～1400w，扫描速度为18～24mm/s；对于第三类损伤，激光重熔初始功率为1500～2500w，扫描速度为16～20mm/s；对于第四类损伤，激光重熔初始功率为2000～3000w，扫描速度为15～18mm/s；对于所述四类损伤，第二次激光重熔初始功率为600～1100w，扫描速度为10～15mm/s，第三次及以上激光重熔初始功率为400～600w，扫描速度为6～10mm/s。

49、优选的，在步骤s5中，具体包括如下：

50、先通过同步裂纹检测模块与同步白层检测模块对未服役钢轨进行检测，建立评价标准数据库；

51、对服役钢轨现场进行一体化激光重熔修复，将修复后钢轨经同步裂纹检测模块与同步白层检测模块检测的输出电压与未服役钢轨检测结果评价标准数据库中数据进行比对，对修复质量进行评价；

52、所述输出电压与钢轨疲劳裂纹数量的关系如下式所示：

53、y1＝1.37x1+1.198

54、式中，y1为同步裂纹检测模块输出电压，x1为裂纹深度；

55、所述输出电压与钢轨内表面白层厚度关系如下式所示：

56、y2＝0.08x2+1.092

57、式中，y2为同步白层检测模块输出电压，x2为白层厚度；

58、对于裂纹的无损检测结果，当输出电压y1＞0.15v时，表明钢轨表面存在疲劳裂纹；

59、对于钢轨白层的检测结果，当1.2v＜输出电压y2＜0.3v时，表明钢轨内表面存在马氏体白层；当输出电压y2＞0.3v时，认为无钢轨白层。

60、本发明的有益效果是：

61、1)本发明首先通过无损检测技术确定了钢轨表面损伤区域与损伤类型，采用一体化激光重熔技术修复钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层，使修复前处理、激光重熔修复与修复效果评估同步进行，在保证修复区质量的前提下，消除了钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层，可获得光洁度较高的修复表面，工艺简单，修复效果优良，成本低，修复效率高，效果可靠，降低了钢轨的维护成本，应用范围较广。

62、2)本发明方法在激光重熔时同步施加高频超声振动，促进了激光辐照区域熔池流动，能够促进激光重熔过程中钢轨表面疲劳裂纹自愈合，进一步确保了钢轨表面疲劳裂纹能够完全愈合，提高了修复效率。

63、3)本发明方法能够根据现场钢轨不同服役情况与不同损伤状态，依据疲劳裂纹区域面积、损伤程度等实际情况来设计调整激光重熔修复工艺方法，使修复区域具有满足修复要求的微观组织与力学性能，可以应对多种尺寸多种类型的损伤，工序便捷，修复效率高，适用性广。

64、4)本发明为进一步减小修复过程对母材的影响，结合温度监控与熔池监控手段，对每道重熔过程的激光功率进行调节，保证每道熔池宽度相同，减小热输入。同时，考虑到钢轨材料的特点，采用一种多道多次梯度激光重熔方法，能够对修复区域起到回火的作用，使修复区域马氏体白层分解并形成钢轨棕层，起到消除马氏体白层的作用，以此确保修复后钢轨的力学性能。采用本发明所述的修复方法，修复后钢轨表面未检测到疲劳裂纹，钢轨内表面的钢轨白层全部转化为钢轨棕层，完全消除了钢轨服役过程中产生的疲劳裂纹与钢轨白层，且对母材的影响降低了40％。采用多道多次梯度激光重熔修复方法，能够修复传统方法无法实现的钢轨白层修复，且对母材影响小，能够快速、精准地消除钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层，降低了钢轨服役过程中的维护成本。

技术特征：

1.一种钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s1中，所述对损伤钢轨进行探伤具体是指：利用一体化激光重熔修复装置中的裂纹检测模块与白层检测模块，对服役钢轨表面损伤进行扫描；

3.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s1中，所述根据不同损伤类型对应的权重系数，确定第一道激光重熔工艺参数，具体包括：

4.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s2中，所述一体化激光重熔修复装置由一体化支架(1)、同步打磨装置(2)、同步预热装置(3)、同步熔池监控模块(4)、激光头(5)、同步红外模块(6)、同步超声振动模块(7)、同步裂纹检测模块(8)与同步白层检测模块(9)组成。

5.根据权利要求4所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：所述同步打磨装置(2)、同步预热装置(3)、激光头(5)、同步红外模块(6)、同步超声振动模块(7)、同步裂纹检测模块(8)与同步白层检测模块(9)均通过螺栓连接在一体化支架(1)上；

6.根据权利要求4或5所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：所述同步打磨装置(2)安装在支架臂ⅰ(10)最前端，所述同步预热装置(3)安装在同步打磨装置(2)与激光头(5)之间；所述同步裂纹检测模块(8)与激光头(5)相邻，所述同步白层检测模块(9)安装在支架臂ⅰ(10)尾部，所述同步红外模块(6)与同步超声振动模块(7)均安装在支架臂ⅱ(11)上并位于激光头(5)两侧，所述同步熔池监控模块(4)通过螺栓固定在激光头(5)上部；

7.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s3中，所述根据不同损伤类型确定一体化激光重熔修复工艺具体是指：根据损伤类型不同，针对第一、二、三类损伤，无需启动同步打磨装置，仅需开启激光头、同步预热装置、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块进行一体化激光重熔修复；对所述第四类损伤，需同时开启同步打磨装置、激光头、同步预热装置、同步超声振动模块、同步裂纹检测模块与同步白层检测模块进行一体化激光重熔修复。

8.根据权利要求7所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：所述同步打磨装置的砂轮转速为500～750r/min，同步打磨压力为400～600n；所述同步预热装置预热温度为200～300℃；所述同步超声振动模块的振动频率为20～22khz，所述同步超声振动模块的振动电流为0.2～0.6a。

9.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s4中，包括如下步骤：

10.根据权利要求1所述的钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，其特征在于：在步骤s5中，具体包括如下：

技术总结
本发明属于激光加工技术领域，具体公开了一种钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层的一体化激光重熔修复方法，包括如下步骤：对损伤钢轨进行探伤，确定服役钢轨表面的损伤类型与损伤区域，根据不同损伤类型对应的权重系数，确定第一道激光重熔工艺参数；安装一体化激光重熔修复装置；根据不同损伤类型确定一体化激光重熔修复工艺；开启一体化激光重熔修复装置，对钢轨损伤区域进行多道多次梯度激光重熔处理；并实时判断修复效果与评价。本发明采用一体化激光重熔技术修复钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层，使修复前处理、激光重熔修复与修复效果评估同步进行，在保证修复区质量的前提下，消除了钢轨表面疲劳裂纹与钢轨白层，工艺简单、成本低且修复效率高。

技术研发人员：丁昊昊,林强,姚鑫宇,王文健,张沭玥,张群莉,郭俊,刘启跃,周仲荣,齐欢,阳义
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23