[发明专利]坡道/弯道钢轨—道岔、平直道钢轨—道岔的组合激光强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁路轨道零部件的激光强化加工技术领域。 

背景技术

轨道与道岔是支撑、引导列车运行的零部件，其服役寿命及可靠性，关系铁路运输经济性和列车服役安全性、乘坐舒适性和环境噪音。在列车运行过程中，承受复杂的轮轨/道岔滚动接触冲击力作用，会出现轮-轨/道岔冲击及滑移噪音等环境问题，其表面剥离与磨耗等损伤问题，以及疲劳断裂带来的安全问题。同时，为提高列车综合运行性能，对轨道与道岔有低噪音、长寿命、高可靠性与安全性的苛刻科技要求。 

依照世界铁路钢轨与道岔的制造技术特点，铁路钢轨与道岔可区分为基体材料钢轨-道岔和激光处理钢轨-道岔： 

基体材料钢轨-道岔，主要由优质碳素钢、优质低合金钢、贝氏体钢和低碳马氏体钢等，制造一般采用连轧工艺，包含钢水精炼-坯锻轧-热处理/表面强化-精加工等过程；热处理/表面强化工艺包括调质、表面淬火等，由于材料组织结构没有发生实质性转变，材料服役能力几乎达到制造能力的极限，但能力仍然有限：硬度一般为Hv320～390；磨损速度快，仅中国国铁的钢轨-道岔年维修费用就达十多亿人民币；严重影响铁路运输安全。因此，现有钢轨-道岔在服役中磨损快，不均匀性损伤大，导致轮轨冲击载荷与冲击噪音增加，服役寿命短。 

激光处理钢轨-道岔，在基体材料钢轨-道岔与车轮可能接触的区域，实施激光表层强化加工，使表层材料微观组织结构微纳米化，抗磨与抗滚动接触疲劳性能获得大幅度提高。 

激光踏面车轮，上世纪90年代后期，俄罗斯机器制造科学研究院联合高尔基铁路局，率先应用CO 2激光器直接熔凝轮-轨/道岔接触面基体材料(未添加耐磨颗粒)，获得了微纳米化的表层微观组织结构，取得了延长钢轨寿命0.8～1.0的效果[Chkalov LA.Laser strengthening of wheel and rail.Railway Transport，1988，(2)：31-36]。欧洲自2000年起启动了“基础之星”研究计划，DUROC公司应用激光熔凝技术强化处理钢轨-道岔，获得了高硬度、高屈服应力极限和低摩擦力 的钢轨-道岔表面，大幅度降低了磨耗速度与噪音，可延长滚动接触疲劳寿命一倍以上；郑州大学物理工程学院研究了U74钢轨激光淬火工艺及效果，揭示使材料晶粒细化及马氏体，表面硬度和耐磨性呈现明显提高；北京工业大学激光工程研究院开展了激光熔凝U74钢轨表面基体材料的相变强化工艺及效果，揭示提高表面硬度3～4倍；2005年Favilli[FAVILLI Sandro.Hardening process usinglaser in railway applications and relative equipment.PCI/IT 2005/000092，WO2005/080686 A1，World Intellectual Property Organization，1 Sept.2005]公开了一种激光凝钢轨表面材料的强化技术及自行轨道小车；华中科技大学的曾晓雁联合武汉铁路局科学技术研究所，先后公开了若干用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，实现钢轨表面激光淬火、合金化、熔凝强化处理及毛化与冲击强化处理；中科院长春光学精密机械与物理研究所的张志军等公开了一种利用大功率半导体激光熔凝钢轨表面的便携式装置；张俊等公开了一种利用便携式激光熔覆方法修复了受损钢轨表面的装置；张准胜先后公开了利用激光合金化、熔凝技术强化钢轨表面的方法，同时还公开了激光强化道岔辙叉与尖轨的方法；沈阳大陆激光成套设备有限公司的陶兴启等先后公开了道岔表面激光合金化强化工艺与道岔滑床板表面激光熔覆工艺。 

但是，现有钢轨-道岔激光表面强化方法，没有与铁路线路地理环境相关的绿色科技需要结合，没有把加工方法及强化深度与钢轨-道岔的寿命要求及失效机制有机结合，主要存在如下问题： 

1、钢轨和道岔分别在不同的工厂或车间进行强化，强化的方法和深度不同，导致二者的使用寿命不匹配，严重影响整个轨道的使用寿命。并且现有的强化方法不考虑激光强化的深度，也没有激光强化深度的概念。各处的钢轨、道岔强化后对材料表层组织发生相变的厚度影响不一，导致各处钢轨、道岔对轮轨滚动接触疲劳产生的亚表面剥离损伤失效的抵抗作用差异大，服役寿命不均，影响了全路段轨道的整体使用寿命，也使维护修理极为不方便。 

2、钢轨-道岔激光表面强化方法与铁路线路地理环境的匹配性问题