[实用新型]一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备

说明书

技术领域

本实用新型属于铁路轨道表面强化与修复技术，涉及一种实现钢轨表面强韧化和修复处理的在线激光加工设备，具体为一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备。

背景技术

随着列车速度、运量和轴重的提高，钢轨因为磨损失效的速率越来越快，因钢轨损伤而导致的列车脱轨事故时而发生。我国每年用于更换和维修损伤钢轨的直接费用达数十亿元人民币。

高速、重载列车对列车的运行平稳性和安全性有更高的要求，钢轨的耐磨性更好、使用寿命更长是其中的关键因素之一。对普通铁路运行线路来说，钢轨的损伤主要表现为孔裂、轨头垂直和水平裂纹、擦伤、淬火裂纹、轨腰圆弧纵裂、核伤、剥离掉块及鱼鳞纹等。对无缝线路来说，钢轨的损伤主要表现为焊接接头损伤、轨头垂直和水平裂纹、孔裂、擦伤、剥离掉块及鱼鳞纹、轨腰圆弧纵裂和核伤等，主要是由于列车运输过程中轨、轮的摩擦磨损、疲劳磨损等原因所致。迄今为止，如何有效缓解和消除这些轨道伤损还没有行之有效的解决办法，只有采用直接更换钢轨的方式，使得铁路运营成本居高不下。

随着我国铁路第六次大提速的实现和四纵四横铁路主干线建设项目的启动，铁路运营高速化、重载化已成为加快我国铁路运输业发展的必然趋势。然而，在现有轨道条件下，机车轴重、运行速度和强度的提高将进一步缩短铁路基础部件的使用寿命和维修周期，钢轨检修和列车运行安全也将面临严峻挑战，并成为制约我国进一步提高轨道运输能力的瓶颈。仅仅是铁路工务部门每年用于更换道岔部分主要部件(如尖轨、护轮轨、基本轨、岔心)所涉及到的钢轨材料费、人工费就数量惊人，加上更换正线、弯道及其它部分所造成的直接经济损失，和因为铁道维修影响列车运输导致运能不足所带来的间接经济损失，其值更是难以估量。因此，进一步提高铁路轨道的使用寿命成为我国发展高速、重载列车的必要保障。

为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法：第一，采用感应全长淬火工艺，获得细片状珠光体组织；第二，采用低合金高碳钢取代普通碳素钢；第三，采用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进一步提高钢轨的表面硬度等。在过去几年中，钢轨全长淬火技术取得了显著的效果，它使钢轨的耐磨性分别提高了50％(直道)和100％(弯道)。然而，全长淬火技术的主要不足之处在于钢轨的表面不能够出现马氏体甚至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程中出现断轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火后钢轨硬度一般控制在Hv320～390之间，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。低合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但效果不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于研发阶段，主要的困难在于如何保证钢轨的焊接接头强度问题。

激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化技术之一，它包括激光淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺，其共同特点是加热速度快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表面强化工艺。我们前期的研究成果表明，由于激光表面强化技术的高加热速度、高冷却速度、硬化层深度有限和硬化层呈现压应力状态等特点，钢轨表面即使出现马氏体组织，也不会导致钢轨的强韧性显著下降。特别是由于马氏体组织的硬度显著高于细片状珠光体，因此可以突破感应全长淬火工艺时钢轨表面硬度不能高于Hv390的上限，使得钢轨的表面耐磨性跃上新台阶。此外，激光表面淬火技术具有硬化层深度方便调控、不需要淬火介质、不需要回火、工件变形小等特点，因此除了可以在生产车间内实现定点加工，还可望研发出专用装备，完成轨道的在线淬火。

显然，考虑到铁路干线繁忙的现状，在线激光加工设备应具有高机动性，能够在尽量不影响列车正常运行的前提下，实现轨道表面强韧化和修复加工处理。