[发明专利]一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化方法与设备

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

近些年来，我国铁路运输速度得到迅猛发展，尤其在2007年全国铁路第六次大提速以来，速度超过200km/h动车组被广泛运用到中国的各大铁路干线上来。动车组具有双向运行能力，是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其灵活、方便、快捷、安全、可靠和舒适的特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。毫无疑问，导轨是支撑动车组运行的重要组成部分。但在动车运行过程中，各种自然或非自然因素以及车轮与导轨间的摩擦使铁轨受到磨损甚至是变形。在现实的铁路运输中，这种磨损是很常见的。在我国铁路行业基础设施维护预算支出中，对导轨维护的预算比例是非常大的，因此对于导轨这样高资本费用的项目，如何更好的制定制造方案尤为重要。导轨的磨损大都发生在与车轮接触的导轨表面，所以加强接触面的强度成为提高导轨抗磨性的重点。如果通过动车铁轨表面激光熔注仿生强化提高动车铁轨寿命50%以上，可以缩短检修周期，具有重要的实际意义和巨大的经济价值。

    激光熔注技术目前已经被认为是制备金属基复合材料层最为理想的方法之一，是激光局部熔化金属基体，同时将陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被冻结，实现了基体上层颗粒增强，提高金属表面耐磨性和硬度，显示了激光熔注技术在金属基体表面制备颗粒增强复合材料层的优势。

自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，生物体表是由凹坑、凸包、波纹、花纹、条状、网络或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物体表单元体大小从几十微米到几十毫米，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性。将生物表面耐磨原型应用在动车铁轨表面强化领域，具有良好发展前景。

本发明工艺方法采用激光陶瓷熔注方法，针对动车铁轨表面磨损区域几何特征，从仿生角度出发，研究耐磨损生物原型，从减小动车铁轨表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在动车铁轨表面，提高动车铁轨表面的耐磨性，延长动车铁轨使用寿命，为动车铁轨表面强化提供了一种新的方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。

所述控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、动车铁轨表面仿生结构体设计模块和动车铁轨表面仿生强化数控加工模块；

所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控模块，所述数据库中每一条数据记录包括动车铁轨的材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后铁轨化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控模块主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态；

所述动车铁轨表面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对动车铁轨表面强化区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小动车铁轨表面强化应力应变角度，设计仿生结构体；

所述动车铁轨表面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的动车铁轨表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好动车铁轨表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中。

同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，送陶瓷粉速度1～200 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。

所述陶瓷颗粒包括TiC、WC和SiC。