一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备的制作方法

专利名称：一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备的制作方法
技术领域：
本发明属于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，尤其适用于铁路、地铁和轻轨的钢轨表面强韧化处理。
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縮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己经接近极限。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 激光相变淬火、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。中国实用新型专利文献"一种铁路轨道激光维修车"(公告号为CN2622241，
公开日
为2004年06月30日)报道中，提出了一种铁路轨道激光维修车，它可以在不拆卸钢 轨的前提下，实现钢轨的在线强化与修复。该文献提出的铁路轨道激光维修车包括牵引 及控制车和轨道作业车两部分。牵引控制车是在铁路轨道车的基础上改制的，主要区别 在于在铁路轨道车的司机位置处设有激光作业总控制台；轨道作业车是在铁路客车的基 础上改制完成的，其上设置有一台或两台大功率C02激光器。当设置一台激光器时，激 光器位于作业车中央，用一面分光镜将激光束平分为两束水平光束，并分别通过两面垂直镜将激光束导向钢轨面。当设置两台激光器时，两台激光器相对，并与车辆几何中心 对称或斜对称，激光光路设计上分别用两面水平镜将激光束就近垂直于激光器光轴线传 出，再分别用两面垂直镜将激光束导向钢轨面。激光光路和数控系统的设置可精确地将 激光束传输到钢轨加工点上，具体由光路转镜、支架、滑轨、移动装置、光路保护装置、 电缆、数控软件、光头组成。为了保证轨道激光加工作业的顺利完成，轨道激光修复车 除了激光器系统、激光光路及移动数控系统之外，还有车辆减震系统、激光器减震系统、 钢轨面清洗系统、钢轨面吸光材料喷涂系统、涂料烘干系统、激光器供气系统、激光器 供粉系统、激光器冷却系统、激光器供风系统、激光车车体、监视及照明系统、车厢密 封除尘系统等。根据上述描述，可以看出，该文献所提出的激光修复专用车具有如下几 个不足第一，激光器、制冷机、加工装置等设备的运载工具是用轨道车和车厢改制而成的， 重量大，体积大，只能够沿着铁路线运动，占用了轨道。因此，该设备在钢轨表面激光 强韧化处理时，难以有效避让过往车辆，不能满足在铁路干线正常运营条件下实现钢轨 表面激光强韧化的处理要求。第二，该设备采用高功率C02激光器作为光源，无论是横流C02激光器还是快轴流 激光器，其光电转换效率相对较低，体积庞大，重量大，耗能也大。加上C02激光器对 光腔的稳定性要求高，因此牵引车和修复车必须具有良好的抗震性，必须添加防震装置， 这也进一步增加了设备的重量。第三，C02激光器的波长为10.6微米，金属基体对其吸收率很低，必须喷涂吸光涂料才能获得较好的效果。不仅增加了激光加工的工序，所需要的涂料喷涂、烘干和清洗 设备也使得整个激光维修设备的重量和体积更加庞大。第四，所采用的C02激光器导光系统复杂，只能采用飞行光路并通过机械紧固，激光修复车运行过程中产生的震动会不可避免地对光路的精密性造成影响，降低激光加工过程的长期稳定性；第五，整个激光加工设备需要采用大马力柴油机牵引，耗能大，体积大，设备的造 价也相当昂贵。即使采用电气化线路沿线的电力线，也存在着连线、断线操作工序复杂 等种种弊端，适用性差。发明内容本发明的目的在于提供一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，该设备 操控方便，装卸运输简便，可以在不影响列车正常运行的前提下，在线实现轨道不同部 位的激光表面强化及修复处理。本发明提供的用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，其特征在于它包括激光加工车和动力系统集装箱；激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构；运动执行机构为数控机床和机器人时，激光加工头活动安装在运动执行机构上，运动执行机构为伺服电机时，激光加工头活动安装在移动小车上；动力系统集装箱包括安装在集装箱体内的制冷机、空压机、冷干机和激光器高压电 源；激光器为光纤激光器、二极管泵浦固体激光器或灯泵浦固体激光器时，激光器安装 在所述集装箱体内；激光器为半导体激光器时，激光器安装在移动小车上或所述集装箱 体内；激光器的出光口通过导光系统与激光加工头的入光口光路连接；激光器高压电源 与激光器电连接，为其提供产生激光所需要的直流高压电能；制冷机为激光器及导光系 统和激光加工头上的光学镜片提供冷却；空压机的一个出风口通过管道与冷干机的入风 口相连通，冷干机的一个出风口通过管道与激光加工头相连；控制系统安装在移动小车 上或集装箱体内；控制系统分别与制冷机、空压机、冷干机、激光器高压电源、激光器 和运动执行机构电连接；控制系统控制制冷机、空压机、冷干机、激光器高压电源和激 光器的开、关，控制系统控制运动执行机构和激光加工车按照设定的轨迹运动。利用本发明提出的在线激光加工设备，可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运 行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等的激光相变淬火、熔凝淬 火、合金化和熔覆处理，使加工后的钢轨耐磨性大幅度提高。特别是在钢轨表面的激光 硬化层磨耗完毕之后，还可以在不拆卸铁路轨道的前提下进行钢轨的二次、三次和多次 表面强韧化处理，使得钢轨的全寿命周期大幅度延长，轨道更换次数大幅度降低，克服 目前铁路轨道使用中存在的诸多弊端，满足铁路高速、重载列车对钢轨的耐磨性要求。 具体而言，本发明具有如下特点或者功能(1)本发明将激光加工设备分为激光加工车和动力系统集装箱两部分。其中，激光加工车体积小，重量轻，机动灵活，装卸方便，能够有效地避让列车，在钢轨表面实 现各种在线强韧化处理。将发电机、制冷机、空压机、冷干机及激光器的高压电源等体 积、重量相对较大的设备集成在一起组成动力系统。将动力系统安装在集装箱体中，就 构成动力系统集装箱，该集装箱可以根据轨道的情况装载在载重汽车或铁路机车上，或 放置在加工现场。激光在线加工野外铁路轨道时，动力系统集装箱装载在载重汽车上， 组成动力工程车。该车可以远离铁路轨道(最大距离可达100米)，只需激光加工车在轨道上工作。当有列车通过时，只需要将体积小、重量轻的激光加工车搬离轨道以避让 列车，从而可克服对比文献中激光维修车的重量大、体积大、操作不便、在铁路正常运 输条件下无法避开过往列车的弊端，利用列车通行的时间间隙就可以进行激光表面强韧 化处理。在线加工地铁或轻轨轨道时，动力系统集装箱安放在铁路机车上，利用地铁或 轻轨晚上停运的时间对轨道进行表面强韧化处理。当要完成车间内钢轨的离线加工时， 动力系统集装箱就直接安放在加工现场。(2)本发明中的激光加工车体积小，轻便，最轻的小车不超过100公斤，最重的 也只在1000公斤左右，用人力或者小型叉车可随时随地实现在轨道上的安装、拆卸及 搬运，机动性强，能够在列车到来前及时避让，并在列车离开后快速进入加工状态，从 而完成线路上指定区域的钢轨加工。在加工完轨道一边后，直接将加工车换向，就可以 对轨道另一边进行加工。还可以针对钢轨焊接接头病害实现定点修复或者强化。而对比 文献中的激光加工车为一个火车车厢，长度大于十米，重达数十吨；动力车为机车头， 重量也达到数十吨。当它们用于处理钢轨时，必须中断列车的正常运行，无法有效避让 车辆。(3) 本发明采用可光纤传输的固体激光器，省却了复杂的飞行光路，降低了激光能 量的光路传输损耗。激光器既可以安装在激光加工车上(当采用高功率半导体激光器 时)，又可以安装在动力系统集装箱中(当采用光纤激光器及其它固体激光器时)，从而 能够保证激光加工车的高机动性。(4) 所采用激光器的波长短，钢轨对其吸收率高，因此不需要预先喷涂涂料及后续 的清洗涂料等工序，简化了工艺，降低了设备的体积、重量、能耗及造价。(5) 本发明中的运动执行机构部分可以采用多种结构实现，可以是数控机床、机器 人或伺服电机等。无论哪种结构都可以保证钢轨踏面、内侧和外侧的激光表面强韧化处 理的加工精度。(6) 激光加工车上的激光加工头可进行旋转，能实现轨道不同部位的激光相变淬 火、熔凝淬火、合金化处理。通过和送粉器结合，可以实现钢轨的激光熔覆修复加工。(7) 当钢轨需要在不影响铁路正常运输的前提下快速实现激光表面强化加工，加 工周期短，任务急时，可采用多台激光加工车，同时集中在同一个地段施工，以加快施 工速度，使激光加工过程对铁路运输的影响降低到最小程度。(8)本发明除了能够对钢轨进行在线激光表面强化外，同样可以在生产车间内实现 铁路轨道的离线生产。本发明适用于各种铁道钢轨，包括高速、重载列车轨道和城市地 铁、轻轨轨道的表面强韧化处理和修复，应用非常广泛。


图1为本发明在线式激光加工设备的一种具体实现方式的结构示意图；图2是本发明的移动小车的结构示意图；图3是图2的俯视图；图4是图2的侧视图；图5是图2中A-A剖面，驱动轮及钢轨结合剖视图；图6是透射聚焦式激光加工头的结构示意图；图7是光纤耦合导光系统的原理示意图；图8是激光加工车的第一种具体实现方式的结构示意图；图9是图8俯视图；图10是图8的侧视图；图11是激光加工车的第二种具体实现方式的结构示意图；图12是激光加工车的第三种具体实现方式的结构示意图； 图13是图12的侧视图；图14是激光加工车的第四种具体实现方式的结构示意图； 图15是动力工程车的一种结构示意图；图16是激光加工车的第五种具体实现方式的结构示意图； 图17是激光加工车的第六种具体实现方式的结构示意图； 图18是激光加工车的第七种具体实现方式的结构示意图； 图19是反射聚焦式激光加工头的一种结构示意图；图20是激光加工车的第八种具体实现方式的结构示意图； 图21是图20的侧视图；图22是图20的俯视图；图23是激光加工车的第九种具体实现方式的结构示意图； 图24是激光加工车的第十种具体实现方式的结构示意图； 图25是激光加工车的第十一种具体实现方式的结构示意图； 图26是激光加工车的第十二种具体实现方式的结构示意图； 图27是激光加工车的第十三种具体实现方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及的激光加工设备由激光加工车和动力系统集装箱两部分组成。激光加工 车体积小、重量轻，有多种方式具体实现，能在不拆卸钢轨的前提下，在线完成钢轨表 面各种强韧化处理任务。而发电机、制冷机、空压机、冷干机及激光器的高压电源等体 积、重量相对较大的设备集成在一起组成动力系统。为保证激光加工车的高机动性和满 足不同环境钢轨的加工需要，将动力系统安装在集装箱体中，构成动力系统集装箱。该 集装箱安装在载重汽车上，就构成了动力工程车，可满足野外铁路钢轨的在线激光加工要求；也可以将该集装箱安装在铁路机车上，满足轻轨和地铁钢轨的在线激光加工需要； 当要完成车间内钢轨的离线加工时，动力系统集装箱就直接安放在车间加工现场。本发明所使用的激光器可以是高功率半导体激光器、光纤激光器、二极管泵浦固体 激光器或者灯泵浦固体激光器。上述激光器可以采用连续或脉冲输出方式。当激光器采 用高功率半导体激光器时，激光器最好安装在激光加工车上，这是因为半导体激光器的 体积小，重量轻，直接安装在激光加工车上，不会明显增加加工车的重量，而可以减小 激光器到激光加工头之间的距离，减少光纤的长度或导光系统的复杂程度，降低激光束 在传输过程中的能量损耗，提高设备的性能/价格比。当使用其它固体激光器时，由于激 光器的体积和重量相对较大，安装在激光加工车上将会显著增加小车的体积和重量。因 此，宜将这类激光器安装在动力系统集装箱中，以保证激光加工车的高机动性。本发明设备可以用于实现轨道不同部位的激光表面强韧化处理，包括激光相变淬 火、熔凝淬火、激光熔覆和合金化处理等。下面以采用高功率半导体激光器进行野外激光熔覆修复加工为例，结合各图说明本 发明设备的结构。如图1所示，整个在线激光加工设备包括激光加工车1和动力系统集 装箱2两部分。激光加工车1包括移动小车3、激光加工头4及其运动执行机构5、导光系统6、激 光器7、送粉器8和控制系统9。运动执行机构5可以是数控机床、机器人或伺服电机。 当本发明设备用于激光相变淬火或熔凝淬火时，激光加工车1上可不设置送粉器8。为 减轻激光加工车1的重量，也可以将激光器7和控制系统9安装在动力系统集装箱中。动力系统集装箱2包括安装在集装箱体内的发电机10、制冷机ll、空压机12、冷 干机13和激光器高压电源14，还可能包括激光器7和控制系统9。动力系统集装箱2 安装在载重汽车上时，称之为动力工程车。为减缓在运输过程中，发电机、空压机、冷 干机、制冷机、激光器电源等设备因为道路不平产生振动，发生与车厢之间的碰撞，导 致设备损伤的程度，上述各装置可以通过减震器安装在集装箱体内。发电机10为动力系统集装箱2上的制冷机11、空压机12、冷干机13、激光器高压 电源14和激光加工车1上的运动执行机构5、送粉器8和控制系统9提供工作所需要的 电能。激光器高压电源14给激光器7提供产生激光所需要的直流高压电。 运动执行机构5、激光器7、送粉器8和控制系统9均安装在移动小车3上。激光 加工头4安装在激光加工车1上的运动执行机构5上。激光加工头4的角度旋转范围为 -90° 180°，能实现轨道踏面、内侧和外侧等不同部位的激光表面强韧化处理。激光加 工头4可以采用现有的可旋转式激光加工头，也可以通过加装旋转轴将普通的激光加工 头安装在运动执行机构上，通过激光加工头的旋转扫描实现表面处理。激光加工头4也 可以由激光振镜系统和聚焦镜构成，聚焦镜位于激光振镜系统的出光光路上，通过电机 驱动振镜运动，实现不同轨迹的激光扫描处理。控制系统9与制冷机11、空压机12、冷干机13、激光器高压电源14、激光器7、 送粉器8电连接，控制各器件的开与关，并控制运动执行机构5按照设定的轨迹运动。 激光加工头4在运动执行机构5的带动下按照控制系统9所设定的轨迹运动，完成钢轨 表面的强韧化处理。激光器7通过导光系统6将激光束传输到激光加工头4，聚焦并作 用于工件表面。导光系统6可以采用现有的光纤传输系统或由多块反射镜组成的硬光路 系统，当使用半导体激光器作为光源时，可以将激光器通过导光系统(在这里是扩束准直系统)和激光加工头相连。送粉器8通过导管与激光加工头4的喷嘴相连。制冷机11通过管道给激光器7及导光系统6、激光加工头4上的光学镜片提供冷却 水。空压机12的出风口通过管道与冷干机13的入风口相连通，冷干机13的出风口通 过管道与激光加工头4的喷嘴相连。空压机12产生的压縮空气在经过冷干机13过滤后， 消除掉其中的水、油滴等液态物质，再通过管道输送给激光加工头4作为保护气体，防 止激光表面处理过程中产生的灰尘、烟雾污染激光加工头4上的聚焦镜。冷干机13的 另一个出风口通过管道与送粉器8相连，在送粉器8开启时，该气体将合金粉末通过导 管输送到激光加工头4，并从喷嘴喷出。不工作时，激光加工小车1与动力系统集装箱2的连接全部脱开，单独安放。工作 时，激光加工小车1随动力系统集装箱2—起运到工作现场，并将各个主要部件通过光 纤、电源线、控制线、气体管道和水管连接好，然后展开激光表面强韧化处理工作。下面举例说明各部件的几种具体实现方式。移动小车3是在由铝合金或者钢架构成的愕架结构(车身)15上安装2 4个车轮 构成，车身15采用铝合金型材或者型钢制造，其厚度和尺寸根据小车上所需要安装的 装置如送粉器、激光器、运动执行机构的重量等要求而确定。根据小车上设备的布置方 式，和小车质量最小化的原则，小车上的车轮可以是两个、三个或者四个。以三轮结构 的小车为例，如图2、图3、图4、图5所示，在框架结构上安装了驱动轮17、前轮18 和边轮19。在驱动轮17上，安装了伺服电机21和齿轮系统22，可以在控制系统的驱 动下沿着钢轨前后运动。在移动小车3的车身15上，还安装了提手20，用于将激光加 工车1安置或者搬离钢轨57。如图5所示，驱动轮17通过齿轮组22、车轮轴承23和车轮轴24配合传动。整车 能够通过提手20安装或搬离轨道57。移动小车3通过其上的前轮18、驱动轮17、边轮 19和轨道57配合，并通过驱动轮伺服电机21来驱动小车沿钢轨的长度方向前后移动。移动小车3也可以采用二轮结构，并安装支撑架定位。通过人工移动将移动小车安 装到轨道单根钢轨上，通过支撑架定位，可以进一步降低设备制造成本和重量。移动小 车3采用四轮结构可以增加激光加工车的稳定性，但小车的重量进一步增加，不利于手 工搬运激光加工车。激光加工头4是本发明中移动式激光加工设备的重要部件，可以采用各种形式的可旋转式激光加工头， 一般有二种结构形式透射聚焦式激光加工头和反射聚焦式激光加 工头。下面列举一种具体的结构形式，但本发明所使用的激光加工头并不局限于此。如图6所示，激光加工头4包括扩束镜33、导光筒34、透射聚焦镜35、激光头支 架37、喷嘴39。扩束镜33的入光口和导光系统6 (光纤或者硬光路系统)的出光口相 连，激光扩束镜33的出光口插入导光筒34的上部，所插入深度可在导光筒34中上、 下调整。导光筒34通过锁紧螺母36固定在激光头支架37上，透射聚焦镜35安装在导 光筒34下部，喷嘴39与导光筒34的底部螺纹连接。在导光筒34上还安装有多个气嘴 40 (最好对称分布)。它们的作用有两个当采用激光熔覆工艺时，它们和送粉器8的 送粉导管相连，合金粉末通过导管沿喷嘴同轴喷出；当采用激光相变淬火或者熔凝淬火 工艺时，上述4个气嘴分别与冷干机的出气口相连，使清洁、干净的压縮空气从喷嘴喷 出，防止镜片被烟尘污染。激光头支架37通过旋转轴38与运动执行机构5相连，使激光头4与运动执行机构 5同步运动。旋转轴38上的螺丝帽拧松时，可以轻松地将激光加工头4旋转一定的角度， 从而完成钢轨内侧边的激光表面强韧化处理。当激光加工头4与送粉器8相连时，喷嘴39采用同轴送粉喷嘴。激光加工头的另一种形式可以采用工业上常用的反射聚焦方式激光加工头，通过旋 转轴或其它旋转机构将其安装在运动执行机构或移动小车3上。下面列举一种具体的结 构形式，但本发明所使用的反射激光加工头并不局限于此。如图19所示，反射聚焦式激 光加工头由导光筒34、非球面聚焦镜62和喷嘴39组成。非球面聚焦镜62安装在导光筒34 中，喷嘴39从侧面与导光筒34连接。导光筒34的轴心与喷嘴39的轴心垂直。导光筒34的 轴心与非球面聚焦镜62的中心沿水平方向保持一致，喷嘴39的轴心与非球面聚焦镜62的 中心沿垂直方向保持一致。工作时，激光束经过扩束镜射入导光筒34中，由非球面聚焦 镜62聚焦后作用于到待处理的轨道上。通过选择不同焦距的非球面聚焦镜62可以实现对 聚焦光斑尺寸的控制。上述两种激光加工头都可用于钢轨表面的激光强韧化处理。其中，透射聚焦式激光 加工头结构较为简单，重量也略微轻便，但是聚焦镜为晶体，容易因为污染而损伤。反 射聚焦式激光加工头镜片都为铜镜，耐久性强，比较适合长时间野外工作状态。激光加工车1可采用的导光系统6有两类 一种是光导纤维，另一种是由多块反射镜组成的硬光路系统。如图7所示，当采用光导纤维作为导光系统时，激光器7发出的激光束55经过光 纤耦合头46耦合进入光导纤维47，传输到激光加工头4上的激光扩束镜33，再通过聚 焦镜聚焦之后出射到待处理的轨道上，实现激光表面强韧化处理。光导纤维47是由本 征损耗小的光波导芯层材料(其折射率为n2)和包层材料(其折射率为nl)构成(n2> nl)。 1064nm的红外激光在光导纤维中的传输损耗极低，即使光纤长度达到100米，最 大损耗仍然能够保持在5%以下。因此，必要时即使将激光器安装在距离钢轨100米远 的动力系统集装箱2中，仍然能够将激光器7所输出的高功率激光束高效传输到位于轨 道上的激光加工车l上。当采用光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、灯泵浦固体激光 器作为光源时，均用光纤作为导光系统6，并由于该类激光器的体积、重量相对较大， 一般将其安装在动力系统集装箱2中。当采用高功率半导体激光器作为激光源时，由于 其体积小、重量轻，而光束质量相对较差，因此可直接安装在激光加工车1上，以便縮 短光程。此时，既可以采用光纤传输，也可以采用硬光路系统传输。当采用硬光路传输时，有两种方式 一种是将激光器7直接安装在激光加工头4的 上方，使半导体激光器7通过扩束镜等组成的导光系统与激光加工头4相连，聚焦后用 于激光加工。另一种方式采用45°反射镜组合将激光器发射的激光束传导至激光加工头 4上聚焦后用于激光加工。当激光器7位于移动小车3上时，激光加工车1的结构如图8、图9、图10所示。 运动执行机构5采用三维数控机床，三维数控机床包括X轴伺服电机25、 Y轴伺服电 机26、 Z轴伺服电机27、 X轴工作台28、 Y轴工作台29和Z轴工作台30。激光束通 过光导纤维6从激光器7传输至激光加工头4聚焦后，直接辐照至轨道57表面。当激光器7位于动力系统集装箱2中时，激光加工车1的结构如图11所示。此时 激光束通过光纤传输到激光加工车1上的激光加工头4,聚焦之后照射到钢轨表面。如图12、图13所示，在数控机床的X轴工作台28下面安装一个可旋转底盘31， 将X轴工作台28固定在可旋转底盘31之上。可旋转底盘31可以围绕旋转中心轴32 转动180度。当激光加工车1处理左侧钢轨57时，用螺钉锁定可旋转底盘31，以防止 运动执行机构5抖动或者滑动。当完成了左侧钢轨57的加工后，只需要将该螺钉松开， 人工推动它绕旋转中心轴32转动180度，然后用螺钉锁定，就可以对另一边钢轨57进 行激光加工处理。而激光加工车l上的其余部分不需要移动。这一结构与图8所示结构相比的优势在于当需要改变激光加工的轨道时，不需要将整台激光加工车1抬起来换 向，而只需旋转其中的数控机床部分即可，省力省事，使用更加方便。此时，移动小车 3采用四轮系统，以便增加设备的平稳性。
如图14所示，当激光器7采用高功率半导体激光器作为光源时，可以通过扩束镜 直接和激光加工头4相连，从而可以减少激光束传输损耗。
激光加工车1中的运动执行机构5也可以用业已发展成熟的机器人代替。如图16 所示。机器人61位于激光加工车1的中央，激光加工头4安装在机器人61的执行机构 末端，通过机器人61的各个关节48、 49、 50、 51、 52、 53的协调运动，完成钢轨57 踏面及内侧等部位的激光表面强韧化处理。二极管激光器7输出的激光束是通过光纤传 输到激光加工头4上的。
与以数控机床为移动执行机构时相比，机器人61实际上是一种6轴的数控系统， 它代替数控机床作为执行机构，最大的优势在于它可以在编制好激光加工程序后，一 次性完成钢轨踏面(正面)及内侧的强韧化处理。同时，机器人的活动范围更大，可以 在完成一边轨道57踏面和内侧的强韧化处理之后，根据所编制的软件直接完成另一边 钢轨57踏面和内侧的激光强韧化处理，而不需要使小车改变方向。该结构的不足之处 有两点 一是机器人61的重量一般比数控机床大，激光加工车1的车身刚性结构必须 相应加强才能满足要求，再加上机器人61本身的重量也更大，因此激光加工车l的整 车重量会增加较多。当需要搬运激光加工车1时，单纯靠人力会存在困难，但是可以借 助叉车来完成；二是机器人61的造价一般比三轴数控机床高，将会增加设备制造成本。 当采用高功率半导体激光器作为激光源时，激光器7可安装在激光加工车1上，如图16 所示。也可以将激光器7直接安装在机器人61的执行端上，如图17所示。此时，激光 器7和激光加工头4直接相连，省去了光纤传输或者硬光路导光系统，结构更加简单， 降低了设备造价。其不足之处在于激光器7直接装载在机器人61的执行关节上，要 求机器人61的承重能力较大，导致相关成本增加。
当采用光纤激光器或者二极管泵浦固体激光器作为光源时，激光器将安装在动力系 统集装箱2中。此时，激光束从位于动力系统集装箱2中的激光器7输出，通过光纤6 传输到直接安装在机器人61执行端的激光加工头4上，聚焦后作用于钢轨57表面，如 图18所示。这种结构可以减轻激光加工车l的重量，但是光纤传输增加了设备的成本。 与这种激光加工车1所对应的动力系统集装箱2中设备布局与图15相同，因此不再赘述。
为减轻激光加工车l的重量，运动执行机构5可以采用伺服电机68，直接驱动激光加 工头做摆动式扫描动作，也可以采用两轴或多轴的激光振镜系统配合聚焦镜作为激光加 工头，直接实现激光摆动式扫描。以伺服电机带动透射聚焦式激光加工头4做摆动式扫 描为例，相应的激光加工车1如图20、 21和22所示，激光加工车1包括移动小车3、激光 加工头4、送粉器8、扩束镜33和支座67。
其中，移动小车3包括车身15、驱动轮17、前轮18、边轮19、提手20、旋转轴38、 圆弧形导轨64和64'、辅助支架65和支撑杆66。驱动轮17和前轮18通过提手20相连，支撑 杆66的一端固定在提手20上，另一端与边轮19连接。支撑杆66上连接有辅助支架65。支 撑杆66可以设计成长度可调节的结构，以满足两条钢轨间距离的变化。激光加工头4整 体固定在车身15上，激光加工头4的一端通过旋转轴38整体与伺服电机68相连，并能在 伺服电机68的驱动下做摆动式扫描运动，激光加工头4的摆动角度范围为30。 150。，摆 动频率由伺服电机68的转动速度控制。支座67固定在车身15上，扩束镜33固定在支座67 内孔中并从右端伸入导光筒34内，但与导光筒34不接触。扩束镜33、导光筒34和旋转轴 38的轴心与45°反射镜43的中心沿水平方向保持一致。透射聚焦镜35和喷嘴39的轴心与 45°反射镜43的中心沿垂直方向保持一致。透射聚焦镜35沿垂直方向的位置可以手动上 下调节，从而实现对聚焦光斑尺寸的控制。
两个相同的圆弧形导轨64和64'分别固定在提手20两端，车身15的两端分别嵌入圆弧 形导轨64和64'内，并能带动整个激光加工头4、伺服电机68、旋转轴38、扩束镜33和支 座67沿着圆弧形导轨64和64'转动，转动的角度范围为0。 卯。，能实现钢轨踏面和内侧 等不同部位的激光表面强韧化处理。根据实际工作需要，车身15可以换向180。嵌入安装 在圆弧形导轨64和64'内，而激光加工车l上其余部件的位置不需要改变，就能实现钢轨 外侧等不同部位的激光表面强韧化处理。此时车身15的旋转角度范围为90。 180。。如 果激光加工车1上设有送粉器8时，送粉器8固定在支撑杆66上。工作时，驱动轮17和前 轮18位于在线处理的同一条铁路钢轨57上，而边轮19位于平行的另一条铁路钢轨57'上。 在加工完一根钢轨后，直接通过把手20将激光加工车1整体换向安装，就可以对平行的 另一根钢轨进行加工。这一结构和图9所示结构相比的优势在于整体结构更加简单， 只需要一轴摆动就能实现两轴的运动功能，减少了伺服电机的个数，省略了丝杠等传送装置，重量更轻，1 2人就能实现激光加工车在轨道上的安装、拆卸和搬运。结合可旋
转的车身，可以方便地满足钢轨不同部位的加工需求。
当将图20所示的激光加工车1配合上相应的透射聚焦式激光加工头或反射聚焦式 激光加工头，激光加工车1就能以振镜摆动扫描的形式对钢轨表面不同位置(踏面、内 侧和外侧)实现激光强韧化处理。下面列举此种激光加工车的几种具体实现方式，但本 发明关于此种激光加工车的使用并不局限于此。
参照图20、 21，以透射聚焦式激光加工头为例。将激光加工头4在圆弧形导轨64 和64'上旋转到与水平方向夹角为90。的位置并用螺丝固定。激光器7输出的激光束通过 光纤或硬光路系统6经扩束镜33后射入激光加工头4中，激光束经过45°反射镜43转 变90。后，经过透射聚焦镜35聚焦之后，从喷嘴39射出并作用在钢轨57的踏面。调整 激光加工头4中的透射聚焦镜35与轨道踏面的相对位置，选择合适的聚焦光斑尺寸。 在激光束作用下，激光加工头4作左右摆动式扫描，配合移动小车3的前后运动就能完 成整根钢轨踏面的激光加工。根据钢轨位置的实际需要，通过改变激光加工头4的摆动 频率、移动小车3的前后运动速度和激光器光束的输出方式，就可以在钢轨表面获得所 需宽度和深度的点状、直线状(横线或斜线)、曲线状、网状和平面状的表面强韧化层。
当上述设备用于激光相变淬火或熔凝淬火时，激光加工车1上可不设置送粉器8。
如图23所示，当激光器7采用高功率半导体激光器作为光源时，可以直接安装在 激光加工车1的车身15上，通过扩束镜与激光加工头4相连，这样可以减少激光束传 输损耗。
参照图24，以透射聚焦式激光加工头为例。将激光加工头4在圆弧形导轨64和64' 上旋转到与水平方向夹角为45°的位置并用螺丝固定。激光器7输出的激光束通过光纤 或硬光路6经扩束镜33后射入激光加工头4中，激光束经过45°反射镜43转变90°后， 经过透射聚焦镜35聚焦之后，从喷嘴39射出并作用在钢轨57的内侧面。调整激光加 工头4中的透射聚焦镜35与轨道内侧面的相对位置，选择合适的聚焦光斑尺寸。在一 定的激光功率下，激光加工头4以一定的频率作上下摆动式扫描，配合移动小车3以一 定的速度前后运动就能完成整根钢轨内侧面的激光加工。根据钢轨位置的实际需要，通 过改变激光加工头4的摆动频率、移动小车3的前后运动速度和激光束的输出方式，可 以在钢轨表面获得所需宽度和深度的点状、直线状(横线或斜线)、曲线状、网状和平 面状的表面强韧化层。激光加工车1可以配备2 3个激光加工头同时对钢轨进行表面强韧化处理。以同 时配备2个透射聚焦式激光加工头为例，参照图25。激光加工车1上同时配备两个相同 的激光加工头4和4'对钢轨的踏面和内侧同时进行加工。将激光加工头4在圆弧形导轨 64和64'上旋转到与水平方向夹角为卯。的位置并用螺丝固定，将激光加工头4'在圆弧形 导轨64和64'上旋转到与水平方向夹角为30。的位置并用螺丝固定。两束激光可以通过 1台激光器分光传输或采用两台激光器分别传输来实现。两束激光通过光纤6分别导入， 经扩束后分别射入对应的激光加工头。对于卯。位置处的激光加工头4，激光束经过45。 反射镜43转变90。后，经过透射聚焦镜35聚焦之后，从喷嘴39射出并作用在钢轨57 的踏面上。调整激光加工头4中的透射聚焦镜35与轨道踏面的相对位置，可以选择合 适的聚焦光斑尺寸。对于处于30。位置处的激光加工头4'，激光束经过45°反射镜43转 变90°，再经过透射聚焦镜35'聚焦之后，从喷嘴39'射出并作用在钢轨57的内侧面。调 整激光加工头4'中的透射聚焦镜35'与轨道内侧面的相对位置，选择合适的聚焦光斑尺 寸。当两片聚焦镜的位置调整完毕后，在一定的激光功率下，激光加工头4以一定的频 率作左右摆动式扫描，同时激光加工头4'以一定的频率作上下摆动式扫描，配合移动小 车3以一定的速度运动就能同时完成整根钢轨踏面和内侧面的激光加工。根据钢轨位置 的实际需要，通过改变激光加工头4和4'的摆动频率与移动小车3的前后运动速度，结 合激光束输出方式的改变，就可以在钢轨表面获得所需宽度和深度的点状、直线状(横 线或斜线)、曲线状、网状和平面状的表面强韧化层。
参照图26，以透射聚焦式激光加工头为例处理护轮轨的外侧面。移动小车3的驱动 轮17和前轮18位于待处理的同一条护轮轨69上，而边轮19位于另一条铁路钢轨57' 上。车身15换向180。嵌入安装在圆弧形导轨64和64'内，将激光加工头4在圆弧形导 轨64和64'上旋转到与水平方向夹角为150。的位置并用螺丝固定，激光器7输出的激光 束通过光纤或硬光路6经扩束镜33射入激光加工头4中，激光束经过45°反射镜43转 变90。后，经过透射聚焦镜35聚焦之后，从喷嘴39射出并作用在护轮轨69的外侧面。 调整激光加工头4中的透射聚焦镜35与护轮轨外侧面的相对位置，选择合适的聚焦光 斑尺寸。在一定的激光功率下，激光加工头4以一定的频率作上下摆动式扫描，配合移 动小车3以一定的速度运动和激光束的输出方式，就能完成整根护轮轨外侧面的激光加 工。根据护轮钢轨位置的实际需要，通过改变激光加工头4的摆动频率、移动小车3的 前后运动速度和激光束的输出方式，可以在钢轨表面获得所需宽度和深度的点状、直线状(横线或斜线)、曲线状、网状和平面状的表面强韧化层。
参照图27，以反射聚焦式激光加工头为例。根据钢轨激光表面处理的不同位置(踏 面、内侧或外侧)，将激光加工头4旋转定位在圆弧形导轨64和64'的不同位置。激光 器7输出的激光束通过光纤或硬光路6经扩束镜33射入激光加工头4中，激光束经过 45。非球面聚焦镜62聚焦并转变90。后，从喷嘴39射出并作用在钢轨57的表面。根据 钢轨激光表面处理的实际情况(踏面、内侧或外侧)选用不同焦距的非球面聚焦镜62， 得到合适的聚焦光斑尺寸。在一定的激光功率下，激光加工头4以一定的频率作左右或 上下摆动扫描，配合移动小车3以一定的速度运动就能完成整根钢轨不同部位的激光加 工。根据钢轨位置的实际需要，通过改变激光加工头4的摆动频率、移动小车3的前后 运动速度和激光束的输出方式，可以在钢轨表面获得所需宽度和深度的点状、直线状(横 线或斜线)、曲线状、网状和平面状的表面强韧化层。
下面以采用高功率半导体激光器进行野外激光表面强化为例说明整个设备的工作 过程。
采用高功率半导体激光器进行野外铁路钢轨激光表面强化加工时，将动力系统集装 箱2安装在载重汽车16上，构成动力工程车，其布置示意图如图15所示(不工作状态)。 工作时，将激光加工车1从载重汽车16上搬到轨道57上。当需要完成钢轨激光表面强 韧化加工任务时，具体实施工艺流程如下-
(1) 动力工程车装载激光加工车1驾驶到需要进行激光表面强韧化或者修复加工 处理的铁路路段，找一个离所处理路段近且相对平整的地方停好。动力工程车停车位置 距离钢轨57的直线距离不超过100米。用人工或者叉车将激光加工车1搬运至所需要 处理的钢轨路段，将激光加工车1的两边车轮对齐轨道，并使激光加工车1运行至指定 加工位置。采用电线、气管、水管等将动力工程车上的装置和激光加工车1上的装置分 别按照图1所示的连接方式准确连接。
(2) 启动发电机IO、送粉器8、制冷机ll、空压机12、冷干机13、激光器高压电 源14，打开控制系统9，启动激光器7使其处于待机状态。控制系统9通过控制运动执 行机构5的运动方式，调整激光加工头4上聚焦镜片和轨道表面的相对位置，来控制聚 焦点位置和光斑尺寸的大小。激光加工头4可采用反射聚焦方式或透射聚焦方式。
(3) 在激光加工头4上的位置调整完毕后，调入或编制运动执行机构5的运动程序、设定工艺参数。开启控制系统9，激光加工作业开始，在轨道表面形成所需宽度和
深度的激光强韧化层。
(4) 在轨道踏面的激光强韧化处理完成后，通过激光加工头4上的转动机构将激 光加工头4转动一定的角度，然后重复步骤(3)和(4)，即可在轨道表形成所需的激 光强韧化层。
(5) 激光加工完成一段钢轨的表面处理后，移动激光加工车1至另一指定位置， 重复上述步骤，完成另一段轨道表面的激光强化。
(6) 采用上述工序完成钢轨的单边处理后，直接通过提手20将激光强化加工车搬 离轨道并换向安装后，即可开始对另一边轨道的加工。
当工期紧、任务重，需要加快进度时，可以采用两台或者多台激光加工车，集中对 所要求表面强韧化的路段进行处理，以便縮短工期，满足铁路运输要求。
当进行地铁或轻轨钢轨在线激光表面强韧化处理时，动力系统集装箱2被安放在铁 路平板车上，利用地铁或轻轨晚上停运的时间对钢轨进行表面强化处理。当激光加工设 备在车间内离线强韧化处理钢轨表面时，激光加工车1随动力系统集装箱2—起运到工 作现场，动力系统集装箱2可放置在车间里的加工现场。激光加工车1上和动力系统集 装箱2内设备的布局、连线与图l相同，整个激光加工设备的工艺流程与野外铁路钢轨 在线激光强韧化处理相同，在此不再赘述。
权利要求
1、一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，其特征在于它包括激光加工车(1)和动力系统集装箱(2)；激光加工车(1)包括安装在移动小车(3)上的运动执行机构(5)；运动执行机构(5)为数控机床和机器人时，激光加工头(4)活动安装在运动执行机构(5)上，运动执行机构(5)为伺服电机时，激光加工头(4)活动安装在移动小车(3)上；动力系统集装箱(2)包括安装在集装箱体内的制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)和激光器高压电源(14)；激光器(7)为光纤激光器、二极管泵浦固体激光器或灯泵浦固体激光器时，激光器(7)安装在所述集装箱体内；激光器(7)为半导体激光器时，激光器(7)安装在移动小车(3)上或所述集装箱体内；激光器(7)的出光口通过导光系统(6)与激光加工头(4)的入光口光路连接；激光器高压电源(14)与激光器(7)电连接，为其提供产生激光所需要的直流高压电能；制冷机(11)为激光器(7)及导光系统(6)和激光加工头(4)上的光学镜片提供冷却；空压机(12)的一个出风口通过管道与冷干机(13)的入风口相连通，冷干机(13)的一个出风口通过管道与激光加工头(4)相连；控制系统(9)安装在移动小车(3)上或集装箱体内；控制系统(9)分别与制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)、激光器高压电源(14)、激光器(7)和运动执行机构(5)电连接；控制系统(9)控制制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)、激光器高压电源(14)和激光器(7)的开、关，控制系统(9)控制运动执行机构(5)和激光加工车(1)按照设定的轨迹运动。
2、 根据权利要求1所述的在线激光加工设备，其特征在于移动小车 (3)上还安装有送粉器(8),送粉器(8)与控制系统(9)相连，并通过导管与激光加工头(4)的喷嘴相连；冷干机(13)的另一个出风口通过管道与送粉器(8)相连。
3、 根据权利要求1所述的在线激光加工设备，其特征在于动力系统 集装箱(2)还包括为设备中其它各部件提供电能的发电机(10)。
4、 根据权利要求1、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于 激光加工头(4)为透射聚焦式激光加工头或反射聚焦式激光加工头，通过 旋转轴(38)安装在运动执行机构(5)上。
5、 根据权利要求1、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于 导光系统(6)为光导纤维。
6、 根据权利要求1、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于 运动执行机构(5)为数控机床，在数控机床的X轴工作台下面安装有能够 旋转的底盘(31)。
7、 根据权利要求l、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于 激光加工头(4)由扩束镜(33)、导光筒(34)、透射聚焦镜(35)、激光 头支架(37)和喷嘴(39)组成；导光筒(34)上安装有气嘴(40)，导光筒(34)固定在激光头支架(37) 上，扩束镜(33)的出光口插入导光筒(34)的上部，透射聚焦镜(35) 安装在导光筒(34)下部，喷嘴(39)与导光筒(34)的底部螺纹连接； 激光头支架(37)通过旋转轴(38)安装在运动执行机构(5)上。
8、 根据权利要求l、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于激 光加工头(4)由导光筒(34)、非球面聚焦镜(62)和喷嘴(39)组成， 非球面聚焦镜(62)安装在导光筒(34)中，喷嘴(39)从侧面与导光筒(34)连接，导光筒(34)的轴心与喷嘴(39)的轴心垂直，导光筒(34) 的轴心与非球面聚焦镜(62)的中心沿水平方向一致，喷嘴(39)的轴心 与非球面聚焦镜(62)的中心沿垂直方向一致。
9、 根据权利要求l、 2或3所述的设备，其特征在于激光加工头(4) 由激光振镜系统和聚焦镜构成，聚焦镜位于激光振镜系统的出光光路上。
10、 根据权利要求l、 2或3所述的设备，其特征在于移动小车(3) 包括车身(15)、驱动轮(17)、前轮(18)和边轮(19);驱动轮(17)和 前轮(18)通过提手(20)相连，支撑杆(66)的长度能够调节，其一端 固定在提手(20)上，另一端与边轮(19)连接；支撑杆(66)上连接有 辅助支架(65); 二个圆弧形导轨(64、 64')分别固定在提手(20)两端， 车身(15)的两端分别能够拆卸地安装在二个圆弧形导轨(64、 64')内。
全文摘要
本发明公开了一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，包括激光加工车和动力系统集装箱。激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构、激光加工头、和/或控制系统及送粉器；动力系统集装箱包括安装在集装箱体内的发电机、制冷机、空压机、冷干机和激光器高压电源。激光加工头安装在运动执行机构上；激光加工头直接或者通过导光系统与激光器相连。本发明可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆处理，使加工后的钢轨耐磨性大幅度延长，并具有装卸简便、加工精度高、操控简单的特点。
文档编号C21D9/04GK101403030SQ20081016967
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年3月10日
发明者曾晓雁, 李祥友, 杨学瑾, 王具平, 王泽敏, 罗建国, 胡乾午, 明 高 申请人:华中科技大学;武汉铁路局科学技术研究所