本发明属于材料加工领域，具体涉及一种采用激光-辅助热源复合熔覆在钢轨表面高效制备金属熔覆层的方法。该方法可用于提高钢轨耐磨性和接触疲劳性能，也可用于解决铁路分路不良以及损伤钢轨的修复等。
背景技术：
我国轨道交通发展迅速，截至2016年底，全国铁路运营里程达12.4万公里。随着铁路运输量和列车速度及轴重的增加，钢轨的损伤问题日益凸显，如钢轨磨损、滚动接触疲劳和钢轨腐蚀等。钢轨的损伤主要发生在表面，所以在钢轨的表面制备覆层对于延长其使用寿命具有重要的意义。
热喷涂、电镀和堆焊是目前在钢轨表面制备金属覆层的主要方法。热喷涂和电镀涂层与钢轨基底呈机械结合，结合力弱，在轮轨摩擦过程中容易脱落。堆焊层与钢轨基底为冶金结合，但是该方法热输入和热影响区大，堆焊层组织结构与性能均匀性差，且在钢轨基体内部易诱发马氏体组织。
与等离子弧和电弧堆焊相比，激光熔覆具有能量密度高、热影响区小、热输入小、残余应力低、基底熔深小、熔覆效率高等优点，广泛应用于金属零件表面强化涂层的制备以及增材制造等，中国发明专利[cn107099793a]公开了一种激光熔覆钴合金涂层提高重载轮轨耐磨性的方法，该方法利用高功率激光将钴合金粉末熔覆在轮轨的表面，以降低其表面摩擦系数，提高耐磨性，延长其使用寿命。但是，由于激光的快速加热和快速冷却作用，在钢轨热影响区会产生高碳针状马氏体组织。马氏体组织硬度高，但是韧性低，易导致断轨风险，所以在铁路行业标准tb/t2344-2003中一直禁止钢轨中存在马氏体组织。其次，在高激光扫描速率下，由于熔覆层与热影响区冷却速率高及与钢轨基底的温度梯度大，容易导致熔覆层和热影响区产生裂纹，影响列车的安全运营。
将高能激光束和辅助热源结合起来，实现复合加工，可以有效解决上述问题。专利文献(公开号cn101125394a)公开了一种自动送粉激光感应复合熔覆方法及装置，采用激光和感应热源复合加工，不但可以大幅度提高熔覆效率，还可以解决焊接性差的合金材料在激光熔覆过程中易开裂的难题。但是，该方法并未考虑在大型高碳钢基底(如钢轨)上熔覆涂层时，如何减少和避免热影响区马氏体相变的问题，以及在特定的服役环境(轮轨滚动接触)下，熔覆层、热影响区和基底力学性能匹配等技术问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种采用激光-辅助热源在钢轨表面高效制备高性能熔覆层的方法，以实现钢轨表面强化以及修复等目的。激光与辅助热源同时作用于钢轨待熔覆加工面，不仅可避免在高扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象，还可避免在热影响区产生马氏体等有害组织，确保熔覆层、热影响区及基体力学性能匹配良好。本发明可用于钢轨表面高性能熔覆层的制备，以提高钢轨耐磨性能和接触疲劳性能，也可以用于解决铁路分路不良和损伤钢轨的修复等问题。
本发明提供的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法，利用激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域，激光作为主要热源使熔覆层材料和钢轨表面部分基底材料快速熔融形成熔池，辅助热源位于激光热源的前方或/和后方，与激光热源同向同速移动，对激光熔池、激光热影响区及钢轨基底表层进行同步预热或/和后热，以降低激光熔池和热影响区的冷却速率，避免热影响区马氏体转变以及高激光扫描速率下熔覆层及热影响区的开裂现象。
作为上述技术方案的改进，所述激光与辅助热源通过复合作用合理调控激光作用热影响区的温度循环曲线，使其冷却时间大于钢轨材料连续冷却曲线(cct曲线)和等温转变曲线(ttt曲线)中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间，满足奥氏体向珠光体完全转变的临界条件，热影响区组织转变为片间距小于或等于钢轨基底的片状珠光体，硬度介于熔覆层和基底之间，使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配，硬度曲线分布光滑，整体疲劳性能良好。
作为上述技术方案的进一步改进，辅助热源采用感应加热、氧乙炔焰和丙烷喷灯中的任一种或任几种的组合；预热温度为100-1000℃，后热温度为300-700℃；单次加工获得的金属熔覆层厚度为0.1-2mm，宽度为3-20mm，熔覆层硬度可以根据轨道的具体要求，在hv250-hv500范围内可调；激光热影响区的宽度小于1mm，硬度为hv250-hv400，可避免热影响区马氏体转变；所述感应加热采用感应电源和感应线圈实现。其中，感应线圈由铜管弯折、焊接而成，工作区铜管上嵌有导磁体，铜管下表面与钢轨熔覆面平行，间隙为0.5-15mm；加热面沿着钢轨长度方向呈“一”字型结构，长度为10-500mm。
本发明方法的具体实现步骤为：
(1)先将钢轨表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(2)调整激光束离焦量，将激光光斑设置为直径3～10mm的圆形或为(1～3)mm×(6～30)mm的矩形；
(3)调整激光光斑与辅助热源的相对位置，使光斑在辅助热源的前方、中间或后方；
(4)开启激光器和辅助热源，采用自动送粉器将涂层材料同步送入或预置于钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后在钢轨表面形成熔覆层；辅助热源对钢轨起到预热、后热和预热+后热的作用，预热温度为100-1000℃，后热温度为300-700℃；
(5)熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)(3)和(4)，直至达到满足需求的厚度；
(6)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测耐蚀熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(7)根据应用需求，选择对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整。
上述熔覆层材料可以是铁基合金，主要化学成分为(wt.％):(0.01-0.60)c,(10-40)cr,(5-18)ni,(0.1-3.0)si,(0-3)b,(0-3)mo,(1-3)mn,fe余量；
上述熔覆层材料可以是镍基合金，主要化学成分为(wt.％)：(0.01-0.50)c,(20-30)cr,(5-10)w,(3-5)si,(0-3)b,(5-10)fe,ni余量；
上述熔覆层材料可以是钴基合金，主要化学成分为(wt.％)：(0.01-0.5)c，(20-35)cr,(1-10)ni,(1-3)si,(5-15)w,(0-3)b,(0.5-2)mn,co余量。
本发明具有以下优点：
①激光与辅助热源同时作用于钢轨表面待熔覆区域，高能激光束使熔覆层材料和钢轨表面薄层材料同时快速熔融形成熔池，辅助热源对激光熔池、热影响区及钢轨基底表面进行同步预热及后热作用，降低熔池、热影响区和钢轨基体的温度梯度，从而降低其冷却速率，避免金属熔覆层及热影响区在激光高速扫描下的开裂及剥落现象；
②通过调整激光与辅助热源的相对位置、激光加工功率、激光扫描速率以及辅助热源对钢轨的加热温度，可合理控制热影响区温度循环曲线，使其冷却时间大于cct曲线和ttt曲线中奥氏体向珠光体转变的临界降温时间，满足奥氏体向珠光体完全转变的临界条件，热影响区转变为片间距小于或等于钢轨基底的细片状珠光体组织，硬度介于熔覆层和基底之间，使熔覆层、热影响区和基底三者之间力学性能合理匹配，硬度曲线分布光滑，整体疲劳性能良好。
③与等离子弧和电弧等其他方法相比，激光能量密度高、热影响区小，感应线圈及其他辅助热源的加热宽度及深度仅大于其热影响区宽度即可消除其马氏体组织，整体热输入小，使钢轨加工残余应力和变形小、稳定性高；装置柔性好，加工精度高，可对不同程度损伤钢轨进行修复。
④熔覆层稀释率低，尤其是对于较薄涂层熔覆时更有效。当熔覆层厚度小于0.5mm时，涂层稀释率小于5％，能够保证熔覆层的耐磨性和耐蚀性。
⑤由于辅助热源的引入，形成熔池所需能量大大降低。当激光功率为1-20kw时，熔覆层的沉积速率可达到10-250g/min，扫描速度达到0.4-30m/min。与单纯激光熔覆工艺相比，沉积效率提高3-15倍；
本发明通用性强，可直接在钢轨表面高效制备成分均匀、力学性能匹配的耐磨、耐蚀熔覆层以及耐疲劳熔覆层等，也可进行局部损伤钢轨的修复。强化或修复后的钢轨沿深度方向硬度分布曲线平滑，熔覆层、热影响区和基底的力学性能相互匹配，整体疲劳性能良好，在服役过程中不会发生涂层脱落现象。同时，本发明方法所采用的各个工艺组件集成度高，便于和相关的加工平台集成，既可用于固定式激光加工机床，进行离线加工，也可应用于移动式激光加工设备(例如移动式激光加工车)，在铁路现场进行在线加工强化或修复。
附图说明
图1为激光光斑定位在感应加热前的钢轨表面激光-感应后热复合熔覆俯视图；
图2为激光光斑定位在感应加热中间的钢轨表面激光-感应预热+感应后热复合熔覆俯视图；
图3为钢轨表面激光-感应加热+氧乙炔焰(或激光-感应加热+丙烷喷灯)加热复合熔覆俯视图；
图4为钢轨表面激光-氧乙炔焰(或激光-丙烷喷灯)加热复合熔覆俯视图；
图5为激光-感应后热复合熔覆制备的fe基金属熔覆层钢轨沿深度方向的硬度分布图；
图6为激光-感应预热+感应后热复合熔覆制备的ni基金属熔覆层钢轨沿深度方向的硬度分布图；
图7为激光-感应加热+氧乙炔焰(或激光-感应加热+丙烷喷灯)加热复合熔覆制备的co基金属熔覆层钢轨沿深度方向的硬度分布图。
图8为激光-氧乙炔焰(或激光-丙烷喷灯)复合熔覆制备的fe基金属熔覆层钢轨沿深度方向的硬度分布图；
图中，1、激光光斑，2、感应加热线圈，2(a)、感应预热线圈，2(b)、感应后热线圈，3、氧乙炔(或丙烷喷灯)火焰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明以激光为主要热源在钢轨表面熔覆合金材料，辅助热源对钢轨进行预热或/和后热以降低熔覆层及热影响区的冷却速率，可在钢轨表面高效制备具有耐磨、耐疲劳和耐蚀性能的功能覆层或进行损伤钢轨的修复，单次加工获得的熔覆层厚度为0.1-2mm，硬度可以根据轨道的具体要求，在hv250-hv500范围可调。同时，采用本发明提出的技术路线，在钢轨的热影响区不会产生马氏体，熔覆层与钢轨基底力学性能合理匹配，使钢轨得到强化修复的同时，具有较好的弯曲疲劳和接触疲劳性能。下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
本发明提出的一种激光-辅助热源高效复合熔覆强化钢轨的方法，辅助热源可采用感应加热、氧乙炔焰、丙烷喷灯或者感应加热与氧乙炔焰(或丙烷喷灯)组合等。该发明方法既可与固定式激光加工装备集成，对钢轨进行离线加工，也可与车载式激光加工平台集成，在铁路现场对钢轨进行在线加工强化或修复等。其实施步骤包括：
(1)先将钢轨表面待熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(2)调整激光束离焦量，将激光光斑设置为直径3～20mm的圆形或为(1～3)mm×(6～30)mm的矩形；
(3)调整激光光斑与辅助热源的相对位置，使光斑在辅助热源的前方、中间或后方；
(4)开启激光器和辅助热源，采用自动送粉器将合金粉末材料同步送入(或预置于)钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后在钢轨表面形成金属涂层；辅助热源对钢轨起到预热、后热和预热+后热的作用，预热温度为100-1000℃，后热温度为300-700℃；
(5)熔覆完一层金属熔覆层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述步骤(2)(3)和(4)，直至满足需求的厚度；
(6)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测耐蚀熔覆层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(7)根据应用需求选择对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整，即得到成品。
实例：
实施例一：铁路在线激光-感应后热高效复合熔覆
本实例在铁路现场对服役钢轨进行高效强化和修复，感应加热作为辅助热源，加工运动与位置控制单元采用工业机械手或三维运动轴。通过感应加热组件和温度控制机构对钢轨表面待熔覆区域进行加热，以及加热温度和时间的控制。感应加热组件包括感应电源和感应线圈，温度控制机构包括红外测温仪和温度控制器，感应线圈和感应电源连接，红外测温仪和温度控制器连接，温度控制器与感应电源通过数据线相连。红外测温仪的检测信号输入温度控制器，经过运算后，温度控制器输出控制信号对感应加热电源的输出功率进行调节，实现对钢轨感应加热温度的控制。激光光斑聚焦于感应线圈的前方，如图1所示。通过激光-感应后热复合熔覆在钢轨表面制备金属熔覆层，其基本实施步骤如下：
(1)选择铁基合金粉末为熔覆材料，主要化学成分为(wt.％):(0.01-0.60)c,(10-40)cr,(5-18)ni,(0.1-3.0)si,(0-3)b,(0-3)mo,(1-3)mn,fe余量。
(2)先将钢轨表面熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(3)调整感应线圈的位置，使其下表面与钢轨表面待熔覆区域平行，间隙为5mm；红外测温仪瞄准铁轨表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为700℃；
(4)调整激光束离焦量以及激光光斑与感应线圈的相对位置，使激光光斑聚焦于感应线圈前方的钢轨表面。激光光斑为直径3mm的圆形光斑，送粉器送粉量为10g/min，激光功率为1kw，激光扫描速度为0.4m/min。
(5)开启运动控制单元、激光器和感应加热电源。采用自动送粉器将熔覆材料同步送粉(或预置于)钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后即在钢轨表面形成金属涂层；
(6)熔覆一层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述(2)(3)(4)(5)过程，直至满足厚度要求；
(7)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测金属涂层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(8)根据应用需求，对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整，即得到成品。
该实例中制得的铁基金属熔覆层厚度为0.1mm，熔覆层、热影响区和钢轨基底之间力学性能合理匹配，沿钢轨深度方向的硬度分布如图5所示。
实施例二：铁路在线激光-感应预热+感应后热高效复合熔覆
本实例在铁路现场对服役钢轨进行高效强化和修复，感应加热作为辅助热源，感应加热控制机构与实施例一相同，加工运动与位置控制单元采用工业机械手或三维运动轴。激光光斑聚焦于感应线圈的中间，如图2所示，通过激光-感应预热+感应后热复合熔覆在钢轨表面制备金属熔覆层，其基本实施步骤如下：
(1)选择镍基合金粉末为熔覆材料，主要化学成分为(wt.％)：(0.01-0.50)c,(20-30)cr,(5-10)w,(3-5)si,(0-3)b,(5-10)fe,ni余量；
(2)先将钢轨表面熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(3)调整感应线圈的位置，使其下表面与钢轨表面待熔覆区域平行，间隙为0.5mm；红外测温仪瞄准铁轨表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为500℃；
(4)调整激光束离焦量以及激光光斑与感应线圈的相对位置，使激光光斑聚焦于感应线圈前方的钢轨表面。激光光斑为1×6mm的矩形，送粉器送粉量为50g/min，激光功率为5kw，激光扫描速度为2m/min。
(5)开启运动控制单元、激光器和感应加热电源。采用自动送粉器将熔覆材料同步送粉(或预置于)钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后在钢轨表面形成金属熔覆层；
(6)熔覆完一层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述(2)(3)(4)(5)过程，直至满足厚度要求；
(7)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测金属涂层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(8)根据应用需求，对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整，即得到成品。
该实例中，感应线圈由4(a)和4(b)两个部分组成，两者由铜管连接，4(a)起到对钢轨预热的作用，4(b)起到延缓钢轨降温速率的作用。在实际应用中，在力学性能合理匹配的前提下，可以有效的提高熔覆效率，利于节能。制得的镍基金属熔覆层厚度为0.5mm，熔覆层、热影响区和钢轨基底之间力学性能合理匹配，沿钢轨深度方向的硬度分布如图6所示。
实施例三：离线式钢轨表面激光-感应加热+氧乙炔焰(丙烷喷灯)加热高效复合熔覆
本实例对钢轨进行离线式强化和修复，感应加热和氧乙炔焰(或丙烷喷灯)作为辅助热源。激光光斑聚焦于感应线圈的前方，氧乙炔焰(或丙烷喷灯)对钢轨待熔覆面进行预热，如图3所示，激光与感应线圈同向同速运动，感应加热对钢轨激光熔池和热影响区进行同步后热，其基本实施步骤如下：
(1)选择钴基合金粉末为熔覆材料，主要化学成分为(wt.％)：(0.01-0.5)c，(20-35)cr,(1-10)ni,(1-3)si,(5-15)w,(0-3)b,(0.5-2)mn,co余量；
(2)先将钢轨表面熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(3)调整感应线圈的位置，使其下表面与钢轨表面待熔覆区域平行，间隙为15mm；红外测温仪瞄准铁轨表面感应加热区域，红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为300℃；
(4)调整激光束离焦量以及激光光斑与感应线圈的相对位置，使激光光斑聚焦于感应线圈前方的钢轨表面。激光光束为3×30mm的矩形，送粉器送粉量为250g/min，激光功率为20kw，激光扫描速度为30m/min；
(5)采用氧乙炔焰/丙烷喷灯对钢轨待熔覆面预热，红外测温仪6-2瞄准钢轨表面加热区域，监测钢轨表面预热温度达到100℃-200℃后，关闭氧乙炔焰/丙烷喷灯装置；
(6)开启激光器和感应加热电源，采用自动送粉器将熔覆材料同步送粉(或预置于)钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后在钢轨表面形成金属熔覆层；
(7)熔覆完一层后，判断熔覆层厚度是否达到工况要求。如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述(3)(4)(5)(6)过程，直至满足需求的厚度；
(8)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测金属涂层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(9)根据应用需求，对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整，即得到成品。
该实例中制得的钴基金属熔覆层厚度为2mm，熔覆层、热影响区和钢轨基底之间力学性能合理匹配，沿钢轨深度方向的硬度分布如图7所示。
实施例四：离线式钢轨表面激光-氧乙炔焰(丙烷喷灯)加热高效复合熔覆
本实例对钢轨进行离线式强化和修复，选择氧乙炔焰(或丙烷喷灯)作为辅助热源。通过激光-氧乙炔焰(或激光-丙烷喷灯)复合熔覆在钢轨表面制备金属熔覆层，如图4所示，其基本实施步骤如下：
(1)选择铁基合金粉末为熔覆材料，主要化学成分为(wt.％):(0.01-0.60)c,(10-40)cr,(5-18)ni,(0.1-3.0)si,(0-3)b,(0-3)mo,(1-3)mn,fe余量；
(2)先将钢轨表面熔覆区域进行打磨处理，去除表面锈迹和污染物；
(3)调整激光束为直径20mm的圆形，激光器的功率为15kw，送粉速率为180g/min，扫描速度为10m/min；
(4)采用氧乙炔焰/丙烷喷灯对钢轨待熔覆面预热，红外测温仪瞄准铁轨表面加热区域，监测钢轨表面预热温度为800℃-1000℃；
(5)开启激光器，采用自动送粉器将合金粉末材料同步送入(或预置于)钢轨表面激光辐照区域，激光束聚焦后入射到钢轨基体上形成熔池，熔池凝固后即在钢轨表面形成金属涂层；同时，采用氧乙炔焰/丙烷喷灯对钢轨熔覆面后热，红外测温仪监测后热温度为300-400℃，达到保温时间后关闭氧乙炔焰/丙烷喷灯；
(6)熔覆完一层后，判断熔覆层厚度是否达到工况需求，如果是，则结束熔覆过程；如果否，则重复上述(3)(4)(5)过程，直至满足厚度要求；
(7)熔覆完之后采用渗透或者超声探伤检测金属涂层表面，保证熔覆层无冶金缺陷；
(8)根据应用需求选择对钢轨踏面进行清理和廓形修整，使表面平整，即得到成品。
该实例中制得的铁基金属熔覆层厚度为2mm，熔覆层、热影响区和钢轨基底之间力学性能合理匹配，沿钢轨深度方向的硬度分布如图8所示。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。