轨道车辆车轮的修复设备、方法及采用的铁基合金粉末的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轨道车辆的修复领域，尤其是一种轨道车辆车轮的修复设备、方法及采用的铁基合金粉末。
【背景技术】
[0002]轨道车辆对车辆的运行速度和承载能力以及安全可靠性起着决定性作用，随着车辆车速的提高，轮轨间的动力作用增加，轮轨磨耗和滚动接触疲劳现象随之加剧。车轮和钢轨因疲劳、剥离磨损等导致的失效，给高速车辆的安全带来极大的隐患，甚至发生安全事故。美国的铁路协会数据库称，在每年报废的上百万车轮有16%的因磨损而淘汰，36%的车轮经修复后再投入使用。
[0003]以铁路车轮为例，根据ISO1005/6 —1994，通常铁路车轮在设计时选择高强度、高耐磨性、低热裂敏感性的钢材。在80年代，车轮一般采用的是铸钢件，在生产过程中由于铸件处存在气孔或夹杂，质量不稳定，安全有隐患。不断改进为锻件，锻件再经过热处理组织细化，表面淬火，以提高硬度和耐磨性。国内外通过调整车轮材料的碳含量以及进行微合金化来提高其综合性，我国列车车轮主要采用CL60钢。同时，表面处理技术上也出现一些如激光强化，堆焊等工艺。然而，多数情况下车轮在使用一段时间后也容易磨损，甚至出现裂纹。
[0004]现有的修复技术主要是经旋削车轮后采用堆焊的方法。激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点，如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化、修复后的加工量小等。因此，近年来激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在航空航天、石油工业、汽车等诸多工业领域获得应用。
[0005]以激光作为热源，在基体表面直接熔覆高强度、高耐磨性的金属材料，可以实现受损车轮的增材制造。激光熔覆是快速凝固方法，具有组织快速冷凝的典型特征，其热影响区较小、熔覆层与基体呈冶金结合，无明显微观缺陷。直接熔化同轴同步输送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固，从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材并优于基材的快速凝固非平衡组织。修复后的车轮微观组织细小、致密，熔覆层与基材结合好，无气孔、微观裂纹、夹杂等缺陷，使用性能达到或超过新品的使用性能。激光修复受损铁路车轮作为一种新兴的再制造技术，蕴含着材料、能源和加工附加值，减小了更换新车轮的费用，产生巨大的经济效益。
[0006]在铁路车轮的激光修复方面，国内相关标准和专利较少。其中，CN104878380A公开了一种矿车轮对基体材质为ZG45的激光熔覆再制造及强化方法;CN 101181858A涉及一种采用镍基合金对车轮裂纹的激光修复方法。国内对CL60锻造车轮的激光修复材料和工艺还末见相关专利。选择合适的合金粉末和优化工艺参数可以使得车轮表面的熔覆层耐磨性能优于基体，从而大大提高车轮的服役寿命，减少车轮的更换频率。国外对修复用粉末材料做了一些尝试，如钢材，镍基合金，钴铬合金等。采用激光修复铁路车轮的工艺在国外已经得到工程应用。我国在使用的车轮超过300百万件，修复再制造带来可观的经济效益。针对 CL60锻造车轮的服役条件配置的修复材料和修复工艺是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对CL60锻造车轮提供一种修复用金属粉末、修复设备及修复方法，以延长车轮使用寿命、减少车轮的更换频率。
[0008]为了达到上述目的，本发明提供了一种铁基合金粉末，用于修复轨道车辆车轮，所述车轮为CL60车轮，所述铁基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成:铁:75?85，铬:10?20，硅:0?2，镍:0.5?5，磷:0?0.05，硫:0?0.05，碳:0?0.6。
[0009]进一步地，所述铁基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成:铁:80，铬:18，硅:I，镍:0.55，磷:0.02，硫:0.03，碳:0.4。
[0010]本发明还提供了一种轨道车辆车轮的修复设备，采用所述的铁基合金粉末修复车轮，且包括:
[0011]支撑模块和第一电机，分别用于支撑车轮和用于驱动车轮旋转；
[0012]激光修复模块，包括机器人、激光头、激光器和送粉单元，所述激光头分别与激光器、送粉单元和机器人连接；
[0013]切削加工模块，包括机械手臂、夹持刀架和刀具，所述刀具通过夹持刀架固定在机械手臂上；
[OOM] PLC控制单元、三维扫描仪和计算机，所述PLC控制单元分别与所述计算机、激光器、送粉单元、机器人、机械手臂和第一电机连接，所述三维扫描仪与计算机连接；
[0015]其中，所述计算机通过三维扫描仪获取所述车轮的待修复区域的信息，并与参考轮子模型比对且处理生成修复运动参数，所述PLC控制单元根据该修复运动参数控制第一电机带动车轮旋转和控制机器人带动激光头对车轮进行修复，通过所述激光器为激光头提供能源，通过所述送粉单元提供所述铁基合金粉末，所述计算机还通过三维扫描仪获取经激光修复后该车轮的信息，并与参考轮子模型比对且处理生成切削运动参数，所述PLC控制单元根据该切削运动参数控制第一电机带动车轮旋转和控制切削加工模块对车轮切削，以切削成与参考轮子模型相同的车轮。
[0016]进一步地，所述支撑模块包括支撑单元、工作台和导轨，所述车轮为具有轴和两个轮子的轮对结构，所述轴架设在支撑单元上且轮子悬设在工作台上方，所述支撑单元固定在工作台上，所述工作台与导轨滑动连接，所述修复设备还包括第二电机，所述PLC控制单元和第二电机连接，通过所述第二电机驱动工作台在导轨上滑动对轮对结构中的两个轮子完成修复操作。
[0017]进一步地，所述支撑单元包括支撑架、辅助轴箱和辅助轴承，所述支撑架与辅助轴箱可拆卸连接，所述辅助轴承与辅助轴箱可拆卸连接。
[0018]进一步地，所述支撑架为V型支撑架或U型支撑架，所述机器人为六轴机器人，所述激光器为光纤激光器或半导体激光器。
[0019]进一步地，所述激光器的激光功率为1000?6000W，所述激光头的扫描速度为3?30mm/s，所述激光头的离焦量为10?14mm，多道熔覆中相邻两道熔覆宽度的搭接率为45%?50%，所述送粉单元的送粉量为10?250g/min，所述送粉单元的送粉气流的流速为5?20g/min，所述惰性气体输送单元用于在所述激光修复模块进行激光修复时为修复区域提供惰性气体保护，所述惰性气体输送单元送出的保护气流的流速为5?20g/min。
[0020]进一步地，还包括用于打磨待修复的车轮表面的打磨设备和用于清洗打磨后的车轮表面的清洗设备。
[0021]本发明还提供了一种轨道车辆车轮的修复方法，应用在所述的修复设备上，包括:
[0022]将所述车轮架设在支撑模块上；
[0023]通过所述三维扫描仪对车轮的待修复区域进行扫描，