专利名称：一种采用激光修补钢轨的方法
技术领域：
本发明涉及激光技术在现代轨道交通系统中的应用，该钢轨包括铁路、地铁、轻轨 等交通系统中的钢轨。
背景技术：
随着人类社会的进步，人口流动和货物运送量的日益增加，致使交通运输的压力 也越来越重。轨道交通因其出货量大和运送速度快等优点，已成为了交通运输中的主力军。 轨道交通主要包括铁路、地铁和轻轨等有轨机车，它在中国乃至全世界有很大的发展。目前世界铁路约137万公里，超过60%是标准轨距(维基)中国8.6万公里(铁 道部2009年底数据)，美国22. 6万公里((认2007年)，日本2.7万公里(日本铁道)，印 度6. 3万公里(印度铁道部2009年)，欧盟23. 7万公里(欧盟网站)，俄罗斯8. 6万公里 (俄罗斯铁道部)。从上述数据可看出铁路运输在世界各个国家具有很广阔的分布，我国未 来几年在铁路建设上也有新的发展。在地铁建设方面，我国各城市地铁建设规划，2010年 地铁建设达480公里，2011 15年达2411公里，2016 20达3053公里，2011 2015年 地铁新增线路长度复合增速为21%，2010 15年地铁建设投资规划额将达11568亿元， 2011 2015年的预计投资额是2010年的5. 93倍。在轻轨方面也同样有大的发展。由以 上数据可看出轨道交通在我国未来的规划蓝图是非常宏伟的。钢轨是轨道的重要组成部件，它与轨枕、道床(含路基)组成一个完整的铁道路 线，支承及引导机车车头和车厢的车轮，使机车安全运行。铁路上使用的钢轨承受着列车重 量的巨大压力，以及冲击、弯曲、温度变化产生的应力，因此需要使用经热处理后具有综合 性能良好的钢材。铁路钢轨对钢的要求比一般性应用更为严格。例如，一个小瑕疵，在建筑 物使用的钢筋内出现可能不会产生任何问题，但发生在铁路钢轨上则随时会导致路轨断裂 而引发列车出轨，导致不堪设想的后果。运行表面和火车轮之间的摩擦是引起钢轨磨损的 主要原因，并在小弯道，坡道和速度急剧变化时尤为严重。钢轨在长年累月的使用中，受到 运行机车的挤压，钢轨本身会产生很大的磨损，易损坏；同时由于暴露在风霜雨雪中，很容 易被侵蚀，同时钢轨上面污质容易积累，轨道发生变形等，诸如表面波纹和变形等钢轨磨损 加剧了钢轨的损坏，影响了乘客舒适感，增大了震动和噪音，这就为轨道交通的安全造成很 大的隐患，因此对钢轨本身的维护和修理就变得很必要。钢轨的种类及强度以kg/m表示。每米越重的钢轨所能承受的重量亦越大。现在欧 洲的铁路常见的钢轨有以下多种重量40kg/m、50kg/m、60kg/m，中国则有50kg/m、60kg/ m、75kg/m，主要线路使用的是60kg/m或75kg/m的钢轨。一般的有缝焊接的钢轨一段大约 为20m左右，而无缝焊接的钢轨可能达到上百公里。由上面的重量和钢轨长度可知，先不考 虑对交通秩序的影响，单从运输的方面来说，更换一根主要线路的钢轨就是非常困难的事。 直接在铁路上对钢轨进行修理，除了在成本上占据优势，省时省力，不影响交通也是非常重 要的。
发明内容
为了解决钢轨及时可靠的修补问题，本发明提出了一种采用激光修补钢轨的方法。本方法通过如下步骤实现步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴；步骤二、通过CXD相机对轨道进行扫描，采集X、Y两个方向的数值；步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢轨表面 的高度进行对比，若差值> 1mm，则判定该点(X，Y)为需要修补的破损处，执行步骤四，若差 值< 1mm，则判定该点(X，Y)不需要修补，返回步骤二 ；步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y = 0，Y方向高度差为真实高度差的负值，通 过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值，据此在计算机中建立立体 坐标，立体坐标中X方向记录缺陷的位置，Y方向记录缺陷的高度差；步骤五、补粉系统根据步骤四中构建的立体坐标，在伺服电机的带动下采用方波 式运动对破损处进行精确添粉；步骤六、利用半导体激光器模块通过激光头对步骤五中添粉后的破损处照射，使 金属粉末与钢轨冶金结合；激光头在照射过程中通过伺服电机的带动以方波形式运动，激 光头输出的光斑为矩形光斑；步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光，完成对钢轨的 修补。本发明的有益效果，此装置可在不拆卸钢轨的情况下，现场修理磨损钢轨，具有修 理成本低、绿色无污染；修理涂层与基底冶金结合，表层涂料含有可增加钢轨耐磨、耐腐蚀 性能的粉末，可提高修理钢轨的性能；精确送粉，净形修理，合理使用粉末和激光功率，节约 运行成本和资源，同时可减少后工艺；可用于钢轨的日常维护和抢险修理，安全性高，修理 速度快；修理方法简便，修理设备简单。
图1是本发明激光修补钢轨方法中补粉系统结构示意图；图2是本发明激光修补钢轨方法中半导体激光器模块示意图；图3是本发明激光修补钢轨方法中激光头结构示意图。 图4是本发明激光修补钢轨方法中激光头的剖视图。图中1-补粉系统，11-鼓风机，12-风管，13-粉仓，14-送粉管；2_半导体激光模 块，21-半导体激光器，22-准直透镜，23-准直变焦元件；3-激光头，31-激光头外壳，32-柱 透镜，33-光窗口，34-保护罩，35-入射激光束，36-送粉窗口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明的一种采用激光修补钢轨的方法，由以下步骤完成步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴；步骤二、通过CXD相机对轨道进行扫描，采集X、Y两个方向的数值；
步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢轨表面 的高度进行对比，若差值> 1mm，则判定该点(X，Y)为需要修补的破损处，执行步骤四，若差 值< 1mm，则判定该点(X，Y)不需要修补，返回步骤二 ；步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y = 0，Y方向高度差为真实高度差的负值，通 过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值，据此在计算机中建立立体 坐标，立体坐标中X方向记录缺陷的位置，Y方向记录缺陷的高度差；步骤五、补粉系统根据步骤四中构建的立体坐标，在伺服电机的带动下采用方波 式运动对破损处进行精确添粉；步骤六、利用半导体激光器模块2通过激光头3对步骤五中添粉后的破损处照射， 使金属粉末与钢轨冶金结合；激光头3在照射过程中通过伺服电机的带动以方波形式运 动，激光头3输出的光斑为矩形光斑；步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光，完成对钢轨的 修补。在步骤一之前需要对钢轨进行清洗，步骤如下步骤A、通过高压喷雾器将液体经高压喷头以不低于IMPa的压力直接对钢轨进行 冲洗，并残留下一层液膜；步骤B、通过半导体激光器模块2照射轨道使步骤A中的液膜气化，通过半导体激 光器模块2输出的光斑为矩形光斑；步骤C、通过鼓风机将步骤B中气化后的液膜吹离钢轨表面，完成钢轨的清洗。如图1所示，补粉系统1由鼓风机11、风管12、送粉仓13和送粉管14组成，鼓风 机11通过风管12与送粉仓13相连，在风管12吹入的风力辅助下，送粉仓13里的粉末通 过送粉管14输送到钢轨表面待修理的缺陷处。如图2所示，半导体激光器模块由半导体激光器21、准直透镜22和准直变焦元件 23组成，如图2所示。半导体激光器21输出的光，经过准直透镜22将光束准直，然后再经 过准直变焦元件23调节光束在X方向的大小，而不影响Z方向的光束尺寸。经过准直变焦 元件后的光束仍为准直光束。最后通过激光头对光束Z方向聚焦，形成矩形光斑打在钢轨 表面。如图3所示，激光头3由激光头外壳31，柱透镜32，光窗口 33和保护罩34组成， 在保护罩的Z方向一侧沿X方向开有一个送粉窗口 36，用于送粉管道7通过。变焦后的准 直光束35由柱透镜32在Z方向上聚焦，其焦点在钢轨上方。中间有一个光窗口 33，其作用 是防止在加工过程中，飞溅物损坏透镜，起保护透镜的作用。下端的保护罩34的作用是防 止散射或反射的激光对周围环境造成影响。修补中用的粉末除了钢轨的基本材料组分碳、锰、硅、硫和磷等外，还包含一些有 助于增强钢轨表面特性的粉末，如铟、铬、镍、钼、钒、钛或铜。
权利要求
一种采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴；步骤二、通过CCD相机对轨道进行扫描，采集X、Y两个方向的数值；步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢轨表面的高度进行对比，若差值≥1mm，则判定该点(X，Y)为需要修补的破损处，执行步骤四；若差值＜1mm，则判定该点(X，Y)不需要修补，返回步骤二；步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y＝0，Y方向高度差为真实高度差的负值，通过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值，据此在计算机中建立立体坐标，立体坐标中X方向记录缺陷的位置，Y方向记录缺陷的高度差；步骤五、补粉系统(1)根据步骤四中构建的立体坐标，在伺服电机的带动下采用方波式运动对破损处进行精确添粉；步骤六、利用半导体激光器模块(2)通过激光头(3)对步骤五中添粉后的破损处照射，使金属粉末与钢轨冶金结合；通过伺服电机控制激光头(3)在照射过程中以方波形式运动，进而使激光头(3)输出的光斑为矩形光斑；步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光，完成对钢轨的修补。
2.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，在步骤一之前需要对 钢轨进行清洗，步骤如下步骤A、通过高压喷雾器将液体经高压喷头以不低于IMPa的压力直接对钢轨进行冲 洗，并残留下一层液膜；步骤B、通过半导体激光器模块(2)照射轨道使步骤A中的液膜气化，半导体激光器模 块(2)输出的光斑为矩形光斑；步骤C、通过鼓风机将步骤B中气化后的液膜吹离钢轨表面，完成钢轨的清洗。
3.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述半导体激光器模 块(2)包括半导体激光器(21)、准直透镜(22)和准直变焦元件(23)，半导体激光器(21) 发出的激光经准直透镜(22)准直，然后经准直变焦元件(23)聚焦形成矩形光斑，准直变焦 元件(23)对X方向变焦，其变焦倍数>5，在X方向的最大尺寸和钢轨宽度相等。
4.根据权利要求3所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述半导体激光器 (21)的转换效率彡40%，照射在钢轨表面的激光功率密度为104W/cm2 106W/cm2，激光器 的工作方式为脉冲或连续。
5.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述CCD相机摄取范围 Z方向> 200mm，X方向>钢轨宽度，频率> 20HZ。
6.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述激光头(3)Z方向 的一侧沿X方向开有横槽，补粉系统(1)的送粉管(14)通过横槽在X方向移动，其最大移 动范围与钢轨表面的宽度相等。
7.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述修补中用的粉末 包括钢轨的基本材料组分和有助于增强钢轨表面特性的粉末。
8.根据权利要求7所述采用激光修补钢轨的方法，其特征在于，所述钢轨的基本材料组 分为碳、锰、硅、硫和磷，所述有助于增强钢轨表面特性的粉末为铟、铬、镍、钼、钒、钛或铜。
全文摘要
一种采用激光修补钢轨的方法，属于半导体激光器应用领域，其特点是在不拆卸钢轨的情况下，对表面有缺陷的旧钢轨进行快速可靠地修理，使其重新投入使用，而不影响交通秩序。该方法主要包括钢轨的预清洗、钢轨信息的采集、分析整理、填粉修补、激光冶金融合和轨道修补处的抛光打磨。该装置体积小、重量轻，可集成到轨道运行机车或者汽车上，用于轨道的日常维护或抢险修理中。
文档编号E01B31/18GK101949116SQ20101024632
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者张俊, 汪丽杰, 王琪, 王立军, 郝明明 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所