专利名称：坡道/弯道钢轨—道岔、平直道钢轨—道岔的组合激光强化方法
技术领域：
本发明涉及铁路轨道零部件的激光强化加工技术领域。
背景技术：
轨道与道岔是支撑、引导列车运行的零部件，其服役寿命及可靠性，关系铁路运输经济性和列车服役安全性、乘坐舒适性和环境噪音。在列车运行过程中，承受复杂的轮轨/道岔滚动接触冲击力作用，会出现轮-轨/道岔冲击及滑移噪音等环境问题，其表面剥离与磨耗等损伤问题，以及疲劳断裂带来的安全问题。同时，为提高列车综合运行性能，对轨道与道岔有低噪音、长寿命、高可靠性与安全性的苛刻科技要求。依照世界铁路钢轨与道岔的制造技术特点，铁路钢轨与道岔可区分为基体材料钢 轨-道岔和激光处理钢轨-道岔基体材料钢轨-道岔，主要由优质碳素钢、优质低合金钢、贝氏体钢和低碳马氏体钢等，制造一般采用连轧工艺，包含钢水精炼-坯锻轧-热处理/表面强化-精加工等过程；热处理/表面强化工艺包括调质、表面淬火等，由于材料组织结构没有发生实质性转变，材料服役能力几乎达到制造能力的极限，但能力仍然有限硬度一般为Hv320 390 ;磨损速度快，仅中国国铁的钢轨-道岔年维修费用就达十多亿人民币；严重影响铁路运输安全。因此，现有钢轨-道岔在服役中磨损快，不均匀性损伤大，导致轮轨冲击载荷与冲击噪音增力口，服役寿命短。激光处理钢轨-道岔，在基体材料钢轨-道岔与车轮可能接触的区域，实施激光表层强化加工，使表层材料微观组织结构微纳米化，抗磨与抗滚动接触疲劳性能获得大幅度提闻。激光踏面车轮，上世纪90年代后期，俄罗斯机器制造科学研究院联合高尔基铁路局，率先应用CO 2激光器直接熔凝轮-轨/道岔接触面基体材料(未添加耐磨颗粒)，获得了微纳米化的表层微观组织结构，取得了延长钢轨寿命O. 8 I. O的效果[ChkalovLA. Laser strengthening of wheel and rail. Railway Transport,1988, (2) :31-36]。欧洲自2000年起启动了“基础之星”研究计划，DUROC公司应用激光熔凝技术强化处理钢轨-道岔，获得了高硬度、高屈服应力极限和低摩擦力的钢轨-道岔表面，大幅度降低了磨耗速度与噪音，可延长滚动接触疲劳寿命一倍以上；郑州大学物理工程学院研究了 U74钢轨激光淬火工艺及效果，揭示使材料晶粒细化及马氏体，表面硬度和耐磨性呈现明显提高；北京工业大学激光工程研究院开展了激光熔凝U74钢轨表面基体材料的相变强化工艺及效果，揭不提高表面硬度 3 4 倍；2005 年 Favilli [FAVILLI Sandro. Hardening processusinglaser in railway applications and relative equipment. PCI/IT 2005/000092,W02005/080686 Al, World Intellectual Property Organization, I Sept. 2005]公开了一种激光凝钢轨表面材料的强化技术及自行轨道小车；华中科技大学的曾晓雁联合武汉铁路局科学技术研究所，先后公开了若干用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，实现钢轨表面激光淬火、合金化、熔凝强化处理及毛化与冲击强化处理；中科院长春光学精密机械与物理研究所的张志军等公开了一种利用大功率半导体激光熔凝钢轨表面的便携式装置；张俊等公开了一种利用便携式激光熔覆方法修复了受损钢轨表面的装置；张准胜先后公开了利用激光合金化、熔凝技术强化钢轨表面的方法，同时还公开了激光强化道岔辙叉与尖轨的方法；沈阳大陆激光成套设备有限公司的陶兴启等先后公开了道岔表面激光合金化强化工艺与道岔滑床板表面激光熔覆工艺。但是，现有钢轨-道岔激光表面强化方法，没有与铁路线路地理环境相关的绿色科技需要结合，没有把加工方法及强化深度与钢轨-道岔的寿命要求及失效机制有机结合，主要存在如下问题I、钢轨和道岔分别在不同的工厂或车间进行强化，强化的方法和深度不同，导致二者的使用寿命不匹配，严重影响整个轨道的使用寿命。并且现有 的强化方法不考虑激光强化的深度，也没有激光强化深度的概念。各处的钢轨、道岔强化后对材料表层组织发生相变的厚度影响不一，导致各处钢轨、道岔对轮轨滚动接触疲劳产生的亚表面剥离损伤失效的抵抗作用差异大，服役寿命不均，影响了全路段轨道的整体使用寿命，也使维护修理极为不方便。2、钢轨-道岔激光表面强化方法与铁路线路地理环境的匹配性问题现有基体材料钢轨-道岔技术和钢轨-道岔激光强化技术，没有区别坡道、弯道和平道在强化组织方法的差异。用同样的方法对各种路段进行强化，坡道/弯道钢轨-道岔磨耗更严重，使用寿命短，也使两种钢轨-道岔的寿命不匹配，全路段钢轨与岔道的使用寿命有待提高；且坡道/弯道处与平直处的钢轨-道岔粘着力相同，坡道/弯道处的钢轨-道岔与车轮的粘着力不够，限制了列车驱动牵引能力的提高，而平直处的钢轨-道岔与车轮之间的粘着力偏高，更加了列车运行时的摩擦阻力，提高了列车运行的能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，由该方法强化后的整个路段的钢轨、道岔的强化寿命匹配，从而使整个路段的钢轨与道岔的使用寿命长，可靠性强，使用维护更方便；且能提高列车的驱动牵引能力，降低列车运行的能耗。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对坡道/弯道钢轨-道岔各处进行等强化深度的增粘强化；对平直道钢轨-道岔各处进行等强化深度的降粘强化；且增粘强化和降粘强化的强化深度也相等，并大于等于轮-轨滚动接触疲劳影响深度；所述的强化深度是激光强化使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。与现有技术相比，本发明的有益效果是一、提出激光强化深度的概念，并对坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔各种路段中的的钢轨和道岔进行同样强度的激光强化，也即各处的钢轨与道岔激光强化后，材料表层组织发生相变的厚度一致，从而使全路段轨道的寿命匹配一致。并且强化深度大于等于轮-轨滚动接触疲劳影响深度。可以很好的消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对各段轨道造成内部起裂而导致的亚表面剥离失效，更好的保证其服役寿命。从而有效提高了全路段钢轨与岔道的使用寿命，增强了全路段钢轨与岔道的可靠性。需维修时对全路段统一进行维修，其使用维护更方便。二、对坡道/弯道钢轨-道岔进行增粘的激光强化，增强了坡道/弯道行驶时车轮与轨道的粘着力，减少了坡道/弯道运行时车轮与轨道之间的打滑现象，增加了弯道运行时的向心力，提高了对平直道钢轨-道岔进行降粘强化。相反，列车在平直钢轨-道岔运行时，钢轨-道岔的负荷小，因此对平直道钢轨-道岔进行降粘的激光强化，可以降低平直轨道与车轮的粘着力，即减少了二者的接触摩擦力，从而减少列车运行的能耗。上述对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法并按消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对轨道造成内部起裂的统一深度对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化。这样，通过试验比较，确定出与坡道/弯道轨道-道岔适配的最佳的强化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役寿命。·上述的对平直道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法对平直道钢轨-道岔进行激光强化。这样，通过试验比较，确定出与平直轨道-道岔适配的最佳的强化方法，能更好的降低表面磨耗，保障其服役寿命。下面结合具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。
具体实施例方式实施例一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，其做法是对坡道/弯道钢轨-道岔各处进行等强化深度的增粘强化；对平直道钢轨-道岔各处进行等强化深度的降粘强化；且增粘强化和降粘强化的强化深度也相等，并大于等于轮-轨滚动接触疲劳影响深度；所述的强化深度是激光强化使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。本例中，对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法并按消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对轨道造成内部起裂的统一深度对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化。本例中，对平直道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法并按消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对轨道造成内部起裂的统一深度对平直道钢轨一道岔进行激光强化。
权利要求
1.一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，其做法是对坡道/弯道钢轨-道岔各处进行等强化深度的增粘强化；对平直道钢轨-道岔各处进行等强化深度的降粘强化；且增粘强化和降粘强化的强化深度也相等，并大于等于轮-轨滚动接触疲劳影响深度；所述的强化深度是激光强化使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。
2.根据权利要求I所述的一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，其特征在于，所述的对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法中的一种方法并按消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对轨道造成内部起裂的统一深度对坡道/弯道钢轨-道岔进行激光强化。
3.根据权利要求I所述的一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，其特征在于，所述的对平直道钢轨-道岔进行激光强化的具体做法是通过蠕滑磨耗比较实验，根据磨耗损伤最小的原则，确定采用激光熔凝或激光熔覆或激光熔注方法 中的一种方法并按消除轮-轨滚动接触疲劳载荷对轨道造成内部起裂的统一深度对平直道钢轨-道岔进行激光强化。
全文摘要
一种坡道/弯道钢轨-道岔、平直道钢轨-道岔的组合激光强化方法，其做法是对坡道/弯道钢轨-道岔各处进行等强化深度的增粘强化；对平直道钢轨-道岔各处进行等强化深度的降粘强化；且增粘强化和降粘强化的强化深度也相等，并大于等于轮-轨滚动接触疲劳影响深度；所述的强化深度是激光强化使材料表层组织发生相变的厚度，即相变组织与基体组织界面到表面的距离。由该方法强化后的全路段的钢轨和道岔的使用寿命匹配性好，整个路段的钢轨与道岔的使用寿命长，可靠性强，使用维护更方便；且能提高列车的驱动牵引能力，降低列车运行的能耗。
文档编号E01B31/18GK102953302SQ20111023814
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者赵永翔, 堵彬斌, 胡基士 申请人:西南交通大学