一种超长焊接钢轨的生产方法和生产线的制作方法

专利名称：一种超长焊接钢轨的生产方法和生产线的制作方法
技术领域：
本发明属于铁路专用设备技术领域，特别涉及一种超长焊接钢轨的生产方法和设备。本发明利用激光表面强韧化技术对超长焊接钢轨进行激光处理，处理后的新钢轨可以大幅度提高表面硬度和耐磨性，同时能够使钢轨整体的强韧性能基本不变，可以大幅度延长钢轨的全寿命使用周期。
背景技术：
自铁路实现第六次大提速和启动四纵四横高速铁路主干线建设项目以来，我国铁路运输业正向高速度、高轴重、大运量和高车流密度方向发展。由于高速、重载列车对列车的运行平稳性、安全性要求更高，而机车轴重、运行速度和强度的提高将进一步加剧钢轨轨头磨损和疲劳损伤的程度，使钢轨使用寿命大为縮短，钢轨的检修和列车运行安全面临严峻挑战，成为制约我国进一步提高轨道运输能力的瓶颈。迄今为止，还没有行之有效的办法能够有效降低轨道磨损，提高耐磨性， 一般采用直接更换钢轨的方式，不但费用高，而且影响列车的正常运行，导致铁路运营成本大幅增加。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，其值更是高达数百亿元人民币。随着我国高速、重载列车的发展和铁路运营里程的延长，这一损失还将快速增加。因此，如何进一步提高钢轨耐磨性，延长其全寿命使用周期，已成为列车高速安全运行的必需和关键点之一。
为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取四种方法第一，余热淬火工艺；第二，感应全长淬火工艺；第三，以低合金高碳钢取代普通碳素钢；第四，以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和强韧性等。前两种工艺属于相变硬化，主要目标是获得细片状珠光体组织，提高钢轨的表面硬度。其主要不足之处在于，钢轨的表面不能够出现马氏体，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，余热淬火和感应全长淬火后钢轨硬度一般控制在HV390以下，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。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。由于钢轨硬度不能过高，因此车轮的硬度也无法提高，否则会严重损伤钢轨，造成更大的经济损失。故此，提高钢轨、车轮耐磨性的关键在于提高钢轨的硬度而不损伤其整体韧性。
由于迄今为止通过现整体改善钢轨的强度和韧性的技术路线提高钢轨耐磨性的幅度有限，因此本项目发明人此前提出了采用激光表面强化技术来提高钢轨表面硬度，同时保持钢轨基材韧性基本不变的技术路线。激光表面强化技术是近二十年来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。由于该技术可在不影响钢轨整体强度和韧性的前提下，使其表面硬度达到Hv800以上，克服了余热淬火和感应全长淬火工艺难以兼顾表面耐磨性与整体韧性的瓶颈，因此有望成为钢轨的新一代表面强化工艺。我们前期的研究成果证明，由于激光表面强化技术的加热速度高、冷却速度快、硬化层深度一般在lmm以内以及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，也不会因此导致钢轨的强韧性显著下降。特别重要的是由于马氏体组织的硬度显著高于细片状珠光体组织，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，激光表面强化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，非常适合对钢轨进行表面强韧化处理。
2008年，本申请人申请的"一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备"(申请号200820191385.4)介绍了一种在线实现钢轨表面强韧化
6处理的工艺方法，它可以在不拆卸钢轨的前提下，完成既有线路钢轨的激光表面强韧化处理。但是，采用上述在线强韧化的工艺方法时，激光强韧化设备属于单台独立进行强韧化处理，加工效率相对较低，更加适合既有线路路段钢轨的激光表面强韧化和修复处理要求，对于新钢轨批量生产时表面强韧化的工程需求而言适应性偏弱。
目前，国内外铁道部门在铺设新轨时， 一般采用超长焯轨的直接铺设,
例如我国现在铺设新路线时通常将长度为500米的轨道一次性铺设在路面上，大大提高了铁路铺设速度。这些超长钢轨是采用焊接技术把若干段较短长度的钢轨焊接在一起，取代了传统的螺栓连接方式。在铺设新钢轨时，国内外目前的通行办法是在专门生产车间将从钢厂出厂的一定长度钢轨轨段焊接成100米、200米加长钢轨，甚至长达500米的超长钢轨，然后将超长焊轨与轨枕相连成为超长轨道，采用专用列车运到修筑铁路或换轨的现场后，直接实现整体铺轨，最后再把超长焊轨彼此焊接或螺钉固定，形成铁道线路。以超长焊轨取代螺栓连接钢轨的最大优势在于减少了列车车轮通过轨道接头时的冲击磨损，并使得列车运行噪音大幅度降低，乘坐客车的舒适度大大增加。但是，焊接后的超长钢轨带来的直接难题是更换钢轨时的复杂程度增加，耗时和相关费用都会大幅度增加。
因此，如果能将激光表面强化技术与设备应用在长焊钢轨的生产线上，直接生产出具有高耐磨性和长寿命的超长钢轨，可以大幅度提高钢轨的使用寿命，延长换轨周期，对高速、重载列车的运行安全保障极为有利，并可节约大量维护费用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种超长焊接钢轨的生产方法和生产线，本发明可以将钢轨焊接工艺、激光表面强韧化工艺在一条生产线上同时完成，使得焊轨的表面经过激光强韧化处理后，在保持钢轨整体良好强韧性的前提下，大幅度提高钢轨的表面耐磨性和使用寿命，减少换轨次数，满足铁路高速、重载列车对钢轨的高耐磨性要求。本发明提供的超长焊接钢轨的生产方法，包括轨段矫直，氧化皮去除，
焊接，回火及正火，焊缝矫直，以及无损探伤工序；单根轨段依次经矫直后输送到氧化皮去除机去除氧化皮，然后输送到焊接机对相邻二根轨段进行首尾焊接，焊接后对焊缝进行回火及正火、矫直和打磨平整，最后经过无损探伤检验，得到合格的长焊钢轨；其特征在于，在焊接的同时或之后对钢轨进行激光表面强化处理。
上述生产方法的一种优选方案是激光表面强化处理分二个阶段进行，第一阶段是在轨段焊接的同时，对除焊缝区域外的部分进行激光表面强化处理，第二阶段是在无损探伤工序后，对焊缝区域进行激光表面强化处理。上述生产方法的另一种优选方案是在无损探伤工序后，对合格的长焊钢轨的全长一次性进行激光表面强化处理。
本发明提供的超长焊接钢轨的生产线，该生产线中依次包括输送辊、钢轨矫直机、氧化皮去除机、焊接机、回火及正火装置、焯缝矫直机、打磨机和无损探伤检验装置，其特征在于在焊接机的工位后还设置有激光表面强化处理系统。
上述生产线的一种优选方案是激光表面强化处理系统包括第一、第二激光表面强化处理子系统，第一激光表面强化处理子系统位于焊接机与回火及正火装置之间，由均匀排列在单根轨段两侧的激光表面强化处理装置组成，用于对单根轨段的非焊缝区域进行激光表面强化处理；第二激光表面强化处理子系统位于无损探伤检验装置的工位之后，用于对长焊钢轨的焊缝区域进行激光表面强化处理。上述生产线的另一种优选方案是所述激光表面强化处理系统由均匀排列在长焊钢轨两侧的多台激光表面强化处理装置组成，用于对长焊钢轨全长一次性进行激光表面强化处理。
上述生产线中激光表面强化处理装置的优选方案是它包括激光器、激光加工机床、光束传输系统和控制系统；激光加工机床上安装有旋转式激光加工头，激光器通过光束传输系统将激光束传输至旋转式激光加工头，控制系统与激光器和激光加工机床通过控制线连接。
上述激光表面强化处理装置中，激光加工机床又可以采用下述优选的 方案激光加工机床上安装有两个旋转式激光加工头，激光加工机床采用 下述三种结构中的一种，其一是激光加工机床的轨道基座以倒悬的方式 安装在轨道支架的悬臂下部，工作台的X轴安装在轨道基座下部的轨道上， 工作台的Y轴以倒悬的方式垂直安装在工作台的X轴下部；工作台的Z轴 由间隔垂直安装在工作台的Y轴上的两个光筒构成；两个旋转式激光加工 头分别与两个光筒相连接。其二是激光加工机床包括两个平行的轨道基 座，两个工作台的X轴分别安装在轨道基座上，工作台的Y轴横跨垂直 安装在工作台的X轴上；工作台的Z轴由间隔垂直安装在工作台的Y轴上 的两个光筒构成；两个旋转式激光加工头分别与两个光筒相连接。其三是-激光加工机床的结构为工作台的X轴固定在轨道基座的轨道之上，工作 台的Y轴垂直安装在工作台的X轴上；工作台的Z轴由间隔垂直安装在工 作台的Y轴上的两个光筒构成；两个旋转式激光加工头分别与两个光筒相 连接。
本发明将激光表面强化处理系统嵌入常规的超长焊轨生产线中，构成 能够生产高耐磨激光强化层的超长焊轨生产线。当轨段经过激光表面强化 处理系统时，在高激光功率下，利用双激光加工头快速运动或摆动扫描的 方法按照设计的图案同时对单根轨段或整根长焊轨的踏面、上圆角和侧面 进行激光表面强化处理，最终在整根长焊钢轨的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、网状或平面状的高耐磨强韧化层。 具体而言，本发明具有如下特点或者功能
(1) 与国内外现有的(500米)超长焊钢轨生产线完全兼容，利用现有 厂房的空间就能增加激光强化处理工序，在保持现有生产效率的前提下能 大批量连续生产经过激光表面强化处理的高耐磨超长焊轨。
(2) 激光表面强化处理装置的布局合理，自动化程度高，表面强韧化工艺参数可以根据长钢轨焊接时的生产速度与节拍而定，灵活性强，参数 修改方便，工艺过程易于掌握操作。
(3) 激光表面强韧化处理技术的适用性强，适合我国及国际通用的 50kg/m， 60kg/m和75kg/m等各种规格的钢轨和各种钢轨材质。
(4) 采用飞行光路或光纤传输激光，以及双激光加工头的机床设计， 通过选择合适的激光表面强韧化工艺参数，能同时处理钢轨的踏面、上圆 角和侧面。
(5) 激光表面强化后钢轨表面硬度高，可以根据设计要求形成不同硬 化图形，硬化层的深度和分布状况可以通过程序控制，不会对钢轨的扰度 和整体机械性能产生明显影响。因此，该工艺方法可以在保持钢轨整体强 韧性的基础上，显著提高其表面硬度，从而可以大幅度地提高钢轨的使用 寿命，减少铁路在使用过程中的换轨次数。


图1是超长焊接钢轨的常规生产流程；
图2是超长焊接钢轨激光表面强化生产线的第一种实现方式； 图3是第一激光表面强化处理子系统的第一种具体实现方式； 图4是第二激光表面强化处理子系统的第一种具体实现方式； 图5是超长焊接钢轨激光加工机床的第一种具体实现方式； 图6是超长焊接钢轨激光加工机床的第二种具体实现方式； 图7是超长焊接钢轨激光加工机床的第三种具体实现方式； 图8是超长焊接钢轨激光表面强化生产线的第二种实现方式。
具体实施例方式
国内外现有超长焊轨的生产方法通常包括矫直、去除氧化皮、焊接、 回火及正火、焊缝矫直、平整和无损探伤工序，本发明方法是在焊接工序 的同时或焊接工序后对钢轨进行激光表面强韧化处理。激光表面强韧化处 理工序原则上在整个生产工艺的任一工序之后进行，但为了合理利用现有 超长焊钢轨生产线的厂房空间，同时不降低现有超长焊轨生产线的生产节
10拍和效率，最后采用下述二种方式进行
其一是激光表面强韧化处理分二个阶段进行，第一阶段是在钢轨焊 接的同时，对除焊接接头区域外的部分进行激光表面强韧化处理，第二阶 段是在无损探伤工序后，对合格钢轨的焊接接头区域进行激光表面强韧化 处理。
其二是无损探伤工序后，对合格钢轨的全长进行激光表面强韧化处理。
一般而言，国内外现有超长焊轨的生产工序如图1所示。常规尺寸长 度的钢轨经过输送轨道到矫直机，钢轨矫直后输送到氧化皮去除机去除氧 化皮，通过转运台将钢轨输送到闪光焊接机进行焊接，焊接后的钢轨被输 送到感应回火设备工位，对焊接接头区域进行回火，消除残余应力；同时 通过风冷强制冷却，使得接头区域为正火组织，保持足够的强度和硬度； 之后，对长钢轨的焊缝部位进行矫直，然后采用自动打磨机将焊接接头的 凸出部位进行打磨平整，使焊接接头部位与钢轨表面处于平整状态，最后 经过无损探伤检验区，检验焊接接头及热影响区是否存在气孔、裂纹等冶 金缺陷。如果没有，则可以作为超长钢轨的成品出厂、入库；如果有缺陷， 则采用锯断机将接头部位锯掉，返回前面的焊接工序重焊。
在上述超长焊轨生产线中，要将激光表面强韧化工艺嵌入，并且不降 低生产节拍和效率，不拉长生产线的设备、厂房布置甚为重要。本发明的 第一种实现方式是将激光表面强韧化处理工序分两段设置。第一段，紧接 在钢轨焊接工位的后端，主要完成钢轨两端之外区域的激光强韧化处理。 选择这一工序进行激光强韧化处理的主要原因在于，钢轨在焊接工序时， 基本处于静止状态，有利于简化激光强韧化处理的工艺过程，并且不需要 因为激光强韧化处理增加额外的加工时间。但是，由于焊接过程中靠近接 头区域的轨段温度较高，且处于防护罩内，无法进行激光处理。因此，本 发明在焊接接头无损检测工位后，增加一个工位，专门针对钢轨焊接接头 区域进行激光表面强韧化处理，如此即可使得激光表面强韧化处理的区域 覆盖超长钢轨的整个表面。
在添加激光表面强韧化工艺之后，超长焊接钢轨生产方法及生产线的流程如图2所示，它主要包括输送辊2、支架3、钢轨矫直机4、氧化皮 去除机5、转运台6、焊接机7、第一激光表面强化处理子系统8、回火及 正火装置9、焊缝矫直机10、打磨机11、无损探伤检验装置12、锯断机13、 第二激光表面强化处理子系统14和贮存架15。其工作流程为单根短轨段 1 (例如25米、50米或100米等长钢轨)通过输送辊2依次经过钢轨矫直 机4和氧化皮去除机5处理后，表面清洁，适合焊接工况要求。然后，钢 轨通过转送台6达到闪光焊机7工位，焊接时，前一根轨段经过焊接机7， 轨段尾部有2米长的距离轨道留在焊接机7的保护罩中，被焊接夹具固定， 处于待焊状态。而其余部位到达第一激光表面强化处理子系统8所在的工 位。此时，后一根轨段经过输送辊被送入焊接机7中，该轨段前端有2米 长的距离被焊接机夹具夹持、固定，并与前一钢轨的尾端靠近，最后由焊 接机7完成前后两根轨段的首尾连接。
在不含有激光表面强韧化处理的长焊钢轨生产线中， 一般而言，前一 根钢轨从到达第一激光表面强化处理子系统8后将保持静止，这一状态一 直保持到与后一根轨段完成首尾焊接的整个过程中。因此，在本发明的第 一种技术方案中，将第一激光表面强化处理子系统8就设在这一位置，并 设置了多套激光表面处理设备。主要是利用这一钢轨相对静止的时间段， 对前一根轨段(除了前已述及的钢轨头、尾部分)区域同时进行表面强韧 化处理。换句话说，本发明将第一激光表面强化处理子系统8设置在焊接 机7后，当前一根待焊的钢轨到达预定位置后即处于静止状态，同时利用 该工位的多台激光表面强化处理装置对钢轨轨头的踏面、上圆角和侧面进 行激光表面强韧化处理。在激光加工设备的设计和选型过程中，激光器的 功率大小、激光器台数的确定以及激光加工工作台的设计和选型根据整条 生产线的生产效率和节拍确定，以能够满足现有钢轨的生产节拍和效率为 最佳选择。通过工艺参数调节，在保证激光表面强化层深度、宽度及硬度 等参数指标的基础上，使子系统8的激光表面处理工序和子系统7的闪光 焊接工序同步完成。即两根短钢轨实现首尾焊接的同时，前一根轨段也完 成了激光表面强化处理工序。此时，启动输送辊，将第一根钢轨输送到下 一工位，而第二根轨段到达第一激光表面强化处理子系统8，第三根轨段的端头进入焊接机7，并与第二根钢轨的尾端进行焊接，此时第一激光表面强 化处理子系统8所设置的多台激光表面强化处理装置开始对第二根轨段进 行表面强化处理。重复上述工作过程就能完成超长钢轨表面的激光表面强 韧化处理。
综上所述，上述工序可以使得超长钢轨在完成焊接工序的同时，保证 钢轨大部分区域(除两端距离焊接接头区域之外)的踏面、上圆角和侧面 能够同时完成激光表面强韧化处理，只有焊接接头附近的小部分区段由于 处于焊接机床的防护罩区域内，且由于焊接过程温度较高而未被激光强化 处理。
经过第一激光表面强化处理子系统8后，轨段被依次送往后续各个工 位由回火及正火装置9将轨段的焊缝进行回火处理，去除应力；然后通 过正火的方式冷却，确保焊接接头的部位强度、韧性不降低；接着通过焊 缝矫直机10将钢轨焊缝位置校直，然后由打磨机11将焊缝磨平。当钢轨 经过无损探伤检验装置12时，由超声波探测仪对轨段焊缝进行探伤检查， 如果焊缝出现裂纹等不允许的缺陷后，则钢轨被锯断机13从焊缝处切断， 并通过侧向的转运台6'将锯下的轨段送回生产线的起始处，重新对轨段锯 断面打磨后再送入生产线进行焊接，对于此类钢轨则在焊接后跳过第一激 光表面强化处理子系统8。对无损探伤合格的钢轨，则被送入第二激光表面 强化处理子系统14,由该工位所设置的激光表面强化设备将子系统8长钢 轨上焊接接头附近未处理的小部分区段进行激光表面强韧化处理，以便使 得整个超长钢轨的表面全部经过激光表面强韧化处理。最后，长焊轨的工 作面全部经过激光表面强韧化处理，并被送入贮存架15存放，等待吊运装 车。
为了不影响现有超长焊轨的生产效率和节拍，本发明的激光表面强化 处理系统8和14所设置的激光强韧化处理设备的台数和具体布置将根据轨 段的长度、焊接的时间和所采用的激光器波长、功率、光斑直径大小等参 数而定，而钢轨矫直机、氧化皮去除机、转运台、焊接机、焊缝回火设备、 焊缝矫直机、打磨机、无损探伤检验和锯断机等工位与现有超长焊轨的生 产线的工位相同。下面结合附图举例说明本发明生产线第一种实现方式中
13的激光表面强化处理系统8和14的一种具体实现方式，但本发明所述的激 光表面强化处理系统8和14并不局限于此。
以焊接前的单根钢轨长度为100米，第一激光表面强化处理子系统8 由8台相同的激光表面强化处理装置构成，而第二激光表面强化处理子系 统14由1台激光表面强化处理装置构成为例，对激光强韧化工艺过程进行 说明。参见图3，在第一激光表面强化处理子系统8中，在焊接轨段1的两 侧均匀排列了 8台相同的激光加工机床17和激光器18，每台激光器以飞行 光路或光纤传输的方式将激光束传输至对应机床的激光加工头上用于钢轨 表面热处理。控制系统19分别用控制线与激光加工机床17的各轴伺服电 机、激光加工头上的伺服电机，以及激光器18的光闸电连接。由控制系统 19发出指令可分别或同时控制激光器18的开光或关光，激光加工机床17 的各轴运动和运动速度，激光加工头的摆动和摆动频率等。
参见图4，以焊接前单根钢轨长度为100米为例。此时，第二激光表面 强化处理子系统14由1台激光表面强化处理装置来完成，该台设备的结构 与子系统8所设的激光表面强化处理装置相同。该工位上设备控制方式和 工作方式与图3所示的结构相同，在此不再赘述。
激光表面强化处理装置的加工机床17可以采用小车式、龙门式和悬臂 式等多种结构实现，所有的加工机床均采用双激光加工头设计，下面分别 就这几种机床结构为例说明本发明的工作过程，但本发明所使用的激光强 化处理机床结构并不局限于上述几类。
以小车式激光加工机床为例，参见图5。加工机床17的轨道基座20平 行位于钢轨1的一侧，并与钢轨1的长度方向平行。在数控机床的工作台 的X轴21下面安装有轨道基座20,将工作台的X轴21固定在轨道基座 20的轨道之上，在伺服电机的带动下工作台的X轴21能沿着轨道基座20 上的轨道X向运动。工作台的Y轴22垂直安装在工作台的X轴21上构成 单悬臂结构。工作台的Z轴由间隔垂直安装在工作台的Y轴上的两个光筒 24和24'构成；两个激光加工头25和25'分别与两个光筒24和24'相连接。 在Y轴伺服电机的带动下，工作台的光筒24和24'能够同时或单独带动对 应的激光加工头25和25'沿Y轴运动。在Z轴伺服电机的带动下，激光加工头25和25'能沿Z轴上下运动。激光加工头25和25'在伺服电机的带动
下能偏转一定的角度或进行摆动扫描，偏转或摆动的角度范围为与水平方 向成0° 180°。在激光强化处理过程中，激光加工头25负责对钢轨1的踏 面进行处理，而激光加工头25'在偏转一定角度后对钢轨1的上圆角和侧面 进行处理。激光器18发出的激光束经过扩束后分为两路，然后采用硬光路 或光纤分别传输至导光系统23和23'，并最终传输至激光加工头25和25' 用于激光处理。
以龙门式激光加工机床为例，参见图6。加工机床17的两个平行的轨 道基座20和20'分别位于钢轨1的两侧，并与钢轨1的长度方向平行。在 数控机床的工作台的X轴21和21'下面分别安装有轨道基座20和20'，工 作台的X轴21被固定在轨道基座20的轨道之上，工作台的X轴21'被固定 在轨道基座20'的轨道之上。在各自伺服电机的带动下，工作台的X轴21 和21'能分别沿着轨道基座20和20'上的轨道X向运动。工作台的Y轴22 横跨垂直安装在工作台的X轴21和21'上构成龙门式结构。工作台的Z轴 由间隔垂直安装在工作台的Y轴上的两个光筒24和24'构成；两个激光加 工头25和25'分别与两个光筒24和24'相连接。两个激光加工头25和25' 分别与工作台的光筒24和24'相连接。在Y轴伺服电机的带动下，工作台 的光筒24和24'能够同时或单独带动对应的激光加工头25和25'沿Y轴运 动。在Z轴伺服电机的带动下，激光加工头25和25'能沿Z轴上下运动。 激光加工头25和25'在伺服电机的带动下能偏转一定的角度或进行摆动扫 描，偏转或摆动的角度范围为与水平方向成0。 180。。在激光表面强韧化处 理过程中，激光加工头25负责对钢轨1的踏面进行处理，而激光加工头25' 在偏转一定角度后对钢轨1的上圆角和侧面进行处理。激光器18发出的激 光束经过扩束后分为两路，然后采用硬光路或光纤分别传输至导光系统23 和23'，并最终传输至激光加工头25和25'用于激光处理。
以单悬臂式激光加工机床为例，参见图7。激光加工机床17的轨道支 架26平行位于钢轨1的一侧。轨道基座20以倒悬的方式安装在轨道支架 26的悬臂下部，并与钢轨1的长度方向平行。数控机床的工作台的X轴21 安装在轨道基座20下部的轨道上，在伺服电机的带动下工作台的X轴21能沿着轨道基座20上的轨道X向运动。工作台的Y轴22以倒悬的方式垂 直安装在工作台的X轴21下部构成小车式结构。工作台的Z轴由间隔垂直 安装在工作台的Y轴上的两个光筒24和24'构成；两个激光加工头25和 25'分别与两个光筒24和24'相连接。
在Y轴伺服电机的带动下，工作台的光筒24和24'能够同时或单独带 动对应的激光加工头25和25'沿Y轴运动。在Z轴伺服电机的带动下，激 光加工头25和25'能沿Z轴上下运动。激光加工头25和25'在伺服电机的 带动下能偏转一定的角度或进行摆动扫描，偏转或摆动的角度范围为与水 平方向成0° 180°。在激光表面强韧化处理过程中，激光加工头25负责对 钢轨1的踏面迸行处理，而激光加工头25'在偏转一定角度后对钢轨1的上 圆角和侧面进行处理。激光器18发出的激光束经过扩束后分为两路，然后 采用硬光路或光纤分别传输至导光系统23和23'，并最终传输至激光加工 头25和25'用于激光处理。
由于长焊钢轨在无损检测合格后有较长的存放周期，这部分时间也可 用来对钢轨进行激光表面强韧化处理。本发明的第二种实现方式是将此前 分为两个阶段的激光处理方式合并，只在无损检测工序后设置一段激光表 面强韧化处理工序， 一次性完成整个长焊钢轨的激光表面强韧化处理，使 得激光表面强韧化处理的区域覆盖超长焊钢轨的整个表面，参见图8。此时 所有的激光表面处理设备都布置在无损检测工序后的激光表面强化系统27 处，经过检验合格的超长焊接钢轨在系统27处，由该工位设置的多台激光 表面处理装置集中对钢轨的踏面、上圆角和侧面部位进行表面强化处理， 由于激光表面强化处理不会对钢轨的扰度和整体机械性能产生明显影响， 也不会产生任何缺陷，因此经过激光处理后的超长焊接钢轨直接存放在贮 存架15上，等待最后的吊运装车。本发明的激光表面强化处理系统27所 设置的激光强韧化处理设备的台数和具体布置将根据超长焊接钢轨的长 度、常规长焊轨的生产效率和所采用的激光器波长、功率、光斑直径大小 等参数而定。但激光加工机床及激光加工头的布置方式、控制方式和工作 方式与第一激光表面强化处理子系统8类似，在此不再赘述。此种实现方 式是将激光表面强化处理系统单独设置在现有超长焊轨的生产线后，不会对现有焊轨生产线和厂房设备作出任何影响和改动。
激光加工头是本发明中激光加工设备的重要部件，可以采用现有的各
种可旋转式激光加工头固定在一定的角度，分别通过激光加工头25沿Y轴 往返运动扫描和激光加工头25'沿Z轴上下运动扫描并结合X轴方向的运 动，同时实现钢轨踏面、上圆角和侧面的表面处理。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实现摆动扫描运 动，分别通过激光加工头25沿Y向往返摆动扫描和激光加工头25'沿Z向 上下摆动扫描并结合X轴方向的运动，同时实现钢轨踏面、上圆角和侧面 的表面处理。激光加工头25和25'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，能实现轨道踏面、上圆角和侧面等不同部位的激 光表面强韧化处理。当然，本发明激光加工机床17上的两个激光加工头可 以采用相同的结构，也可以由不同的结构形式构成，如上述三种激光加工 头的两两组合，以两个激光加工头同时进行运动扫描、或两个激光加工头 同时进行摆动扫描、或一个激光加工头进行运动扫描，而另一个激光加工 头进行摆动扫描等方式组合进行钢轨表面强化处理。尽管这里只列出了三 种扫描式的激光加工头，但本发明所使用的激光加工头并不局限于此。
本发明所使用的激光器可以是高功率气体激光器、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工作方式。根据激光器的波长不同，可采用光导纤 维或由多块反射镜组成的硬光路系统将激光器18发出的激光束扩束(必要 时)，分光后分别传输至激光加工头25和25'，再通过聚焦镜聚焦之后出射 到待处理的钢轨上用于激光表面强韧化处理。当采用光纤激光器、半导体 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，此时， 既可以采用光纤传输，也可以采用硬光路系统传输。当使用半导体激光器 作为光源时，也可以将激光器放置于激光加工机床17的工作台的Y轴上通 过硬光路或光纤与激光加工头相连。当采用高功率气体激光器作为光源时， 则采用硬光路系统传输激光束。
本发明中，第一激光表面强化处理子系统8的工作时间为3 10分钟(具体取决于所焊接钢轨的规格)，根据单根钢轨长度的差别，以及激光器
18的波长、功率大小和光斑直径大小等参数的不同，第一激光表面强化处 理子系统8处所设置的激光表面强化处理装置为1 16台，第二激光表面 强化处理子系统14处所设置的激光表面强化处理装置为1 2台。
根据超长焊接钢轨的长度，常规长焊轨的生产效率、激光器18的波长、 功率大小和光斑直径大小等参数不同，激光表面强化处理系统27处所设置 的激光表面强化处理装置为1 40台。
本发明中激光器的功率为lkW 30kW，可以是高功率气体激光器，光 纤激光器、二极管泵浦固体激光器、灯泵浦固体激光器或者二极管激光器。 聚焦激光束的光斑直径为2 30mm，激光加工头的运动扫描或摆动扫描为 10 5000mm/s，可以在钢轨踏面、上圆角和侧面获得宽度为2 25mm、深 度为0.2 1.0mm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。
以图2中的第一种超长焊接钢轨的激光表面强化生产线为例，说明生 产经激光表面处理的500米长焊钢轨的工作流程。其中，所用的单根轨段 长度为100米，第一激光表面强化处理子系统8由8台激光表面强化处理 装置构成，第二激光表面强化处理子系统14由1台激光表面强化处理装置 构成。
(1) 根据钢轨热处理的需要，激光加工头25和25'选择合适焦距的聚 焦镜片来控制聚焦点位置和光斑尺寸的大小。启动激光表面强化处理子系 统8和14处所有的制冷机、空压机和冷干机等激光器运行必需的设备，然 后启动所有的激光器18使其处于待机状态，打开控制系统19。
(2) 当第一根100米长的单根钢轨通过输送辊2依次经过钢轨矫直机 4和氧化皮去除机5处理后，然后经过焊机7到达第一激光表面强化处理子 系统8时，在一定的激光设定功率下，启动控制系统19中预先编制好的程 序，同时控制8台激光表面强韧化处理设备上的激光加工头25沿Y轴往返 运动扫描或左右摆动扫描，而激光加工头25'沿Z轴上下运动扫描或上下摆 动扫描，并配合X轴以一定的速度运动，同时实现钢轨踏面、上圆角和侧面的表面处理。多台设备的激光加工头在规定的行程内重复上述扫描过程
就能完成96米长的轨段的踏面、上圆角和侧面的表面强韧化处理，而且第 一激光表面强化处理子系统8和焊接工序同步完成。当完成两根轨段的首 尾焊接后，前一根轨段也完成了激光表面强化处理工序。剩下靠近钢轨焊 接接头的长度为2米的轨面因为施焊过程中温度较高，并且相关部位位于 焊接机的防护罩范围当中，因此不能激光处理，只能留待第二激光表面强 化处理子系统14再进行激光处理。当第二根轨段到达第一激光表面强化处 理子系统8时，第三根轨段开始准备进入焊接机7进行焊接，此时第一激 光表面强化处理子系统8所设置的8台激光表面强化处理装置开始对第二 根轨段进行表面强化处理。重复上述工作过程就能完成500米长钢轨轨头 的绝大部分长度(共490米)的激光表面强韧化处理。
在一定的激光功率下，根据钢轨位置的实际需要和激光器的特性，通 过改变激光加工头25和25'的扫描速度或摆动频率、X轴的运动速度和激 光束的输出方式，可以在钢轨踏面、上圆角和侧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。
(3) 经过第一激光表面强化处理子系统8后，轨段被依次送往后续工 位，由回火及正火装置9将轨段的焊缝进行回火处理，去除应力；然后通 过正火的方式冷却，确保焊接接头的部位强度、韧性不降低；接着通过焊 缝矫直机10将钢轨焊缝位置校直，然后由打磨机11将悍缝磨平。
(4) 当钢轨经过无损探伤检验装置12时，由超声波探测仪对轨段焊 缝进行探伤检查，如果焊缝出现裂纹等不允许的缺陷后，则钢轨被锯断机 13从焊缝除切断，并通过侧向的转运台6'将锯下的轨段送回生产线的起始 处，重新对轨段锯断面打磨后再送入生产线重新焊接，对于此类钢轨则在 焊接后直接经过第一激光表面强化处理子系统8，不再进行激光表面热处 理。
(5) 对无损探伤合格的轨段，则被送入第二激光表面强化处理子系统 14，此时在一定的激光设定功率下，启动控制系统19中预先编制好的程序， 同时控制该台激光表面强韧化处理设备上的激光加工头25沿Y轴往返运动 扫描或左右摆动扫描，而激光加工头25'沿Z轴上下运动扫描或上下摆动扫
19描，并配合x轴以一定的速度运动，就能完成单根轨段上未处理部分和焊
缝(2米长)的踏面、上圆角和侧面的表面处理。重复上述过程，分别对 500米长焊轨焊接接头和钢轨尾部区域进行激光表面强韧化处理，就能完成 整根500米长焊轨踏面的激光表面强韧化处理。
(6)踏面、上圆角和侧面完全经过激光表面强韧化处理的500长焊轨 被送入贮存架15存放，等待最后的吊运装车。
对于本发明的第二种实现方式(参见图8)，其工作流程是在现有超长 焊轨的生产线之后进行，只增设激光表面强化系统27。主要差别的地方是: 如果需要考虑生产效率，激光表面强化系统27可以多安排几台激光表面强 化处理装置同时工作， 一次性完成整条长焊钢轨的激光表面强韧化处理。 激光表面强化系统27工作时，在一定的激光设定功率下，启动控制系统19 中预先编制好的程序，同时控制此处的多台激光表面强韧化处理设备上的 激光加工头25沿Y轴往返运动扫描或左右摆动扫描，而激光加工头25'沿 Z轴上下运动扫描或上下摆动扫描，并配合X轴以一定的速度运动，同时 实现钢轨踏面、上圆角和侧面的表面处理。多台设备的激光加工头在各自 规定的行程内重复上述扫描过程就能一次性完成500米长焊轨的踏面、上 圆角和侧面的表面强韧化处理。
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。
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权利要求
1、一种超长焊接钢轨的生产方法，包括轨段矫直，氧化皮去除，焊接，回火及正火，焊缝矫直，以及无损探伤工序；单根轨段依次经矫直后输送到氧化皮去除机去除氧化皮，然后输送到焊接机对相邻二根轨段进行首尾焊接，焊接后对焊缝进行回火及正火、矫直和打磨平整，最后经过无损探伤检验，得到合格的长焊钢轨；其特征在于，在焊接的同时或之后对钢轨进行激光表面强化处理。
2、 根据权利要求1所述的超长焊接钢轨的生产方法，其特征在于激 光表面强化处理分二个阶段进行，第一阶段是在轨段焊接的同时，对除焊 缝区域外的部分进行激光表面强化处理，第二阶段是在无损探伤工序后， 对焊缝区域进行激光表面强化处理。
3、 根据权利要求1所述的超长焊接钢轨的生产方法，其特征在于，在 无损探伤工序后，对合格的长焊钢轨的全长进行激光表面强化处理。
4、 一种超长焊接钢轨的生产线，该生产线中依次包括输送辊(2)、钢轨 矫直机(4)、氧化皮去除机(5)、焊接机(7)、回火及正火装置(9)、焊缝矫直机 (10)、打磨机(11)和无损探伤检验装置(12)，其特征在于在焊接机的工位 后还设置有激光表面强化处理系统。
5、 根据权利要求4所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征在于， 激光表面强化处理系统包括第一、第二激光表面强化处理子系统(8、14)，第一激光表面强化处理子系统(8)位于焊接机(7)与回火及正火装置(9) 之间，由均匀排列在单根轨段两侧的激光表面强化处理装置组成，用于对单根轨段的非焊缝区域进行激光表面强化处理；第二激光表面强化处理子 系统(14)位于无损探伤检验装置(12)的工位之后，用于对长焊钢轨的焊缝区域进行激光表面强化处理。
6、 根据权利要求4所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征在于，所述 激光表面强化处理系统由均匀排列在长焊钢轨两侧的多台激光表面强化处 理装置组成，用于对长焊钢轨全长进行激光表面强化处理。
7、 根据权利要求4至6中任一所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征 在于，激光表面强化处理装置包括激光器(18)、激光加工机床(17)、光束传 输系统和控制系统；激光加工机床(17)上安装有旋转式激光加工头，激光器 (18)通过光束传输系统将激光束传输至旋转式激光加工头，控制系统与激光 器(18)和激光加工机床(17)通过控制线连接。
8、 根据权利要求7中任一所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征在于， 激光加工机床(17)上安装有两个旋转式激光加工头(25、 25')，激光加工机床 (17)的结构为轨道基座(20)以倒悬的方式安装在轨道支架(26)的悬臂下部， 工作台的X轴(21)安装在轨道基座(20)下部的轨道上，工作台的Y轴(22)以 倒悬的方式垂直安装在工作台的X轴(21)下部；工作台的Z轴由间隔垂直 安装在工作台的Y轴上的两个光筒(24、 24')构成；两个旋转式激光加工头 (25、 25，)分别与两个光筒(24、 24')相连接。
9、 根据权利要求7中任一所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征在于 激光加工机床(17)上安装有两个旋转式激光加工头(25、 25')，激光加工机床 (17)包括两个平行的轨道基座(20、 20')，两个工作台的X轴(21、 21')分别 安装在轨道基座(20、 20')上，工作台的Y轴(22)横跨垂直安装在工作台的X轴(21、 21')上；工作台的Z轴由间隔垂直安装在工作台的Y轴上的两个光 筒(24、24，)构成；两个旋转式激光加工头(25、25')分别与两个光筒(24)、 (24') 相连接。
10、根据权利要求7中任一所述的超长焊接钢轨的生产线，其特征在 于激光加工机床(17)上安装有两个旋转式激光加工头(25、 25')，激光加工 机床(17)的结构为工作台的X轴(21)固定在轨道基座(20)的轨道之上，工作台的Y轴(22) 垂直安装在工作台的X轴(21)上；工作台的Z轴由间隔垂直安装在工作台 的Y轴上的两个光筒(24、 24')构成；两个旋转式激光加工头(25、 25')分别 与两个光筒(24、 24')相连接。
全文摘要
本发明公开了一种超长焊接钢轨的生产方法和生产线。方法是在常规的超长焊接钢轨的生产工艺加入激光表面强化处理工序，对钢轨全长进行激光表面强化处理。将激光表面强化处理系统嵌入常规的超长焊轨生产线中，构成能够生产高耐磨激光强化层的超长焊轨生产线。当轨段经过激光表面强化处理工位时，在高激光功率下，利用双激光加工头快速运动或摆动扫描的方法按照设计的图案同时对单根轨段的踏面、上圆角和侧面进行激光表面强化处理，最终在整根长焊钢轨的表面获得所需宽度和深度的点状、直线状、曲线状、网状或平面状的高耐磨强韧化层。本发明在保持钢轨整体良好强韧性的前提下，大幅度提高钢轨的表面耐磨性和使用寿命，减少换轨次数，满足铁路高速、重载列车对钢轨的高耐磨性要求。
文档编号B23P15/00GK101474740SQ20091006063
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者曾晓雁, 王泽敏, 胡乾午 申请人:华中科技大学