一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法與流程
2024-04-13 03:43:05
1.本技術涉及增材製造技術領域，主要涉及一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法。
背景技術：
2.在鐵路軌道中存在很多通過連接夾板連接兩段鋼軌形成的鋼軌接頭。連接夾板通過連接螺栓與鋼軌固定在一起，兩段鋼軌之間存在軌縫。鋼軌接頭的螺栓孔具有嚴格的位置尺寸要求，如果螺栓孔位置不準確，則會影響連接夾板的安裝，甚至會導致連接夾板無法安裝。另外，若螺栓孔的位置不準確，會使連接螺栓與螺栓孔的孔壁一側發生擠壓，從而帶來軌縫超過標準要求、長期使用鋼軌螺栓孔會被磨損、連接螺栓斷裂等一系列問題。在對鐵路軌道的維護中，一旦發現鋼軌的螺栓孔被磨損超過標準要求，就需更換鋼軌。在實際的鋼軌鋪設中，特別是站段的軌道鋪設，需要使用大量的尺寸不一的非標準長度鋼軌，因此無法採用出廠已經預製螺栓孔的鋼軌，需要對非標準長度鋼軌採用可攜式打孔機打孔。由於是人工使用便攜設備進行打孔，難免會出現鋼軌螺栓孔的位置偏差超出許可的情況，而對這部分鋼軌則需要進行報廢處理，造成損失巨大。
3.如果能對不符合使用要求的鋼軌螺栓孔進行修復，恢復鋼軌的使用價值，就可以避免報廢鋼軌，可以減少損失，但目前並沒有出現可以修復鋼軌接頭螺栓孔的方法。
4.因此，現有技術還有待於改進和發展。
技術實現要素：
5.鑑於上述現有技術的不足，本技術的目的在於提供一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，旨在解決現有鋼軌螺栓孔的位置偏差超出許可時鋼軌需要報廢處理的問題。
6.本技術的技術方案如下：一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，包括以下步驟：（1）在螺栓孔的內側面製備坡口，將所述螺栓孔擴大成圓臺形狀的孔洞；（2）在所述圓臺形狀的孔洞的上底面所在一側軌腰上安裝鋼板，封閉所述圓臺形狀的孔洞的所述上底面；（3）按照所述圓臺形狀的孔洞的尺寸，使用路徑規劃軟體規劃機器人的運動軌跡，所述運動軌跡所構成的雷射增材焊道能夠完全填充所述圓臺形狀的孔洞；（4）以金屬粉末為熔覆材料，所述機器人的工具中心點按照規劃的所述運動軌跡對所述圓臺形狀的孔洞進行雷射增材，直至所述圓臺形狀的孔洞被完全填充。
7.本技術的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，可以實現對鋼軌螺栓孔的修復，恢復鋼軌的使用價值，避免鋼軌報廢，減少經濟損失。
8.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述金屬粉末包括如下質量百分比的組分：c≤0.02%，mn 1.00~1.80%，si 1.50~2.20%，cr 20.00~22.00%，ni 15.00~18.00%，p ≤0.02%，s≤0.01%，mo 3.00~4.00%，re 3.00~4.00%，fe 餘量。
9.在本技術中還提供一種適用於鋼軌螺栓孔修復的金屬粉末，可以通過雷射增材方式對鋼軌螺栓孔進行修復，使螺栓孔有更好的修復效果和在雷射熔覆過程中具有更低的裂紋傾向。
10.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述金屬粉末的顆粒直徑分布在53~110μm。
11.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，在步驟（1）中，採用60
°
坡口銑刀或90
°
坡口銑刀製備所述坡口。
12.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述鋼板的厚度為3~10mm。
13.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，在步驟（4）中，還包括以下步驟：在實施雷射增材之前，對所述螺栓孔所在的鋼軌區域進行預熱至300~400℃；在雷射增材結束後，對經過雷射增材的所述鋼軌區域加熱20~40分鐘，保持溫度在300~400℃之間，然後對所述鋼軌區域包裹保溫，使所述鋼軌區域緩慢冷卻。
14.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，雷射增材的工藝參數為：雷射光斑直徑2~10mm，雷射功率範圍為1500~5500w，雷射增材過程使用純度大於99.9%的氬氣作為保護氣體，保護氣體流量8~20l/min，雷射熔覆掃描速率設定7~20mm/s，使用純度大於99.9%的氬氣作為金屬粉末載氣，金屬粉末載氣流量5~12l/min，金屬粉末輸送速度設置為10~30g/min。
15.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法還包括以下步驟：（5）拆除所述鋼板，採用鋼軌軌腰打磨機去除所述軌腰上因所述雷射增材產生的多餘的加工餘量。
16.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法還包括以下步驟：（6）採用超聲波鋼軌探傷設備對經過所述雷射增材修復的所述鋼軌進行超聲波探傷。
17.所述的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，其中，所述鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法還包括以下步驟：（7）確認探傷合格後，採用鋼軌打孔機在正確的位置重新製備螺栓孔，將所述鋼軌回裝到道床使用。
18.有益效果：本技術的鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，可以實現對鋼軌螺栓孔的修復，恢復鋼軌的使用價值，避免鋼軌報廢，減少經濟損失。
附圖說明
19.圖1為本技術實施例1中u71mng鋼軌經過雷射增材修復後原螺栓孔位置的金相顯微圖像。
具體實施方式
20.本技術提供一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，為使本技術的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本技術進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施
例僅僅用以解釋本技術，並不用於限定本技術。
21.本技術提供一種鋼軌螺栓孔的雷射增材修複方法，包括以下步驟：（1）在螺栓孔的內側面製備坡口，將螺栓孔擴大成圓臺形狀的孔洞；（2）在圓臺形狀的孔洞的上底面所在一側軌腰上安裝鋼板，封閉圓臺形狀的孔洞的上底面；（3）按照圓臺形狀的孔洞的尺寸，使用路徑規劃軟體規劃機器人的運動軌跡，運動軌跡所構成的雷射增材焊道能夠完全填充圓臺形狀的孔洞的幾何空間；（4）以金屬粉末為熔覆材料，機器人的工具中心點按照規劃的運動軌跡對圓臺形狀的孔洞進行雷射增材，直至圓臺形狀的孔洞被完全填充；（5）拆除鋼板，採用鋼軌軌腰打磨機去除鋼軌軌腰上因雷射增材產生的多餘的加工餘量，得到沒有螺栓孔的鋼軌；（6）採用超聲波鋼軌探傷設備對經過雷射增材修復螺栓孔的鋼軌進行超聲波探傷。
22.（7）確認探傷合格後，採用鋼軌打孔機在正確的位置重新製備螺栓孔，最後將鋼軌回裝到道床使用。
23.具體地，在步驟（1）中，在對螺栓孔進行修復前，需要對螺栓孔的內側面進行修整，將螺栓孔擴大成圓臺形狀的孔洞，孔洞的內表面將作為雷射增材的表面使用。在此過程中，可以採用60
°
坡口銑刀或90
°
坡口銑刀製備坡口。
24.圓臺形狀的孔洞具有上底面和下底面，上底面位於一側軌腰所在平面上，下底面位於另一側軌腰所在平面上，上底面的半徑小於下底面的半徑。在步驟（2）中，用鋼板封閉圓臺形狀的孔洞的上底面，在後續步驟中，機器人在從圓臺形狀的孔洞的下底面進行雷射增材。進一步地，鋼板可以選用為3~10mm厚度的鋼板，避免使用太薄的鋼板，防止鋼板在增材過程中熔化而失去封閉效果。
25.步驟（4）中，以金屬粉末為熔覆材料。在現有技術中，存在以金屬粉末為熔覆材料對鋼軌軌面的進行修復的技術方案。鋼軌軌面是與車輪接觸的工作表面，為滿足鋼軌使用壽命的要求，經過雷射增材的鋼軌軌面硬度需達到經過加工硬化後的鋼軌表面硬度水平，即》300hb。而修復後螺栓孔的部位主要是保證強度和塑性，以保證原有螺栓孔周圍的軌腰在使用過程中具有足夠的抗疲勞損傷能力，而對硬度無需要求。目前最常使用的鋼軌材料牌號為u75vg和u71mng，對其力學性能的要求分別為抗拉強度≥980mpa和≥880mpa，斷後伸長率不低於10%。由於鋼軌螺栓孔修復不同於鋼軌軌面修復，因此，為使螺栓孔有更好的修復效果和在雷射熔覆過程中具有更低的裂紋傾向，在本技術中還提供一種適用於鋼軌螺栓孔修復的金屬粉末，可以通過雷射增材方式對鋼軌螺栓孔進行修復。本技術的金屬粉末為流動性良好的球形粉末，顆粒直徑分布在53~110μm，採用此粉末尺寸，可以保證良好的熔覆效果（若尺寸太大，則容易出現有未融化粉末顆粒，不能充分熔化）和良好的流動性（若尺寸太小，則容易出現送粉不暢的情況）。本技術的金屬粉末包括如下質量百分比的組分：c≤0.02%，mn 1.00~1.80%，si 1.50~2.20%，cr 20.00~22.00%，ni 15.00~18.00%，p ≤0.02%，s≤0.01%，mo 3.00~4.00%，re 3.00~4.00%，fe 餘量。
26.進一步地，鋼軌軌面缺陷深度小，一般在3mm以下，雷射熔覆產生的應力對其影響不大，因此在雷射增材時一般不需要進行額額外的預處理或後處理。不同於鋼軌軌面缺陷
修復，對螺栓孔進行修復時，需要貫穿整個鋼軌軌腰的厚度，以50kg鋼軌為例，軌腰厚度在15.5~19.4mm之間（最薄處的厚度為15.5 mm、最厚處的厚度為19.4mm），螺栓孔直徑為31mm，按60
°
坡口計算，對一個鋼軌螺栓孔的雷射增材體積超過80cm3，連續增材的金屬約650g，按照雷射熔覆的效率，在此狹窄區域的連續增材製造時間超過40min。由於雷射能量在小區域的連續累計，將帶來較大的焊接應力，所以需要進行特殊的預處理。在步驟（4）中，還包括以下步驟：在實施雷射增材之前，使用天然氣火焰對螺栓孔所在區域的鋼軌進行預熱至300~400℃，預熱範圍可以為螺栓孔所在區域；在雷射增材結束後，用天然氣火焰對經過雷射增材的鋼軌區域烘烤20~40分鐘，保持溫度在300~400℃之間，然後使用石棉布包裹經過雷射增材的鋼軌區域，使該鋼軌區域緩慢冷卻，以有效消除雷射增材帶來的應力。
27.在步驟（4）中，雷射增材的過程中，使用半導體光纖雷射器，雷射增材的工藝參數為：聚焦雷射光斑直徑2~10mm；雷射功率範圍為1500~5500w，雷射能量在光斑平面內近似均勻分布；雷射增材過程使用純度大於99.9%的氬氣作為保護氣體，保護氣體流量8~20l/min；雷射熔覆掃描速率設定7~20mm/s；使用純度大於99.9%的氬氣作為金屬粉末載氣，金屬粉末載氣流量5~12l/min，金屬粉末輸送速度設置為10~30g/min。
28.以下通過具體實施例對本技術作進一步說明。
29.實施例1
30.以鋼軌材料牌號為u71mng的一段50kg鋼軌為例，此段鋼軌的軌腰厚度為15.5~19.4mm（最薄處的厚度為15.5 mm、最厚處的厚度為19.4mm），螺栓孔直徑為31mm，對此鋼軌螺栓孔進行雷射增材修復，過程如下：採用60
°
坡口銑刀在螺栓孔的內側面製備坡口，將螺栓孔擴大成圓臺形狀的孔洞。
31.在圓臺形狀的孔洞的上底面所在一側軌腰上安裝厚度為7mm的鋼板，封閉圓臺形狀的孔洞的上底面。
32.按照圓臺形狀的孔洞的尺寸，使用路徑規劃軟體規劃機器人的運動軌跡，運動軌跡所構成的雷射增材焊道能夠完全填充圓臺形狀的孔洞的幾何空間。
33.使用天然氣火焰對螺栓孔所在的鋼軌區域進行預熱至350℃左右，以金屬粉末為熔覆材料，機器人的工具中心點按照規劃的運動軌跡對圓臺形狀的孔洞進行雷射增材，直至圓臺形狀的孔洞被完全填充，在雷射增材結束後，用天然氣火焰烘烤經過雷射增材的鋼軌區域30分鐘，保持溫度在350℃左右，然後使用石棉布包裹經過雷射增材的鋼軌區域，使該鋼軌區域緩慢冷卻至室溫；雷射增材的過程中，使用半導體光纖雷射器，聚焦雷射光斑直徑5mm，雷射功率範圍為3500w，使用純度大於99.9%的氬氣作為保護氣體，保護氣體流量12l/min，雷射熔覆掃描速率設定15mm/s，使用純度大於99.9%的氬氣作為金屬粉末載氣，金屬粉末載氣流量10 l/min，金屬粉末輸送速度設置為24g/min。
34.其中，本實施例中所採用的金屬粉末包括如下質量百分比的組分：c 0.02%，mn 1.50%，si 1.80%，cr 21.00%，ni 17.00%，p ≤0.01%，s ≤0.01%，mo 3.50%，re 3.50%，fe 餘量。
35.拆除鋼板，採用鋼軌軌腰打磨機去除鋼軌軌腰上因雷射增材產生的多餘的加工餘量，得到沒有螺栓孔的鋼軌。
36.採用超聲波鋼軌探傷設備對經過雷射增材修復螺栓孔的鋼軌進行超聲波探傷，確認探傷合格。
37.圖1為在u71mng鋼軌上經過雷射增材修復螺栓孔包含修復材料的截面的金相顯微圖像，從圖1可以看出，雷射增材的材料與鋼軌母材結合良好且緻密，沒有界面缺陷和內部空洞、裂紋等缺陷。
38.以u71mng鋼軌作為母材，採用本實施例1所採用的金屬粉末和雷射增材工藝參數製備焊縫試樣，對焊縫試樣進行測試，焊縫拉伸強度達到890mpa以上，滿足u71mng鋼軌的抗拉強度要求（≥880mpa）。
39.應當理解的是，本技術的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本技術的保護範圍。