一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备及方法
阅读说明：本技术 一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备及方法 (Cladding equipment and method for carrying out online repair on surface of steel rail ) 是由 戴挺 戴剑雯 贾晓健 李淼 顾栩涵 董蔚苹 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在钢轨表面熔覆贝氏体钢的装备,包括三维扫描和建模系统(1)、钢轨预热系统(2)、表面熔覆设备系统(3)；所述表面熔覆设备系统包括熔覆控制系统、机械臂运动控制系统、电源系统、气体系统、冷却系统、送料控制系统；所述系统的所有线路(06)都通过电力机车顶部的出口搭接在六轴机械臂(05)上使线路固定。同时还公开了采用此方法完成在钢轨表面熔覆贝氏体钢具体步骤。本发明解决钢轨磨损需要替换钢轨的麻烦,通过在线修复来节约原材料；对于贝氏体钢轨,由于制备过程需要一个保温过程,本发明能够保证基体与熔覆层的良好结合,也能够获得与基体等强的熔覆层。(The invention discloses equipment for cladding bainite steel on the surface of a steel rail, which comprises a three-dimensional scanning and modeling system (1), a steel rail preheating system (2) and a surface cladding equipment system (3); the surface cladding equipment system comprises a cladding control system, a mechanical arm motion control system, a power supply system, a gas system, a cooling system and a feeding control system; all lines (06) of the system are overlapped on a six-shaft mechanical arm (05) through an outlet at the top of the electric locomotive to fix the lines. Meanwhile, the method also discloses the specific steps of cladding the bainite steel on the surface of the steel rail. The invention solves the trouble that the steel rail needs to be replaced due to the abrasion of the steel rail, and saves raw materials by online repair; for the bainite steel rail, as the preparation process needs a heat preservation process, the invention can ensure the good combination of the substrate and the cladding layer and can also obtain the cladding layer with the same strength as the substrate.)
技术领域
本发明涉及铁路设备技术领域，具体为一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备及方法。
背景技术
随着我国经济的发展，对铁路提出更高的要求，运载量更大，频率更高使得钢轨的磨损加剧，使用寿命大大减短。这时候，对钢轨进行在线修复，既省去了钢轨拆卸的麻烦，又节约的原材料。对于钢轨表面熔覆的方法有很多，有等离子、激光，有送丝和送粉等，本发明能够同时满足多种热源多种送料方式的表面熔覆。本发明具有机器手可达性好，三维扫描精度高，模型构建准确，打磨余量少的优点。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备及熔覆方法；本发明能够同时满足多种热源多种送料方式的表面熔覆；本发明具有机器手可达性好，三维扫描精度高，模型构建准确，打磨余量少的优点。
本发明公开了一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备，包括三维建模扫描和建模系统、钢轨预热系统、表面熔覆设备系统，表面熔覆设备系统包括机械臂、电源系统、气体系统、冷却系统；所述系统的所有线路都通过电力机车顶部的出口搭接在六轴机械臂，使线路固定。
进一步的，所述的在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备还包括计算机集成系统，所述计算机集成系统包括多个软件和系统的综合控制。主要有三维扫描和建模系统的控制系统，预热系统的控制系统，表面熔覆系统的控制系统，六轴机械臂的控制系统。
进一步的，所述的三维扫描和建模系统包括三维扫描仪，三维扫描仪安装在机械臂的端部，通过机械臂控制系统来实现对钢轨的360°的空间旋转扫描，扫描后的数据通过线路传回三维扫描和建模系统。
进一步的，所述的三维扫描和建模系统分别两次扫描和建模完整钢轨和待修复钢轨，通过数据重构和交并集求出需要熔覆的模型，再根据系统进行路径规划和切片。
进一步的，所述的钢轨预热系统通过铜排线对所需修复钢轨周围进行预热，铜排线上置有热电偶，可以实时监控钢轨局部区域的温度，从而通过预热控制系统对温度进行控制和调整。
进一步的，所述的表面熔覆设备系统包括以下设备：表面熔覆参数控制系统、表面熔覆电源、表面熔覆冷却系统、表面熔覆所需气体、表面熔覆的发生器、表面熔覆出料嘴、表面熔覆热源、表面熔覆送料系统；
所述的表面熔覆的发生器可以是等离子体发生器、激光发生器等；对应的表面熔覆的电源可以是等离子体发生器的电源也可以是激光发生器的电源；
所述的表面熔覆的填充材料是通过表面熔覆送料系统和表面熔覆出料嘴送出，所送的料储存在表面熔覆送料系统中，其可以是金属丝材也可以是金属粉末。
所述铜排线、三维扫描仪、表面熔覆的发生器、表面熔覆出料嘴均是通过刚性连接件固定在机械臂的端部。
三维扫描与建模系统基于激光3D扫描原理对钢轨修复表面区域进行扫描，获得表面轮廓及缺损深度三维信息，自动重建并生成表面熔覆3D区域及工艺数字化信息。
钢轨熔覆温度控制系统利用直接电阻加热的原理实现对钢轨的预热，通过变压器将源交流电压降压变换为不同电压值的低压交流若干档，如2-4-6-8V四档。降压变压器次级采用铜排绕组，可输出大电流。不同的低电压档位对应不同的输出电流和功率，可根据需要切换。输出电压越大，输出电流越大，功率也越大。采用基于红外测温传感的温度反馈和初、次级绕组电流互感器测量电流获得输出功率、通过源电压初级上进行IGBT功率管的移相触发方式进行反馈控制，在钢轨局部修复区域实现可控的快速加热控制，最高温度可达800摄氏度以上。
表面熔覆系统利用电弧、等离子或激光为热源，包括机械臂的运动控制、电源系统、气体系统、冷却系统等子系统，实现按照三维扫描生成的熔覆工艺将贝氏体钢自动熔覆到钢轨表面。
表面修整系统将钢轨表面进行磨削修整操作。
本发明还公开了在线修复贝氏体钢轨的方法，可根据不同需求考虑是否要进行保温缓冷的措施；熔覆完成后，移动机械臂，通过铜排线的加热来对熔覆部位进行不同温度区间的保温，降低其冷却速度，以获得所需的组织；
熔覆结束后需要进行打磨，打磨的量相对于传统表面熔覆工艺而言大大减少。
本发明所述的在钢轨表面进行在线修复的熔覆方法，步骤如下：
1)对于有磨损的钢轨，先打磨去除氧化皮和污渍；
2)对于有磨损的钢轨，通过机械臂的各角度的旋转，带动三维扫描仪对磨损表面进行三维的扫描；
3)三维扫描后，通过计算机软件将点云数据集合转化，建立模型；
4)对于未磨损的钢轨，也重复步骤(3)，得到完整钢轨的模型；
5)通过求交并集的方式突出显示待修复部位模型；
6)对待修复部位进行路径的规划和切片，并且根据实际的熔覆过程设置熔覆参数；
7)采用铜排线对待熔覆部位进行预热；
8)预热完成后，按照步骤(6)所设定的参数实施熔覆；
9)熔覆完成后，移动机械臂，通过铜排线的加热来对熔覆部位进行保温，降低其冷却速度，以获得所需的组织；
10)打磨成形。
有益效果：
本发明提供的一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备及熔覆方法可以实现多种热源和填充材料的表面熔覆；解决钢轨磨损需要替换钢轨的麻烦，通过在线修复来节约原材料；对于贝氏体钢轨，由于制备过程需要一个保温过程，本发明能够保证基体与熔覆层的良好结合，也能够获得与基体等强的熔覆层。
附图说明
图1、钢轨预热系统；
图2、表面熔覆设备系统；
图3(a)、熔覆效果图：熔覆层的显微组织；
图3(b)、熔覆层与基体结合处的显微组织。
在图2中：
01、钢轨；
02、电力机车；
03、集成的计算机系统；
04、钢轨磨损处；
05、六轴机械；
06、所有线路；
101、控制系统；102、三维扫描仪
201、预热控制系统；202、铜排线
301、表面熔覆参数控制系统；302、表面熔覆电源；303、表面熔覆冷却系统；304、表面熔覆所需气体系统；305、表面熔覆的发生器；306、表面熔覆出料嘴；307、表面熔覆送料装置；308、表面熔覆热源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明公开了一种如图1、图2、图3(a)、图3(b)所示的一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备，包括三维扫描和建模系统1、钢轨预热系统2、表面熔覆设备系统3；所述表面熔覆设备系统包括熔覆控制系统、机械臂运动控制系统、电源系统、气体系统、冷却系统、送料控制系统；所述系统的所有线路06都通过电力机车顶部的出口搭接在六轴机械臂05上使系统固定。
在钢轨表面进行在线修复的熔覆设备还包括计算机集成系统，计算机集成系统包括多个软件和系统的综合控制。计算机集成系包括三维扫描和建模系统的控制系统101、钢轨熔覆温度的控制系统201、表面熔覆系统的控制系统301、六轴机械臂的控制系统。
三维扫描和建模系统1中包括三维扫描仪102，三维扫描仪102安装在机械臂05的端部，通过机械臂运动控制系统来实现对钢轨的360°的空间旋转扫描，扫描后的数据通过线路06传回三维扫描和建模系统1。
三维扫描和建模系统1分别两次扫描和建模完整钢轨和待修复钢轨，通过数据重构和交并集求出需要熔覆的模型，再根据表面熔覆系统的控制系统301进行路径规划和切片。
钢轨预热系统2通过铜排线203对所需修复钢轨周围进行预热，铜排线203上置有热电偶实时监控钢轨局部区域的温度，通过预热控制系统201对温度进行控制和调整。
表面熔覆设备系统3包括以下设备：表面熔覆参数控制系统301、表面熔覆电源302、表面熔覆冷却系统303(水冷机、水冷却管等)、表面熔覆所需气体系统304(氩气、氮气的气瓶和气体管)、表面熔覆的发生器305、表面熔覆出料嘴306、表面熔覆送料装置307、表面熔覆热源308和机械臂控制05。
表面熔覆的发生器305为等离子体发生器，也可以是激光发生器；对应的表面熔覆的电源为等离子体发生器的电源，或者是激光发生器的电源。
表面熔覆的填充材料是通过表面熔覆送料系统307和表面熔覆出料嘴306送出，所送的填充材料储存在表面熔覆送料系统307中，填充材料为金属丝材，也可以是金属粉末。
铜排线203、三维扫描仪102、表面熔覆的发生器305、表面熔覆出料嘴306均通过刚性连接件固定在机械臂05的端部。
实施例2
本发明公开了一种在钢轨表面进行在线修复的熔覆方法，步骤如下：
1)对于有磨损的钢轨，先打磨去除氧化皮和污渍；
2)对于有磨损的钢轨，通过机械臂的各角度的旋转，带动三维扫描仪对磨损表面进行三维的扫描；
3)三维扫描后，通过计算机软件将点云数据集合转化，建立模型；
4)对于未磨损的钢轨，也重复步骤(3)，得到完整钢轨的模型；
5)通过求交并集的方式突出显示待修复部位模型；
6)对待修复部位进行路径的规划和切片，并且根据实际的熔覆过程设置熔覆参数；
7)采用铜排线对待熔覆部位进行预热；
8)预热完成后，按照步骤(6)所设定的参数实施熔覆；
9)熔覆完成后，移动机械臂，通过铜排线的加热来对熔覆部位进行保温，降低其冷却速度，以获得所需的组织；
10)打磨成形。
实施例3
在U75V表面熔覆铁基合金粉末，获得贝氏体组织的熔覆层。实施步骤：
1)先打磨去除有磨损的钢轨的氧化皮和污渍；
2)通过机械臂的各角度的旋转，带动三维扫描仪对磨损表面和完整表面进行三维的扫描；
3)三维扫描后，通过计算机软件将点云数据集合转化，建立模型；
4)通过求交并集的方式突出显示待修复部位模型；
5)对待修复部位进行路径的规划和切片，形成熔覆文件；
6)采用等离子熔覆和送粉相结合的方式，粉末的成分如下：Mn1.56％，Cr:1.29％，Mo:0.38％，Ni:0.6％，Si:1.58％，C:0.28％，其余成分为Fe；在熔覆的气体系统和冷却系统准备好之后，导入步骤(5)中的熔覆文件到熔覆系统中，设置熔覆过程的具体熔覆参数：送粉的粉末盘电压3V，载气流量80ml/min，机械臂的移动速度1mm/s；
7)采用铜排线对待熔覆部位进行预热,预热温度设置为600℃；
8)预热完成后，按照步骤(6)所设定的参数实施熔覆；
9)熔覆完成后，移动机械臂，通过铜排线的加热来对熔覆部位进行保温，保温温度设定350℃，保温时间10min。
10)机械臂回归原位后，打磨成形。
如图3(a)、图3(b)所示，熔覆完成后，对该部位取样，做性能表征和组织分析的试验，试验结果如下：
抗拉强度1126MPa，剪切强度738MPa，熔覆层平均硬度400HV，基体的平均硬度340HV。熔覆层组织为所需的贝氏体组织，与基体结合很好，没有裂纹和气孔、夹杂的存在。
各方面性能都很好，满足使用要求。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。