一种提高钢轨滚动接触疲劳强度的激光在线复合调控方法
阅读说明：本技术 一种提高钢轨滚动接触疲劳强度的激光在线复合调控方法 (Laser online composite regulation and control method for improving rolling contact fatigue strength of steel rail ) 是由 杨胶溪 崔哲 柯华 刘哲 周正 徐宏超 肖俊恒 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种在线提高钢轨滚动接触疲劳性能的激光复合调控处理方法,针对磨损严重的钢轨。首先利用激光作为热源,对裂纹延伸区进行激光重结晶处理,消除因磨损产生的表面拉应力,或者将拉应力转化为压应力,一定程度减小微裂纹尺寸。然后再通过脉冲激光进行激光冲击强化处理,激光作用结束后,由于冲击区域周围金属材料的反作用,其力学效应表现为较高的残余应力,促使裂纹的闭合,延长疲劳裂纹的萌生及扩展寿命。最后在磨损区域制备出0.2-0.5mm冶金质量良好的新型合金化涂层,前期的预热处理过程减小了淬硬倾向和冷裂纹的产生,制备的合金化涂层与基体冶金结合良好,且具有较为优异的综合力学性能。本发明预防微裂纹的产生或消除接触面已存微裂纹。(The invention relates to a laser composite regulation and control processing method for improving the rolling contact fatigue performance of a steel rail on line, which aims at the steel rail with serious abrasion. Firstly, laser is used as a heat source, laser recrystallization treatment is carried out on a crack extension area, surface tensile stress generated by abrasion is eliminated, or the tensile stress is converted into compressive stress, and the size of a microcrack is reduced to a certain degree. Then, the laser shock strengthening treatment is carried out through the pulse laser, and after the laser effect is finished, the mechanical effect is represented as higher residual stress due to the reaction of the metal material around the shock area, so that the closing of cracks is promoted, and the initiation and the service life of fatigue cracks are prolonged. Finally, a novel alloying coating with good metallurgical quality of 0.2-0.5mm is prepared in the wear area, the hardening tendency and the generation of cold cracks are reduced in the early preheating treatment process, and the prepared alloying coating is well combined with the matrix metallurgy and has excellent comprehensive mechanical properties. The invention prevents the generation of microcracks or eliminates the microcracks existing on the contact surface.)
技术领域
本发明涉及一种提高钢轨滚动接触疲劳强度的激光在线复合调控方法，主要包含预热处理、激光重结晶技术、激光冲击强化技术，以及一种新型合金化粉末，对钢轨接触疲劳裂纹在线进行调控，以提高其滚动接触疲劳强度。
背景技术
相较于传统的气体或固体激光器，本次专利涉及的半导体激光器具有电光转换效率高、寿命长等特点，在材料的表面处理、焊接、增材制造等领域应用广泛。激光重结晶技术，是一种以激光作为热源，对金属粉体材料进行熔化再结晶，以提高材料表面强度的新型制造技术。
激光冲击强化技术，是一种利用激光诱导形成的等离子冲击波对金属材料进行强化的表面改性技术。它具有强化效果佳、可控性强、适用性好等优势，近年来，得到越来越广泛的应用与研究，主要在对提高部件的疲劳性能和延长材料使用寿命方面起到重要作用。该项技术涉及多项工艺参数，不同参数之间的匹配对强化效果影响巨大，主要包括激光工艺参数、冲击角度、脉宽、冲击次数等。
预热处理是在材料加工前对结构件进行整体或局部加热，其目的是减缓结构件在热加工后温度梯度及冷却速度，适当延长加工区域的冷却时间，以利于涂层中氢的逸出，减少产生淬硬组织，防止冷裂纹的产生。
常见的预热方法主要有火焰加热、红外线加热、感应加热三种。本次专利涉及的预热方法为感应加热，利用工业频率50Hz的交流电流在钢轨上表面产生交变磁场，形成涡流，进而产生热量来加热钢轨。由于集肤效应，热量趋于集中在钢轨上表层，再通过红外测温仪对钢轨表面进行实时测温，防止过热氧化。
铁路运输是我国交通运输方式的最重要的方式之一，目前中国铁路运营里程据世界首位，高达13.1万公里，凭借其运输量大、安全性高、方便快捷等优点极大推动了国家经济的进步。但是随着高速铁路的快速发展与路线的扩增，对钢轨磨损性能要求日益提高，钢轨强度一旦跟不上列车运行速度和轴载能力，就会发生严重的断轨危险，这是很可怕的交通事故。
目前国内钢轨损伤情况十分严重，仅截至2000年，国内的正线钢轨损伤数量已达23.98万根，2005年更是达到了35万根，2011年据大秦线统计数据，年运输总重4.4亿吨，道岔最短使用时间仅为72小时，之后便要更换，正常情况下平均使用寿命也仅为3～4个月，磨损严重位置大约20天便要立即更换。然而，高速铁路道岔造价巨高，服役条件也十分恶劣，需要时刻面临巨大的摩擦力和侧面冲击，因此发明一种提高钢轨滚动接触强度的调控方法迫在眉睫。
钢轨的损伤主要包括侧面磨损、表面塑性形变、表面疲劳裂纹等，这些缺陷使得铁路高速运行过程中面临轮轨系统失效或脱轨的危险。目前，迫切需要一种在线愈合钢轨滚动接触疲劳裂纹的表面处理方法。
发明内容
本发明的目的是针对钢轨复杂服役条件造成的滚动接触疲劳强度不足问题，提供一种提高钢轨滚动接触疲劳强度的激光复合在线调控方法，实现激光技术在高速铁路领域移动式加工，大大延长钢轨的使用寿命。
本发明涉及的一种新型合金粉末各组分的质量百分比如下：Cr：8-12wt％；Ni：3-6wt％；Si：0.3-1.0wt％；C：0.02-0.05wt％；B：1.0-1.50wt％；Mn：5.0-7.5wt％；Nb：0.03-0.08wt％；V：0.8～1.2wt％；余量为Fe。将待处理钢轨表面用打磨机打磨干净，去除表面锈斑，再用酒精擦拭，吹干。
对疲劳微裂纹区域进行激光重熔合金化处理，激光重熔合金化工艺参数为：钢轨用打磨机打磨干净，再用酒精擦拭吹干，置于感应线圈下方预热，预热过程中保持钢轨上表面与线圈垂直距离5cm，直至钢轨上表面在红外测温仪下显示为300-500℃；通过示教器移动激光头至预热完的钢轨待加工位置上方15mm，激光功率6000W-10000W，扫描速度2-5m/min，矩形光斑尺寸(10-30)mm×(1-3)mm，搭接率2-5％，送粉速率60-150g/min，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为0-30°。同时采用脉冲激光器对激光重熔合金化区域进行冲击强化处理，其工艺参数为：激光波长1.06μm，光斑(10-30)mm×(1-3)mm，激光脉冲能量10-50J，脉宽10-30ns，频率5-10Hz，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为5-15°。
附图说明
图1是激光在线复合调控方法原理图
图2是滚动摩擦磨损测试后的样品(实施例1)
图3是滚动摩擦磨损测试过程中试验力与时间关系图(实施例1)
图4是激光复合调控前后钢轨样品显微硬度对比图
图5是激光复合调控前后钢轨样品弯曲角度对比图
图6是激光复合调控前后钢轨样品磨损质量对比图
具体实施方式
实施例1
包括以下步骤：
(1)新型合金粉末各组分的质量百分比如下：Cr：8.5wt％；Ni：3.0wt％；Si：0.4wt％；C：0.025wt％；B：1.1wt％；Mn：5.5wt％；Nb：0.04wt％；V：0.9wt％；余量为Fe。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合3小时，混合后得到均匀粉体；
(2)将粉末在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为100摄氏度，备用；
(3)将U75V钢轨用打磨机打磨干净，再用酒精擦拭，吹干，置于感应线圈下方预热，预热过程中保持钢轨上表面与线圈垂直距离5cm，直至钢轨上表面在红外测温仪下显示为300℃；
(4)通过示教器控制机器手移动激光头至待加工位置，调整熔覆头与钢轨表面距离至15mm，准备重熔合金化处理；
(5)将装有新型合金粉末的送粉器连接粉路通道，开始激光重熔合金化，工艺参数：激光功率7000W，扫描速度2.5m/min，矩形光斑尺寸10mm×1mm，搭接率2％，送粉速率80g/min，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为10°。同时对激光重熔合金化区域进行脉冲激光冲击强化处理，其工艺参数为：激光波长1.06μm，光斑10mm×1mm，激光脉冲能量20J，脉宽10ns，频率6Hz，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为5°。
下面对本实例激光复合调控后的样品进行各种性能测试。
1、摩擦磨损实验
将样品制备成动载荷测试试样件，进行耐磨性和滚动疲劳接触性能的测试，工艺参数如下：承载加载力值2000N(压力约为0.92Gpa)，滚准转速为100r/min，加载时间为7200s，滚压后使用三维形貌仪对样品的压痕深度及形貌进行多点测试，并用电子天平测量滚压前后的失重，经称重可知纯基体U75V平均磨损质量为75mg，而激光复合调控处理后的样品平均磨损质量为25mg，耐磨性大概提高了3倍。
2、显微硬度
用HV～1000型显微硬度计进行硬度测试，载荷为50g，加载时间为10s，对梯度复合涂层和基体表面进行多点测试并计算平均值，基体的平均显微硬度为302HV0.2；经激光复合调控处理后的样品平均显微硬度为450HV0.2；
3、抗弯性能测试
用MTS电液伺服万能试验机测试钢轨的抗弯性能，试验机型号为YAW-6000F，加载完成后测量弯曲角度及渗透探伤处理后裂纹尺寸大小。结果证明经激光复合调控处理后的钢轨在达到弯曲要求时，并未出现明显裂纹和断口。相对于基体，经激光复合调控处理后的钢轨抗弯强度显著提高。
实施例2
包括以下步骤：
(1)新型合金粉末各组分的质量百分比如下：Cr：9.5wt％；Ni：4.5wt％；Si：0.6wt％；C：0.035wt％；B：1.25wt％；Mn：6.0wt％；Nb：0.045wt％；V：0.95wt％；余量为Fe。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合3小时，混合后得到均匀粉体；
(2)将粉末在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为100摄氏度，备用；
(3)将U71Mn钢轨用打磨机打磨干净，再用酒精擦拭，吹干，置于感应线圈下方预热，预热过程中保持钢轨上表面与线圈垂直距离5cm，直至钢轨上表面在红外测温仪下显示为400℃；
(4)通过示教器控制机器手移动激光头至待加工位置，调整熔覆头与钢轨表面距离至15mm，准备重熔合金化处理；
(5)将装有新型合金粉末的送粉器连接粉路通道，开始激光重熔合金化，工艺参数如下：激光功率8000W，扫描速度3.5m/min，矩形光斑尺寸20mm×2mm，搭接率2.5％，送粉速率85g/min，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为15°。同时对激光重熔合金化区域进行脉冲激光冲击强化处理，其工艺参数为：激光波长1.06μm，光斑2mm×2mm，激光脉冲能量35J，脉宽20ns，频率8Hz，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为10°。
下面对本实例激光复合调控后的样品进行各种性能测试。
1、摩擦磨损实验
测试方法同实施例1，经称重可知纯基体U71Mn平均磨损质量为80mg，而激光复合调控处理后的样品平均磨损质量为35mg,耐磨性提高了2倍多。
2、显微硬度
测试方法同实施例1，可知基体的平均显微硬度为305HV0.2；经激光复合调控处理后的样品平均显微硬度为454.1HV0.2；
3、抗弯性能测试
测试方法同实施例1，结果证明经激光复合调控处理后的钢轨在达到弯曲要求时，并未出现明显裂纹和断口。相对于基体，经激光复合调控处理后的钢轨抗弯强度显著提高。
实施例3
包括以下步骤：
(1)新型合金粉末各组分的质量百分比如下：Cr：10wt％；Ni：6wt％；Si：0.6wt％；C：0.02wt％；B：1.45wt％；Mn：7.0wt％；Nb：0.03wt％；V：0.8wt％；余量为Fe。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合3小时，混合后得到均匀粉体；
(2)将粉末在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为100摄氏度，备用；
(3)将U20Mn钢轨用打磨机打磨干净，再用酒精擦拭，吹干，置于感应线圈下方预热，预热过程中保持钢轨上表面与线圈垂直距离5cm，直至钢轨上表面在红外测温仪下显示为500℃；
(4)通过示教器控制机器手移动激光头至待加工位置，调整熔覆头与钢轨表面距离至15mm，准备重熔合金化处理；
(5)将装有新型合金粉末的送粉器连接粉路通道，开始激光重熔合金化，工艺参数如下：激光功率8000W，扫描速度4.5m/min，矩形光斑尺寸30mm×3mm，搭接率3％，送粉速率100g/min，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为20°。同时对激光重熔合金化区域进行脉冲激光冲击强化处理，其工艺参数为：激光波长1.06μm，光斑30mm×3mm，激光脉冲能量45J，脉宽25ns，频率8Hz，激光束与钢轨表面法线方向的夹角为15°。
下面对本实例激光复合调控后的样品进行各种性能测试。
1、摩擦磨损实验
测试方法同实施例1，经称重可知纯基体U20Mn平均磨损质量为70mg，而激光复合调控处理后的样品平均磨损质量为28mg,耐磨性提高了2倍多。
2、显微硬度
测试方法同实施例1，可知基体的平均显微硬度为308HV0.2；经激光复合调控处理后的样品平均显微硬度为452.7HV0.2；
3、抗弯性能测试
测试方法同实施例1，结果证明经激光复合调控处理后的钢轨在达到弯曲要求时，并未出现明显裂纹和断口。相对于基体，经激光复合调控处理后的钢轨抗弯强度显著提高。