CN101943802A - 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置 - Google Patents

火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101943802A
CN101943802A CN 201010262587 CN201010262587A CN101943802A CN 101943802 A CN101943802 A CN 101943802A CN 201010262587 CN201010262587 CN 201010262587 CN 201010262587 A CN201010262587 A CN 201010262587A CN 101943802 A CN101943802 A CN 101943802A
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor laser
prism
mirror
light
polarization coupled
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN 201010262587
Other languages
English (en)
Inventor
张志军
王立军
郝明明
朱洪波
张俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN 201010262587 priority Critical patent/CN101943802A/zh
Publication of CN101943802A publication Critical patent/CN101943802A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

本发明涉及钢轨硬化的光学装置领域，特别是一种火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置。本发明包括半导体激光二极管堆、偏振耦合棱镜、波长耦合棱镜、平面反射镜、对称阶梯镜、光束压缩镜、慢轴准直镜、光学工作镜组和激光头，多个带有快轴准直镜的半导体激光二极管堆利用波长耦合、偏振耦合的原理实现耦合成一束光输出。通过一整套光学系统的光路设计，将激光束导入到激光头，得到激光钢轨硬化所需的理想的光斑。本发明能量利用率高，结构紧凑，便于携带和现场使用，可控性好，操作简单，运行和维护成本低，使用寿命长；光束能量均匀分布，而且不需要采用钢轨表面磷化、黑化等措施，可避免喷涂吸收层带来的负面影响。

Description

火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置
技术领域
本发明涉及钢轨硬化的光学装置领域，特别是一种火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置。
背景技术
铁路是关系到国计民生的重要交通设施，钢轨是铁路轨道的重要组成部分，所以钢轨的质量是非常重要的。在实际应用中，随着列车速度、运量和轴重的提高，钢轨表面及侧表面所受到车轮的摩擦是非常强烈的，磨损非常严重，钢轨磨损失效的速率也越来越快，对钢轨的寿命和安全性非常不利，我国每年用于更换和维修损伤钢轨的直接费用达到数亿元人民币，为了提高其耐磨损性能，我们对钢轨的表面进行硬化技术处理，提高钢轨的耐磨性，延长钢轨的使用寿命和更换周期。当对钢轨的表面进行硬化技术处理时，我们需要设计激光光学装置，该激光光学装置将激光线性聚焦，得到激光钢轨硬化所需要的理想化光斑。因此，研制出满足钢轨硬化所需要的激光装置势在必行。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明提供一种火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，可有效解决钢轨使用寿命短、耐磨性差的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是，火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，包括半导体激光二极管堆、第一偏振耦合棱镜、第二偏振耦合棱镜、平面反射镜、波长耦合棱镜、对称阶梯镜、光束压缩镜、慢轴准直镜、光学工作镜组和激光头，第一偏振耦合棱镜的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆，半导体激光二极管堆的光轴与第一偏振耦合棱镜的中心在同一条直线上，第一偏振耦合棱镜的X出光方向上放置平面反射镜；第二偏振耦合棱镜的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆，半导体激光二极管堆的光轴与第二偏振耦合棱镜的中心在同一条直线上，第二偏振耦合棱镜的X出光方向上放置波长耦合棱镜，其中心与波长耦合棱镜的中心在同一条直线；波长耦合棱镜对应平面反射镜，波长耦合棱镜的X出光方向上放置对称阶梯镜，波长耦合棱镜的光轴与对称阶梯镜的光轴在同一条直线，对称阶梯镜的出光方向上依次放置光速压缩镜、慢轴准直镜、光学工作镜组和激光头。
本发明的有益效果：本发明经过多个光学装置的偏振耦合和波长耦合，可以大大提高激光功率及功率密度，以达到对铁路钢轨硬化的更大的激光功率；激光光路及移动数控系统可精确地将激光光束转到钢轨加工点上。
附图说明
图1是本发明的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置的结构示意图。
图2是本发明的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置的实施例示意图。
图3是本发明的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置的工作位置示意图。
图中：1、半导体激光二极管堆，2、第一偏振耦合棱镜，3、第二偏振耦合棱镜，4、平面反射镜，5、波长耦合棱镜，6、对称阶梯镜，7、光速压缩镜，8、慢轴准直镜，9、光学工作镜组，10、激光头，11、钢轨。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
由图1所示，本发明的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，包括半导体激光二极管堆1、第一偏振耦合棱镜2、第二偏振耦合棱镜3、平面反射镜4、波长耦合棱镜5、对称阶梯镜6、光束压缩镜7、慢轴准直镜8、光学工作镜组9和激光头10，第一偏振耦合棱镜2的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆1，半导体激光二极管堆1的光轴与第一偏振耦合棱镜2的中心在同一条直线上，第一偏振耦合棱镜2的X出光方向上放置平面反射镜4；第二偏振耦合棱镜3的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆1，半导体激光二极管堆1的光轴与第二偏振耦合棱镜3的中心在同一条直线上，第二偏振耦合棱镜3的X出光方向上放置波长耦合棱镜5，其中心与波长耦合棱镜5的中心在同一条直线；波长耦合棱镜5对应平面反射镜4，波长耦合棱镜5的X出光方向上放置对称阶梯镜6，波长耦合棱镜5的光轴与对称阶梯镜6的光轴在同一条直线，对称阶梯镜6的出光方向上依次放置光速压缩镜7、慢轴准直镜8、光学工作镜组9和激光头10。
所说的平面反射镜4与第一偏振耦合棱镜2和波长耦合棱镜5的镀膜面平行。
所说的对称阶梯镜6的出光方向与光速压缩镜7、慢轴准直镜8、光学工作镜组9、激光头10的中心均在同一直线。
所说的半导体激光二极管堆1上装有快轴准直镜。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于单独的一个火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨11硬化的光学装置不能完全满足对钢轨11硬化所需的功率，这时就需要对如图2的激光进行组束，激光光束经过4组光学装置聚焦后的再偏振耦合成一束激光经激光头10输出从而达到钢轨11硬化所需的激光功率。
经过激光组束之后的半导体激光器装置装在火车底部，与钢轨11的位置关系如图3所示，在火车运行过程中，激光束导入到激光头10，激光头10随运行的列车直接作用到钢轨11的表面，而且不需要采用钢轨11表面磷化、黑化等措施来实现对钢轨11的表面的硬化处理。
根据钢轨的实际的宽度70mm，来确定硬化宽度为70mm。又根据光斑实际压缩的难度，确定具体的所需要的光斑尺寸为70mm×0.5mm。又根据钢轨硬化层深度的要求：我们一般要求硬化0.5～1mm来满足钢轨的耐磨程度。最后来决定半导体激光器的工作方式、激光模式、激光功率、光斑尺寸、扫描速度、扫描路径等。工作方式指连续激光或脉冲激光，这里我们使用连续激光输出。激光模式的高斯型单模光束光强分布不均匀，光斑中心能量显著高于边缘，不利于均匀硬化。因此，使多模光束能量分布比较均匀。为了确保钢轨11的硬化层深度在0.5～1mm之间，激光功率选择在5～10万瓦，激光功率密度选择在104～105W/cm2。又根据光斑实际压缩的难度，光斑尺寸为70mm×0.5mm。扫描速度为普通列车的速度85Km/h＝23600mm/s。将激光束导入到激光加工头直接作用到钢轨的表面，而且不需要采用钢轨表面磷化、黑化等措施来实现对钢轨的表面的硬化处理。经硬化后硬度Hv10/20可以达到800～900，比基体硬度提高3～4倍。以使耐磨性和控制表面压应力状态得到提高。
激光硬化技术是利用聚焦后的激光束照射到钢轨的表面，半导体激光光束与钢轨作用过程中，钢轨表面快速加热和冷却，奥氏体化时间较短，碳在奥氏体中来不及扩散，形成高碳马氏体；钢轨的快速加热使奥氏体的形核率增大数百倍，但由于奥氏体化时间短，来不及长大，因此，生成超精细化的马氏体组织，细小的晶粒可以有效减小晶界上的集中应力，对裂纹的扩展有明显的阻碍作用，从而对钢轨韧性、硬度的提高将产生积极的作用。
本发明输出的半导体激光波长短，容易被大多数金属所吸收，能量利用率高，光束暂态稳定性好；适合大面积表面处理；电光转换效率高，对冷却要求低，结构紧凑，体积小，占地少，便于携带和现场使用，可以简便地集成到火车车身上；可控性好，操作简单，运行和维护成本低，使用寿命长；光束能量均匀分布，而且不需要采用钢轨表面磷化、黑化等措施，可避免喷涂吸收层带来的负面影响；铁轨表面进行硬化处理，其目的是减小轮轨之间的摩擦力、增强铁轨的硬度和耐磨性。

Claims (4)

1.火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，包括半导体激光二极管堆(1)、第一偏振耦合棱镜(2)、第二偏振耦合棱镜(3)、平面反射镜(4)、波长耦合棱镜(5)、对称阶梯镜(6)、光束压缩镜(7)、慢轴准直镜(8)、光学工作镜组(9)和激光头(10)，其特征在于，第一偏振耦合棱镜(2)的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆(1)，半导体激光二极管堆(1)的光轴与第一偏振耦合棱镜(2)的中心在同一条直线上，第一偏振耦合棱镜(2)的X出光方向上放置平面反射镜(4)；第二偏振耦合棱镜(3)的X、Y方向上各放置一个半导体激光二极管堆(1)，半导体激光二极管堆(1)的光轴与第二偏振耦合棱镜(3)的中心在同一条直线上，第二偏振耦合棱镜(3)的X出光方向上放置波长耦合棱镜(5)，其中心与波长耦合棱镜(5)的中心在同一条直线；波长耦合棱镜(5)对应平面反射镜(4)，波长耦合棱镜(5)的X出光方向上放置对称阶梯镜(6)，波长耦合棱镜(5)的光轴与对称阶梯镜(6)的光轴在同一条直线，对称阶梯镜(6)的出光方向上依次放置光速压缩镜(7)、慢轴准直镜(8)、光学工作镜组(9)和激光头(10)。
2.根据权利要求1所述的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，其特征在于，所说的平面反射镜(4)与第一偏振耦合棱镜(2)和波长耦合棱镜(5)的镀膜面平行。
3.根据权利要求1所述的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，其特征在于，所说的对称阶梯镜(6)的出光方向与光速压缩镜(7)、慢轴准直镜(8)、光学工作镜组(9)、激光头(10)的中心均在同一直线。
4.根据权利要求1所述的火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置，其特征在于，所说的半导体激光二极管堆(1)上装有快轴准直镜。
CN 201010262587 2010-08-26 2010-08-26 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置 Pending CN101943802A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010262587 CN101943802A (zh) 2010-08-26 2010-08-26 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010262587 CN101943802A (zh) 2010-08-26 2010-08-26 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101943802A true CN101943802A (zh) 2011-01-12

Family

ID=43435875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201010262587 Pending CN101943802A (zh) 2010-08-26 2010-08-26 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101943802A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102324699A (zh) * 2011-09-22 2012-01-18 西安炬光科技有限公司 一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统
WO2012129789A1 (zh) * 2011-03-30 2012-10-04 青岛海信信芯科技有限公司 光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备
CN105945424A (zh) * 2016-07-06 2016-09-21 西安炬光科技股份有限公司 一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0266167A1 (en) * 1986-10-31 1988-05-04 Herb Joseph John Seguin Insitu energy beam processing of railroad track and equipment for increasing service lifetime
CN1058441A (zh) * 1990-07-21 1992-02-05 沙秉武 移动式钢轨头部侧面硬化装置
JPH0543940A (ja) * 1990-03-15 1993-02-23 Nippon Seiko Kk リニアガイド用案内レールの軌道面の熱処理方法
WO1997018921A1 (de) * 1995-11-23 1997-05-29 Jinpo Pluls A.S. Verfahren zur aufschweissung der schienen
CN101109034A (zh) * 2007-08-16 2008-01-23 沈阳大陆激光成套设备有限公司 铁路高速重轨激光淬火硬化工艺

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0266167A1 (en) * 1986-10-31 1988-05-04 Herb Joseph John Seguin Insitu energy beam processing of railroad track and equipment for increasing service lifetime
JPH0543940A (ja) * 1990-03-15 1993-02-23 Nippon Seiko Kk リニアガイド用案内レールの軌道面の熱処理方法
CN1058441A (zh) * 1990-07-21 1992-02-05 沙秉武 移动式钢轨头部侧面硬化装置
WO1997018921A1 (de) * 1995-11-23 1997-05-29 Jinpo Pluls A.S. Verfahren zur aufschweissung der schienen
CN101109034A (zh) * 2007-08-16 2008-01-23 沈阳大陆激光成套设备有限公司 铁路高速重轨激光淬火硬化工艺

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《激光杂志》 20081231 尧舜等 基于偏振耦合的千瓦级半导体激光加工系统 第29卷, 第5期 2 *
《金属热处理》 20081231 苏国强等 大功率半导体激光相变硬化U74轨钢的试验 第33卷, 第2期 2 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012129789A1 (zh) * 2011-03-30 2012-10-04 青岛海信信芯科技有限公司 光束整形方法和装置及激光显示光源模组和设备
CN102324699A (zh) * 2011-09-22 2012-01-18 西安炬光科技有限公司 一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统
CN105945424A (zh) * 2016-07-06 2016-09-21 西安炬光科技股份有限公司 一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源
CN105945424B (zh) * 2016-07-06 2018-02-09 西安炬光科技股份有限公司 一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120031883A1 (en) Laser machining device and laser machining method
CN102785031A (zh) 一种利用超短脉冲激光的透明材料切割方法及切割装置
GB2440086B (en) Laser welding system and methods with an array of laser diodes with a common lens spaced apart from the laser array
CN101929114B (zh) 基于火车运行对钢轨硬化的光学装置的应用方法
CN101943802A (zh) 火车运行中利用大功率半导体激光对钢轨硬化的光学装置
CN1972040A (zh) 利用纤维激光器切割不锈钢的方法
CN101798789A (zh) 一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置
CN201783761U (zh) 双激光头划片装置
CN101604816A (zh) 一种提高大能量钕玻璃激光器重复频率和稳定性的方法和装置
CN107442521B (zh) 激光清洗头
EP1684109A4 (en) LASER PROCESSING DEVICE
TW200700247A (en) Method for recording information into rewritable thermal label of the non-contact type
CN105033461A (zh) 一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法
CN210967462U (zh) 一种可调变的宽带激光加工光学系统
CN106312302B (zh) 一种自聚焦激光加工装置
CN102510000B (zh) 用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器
CN201280675Y (zh) 一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备
MX2011011771A (es) Sistema de soldadura laser y procedimiento para la soldadura por medio de rayos laser.
CN102121217B (zh) 一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺
CN101906763A (zh) 一种采用激光清洁钢轨的方法
WO2005080686A1 (en) Hardening process using laser in railway applications and relative equipment
CN101854029A (zh) 激光熔覆用半导体激光光源装置
CN201648895U (zh) 一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置
CN102747214A (zh) 一种多光路组合冲击强化系统
CN103028841A (zh) 激光加工装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20110112