CN105882685B - 基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，包括：巡检小车，用来放置整个系统；铁轨无损检测系统，用于获取铁轨的缺陷位置数据；光纤激光器，用于对缺陷位置进行预处理以及对最终的铁轨表面进行精加工；实时检测系统，用于获取铁轨的三维形貌特征；等离子体喷射模块，用于将纳米复合材料喷射到需强化的铁轨表面；激光直接沉积模块，用于将纳米复合材料沉积到缺陷位置；激光强化模块，用于向铁轨表面的纳米复合材料涂层上方喷射液体以强化激光冲击的效果；以及控制系统。本发明的系统能够对高铁铁轨进行强化、缺陷检测和修复。

Description

基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统及 方法

技术领域

本发明涉及高铁铁轨的维护领域，具体涉及一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统。

背景技术

由于高速铁路在综合交通运输体系中的作用持续增强，全社会人流、物流周转明显加快，成本有效降低，为改善企业经营效益、提高经济发展质量发挥了重要作用。近年来，我国大力支持铁路重大项目建设，截止2014年年底，我国高铁营业里程就已突破1.6万公里，居世界第一，现在仍在大力建设当中。

但是，在高铁的高速运行过程中，由于循环载荷和温度载荷的作用，铁轨将会逐渐产生各种缺陷，如裂纹，刮伤，表面凹陷等，如果对这些缺陷置之不理，或者说对于缺陷的检测和修复等工作不到位，对于高速运行的列车来说，将造成不可估量的损失。

目前主要通过两种渠道解决这个问题。1）在铁轨出厂前对铁轨的表面进行喷丸，氮化等工艺，在表面形成压应力，提升强度，但是，这也仅仅只能延缓疲劳破坏的产生，因为在循环载荷和温度载荷的作用下，前面形成的位错会逐渐偏移，导致表面残余压应力降低甚至消失，最终产生疲劳破坏；2)为了保证高铁的安全运营，夜间所有高铁停运，对各类设备进行检修，其中对线路进行检查维修是维护工作中非常重要的一环，主要涉及对铁轨的缺陷的检测和修复，但是，由于修复技术的限制，往往需对整段铁轨进行更换，造成大量的浪费,同时也浪费了大量的人力和时间。因此，寻求一种能在强化过程中提升强化效果和稳定性，在检测和修复过程中提升修复精度和可靠性的技术显得至关重要。

nLSP技术是一种将纳米复合材料增材制造和激光冲击强化（LSP)复合的技术。先通过增材制造技术将纳米复合材料沉积到目标表面，然后再用激光冲击强化工艺对新形成的表面进行冲击强化，形成表面压应力。由于纳米材料可将位错固定，避免了在循环载荷和温度载荷下因位错发生移动和攀移而产生应力松弛，保证了残余应力的稳定，提升了制品的抗高温蠕变性，耐磨性，耐腐蚀性，从而显著提升制品的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，旨在用于解决现有的高铁铁轨强化过程后易发生应力松弛，以及修复过程中的修复时间较长，修复精度不高，过程繁琐，人力物力财力浪费严重等的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于，包括：铁轨无损检测系统，用于获取铁轨的缺陷位置数据；光纤激光器，用于发射激光对铁轨表面进行强化、对缺陷位置进行预处理以及对最终的铁轨表面进行精加工；实时检测系统，用于获取铁轨的三维形貌特征；等离子体喷射模块，用于将纳米复合材料喷射到需强化的铁轨表面；激光直接沉积模块，用于将纳米复合材料沉积到缺陷位置；激光强化模块，用于向铁轨表面的纳米复合材料涂层上方喷射液体以强化激光冲击的效果；以及控制系统，连接所述铁轨无损检测系统、所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块，用于控制协调整个系统工作；还包括巡检小车，用来放置所述铁轨无损检测系统、所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块以及所述控制系统。

进一步地，所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块安装于同一个承载结构，所述承载结构置于所述巡检小车上。

进一步地，所述巡检小车上具有连通左右两侧的轨道，供所述承载结构沿所述轨道左右移动。

进一步地，所述巡检小车的两侧各有一套铁轨无损检测系统，分别对应高铁的两根铁轨。

进一步地，所述巡检小车上设有辅助夹持结构。

进一步地，所述等离子体喷射模块所喷射的材料和所述激光直接沉积模块所沉积的材料均为0D-2D纳米复合材料。

进一步地，所述等离子体喷射模块采用等离子体喷射技术，且具有能够同时喷射的多个喷头。

进一步地，所述激光强化模块中具有一液体喷射装置，所述液体喷射装置中的液体采用H₂O₂或者异丙醇。

本发明还提供一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化方法，其特征在于，采用上述任一项所述的系统，包括以下步骤：

（1）所述巡检小车以一定的速度沿着铁轨前进，同时所述等离子体喷射模块采用等离子体喷射的方法将纳米复合材料喷射到铁轨表面；

（2）所述激光强化模块在涂层上方喷一层液体，该液体为H₂O₂或者异丙醇；

（3）所述光纤激光器发出脉冲激光，在H₂O₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的铁轨表面进行强化；

（4）所述巡检小车往复运行，直至强化层的厚度达到规定的水平；

（5）在所述实时检测系统的辅助下，用所述光纤激光器对铁轨表面进行精加工。

本发明还提供一种基于nLSP技术的高铁铁轨的检测和修复方法，其特征在于，采用上述任一项所述的系统，包括以下步骤：

（1）所述巡检小车沿着所需检测的铁轨运动，通过所述铁轨无损检测系统测定缺陷的位置数据，检测到缺陷后，所述巡检小车停下来；

（2）所述光纤激光器对缺陷进行修复的前期处理；

（3）所述实时检测系统获得处理过后的缺陷处的三维形貌，将数据传递给控制系统，经过分析重构获得三维结构信息；

（4）所述控制系统将重构的三维结构信息发送给所述激光直接沉积模块，所述激光直接沉积模块根据传过来的信息将纳米复合材料采用激光直接沉积的方法沉积到到缺陷所在位置；

（5）在沉积完一层或几层纳米复合材料之后，启动所述激光强化模块，所述激光强化模块在纳米复合材料涂层上方喷一层液体，该液体为H₂O₂或者异丙醇；

（6）所述光纤激光器发出脉冲激光，在H₂O₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的铁轨表面进行强化处理；

（7）最后再根据所述实时检测系统获得的形貌信息，使用所述光纤激光器进行最后一道精加工工序。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用nLSP技术，在铁轨出厂前的大面积表面强化过程中通过等离子体喷射技术将纳米复合材料喷射到目标表面，然后通过激光冲击强化，相对于传统的表面强化技术来说，能够将加工硬化过程中的位错进行固定，避免了使用过程中因位错的移动而造成应力松弛，稳定性得到提高，同时可以获得稳定的残余压应力，提升了高温抗蠕变性，耐磨性，耐腐蚀性，降低了疲劳缺陷产生的可能性，且强化效率较高；在铁轨修复过程中将纳米复合材料通过激光直接沉积方法沉积成型，然后采用激光冲击强化，相对于传统的修复技术来说，它可以精确地成型各种复杂的缺陷形状，且能够保证修复部分优越的机械性能，实现修复工作的高精度以及高可靠性。

2、用本发明的系统进行强化和修复后，无需后续的清理、抛光等后续工序，大幅提升了效率，且修复时间短，修复精度高，过程简单，节约人力物力财力。

3、用本发明的系统进行铁轨出厂前的强化后，就已经基本从理论上大幅降低了疲劳缺陷产生的可能性，加上铁轨服役过程中用该系统进行缺陷的检测和修复，将铁轨的使用寿命提升到一个新的高度，确保了高铁运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化过程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于nLSP技术的高铁铁轨的检测和修复过程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于nLSP技术的高铁铁轨的检测和修复过程的流程图；

图5为激光冲击强化原理示意图；

图6为纳米颗粒固定位错示意图。

附图标记说明：1-铁轨，2-巡检小车，3-铁轨无损检测系统，4-光纤激光器，5-等离子体喷射模块，6-激光直接沉积模块，7-激光强化模块，8-控制系统，9-轨道，10-实时检测系统，11-承载结构，12-液体喷射装置，13-液体层，14-等离子体喷射获得的材料层，15-凹坑缺陷，16-裂纹缺陷；17-需强化的金属材料层，18-烧蚀涂层，19-透明液体层，20-脉冲激光，21-等离子体，22-冲击波；23-纳米颗粒，24-位错。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明实施例提供一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，包括：巡检小车2、铁轨无损检测系统3、光纤激光器4、实时检测系统10、等离子体喷射模块5、激光直接沉积模块6、激光强化模块7、以及控制系统8；其中所述铁轨无损检测系统3、所述光纤激光器4、所述实时检测系统10、所述等离子体喷射模块5、所述激光直接沉积模块6、所述激光强化模块7均与所述控制系统8信号连接。

如图1，所述光纤激光器4、所述实时检测系统10、所述等离子体喷射模块5、所述激光直接沉积模块6、所述激光强化模块7安装于同一个承载结构11，所述承载结构11置于所述巡检小车2上。所述巡检小车2的运行轨道就是高铁的两根铁轨1，所述巡检小车2的两侧各有一套铁轨无损检测系统3，分别对应高铁的两根铁轨1，保证同时对两根铁轨1进行检测。所述巡检小车2的车体上具有连通左右两侧的两条轨道9，所述承载结构11可以沿所述轨道9左右移动。所述巡检小车2上设有辅助夹持结构，在检测到缺陷信号后停止并且通过所述辅助夹持结构将所述巡检小车2固定在铁轨1上，防止修复过程中因所述巡检小车2的移动而影响修复质量。

所述铁轨无损检测系统3用于获取铁轨1的缺陷位置数据，所述缺陷包括凹坑缺陷、微观裂纹缺陷等，并能分析缺陷类型，将该信号传递给控制系统8。

所述光纤激光器4用于对缺陷位置进行预处理以及对强化或修复后的铁轨1表面进行精加工，其能够产生高能激光，对于凹坑缺陷用激光进行表面除锈，而对于微观表面裂纹缺陷，用激光对其周围的材料一并进行清除，便于后续的修复。

所述实时检测系统10用于获取铁轨1的三维形貌特征，包括获得铁轨1缺陷位置的形貌特征，在缺陷修复过程中用于对缺陷位置的形貌信息进行精确测量，并将数据传回给控制系统8，控制系统8将信息进行整合后传递给激光直接沉积模块6进行修复，同样地，所述实时检测系统10能检测修复后铁轨1的形貌特征并反馈给控制系统8，控制系统8通过控制光纤激光器4对修复后的表面进行精加工，得到光洁的表面，保证了铁轨1的尺寸精度。同样的，在强化过程中也能控制强化后铁轨1表面的尺寸精度。

所述等离子体喷射模块5用于将纳米复合材料喷射到需强化的铁轨1表面，其采用等离子体喷射技术，且能够实现多喷头同时喷射，具有较高的工作速度。

所述激光直接沉积模块6用于将纳米复合材料沉积到缺陷位置，使用直接激光沉积，可控性好，精度较高。

所述等离子体喷射模块5所喷射的材料和所述激光直接沉积模块6所沉积的材料均为0D-2D纳米复合材料，包括石墨烯，纳米晶体颗粒，碳纳米管等，其中的纳米材料能够固定住最终结构的位错，防止位错的迁移，从而保证了残余应力的稳定。

所述激光强化模块7用于向铁轨表面的纳米复合材料涂层上方喷射液体以强化激光冲击的效果，所述激光强化模块7具有一液体喷射装置12，所述液体喷射装置12的液体可以采用高能量密度液体，如异丙醇，在激光和异丙醇相互作用产生爆炸效果，产生冲击；也可使用H₂0₂等活性液体，利用其强氧化性实现化学腐蚀，与激光烧蚀相互促进，提升等离子体的生成效率和数量。相对于传统媒介水来说，两种液体都能实现强化冲击效果的目的。

本发明的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统主要用于铁轨1出厂前的强化，提升铁轨1的疲劳寿命；以及铁轨1服役期间对铁轨1缺陷的检测和修复，保证铁轨1工作过程中的可靠性和稳定性。

如图2所示，为该系统用于铁轨1出厂前的强化过程中的示意图，主要包括以下步骤：

（1）首先所述巡检小车2以一定的速度前进，电机驱动所述承载结构11运动到需强化的铁轨1，同时所述等离子体喷射模块5靠近需强化的铁轨1的表面，所述等离子体喷射模块5的喷嘴采用等离子体喷射的方法在铁轨1表面喷涂一层纳米复合材料；

（2）为了强化激光冲击的效果，通过所述激光强化模块7中的液体喷射装置12在涂层上方喷一层液体层13，该液体可以为强氧化性的H₂0₂，也可以为高能密度液体异丙醇；

（3）所述光纤激光器4发出脉冲激光，在H₂0₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的表面进行强化；

（4）所述巡检小车2沿着需强化的铁轨1往复运行，直至强化层的厚度达到规定的水平；

（5）然后在所述实时检测系统10的辅助下用所述光纤激光器4对铁轨1表面进行精加工，保证强化后铁轨1表面的尺寸精度和表面光洁度。

如图3所示，为该系统用于对铁轨1缺陷的检测和修复过程的示意图，为了便于对该实施例的描述，辅以如图4所示的检测和修复过程的流程图，主要包括以下步骤：

（1）所述巡检小车2沿着所需检测的铁轨1运动，所述铁轨无损检测系统3实时监测铁轨1的状态，判断是否检测到缺陷；若没有检测到缺陷信息，所述巡检小车2继续前进，一旦检测到缺陷信息，获取缺陷的位置数据；然后所述巡检小车2停下来，精确定位到缺陷所在位置，伸出辅助夹持结构将小车固定，电机驱动安装有光纤激光器4、实时检测系统10、等离子体喷射模块5、激光直接沉积模块6、激光强化模块7的承载结构11运动到缺陷所在侧的铁轨1；

（2）控制系统8根据传回的信息判定缺陷的类型，然后用所述光纤激光器4进行修复的前期处理，如果缺陷为凹坑缺陷15，直接用激光对其表面和周围表面进行除锈；若缺陷为微观裂纹缺陷16，由于微观裂纹不好修复，因此用激光将其周围的材料一并去除，获得和凹坑缺陷15类似的形貌，方便后续的修复工作；

（3）所述实时检测系统10获得清理过后的缺陷处的三维形貌，将数据传递给所述控制系统8，控制系统8经过分析，对缺陷处的三维形貌进行重构获得三维结构信息，形成所述激光直接沉积模块6能识别的文件，如切片文件，然后将该文件信息发送给所述激光直接沉积模块6；

（4）所述激光直接沉积模块6根据传过来的信息进行相应的准备工作，然后将准备好的纳米复合材料采用激光直接沉积的方法精确地沉积到到缺陷所在位置；

（5）在沉积完一层或几层材料之后，启动所述激光强化模块7，和出厂前的强化工艺一样，通过所述激光强化模块7中的液体喷射装置12在涂层上方喷一层液体，该液体可以为强氧化性的H₂0₂，也可以为高能密度液体异丙醇；

（6）所述光纤激光器4发出脉冲激光，在H₂0₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的表面进行强化处理；

（7）整个过程不断判断是否达到修复精度，如果没有，继续进行修复工作；如果达到修复精度，根据实时检测系统10获得的形貌信息，使用光纤激光器4进行最后一道精加工工序，保证该处的形貌与正常部位一致，确保修复工作的可靠性。小车继续向前运行进行检测工作。

为了更好的说明本发明基于nLSP复合工艺的强化机理，辅助以图5和图6进行描述。如图5所示为激光冲击强化原理示意图，最底层为需强化的金属材料层，其上涂一层烧蚀涂层18，最顶层为一层透明液体层19，在脉冲激光20的作用下，激光与烧蚀涂层18材料相互作用形成高温高压的等离子体21，该等离子体21继续吸收更多的激光能量，形成冲击波22。该超高压冲击波22作用于工件表面，使表面产生产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料的塑性变形，位错密度增加，晶粒细化，硬度升高。

同时，如图6所示的纳米颗粒23固定位错示意图，由于纳米颗粒23的存在，激光冲击可以使位错和纳米材料产生交互作用，在纳米材料周围形成独特的纳米颗粒23，可将位错24钉扎而使位错24不能发生移动和攀移，可以获得稳定的残余压应力，提升了结构的高温抗蠕变性，耐磨性，耐腐蚀性，从而显著降低了疲劳缺陷产生的可能性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，nLSP技术是一种将纳米复合材料增材制造和激光冲击强化复合的技术，其特征在于，包括：

铁轨无损检测系统，用于获取铁轨的缺陷位置数据；

光纤激光器，用于在铁轨出厂前发射激光对铁轨表面进行强化、在铁轨服役期间对缺陷位置进行预处理以及对最终的铁轨表面进行精加工；

实时检测系统，用于获取铁轨的三维形貌特征；

等离子体喷射模块，用于将纳米复合材料喷射到需强化的铁轨表面；

激光直接沉积模块，用于将纳米复合材料沉积到缺陷位置；

激光强化模块，用于向铁轨表面的纳米复合材料涂层上方喷射液体以强化激光冲击的效果；

以及控制系统，连接所述铁轨无损检测系统、所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块，用于控制协调整个系统工作；

还包括巡检小车，用来放置所述铁轨无损检测系统、所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块以及所述控制系统。

2.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述光纤激光器、所述实时检测系统、所述等离子体喷射模块、所述激光直接沉积模块、所述激光强化模块安装于同一个承载结构，所述承载结构置于所述巡检小车上。

3.如权利要求2所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述巡检小车上具有连通左右两侧的轨道，供所述承载结构沿所述轨道前后移动。

4.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述巡检小车的两侧各有一套铁轨无损检测系统，分别对应高铁的两根铁轨。

5.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述巡检小车上设有辅助夹持结构。

6.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述等离子体喷射模块所喷射的材料和所述激光直接沉积模块所沉积的材料均为0D-2D纳米复合材料。

7.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述等离子体喷射模块采用等离子体喷射技术，且具有能够同时喷射的多个喷头。

8.如权利要求1所述的基于nLSP技术的高铁铁轨的强化、缺陷检测和修复系统，其特征在于：所述激光强化模块中具有一液体喷射装置，所述液体喷射装置中的液体采用H₂O₂或者异丙醇。

9.一种基于nLSP技术的高铁铁轨的强化方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的系统，包括以下步骤：

（1）所述巡检小车以一定的速度沿着铁轨前进，同时所述等离子体喷射模块采用等离子体喷射的方法将纳米复合材料喷射到铁轨表面；

（2）所述激光强化模块在涂层上方喷一层液体，该液体为H₂O₂或者异丙醇；

（3）所述光纤激光器发出脉冲激光，在H₂O₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的铁轨表面进行强化；

（4）所述巡检小车往复运行，直至强化层的厚度达到规定的水平；

（5）在所述实时检测系统的辅助下，用所述光纤激光器对铁轨表面进行精加工。

10.一种基于nLSP技术的高铁铁轨的检测和修复方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的系统，包括以下步骤：

（1）所述巡检小车沿着所需检测的铁轨运动，通过所述铁轨无损检测系统测定缺陷的位置数据，检测到缺陷后，所述巡检小车停下来；

（2）所述光纤激光器对缺陷进行修复的前期处理；

（3）所述实时检测系统获得处理过后的缺陷处的三维形貌，将数据传递给控制系统，经过分析重构获得三维结构信息；

（4）所述控制系统将重构的三维结构信息发送给所述激光直接沉积模块，所述激光直接沉积模块根据传过来的信息将纳米复合材料采用激光直接沉积的方法沉积到缺陷所在位置；

（5）在沉积完一层或几层纳米复合材料之后，启动所述激光强化模块，所述激光强化模块在纳米复合材料涂层上方喷一层液体，该液体为H₂O₂或者异丙醇；

（6）所述光纤激光器发出脉冲激光，在H₂O₂或者异丙醇的辅助下形成冲击波，对新形成的铁轨表面进行强化处理；

（7）最后再根据所述实时检测系统获得的形貌信息，使用所述光纤激光器进行最后一道精加工工序。