CN113502472B - 一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备及熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，包括加热系统、熔覆系统，熔覆系统用于对钢轨表面进行连续熔覆，加热系统包括预热铜轮电极组和保温铜轮电极组，预热铜轮电极组和保温铜轮电极组均与钢轨轨面及侧面接触用以为钢轨表面加热，熔覆系统的熔覆点位于预热铜轮电极组和保温铜轮电极组之间，且熔覆点更靠近预热铜轮电极组。采用预热铜轮电极组在对钢轨进行熔覆前先预热，采用保温铜轮电极组对熔覆结束的钢轨进行保温，使得熔覆区域内在等温度梯度下连续熔覆金属，避免了常见熔覆过程中金属的熔化和凝固因激冷而引起的熔覆层内应力大、易开裂等问题，从而获得连续稳定的高质量熔覆层，解决了熔覆层与钢轨间的结合性差的问题。

Description

一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备及熔覆方法

技术领域

本发明涉及钢轨表面处理，具体是涉及一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备及熔覆方法。

背景技术

随着社会的发展，交通的重要性愈发凸显，而交通强国，铁路先行，轨道运输是重要的交通方式之一。高速化的轨道运行，给承载列车的钢轨带来了更严重的损伤。面对钢轨损伤，当前主要的解决办法有两种，一是在钢轨服役前利用合金化等手段提高其表面性能，二是对于已受损伤的钢轨换下后运至工厂进行修复，或是在轨道现场修复。这两种方法尽管有效，但仍存在弊端。对于服役前的表面强化，其性能提升效果有限，随着运行时间增加，还是免不了发生损伤。由于钢轨一般采用高锰钢、U75V等中高碳含量的合金钢，其可焊性差，钢轨熔覆修复工艺复杂，修复困难，修复质量低，所以对于受损钢轨的修复，时间、经济成本都太高。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种对已受损的钢轨进行熔覆修复的钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备。

本发明还提供一种上述熔覆设备的熔覆方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，包括加热系统、熔覆系统，所述熔覆系统用于对钢轨表面进行连续熔覆，所述加热系统包括预热铜轮电极组和保温铜轮电极组，预热铜轮电极组和保温铜轮电极组均与钢轨轨面及侧面接触用以为钢轨表面加热，熔覆系统的熔覆点位于预热铜轮电极组和保温铜轮电极组之间，且熔覆点更靠近预热铜轮电极组。

进一步的，所述预热铜轮组与熔覆点之间的设置距离L＝T*V，其中T为钢轨熔覆后的保温时间，V为钢轨进给速度。

进一步的，所述熔覆系统包括熔覆装置、送料装置和冷却装置，所述熔覆装置包括熔覆头和两轴运动装置，两轴运动装置带动熔覆头沿竖直以及水平且垂直于钢轨进给方向的两个方向运动，所述送料装置用于向熔覆头提供熔覆材料，所述冷却装置用于冷却熔覆头。

进一步的，所述熔覆头沿水平方向运动的速度U满足公式W_m>VW/U，其中W_m为熔覆头熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道宽度，W为钢轨表面熔覆层宽度。

进一步的，还包括气体保护系统，所述气体保护系统包括气源、气泵、氛围气体送气管、工作气体送气管和氛围舱，所述熔覆装置、预热铜轮电极组和保温铜轮电极组设置于氛围舱中，所述气源通过氛围气体送气管向氛围舱中输送惰性气体，气源通过工作气体送气管向熔覆头输送惰性气体，所述气泵将氛围舱中的气体抽离。

进一步的，还包括观察检测系统，所述观察检测系统包括红外热成像仪、视频传感器、熔道质量检测系统，所述红外热成像仪用于测量进行熔覆的钢轨的温度分布，所述视频传感器用于采集进行熔覆的钢轨的加工形貌，所述熔道质量检测系统用于检测熔覆头熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道的质量。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统控制预热铜轮电极组和保温铜轮电极组的工作从而控制钢轨温度，控制系统控制熔覆头的运动，且处理和显示观察检测系统的检测数据。

本发明还采用一种上述熔覆设备的熔覆方法，包括以下步骤：

S1.进给钢轨并定位熔覆部位，对熔覆工作环境提供保护气体；

S2.预热铜轮电极组和保温铜轮电极组对钢轨同时进行预热；

S3.钢轨达到预热温度后，对钢轨进行熔覆，保温铜轮电极组对熔覆后的钢轨进行保温；

S4.熔覆后定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S3。

本发明还采用一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，包括两个同步工作的熔覆单元、连接两个熔覆单元的连接杆、驱动装置，每个熔覆单元包括加热系统、熔覆系统和氛围舱，所述连接杆两端分别连接两个熔覆单元的氛围舱，所述驱动装置驱动两个熔覆单元的氛围舱在轨道两侧的钢轨上同步运行，所述熔覆系统设置于氛围舱中，熔覆系统用于对钢轨表面进行连续熔覆，所述加热系统包括预热铜轮电极组和保温铜轮电极组，预热铜轮电极组和保温铜轮电极组均与钢轨轨面及侧面接触用以为钢轨表面加热，熔覆系统的熔覆点位于预热铜轮电极组和保温铜轮电极组之间，且熔覆点更靠近加热铜轮组。

本发明还采用一种上述熔覆设备的熔覆方法，包括以下步骤：

S1.将两个氛围舱分别设置于一个轨道两侧的钢轨上，定位熔覆部位，向氛围舱中填充满保护气体；

S2.预热铜轮电极组和保温铜轮电极组对钢轨同时进行预热；

S3.钢轨达到预热温度后，对钢轨进行熔覆，保温铜轮电极组对熔覆后的钢轨进行保温；

S4.熔覆后，驱动装置同时驱动两个熔覆单元在钢轨上运动，定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S3。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用预热铜轮电极组在对钢轨进行熔覆前先预热，采用保温铜轮电极组对熔覆结束的钢轨进行保温，使得熔覆区域内在等温度梯度下连续熔覆金属，避免了常见熔覆过程中金属的熔化和凝固因激冷而引起的熔覆层内应力大、易开裂等问题，从而获得现连续稳定的高质量熔覆层，解决了熔覆层与钢轨间的结合性差的问题。

附图说明

图1所示为本发明熔覆设备的系统示意图；

图2所示为本发明熔覆设备的结构示意图；

图3(a)所示为本发明中预热铜轮电极组或保温铜轮电极组与钢轨之间设置的示意图；图3(b)所示为本发明中预热铜轮电极组和保温铜轮电极组与钢轨之间设置的示意图；

图4所示为本发明中单轨进给模式时熔覆设备工作示意图；

图5所示为本发明中轨道在线模式时熔覆设备工作示意图；

图6所示为基体与不同预热温度下熔覆层的平均硬度关系图；

图7所示为基体与不同预热温度下熔覆层的摩擦系数关系图。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，本发明一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，包括熔覆系统7、加热系统1、气体保护系统2、控制系统4和观察检测系统5；熔覆系统7包括熔覆装置、送料装置6和冷却装置3，熔覆装置设置于氛围舱8 中，熔覆装置包括熔覆头71和两轴运动装置72，熔覆头71安装于两轴运动装置72上，两轴运动装置72带动熔覆头71沿竖直(Z轴)以及水平且垂直于钢轨进给方向(X轴)的两个方向运动，钢轨进给方向为Y轴方向，其中，X轴、Y 轴、Z轴为空间直角坐标系中的三个坐标轴。熔覆头71沿X轴方向运动的速度U (即熔覆速度)要满足公式W_m>VW/U，其中W_m为熔覆头71熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道宽度，W为钢轨表面熔覆层宽度，V为钢轨进给速度，熔覆过程沿着钢轨宽度方向往复进行，配合同步的钢轨进给，形成对熔覆区域的全覆盖。送料装置6用于向熔覆头71提供熔覆材料，冷却装置3用于冷却熔覆头71，送料装置6包括旁轴送丝装置61或者向熔覆头71送粉的送粉装置62，具体选用哪种送料方式，根据选择的熔覆材料及具体工艺决定。冷却装置3包括水冷机31、出水管311和进水管312，水冷机31中的冷水通过出水管311流过熔覆头 71，并通过进水管312流回水冷机31，通过水冷对熔覆头71进行冷却。

气体保护系统2包括气源21、气泵22、氛围气体送气管24、工作气体送气管23和氛围舱8，氛围舱8是设备各部件安装的基础，具备一定刚度。氛围舱8 设置钢轨出入口，钢轨从钢轨入口进给，熔覆后从钢轨出口送出，钢轨出入口和钢轨间有柔性的密封件，熔覆过程在氛围舱8中完成，气源21通过氛围气体送气管24向氛围舱8中输送保护气体，保护气体为惰性气体，为熔覆过程提供低氧环境，氛围舱8内惰性气体含氧量低于5％，气源21通过工作气体送气管23 向熔覆头71输送惰性气体，气泵22将氛围舱8中的空气抽离，从而填充进保护气体，且抽气与填充保护气体同时进行。营造熔覆保护气体氛围，有效解决钢轨熔覆工艺质量低的问题。

加热系统1包括可调电源12、铜轮电极组11,铜轮电极组11包括预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组112，在本实施例中，预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组112由高强高导铜制成，分别连接至电源两极，如图3(a)(b)所示，预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组112均与钢轨9轨面及侧面接触为钢轨表面加热，熔覆系统7的熔覆点位于预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组 112之间，且熔覆点靠近加热铜轮组，预热铜轮电极组111在熔覆前预热钢轨，保温铜轮电极组112在熔覆过程中和完成熔覆后对熔覆层进行保温。且预热铜轮电极组111在氛围舱8内靠近钢轨入口设置，根据钢轨尺寸、材料和熔覆材料的特点，确定熔覆预热温度、保温温度和熔覆后需要的保温时间，并根据钢轨进给速度得到保温铜轮电极组112的设置位置。预热铜轮组与熔覆点之间的设置距离 L＝T*V，其中T为钢轨熔覆后的保温时间。

在本实施例中，电源由三相交流电经大功率变压器变压至低电压交流电，变压器源级线圈共190匝，线圈在95匝、64匝、48匝处分别引线，可实现电源变压器源:次级匝比为190：1、95：1、64：1、48：1中可选，从而实现加热电压为2V、4V、6V和8V四个档位可选。源级通过可控硅交流功率控制方式实现加热功率的程序控制，控制模式为由控制系统4根据PID控制逻辑输出弱电控制信号实现可控硅导通角的功率控制，实现钢轨预热温度和保温温度的控制。加热系统 1和熔覆系统7协同工作，保持工件表面稳定的预热温度，使钢轨连续熔覆时熔覆金属层处于稳定的温度梯度下进行熔化和凝固，并在熔覆后处于一定的保温温度冷却，从而获得高质量的熔覆效果。

观察检测系统5实现熔覆过程的在线观察和检测，包括熔覆区域温度检测、熔覆点的视频监测、熔道缺陷在线检测等。观察检测系统5包括红外热成像仪 51、视频传感器52、熔道质量检测系统53，红外热成像仪51测量进行熔覆的钢轨预热区域和保温区域的温度分布，视频传感器52采集进行熔覆的钢轨的加工形貌，熔道质量检测系统53检测熔覆头71熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道的质量。观察检测系统5的数据实时传输到控制系统4中进行处理以及结果呈现。

控制系统4包括集成了各数据接口、弱电控制板及处理器的计算机41，计算机控制系统4实现预热和保温的温度控制、熔覆运动和工艺控制，以及检测数据的处理和显示功能。

上述熔覆设备熔覆钢轨的熔覆方法为单轨进给模式，如图4所示，由单轨进给机构定速送给轨道工件实现熔覆，具体步骤为：

S1.首先确定保温段长度，调整好保温铜轮电极组112的位置；在钢轨表面开始进行熔覆前，首先将两套铜轮电极组11接至低压大电流电源的两极，在两套铜轮间形成直接电阻加热，从而快速加热钢轨表面至预热温度；

S2.检查设备各部分是否正常；

S3.向氛围舱8中进给钢轨并定位熔覆部位，启动气体保护系统2，对氛围舱 8中填充保护气体，为熔覆工作环境提供保护气体环境；

S4.氛围舱8内惰性气体含氧量低于5％后，启动加热系统1，预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组112对钢轨同时进行预热；

S5.钢轨达到预热温度后，启动熔覆系统7，熔覆系统7对钢轨进行熔覆，已熔覆的金属层随着钢轨进给运动，进入保温区，保温铜轮电极组112对熔覆后的钢轨进行保温一段时间，然后自然冷却，形成高质量的熔覆层；

S6.熔覆后定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S5。

实施例二

本实施例一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，包括两个同步工作的熔覆单元、连接两个熔覆单元的连接杆、驱动装置，每个熔覆单元与实施例一中的熔覆设备设置相同，在此不再赘述，连接杆两端分别连接两个熔覆单元的氛围舱8，驱动装置驱动两个熔覆单元的氛围舱8在轨道两侧的钢轨上同步运行。

本实施例中上述熔覆设备熔覆钢轨的熔覆方法为轨道在线模式，如图5所示，由两个熔覆单元进行联合组装成可在轨道上运行的机构，在车辆或机构牵引下进行定速行走实现熔覆，具体步骤为：

S1.将两个氛围舱8分别设置于一个轨道两侧的钢轨9上，确定保温段长度，调整好保温铜轮电极组112的位置；在钢轨表面开始进行熔覆前，首先将两套铜轮电极组11接至低压大电流电源的两极，在两套铜轮间形成直接电阻加热，从而快速加热钢轨表面至预热温度；

S2.检查设备各部分是否正常；

S3.氛围舱8在驱动装置驱动下在钢轨上运行，并定位熔覆部位，启动气体保护系统2，对氛围舱8中填充保护气体，为熔覆工作环境提供保护气体环境；

S4.氛围舱8内惰性气体含氧量低于5％后，启动加热系统1，预热铜轮电极组111和保温铜轮电极组112对钢轨同时进行预热；

S5.钢轨达到预热温度后，启动熔覆系统7，熔覆系统7对钢轨进行熔覆，已熔覆的金属层随着熔覆单元运动，进入保温区，保温铜轮电极组112对熔覆后的钢轨进行保温一段时间，然后自然冷却，形成高质量的熔覆层；

S6.熔覆后定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S5。

熔覆过程中通过观察检测系统5实时观测工作状态获取加工温度，反馈到计算机控制系统4进行温度控制。计算机控制系统4控制钢轨进给速率与熔覆功率、速率和原材料送给量所确定的熔覆工艺相匹配，实现连续熔覆，采用连续等温度梯度熔覆的工艺，解决了由于中高碳含量的合金钢可焊性差，传统熔覆方法熔覆层与钢轨间的结合性差的问题。

实际应用中，既可以在钢轨服役前进行表面熔覆强化，如，通过熔覆工艺制备出含大量贝氏体与马氏体微观组织的熔覆层，兼具强度与韧性、尤其是耐磨性以及强度均较钢轨本身有较大提升，从而提升钢轨的性能，延长使用寿命；又能对已受损的钢轨进行修复，从而大大缩短损伤钢轨的修复的时间成本，提高经济效益

本实施例中提供的在钢轨表面连续等温度梯度熔覆的设备在合理的参数下，能够制备出性能优异的熔覆层，耐磨性、强度等较基体均有大幅提升。表1显示的是三个不同的预热温度下熔覆层微观组织相分数，表2显示的是各相的尺寸。

表1

表2

可以看出，三个温度下均有大量的微米级贝氏体存在，亚微米级的马氏体含量也不低，保证了熔覆层的强度以及硬度。图6、图7分别显示了基体与不同预热温度下的熔覆层的平均硬度与摩擦系数。显然，各温度下制备的熔覆层的显微硬度均高于基体，同时，摩擦系数又有不同程度的下降，说明熔覆层的耐磨性优于基体。

Claims (10)

1.一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，其特征在于，包括加热系统（1）、熔覆系统（7），所述熔覆系统（7）用于对钢轨表面进行连续熔覆，所述加热系统（1）包括预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112），预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）均与钢轨轨面及侧面接触用以为钢轨表面加热，熔覆系统（7）的熔覆点位于预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）之间，且熔覆点更靠近预热铜轮电极组（111），包括驱动装置，所述驱动装置驱动加热系统和熔覆系统，驱动装置驱动预热铜轮电极组位于未熔覆钢轨轨面，同时驱动保温铜轮电极组位于已熔覆钢轨轨面。

2.根据权利要求1所述的熔覆设备，其特征在于，所述预热铜轮电极组（111）与熔覆点之间的设置距离L=T*V，其中T为钢轨熔覆后的保温时间，V为钢轨进给速度。

3.根据权利要求1所述的熔覆设备，其特征在于，所述熔覆系统（7）包括熔覆装置、送料装置（6）和冷却装置（3），所述熔覆装置包括熔覆头（71）和两轴运动装置（72），两轴运动装置（72）带动熔覆头（71）沿竖直以及水平且垂直于钢轨进给方向的两个方向运动，所述送料装置（6）用于向熔覆头（71）提供熔覆材料，所述冷却装置（3）用于冷却熔覆头（71）。

4.根据权利要求3所述的熔覆设备，其特征在于，所述熔覆头（71）沿水平方向运动的速度U满足公式W_m>VW/U，其中W_m为熔覆头（71）熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道宽度， W为钢轨表面熔覆层宽度。

5.根据权利要求3所述的熔覆设备，其特征在于，还包括气体保护系统（2），所述气体保护系统（2）包括气源（21）、气泵（22）、氛围气体送气管（24）、工作气体送气管（23）和氛围舱（8），所述熔覆装置、预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）设置于氛围舱（8）中，所述气源（21）通过氛围气体送气管（24）向氛围舱（8）中输送惰性气体，气源（21）通过工作气体送气管（23）向熔覆头（71）输送惰性气体，所述气泵（22）将氛围舱（8）中的气体抽离。

6.根据权利要求5所述的熔覆设备，其特征在于，还包括观察检测系统（5），所述观察检测系统（5）包括红外热成像仪（51）、视频传感器（52）、熔道质量检测系统（53），所述红外热成像仪（51）用于测量进行熔覆的钢轨的温度分布，所述视频传感器（52）用于采集进行熔覆的钢轨的加工形貌，所述熔道质量检测系统（53）用于检测熔覆头（71）熔化熔覆材料在钢轨表面形成的熔道的质量，观察检测系统5的数据实时传输到控制系统4中进行处理以及结果呈现。

7.根据权利要求6所述的熔覆设备，其特征在于，还包括控制系统（4），所述控制系统（4）控制预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）的工作从而控制钢轨温度，控制系统（4）控制熔覆头（71）的运动，且处理和显示观察检测系统（5）的检测数据。

8.一种如权利要求1~7任意一项所述熔覆设备的熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.进给钢轨并定位熔覆部位，对熔覆工作环境提供保护气体；

S2.预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）对钢轨同时进行预热；

S3.钢轨达到预热温度后，对钢轨进行熔覆，保温铜轮电极组（112）对熔覆后的钢轨进行保温；

S4.熔覆后定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S3。

9.一种钢轨表面连续等温度梯度熔覆的熔覆设备，其特征在于，包括两个同步工作的熔覆单元、连接两个熔覆单元的连接杆、驱动装置，每个熔覆单元包括加热系统（1）、熔覆系统（7）和氛围舱（8），所述连接杆两端分别连接两个熔覆单元的氛围舱（8），所述驱动装置驱动两个熔覆单元的氛围舱（8）在轨道两侧的钢轨上同步运行，所述熔覆系统（7）设置于氛围舱（8）中，熔覆系统（7）用于对钢轨表面进行连续熔覆，所述加热系统（1）包括预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112），预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）均与钢轨轨面及侧面接触用于为钢轨表面加热，熔覆系统（7）的熔覆点位于预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）之间，且熔覆点更靠近加热铜轮组。

10.一种如权利要求9所述的熔覆设备的熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将两个氛围舱（8）分别设置于一个轨道两侧的钢轨上，定位熔覆部位，向氛围舱（8）中填充满保护气体；

S2.预热铜轮电极组（111）和保温铜轮电极组（112）对钢轨同时进行预热；

S3.钢轨达到预热温度后，对钢轨进行熔覆，保温铜轮电极组（112）对熔覆后的钢轨进行保温；

S4.熔覆后，驱动装置同时驱动两个熔覆单元在钢轨上运动，定位钢轨下一个熔覆部位，重复步骤S2和步骤S3。

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