CN115341137A - 一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法，包括金属粉末，金属粉末颗粒直径分布在50～200μm，所述金属粉末的成分及其百分比质量百分数范围为：C≤0.10、Mn0.80～1.00、Si 0.70～1.05、Cr 12.50～14.50、Ni5.00～7.00、P≤0.05、S≤0.02、Cu 3.00～5.00、Nb 0.02～0.05、Re 1.50～3.50。本发明的有益效果是：该一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法，通过半导体光纤激光器将金属粉末熔覆至钢轨的待修复位置，待其冷却后对修复位置进行检验、打磨和探伤，以确保修复材料能够与钢轨完美熔合，不需要对钢轨进行更换，降低铁路钢轨维护成本。

Description

一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道修复，具体为一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料 及方法，属于轨道修复材料及方法技术领域。

背景技术

铁路运输中的钢轨如果仅仅因为车辆的通过而均匀磨损，其使用寿命可达 几十年，但是，在实际使用过程中，钢轨还会出现轨面局部剥离、局部掉块、 波形磨损、裂纹，轨头压溃等损伤形式，针对这些局部损伤，当损伤程度较低 时，通常采用局部打磨的方式进行处理，当损伤程度较大，被评估会对行车安 全产生影响时，采用更换钢轨的方式进行处理。

对局部轻微损伤进行打磨，目的是为了消除轨面剥离、局部掉块，波形 磨耗和压溃等造成的轨面不平顺状态，但经过打磨的钢轨区域，会较正常钢轨 区域位置较低，在车辆通过时，易受到更大的冲击作用，因而原损伤区域容易 扩大，从而发展至达到需要更换钢轨的程度，对钢轨的更换成本很高，如能对 局部缺陷进行在线修复，而避免更换钢轨，对降低轨道维护成本和提高轨道运 行安全水平均有重要价值，而目前最常使用的钢轨材料牌号为U75VG和 U71MnG，对其力学性能的要求分别为抗拉强度≥980MPa和≥880MPa，断后伸长率不低于10％，因此特针对此类型钢轨提出一种钢轨缺陷在线激光熔覆修 复的材料及方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种钢轨缺陷在线激光熔覆 修复的材料及方法，该材料具有高强度和较高的塑性和硬度，且与钢轨具有良 好的结合性能，同时该修复方法能够确保经过修复的钢轨不存在影响使用安全 的内部缺陷。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种钢轨缺陷在线激光熔覆修 复的材料及方法，包括金属粉末，金属粉末颗粒直径分布在50～200μm，所述 金属粉末的成分及其百分比质量百分数范围为：C≤0.10、Mn 0.80～1.00、Si 0.70～1.05、Cr 12.50～14.50、Ni 5.00～7.00、P≤0.05、S≤0.02、Cu 3.00～5.00、 Nb 0.02～0.05、Re 1.50～3.50。

优选的，所述钢轨修复金属材料采用激光熔覆方法对钢轨进行修复。

优选的，所述钢轨修复金属材料抗拉强度为1000MPa，断后伸长率为 20～25％。

优选的，所述金属粉末对钢轨缺陷进行激光熔覆修复时，无需热处理。

优选的，包括以下步骤；

S1、修复前，对有缺陷的钢轨待修复位置进行人工打磨，去除表面氧化层， 污渍和表面疲劳裂纹，然后进行渗透探伤确认，待修复区域没有裂纹和孔洞不 利于进行激光熔覆修复的残留缺陷；

S2、测量待修复区域的长度、宽度和深度，并根据所获得的数据编写激光 熔覆的工艺程序；

S3、使用工业酒精清洁待修复表面，在酒精自然风干后开始激光熔覆修复 工序：激光熔覆使用半导体光纤激光器，聚焦激光光斑直径2～10mm；

激光功率范围为1500～5500W，激光能量在光斑平面内均匀分布；熔覆过 程使用纯度大于99.9％的氩气作为金属粉末载气和熔池保护气体，粉末载气流 量5～12L/min，熔池保护气流量8～20L/min；激光熔覆扫描速率设定7～20mm/s； 金属粉末输送速度设置为10～30g/min；

S4、激光熔覆结束后，对钢轨的修复区域进行渗透探伤检测，确定不显示 裂纹和孔洞缺陷；

S5、采用便携式钢轨打磨机对钢轨修复区域的激光熔覆余量进行打磨，恢 复钢轨的尺寸和轨形，并使钢轨缺陷修复区域的表面质量达到使用要求；

S6、最后采用超声探伤方法对缺陷修复区域及附近50cm范围内的钢轨进 行检测，确保经过修复的钢轨不存在影响使用安全的内部缺陷。

本发明的有益效果是：

1、该一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法，通过采用新型的金属 粉末材料作为修复原材料，该材料具有高强度和较高的塑性和硬度，且与钢轨 具有良好的结合性能，然后通过半导体光纤激光器将金属粉末熔覆至钢轨的待 修复位置，带起冷却后对修复位置进行检验、打磨和探伤，以确保修复位置能 够与钢轨完美融合，不需要对钢轨进行更换，降低铁路钢轨维护成本。

2、该一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法，在修复前，对有缺陷 的钢轨待修复位置进行人工打磨，去除表面氧化层，污渍和表面疲劳裂纹等， 同时对钢轨内部进行探伤，在修复后，对钢轨修复区域的激光熔覆余量进行打 磨，使得钢轨恢复原有的尺寸和轨形，并使钢轨缺陷修复区域的表面质量达到 使用要求，并且再次对钢轨进行探伤，以此避免熔覆材料与钢轨不贴合，同时， 避免后期使用过程中，该修复位置更容易出现损伤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法，包括金属粉末，金属粉末为流动性良好的球形粉末，颗粒直径分布在50～200μm，该金属粉末的成分及其百分比质量百分数范围为：C≤0.10、Mn 0.80～1.00、Si 0.70～1.05、Cr 12.50～14.50、Ni 5.00～7.00、P≤0.05、S≤0.02、Cu 3.00～5.00、Nb 0.02～0.05、Re 1.50～3.50，该金属粉末由上述多种元素混合而成，在进行使用时，通过激光熔覆设备将其喷熔涂覆至待修的钢轨外表面，使其与钢轨能够熔合到一起，对破损的钢轨起到修复作用。

进一步的，该钢轨修复金属材料适合采用激光熔覆方法对钢轨进行修复， 材料具有高强度和较高的塑性和硬度，且与钢轨具有良好的结合性能，在进行 激光熔覆时，能够很好地融合在钢轨的外表面。

进一步的，该钢轨修复金属材料具有与钢轨相当的抗拉强度，约1000MPa，并 具有比钢轨更高的延伸率，断后伸长率可达到20～25％，相对较低的屈强比(屈 服强度与抗拉强度比值)通过对该钢轨修复用金属粉末激光熔覆试样进行拉伸 试验得出以下实验数据：

样品1：拉伸强度：1049.5MPa，屈服强度：522.5MPa，断后伸长率26.1％；

样品2：拉伸强度：1045.8MPa，屈服强度：523.1MPa，断后伸长率23.2％；

样品3：拉伸强度：1028.4MPa，屈服强度：514.3MPa，断后伸长率20.4％；

样品4：拉伸强度：1052.2MPa，屈服强度：525.8MPa，断后伸长率24.8％；

通过该金属材料对钢轨进行熔覆修复后，使得经过修复的缺陷区域在使用 中受到车轮碾压时，被修复区域由于屈服强度较低，会先发生变形，从而不会 由于应力和应变关系不一致的原因，对钢轨本身产生不利影响，避免出现钢轨 修复位置的旁边部分在后续使用过程中，受到车轮碾压发生新的剥离破损情况。

进一步的，利用该金属粉末对钢轨缺陷进行激光熔覆修复时，无需热处理， 方便快速实施钢轨在线修复，通过激光熔覆方法进行修复加工，以减少对修复 原料的处理时间和处理成本，操作更加便捷。

进一步的，该钢轨缺陷在线激光熔覆修复的方法，包括以下步骤；

S1、修复前，对有缺陷的钢轨待修复位置进行人工打磨，打磨过程中，首 先进行轻微敲击，震落多余的剥离脱落部分，然后通过锉刀和砂纸打磨，进行 去除表面氧化层，污渍和表面疲劳裂纹等，然后进行渗透探伤确认待修复区域 没有裂纹和孔洞等不利于进行激光熔覆修复的残留缺陷，避免在后续进行激光 熔覆的过程中，因为残留缺陷或杂质导致熔覆后的钢轨内部存在缺陷；

S2、测量待修复区域的长度、宽度和深度，并根据所获得的数据编写激光 熔覆的工艺程序，保证在整个熔覆过程中，实现熔覆激光头自动化移动和物料 自动控量送料；

S3、使用工业酒精清洁待修复表面，在酒精自然风干后开始激光熔覆修复 工序：首先需要说明的是该激光熔覆过程所使用的是半导体光纤激光器，该设 备的产品特性为聚焦激光光斑直径2～10mm，激光功率范围为1500～5500W，激 光能量在光斑平面内近似均匀分布，熔覆过程使用纯度大于99.9％的氩气作为 金属粉末载气和熔池保护气体，粉末载气流量5～12L/min，熔池保护气流量 8～20L/min，激光熔覆扫描速率设定7～20mm/s，金属粉末输送速度设置为 10～30g/min，在使用时通过半导体光纤激光器将金属粉末熔覆至钢轨的待修复 位置；

S4、激光熔覆结束后，等待一段时间，保证熔覆的金属粉末与钢轨紧密贴 合到一起后，对钢轨的修复区域进行渗透探伤检测，确定不显示裂纹和孔洞缺 陷，此时说明该钢轨修复完成；

S5、采用便携式钢轨打磨机对钢轨修复区域的激光熔覆余量进行打磨，使 得表面对于的熔覆部分被打磨掉，使得钢轨恢复原有的尺寸和轨形，并使钢轨 缺陷修复区域的表面质量达到使用要求；

S6、最后采用超声探伤方法对缺陷修复区域及附近50cm范围内的钢轨进 行检测，确保经过修复的钢轨不存在影响使用安全的内部缺陷。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料，其特征在于；包括金属粉末，金属粉末颗粒直径分布在50～200μm，所述金属粉末的成分及其百分比质量百分数范围为：C≤0.10、Mn0.80～1.00、Si0.70～1.05、Cr12.50～14.50、Ni5.00～7.00、P≤0.05、S≤0.02、Cu3.00～5.00、Nb0.02～0.05、Re1.50～3.50。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料，其特征在于：所述钢轨修复金属材料采用激光熔覆方法对钢轨进行修复。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料，其特征在于：所述钢轨修复金属材料抗拉强度为1000MPa，断后伸长率为20～25％。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的材料，其特征在于：所述金属粉末对钢轨缺陷进行激光熔覆修复时，无需热处理。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种钢轨缺陷在线激光熔覆修复的方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1、修复前，对有缺陷的钢轨待修复位置进行人工打磨，去除表面氧化层，污渍和表面疲劳裂纹，然后进行渗透探伤确认，待修复区域没有裂纹和孔洞不利于进行激光熔覆修复的残留缺陷；

S2、测量待修复区域的长度、宽度和深度，并根据所获得的数据编写激光熔覆的工艺程序；

S3、使用工业酒精清洁待修复表面，在酒精自然风干后开始激光熔覆修复工序：激光熔覆使用半导体光纤激光器，聚焦激光光斑直径2～10mm；

激光功率范围为1500～5500W，激光能量在光斑平面内均匀分布；熔覆过程使用纯度大于99.9％的氩气作为金属粉末载气和熔池保护气体，粉末载气流量5～12L/min，熔池保护气流量8～20L/min；激光熔覆扫描速率设定7～20mm/s；金属粉末输送速度设置为10～30g/min；

S4、激光熔覆结束后，对钢轨的修复区域进行渗透探伤检测，确定不显示裂纹和孔洞缺陷；

S5、采用便携式钢轨打磨机对钢轨修复区域的激光熔覆余量进行打磨，恢复钢轨的尺寸和轨形，并使钢轨缺陷修复区域的表面质量达到使用要求；

S6、最后采用超声探伤方法对缺陷修复区域及附近50cm范围内的钢轨进行检测，确保经过修复的钢轨不存在影响使用安全的内部缺陷。