專利名稱：一種用于鐵路鋼軌表面強韌化處理的在線激光加工設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵路軌道表面強化與修復(fù)技術(shù)，涉及一種實現(xiàn)鋼軌表面強 韌化和修復(fù)處理的在線激光加工設(shè)備，具體為一種用于鐵路鋼軌表面強韌 化處理的在線激光加工設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著列車速度、運量和軸重的提高，鋼軌因為磨損失效的速率越來越 快，因鋼軌損傷而導(dǎo)致的列車脫軌事故時而發(fā)生。我國每年用于更換和維 修損傷鋼軌的直接費用達數(shù)十億元人民幣。高速、重載列車對列車的運行平穩(wěn)性和安全性有更高的要求，鋼軌的 耐磨性更好、使用壽命更長是其中的關(guān)鍵因素之一。對普通鐵路運行線路 來說，鋼軌的損傷主要表現(xiàn)為孔裂、軌頭垂直和水平裂紋、擦傷、淬火裂 紋、軌腰圓弧縱裂、核傷、剝離掉塊及魚鱗紋等。對無縫線路來說，鋼軌 的損傷主要表現(xiàn)為焊接接頭損傷、軌頭垂直和水平裂紋、孔裂、擦傷、剝 離掉塊及魚鱗紋、軌腰圓弧縱裂和核傷等，主要是由于列車運輸過程中軌、 輪的摩擦磨損、疲勞磨損等原因所致。迄今為止，如何有效緩解和消除這 些軌道傷損還沒有行之有效的解決辦法，只有采用直接更換鋼軌的方式， 使得鐵路運營成本居高不下。隨著我國鐵路第六次大提速的實現(xiàn)和四縱四橫鐵路主干線建設(shè)項目的 啟動，鐵路運營高速化、重載化已成為加快我國鐵路運輸業(yè)發(fā)展的必然趨 勢。然而，在現(xiàn)有軌道條件下，機車軸重、運行速度和強度的提高將進一 步縮短鐵路基礎(chǔ)部件的使用壽命和維修周期，鋼軌檢修和列車運行安全也 將面臨嚴峻挑戰(zhàn)，并成為制約我國進一步提高軌道運輸能力的瓶頸。僅僅 是鐵路工務(wù)部門每年用于更換道岔部分主要部件(如尖軌、護輪軌、基本 軌、岔心)所涉及到的鋼軌材料費、人工費就數(shù)量驚人，加上更換正線、 彎道及其它部分所造成的直接經(jīng)濟損失，和因為鐵道維修影響列車運輸導(dǎo)致運能不足所帶來的間接經(jīng)濟損失，其值更是難以估量。因此，進一步提 高鐵路軌道的使用壽命成為我國發(fā)展高速、重載列車的必要保障。為了提高鐵道鋼軌的使用壽命，國內(nèi)外一般采取三種方法第一，采 用感應(yīng)全長淬火工藝，獲得細片狀珠光體組織；第二，采用低合金高碳鋼 取代普通碳素鋼；第三，采用貝氏體鋼或者低碳馬氏體鋼取代高碳鋼，進 一步提高鋼軌的表面硬度等。在過去幾年中，鋼軌全長淬火技術(shù)取得了顯 著的效果，它使鋼軌的耐磨性分別提高了50% (直道)和100% (彎道)。 然而，全長淬火技術(shù)的主要不足之處在于鋼軌的表面不能夠出現(xiàn)馬氏體甚 至貝氏體組織，否則將大幅度降低鋼軌的斷裂韌性，導(dǎo)致鋼軌在服役過程 中出現(xiàn)斷軌等事故，嚴重影響到鐵道的安全運行。因此，全長淬火后鋼軌 硬度一般控制在Hv320 390之間，其耐磨性潛力的挖掘已經(jīng)接近極限。低 合金高碳鋼鋼軌與全長淬火技術(shù)相結(jié)合，可以進一步提高鋼軌耐磨性，但 效果不顯著。低碳馬氏體鋼軌和貝氏體鋼軌尚處于研發(fā)階段，主要的困難 在于如何保證鋼軌的焊接接頭強度問題。激光表面強化技術(shù)是近二十年發(fā)展十分迅速的金屬材料表面強化技術(shù) 之一，它包括激光淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技術(shù)等工藝， 其共同特點是加熱速度快、熱影響區(qū)小、工件變形小，因此有望取代感應(yīng) 全長淬火工藝，成為新一代的鋼軌表面強化工藝。我們前期的研究成果表 明，由于激光表面強化技術(shù)的高加熱速度、高冷卻速度、硬化層深度有限 和硬化層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)等特點，鋼軌表面即使出現(xiàn)馬氏體組織，也不會 導(dǎo)致鋼軌的強韌性顯著下降。特別是由于馬氏體組織的硬度顯著高于細片 狀珠光體，因此可以突破感應(yīng)全長淬火工藝時鋼軌表面硬度不能高于Hv390 的上限，使得鋼軌的表面耐磨性躍上新臺階。此外，激光表面淬火技術(shù)具 有硬化層深度方便調(diào)控、不需要淬火介質(zhì)、不需要回火、工件變形小等特 點，因此除了可以在生產(chǎn)車間內(nèi)實現(xiàn)定點加工，還可望研發(fā)出專用裝備， 完成軌道的在線淬火。顯然，考慮到鐵路干線繁忙的現(xiàn)狀，在線激光加工設(shè)備應(yīng)具有高機動 性，能夠在盡量不影響列車正常運行的前提下，實現(xiàn)軌道表面強韌化和修 復(fù)加工處理。中國實用新型專利文獻"一種鐵路軌道激光維修車"(公告號為CN2622241，
公開日為2004年06月30日)報道中，提出了一種鐵路軌道 激光維修車，它可以在不拆卸鋼軌的前提下，實現(xiàn)鋼軌的在線強化與修復(fù)。 該文獻提出的鐵路軌道激光維修車包括牽引及控制車和軌道作業(yè)車兩部 分。牽引控制車是在鐵路軌道車的基礎(chǔ)上改制的，主要區(qū)別在于在鐵路軌道車的司機位置處設(shè)有激光作業(yè)總控制臺；軌道作業(yè)車是在鐵路客車的基 礎(chǔ)上改制完成的，其上設(shè)置有一臺或兩臺大功率C02激光器。當設(shè)置一臺 激光器時，激光器位于作業(yè)車中央，用一面分光鏡將激光束平分為兩束水 平光束，并分別通過兩面垂直鏡將激光束導(dǎo)向鋼軌面。當設(shè)置兩臺激光器 時，兩臺激光器相對，并與車輛幾何中心對稱或斜對稱，激光光路設(shè)計上 分別用兩面水平鏡將激光束就近垂直于激光器光軸線傳出，再分別用兩面 垂直鏡將激光束導(dǎo)向鋼軌面。激光光路和數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)置可精確地將激光 束傳輸?shù)戒撥壖庸c上，具體由光路轉(zhuǎn)鏡、支架、滑軌、移動裝置、光路 保護裝置、電纜、數(shù)控軟件、光頭組成。為了保證軌道激光作業(yè)的順利完 成，軌道激光修復(fù)車除了激光器系統(tǒng)、激光光路及移動數(shù)控系統(tǒng)之外，還 有車輛減震系統(tǒng)、激光器減震系統(tǒng)、鋼軌面清洗系統(tǒng)、鋼軌面吸光材料噴 涂系統(tǒng)、涂料烘干系統(tǒng)、激光器供氣系統(tǒng)、激光器供粉系統(tǒng)、激光器冷卻 系統(tǒng)、激光器供風(fēng)系統(tǒng)、激光車車體、監(jiān)視及照明系統(tǒng)、車廂密封除塵系 統(tǒng)等。根據(jù)上述描述，可以看出，該文獻所提出的激光修復(fù)專用車具有如 下幾個不足第一，激光器、制冷機、加工裝置等設(shè)備的運載工具是用軌道車和車 廂改制而成的，重量大，體積大，只能夠沿著鐵路線運動，占用了軌道。 因此，該設(shè)備在鋼軌表面激光強韌化處理時，難以有效避讓過往車輛，不 能滿足在鐵路干線正常運營條件下實現(xiàn)鋼軌表面激光強韌化的處理要求。第二，該設(shè)備采用高功率C02激光器作為光源，無論是橫流C02激光器還是快軸流激光器，其光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，體積龐大，重量大，耗 能也大。加上C02激光器對光腔的穩(wěn)定性要求高，因此牽引車和修復(fù)車必 須具有良好的抗震性，必須添加防震裝置，這也進一步增加了設(shè)備的重量。 第三，C02激光器的波長為10.6微米，金屬基體對其吸收率很低，必 須噴涂吸光涂料才能獲得較好的效果。不僅增加了激光加工的工序，所需 要的涂料噴涂、烘干和清洗設(shè)備也使得整個激光維修設(shè)備的重量和體積更加龐大。第四，所采用的C02激光器導(dǎo)光系統(tǒng)復(fù)雜，只能采用飛行光路并通過 機械緊固，激光修復(fù)車運行過程中產(chǎn)生的震動會不可避免地對光路的精密 性造成影響，降低激光加工過程的長期穩(wěn)定性；第五，整個激光加工設(shè)備需要采用大馬力柴油機牽引，耗能大，體積 大，設(shè)備的造價也相當昂貴。即使采用電氣化線路沿線的電力線，也存在 著連線、斷線操作工序復(fù)雜等種種弊端，適用性差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于鐵路鋼軌表面強韌化處理的在線激光 加工設(shè)備，該設(shè)備操控方便，裝卸運輸簡便，可以在不影響列車正常運行 的前提下，在線實現(xiàn)軌道不同部位的激光表面強化及修復(fù)處理。本發(fā)明提供的用于鐵路鋼軌表面強韌化處理的在線式激光加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)為運動執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)安裝在移動小車上；發(fā)電機、制冷機、 空壓機、冷干機和激光器高壓電源安裝在載重汽車；運動執(zhí)行機構(gòu)為數(shù)控 機床或機器人；發(fā)電機與上述各部件電連接；激光器高壓電源與激光器電連接，為其提供產(chǎn)生激光所需要的直流高 壓電；空壓機的出風(fēng)口分別通過管道與冷干機的入風(fēng)口相連通，冷干機的出風(fēng)U通過管道與激光加工頭和送粉器相連；制冷機為激光器及導(dǎo)光系統(tǒng)、激光加工頭上的光學(xué)鏡片提供冷卻； 控制系統(tǒng)分別與制冷機、空壓機、冷干機、激光器高壓電源、激光器和運動執(zhí)行機構(gòu)電連接；控制系統(tǒng)控制制冷機、空壓機、冷干機、激光器高壓電源和激光器的開、關(guān)，控制系統(tǒng)控制運動執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)定的軌跡運動；激光加工頭安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)上；激光加工頭直接或者通過導(dǎo)光系 統(tǒng)與激光器相連。利用本發(fā)明提出的在線激光加工設(shè)備，可以在不拆卸鋼軌、不影響列車的正常運行前提下，完成各種鋼軌，包括正軌、彎道、護輪軌、道岔等 的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆處理，使加工后的鋼軌耐磨性 大幅度延長。特別是在鋼軌表面的激光硬化層磨耗完畢之后，還可以在不 拆卸鐵路軌道的前提下進行鋼軌的二次、三次和多次表面強韌化處理，使 得鋼軌的全壽命周期大幅度延長，軌道更換次數(shù)大幅度降低，克服目前鐵 路軌道使用中存在的諸多弊端，滿足鐵路高速、重載列車對鋼軌的耐磨性 要求。具體而言，本發(fā)明具有如下特點或者功能(1) 本發(fā)明將激光加工系統(tǒng)分為激光加工車和動力工程車兩部分。其 中，激光加工車體積小，重量輕，機動靈活，裝卸方便，能夠有效地避讓 列車，在鋼軌表面實現(xiàn)各種在線強韌化處理。將發(fā)電機、制冷機、空壓機、 冷干機及激光器的高壓電源等體積、重量相對較大的設(shè)備安裝在載重汽車 上，組成動力工程車。該車可以遠離鐵路軌道(最大距離可達100米)，因 此不需要避讓過往軌道的列車，從而可克服對比文獻中激光維修車的重量 大、體積大、操作不便、在鐵路正常運輸條件下無法避開過往列車的弊端， 利用列車通行的時間間隙也可以進行激光表面強韌化處理。(2) 本發(fā)明中的激光加工車體積小，輕便，能夠用人力或者小型叉車 隨時隨地實現(xiàn)在軌道上的安裝、拆卸及搬運，機動性強，能夠在列車到來 前及時避讓，并在列車離開后快速進入加工狀態(tài)，從而完成線路上指定區(qū) 域的鋼軌加工。在加工完軌道一邊后，直接將加工車換向，就可以對軌道 另一邊進行加工。還可以針對鋼軌焊接接頭病害實現(xiàn)定點修復(fù)或者強化。(3) 本發(fā)明采用可光纖傳輸?shù)墓腆w激光器，省卻了復(fù)雜的飛行光路，降低了激光能量的光路傳輸損耗。激光器既可以安裝在激光加工車上(當 采用高功率半導(dǎo)體激光器時)，又可以安裝在動力工程車上(當采用光纖激 光器及其它固體激光器時)，從而能夠保證激光加工車的高機動性。(4) 所采用激光器的波長短，鋼軌對其吸收率高，因此不需要預(yù)先噴 涂涂料及后續(xù)的清洗涂料等工序，簡化了工藝，降低了設(shè)備的體積、重量、 能耗及造價。(5) 本發(fā)明中的運動執(zhí)行機構(gòu)部分可以采用兩種結(jié)構(gòu)， 一種是數(shù)控機 床，另一種是機器人。無論哪種結(jié)構(gòu)都可以保證鋼軌踏面和內(nèi)側(cè)的激光表 面強韌化處理的加工精度。(6) 激光加工車上的激光加工頭可進行旋轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)軌道不同部位的 激光淬火、熔凝淬火、合金化處理。通過和自動送粉器結(jié)合，可以實現(xiàn)鋼 軌的激光熔覆修復(fù)加工。(7) 當鋼軌需要在不影響鐵路正常運輸?shù)那疤嵯驴焖賹崿F(xiàn)激光表面強 化加工，加工周期短，任務(wù)急時，可采用多臺激光加工車，同時集中在同 一個地段施工，以加快施工速度，使激光加工過程對鐵路運輸?shù)挠绊懡档?到最小程度。(8)本發(fā)明除了能夠?qū)︿撥夁M行在線激光表面強化外，同樣可以在生 產(chǎn)車間內(nèi)實現(xiàn)鐵路軌道的離線生產(chǎn)。本發(fā)明適用于各種鐵道鋼軌，包括高 速、重載列車軌道和城市地鐵、輕軌軌道的表面強韌化處理和修復(fù)，應(yīng)用 非常廣泛。


圖1為本發(fā)明在線式激光加工設(shè)備的一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的移動小車的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2的俯視圖； 圖4是圖2的側(cè)視圖；圖5是圖2中A-A剖面，驅(qū)動輪及鋼軌結(jié)合剖視圖；圖6是透射聚焦式激光加工頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是光纖耦合導(dǎo)光系統(tǒng)的原理示意8是激光加工車的第一種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖8俯視圖；圖10是圖8的側(cè)視圖；圖11是激光加工車的第二種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖12是激光加工車的第三種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13是圖12的側(cè)視圖；圖14是激光加工車的第四種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖15是動力工程車上的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是激光加工車的第五種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖17是激光加工車的第六種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是激光加工車的第七種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；。
具體實施方式
本發(fā)明涉及的激光加工設(shè)備由激光加工車和動力工程車兩部分組成。本發(fā)明所使用的激光器可以是高功率半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、二 極管泵浦固體激光器或者燈泵浦固體激光器。當激光器采用高功率半導(dǎo)體 激光器時，激光器最好安裝在激光加工車上，這是因為半導(dǎo)體激光器的體 積小，重量輕，直接安裝在激光加工車上，不會明顯增加加工車的重量， 而可以減小激光器到激光加工頭之間的距離，減少光纖的長度或?qū)Ч庀到y(tǒng) 的復(fù)雜程度，降低激光束在傳輸過程中的能量損耗，提高設(shè)備的性能/價格 比。當使用其它固體激光器時，由于激光器的體積和重量相對較大，安裝 在激光加工車上將會顯著增加小車的體積和重量。因此，宜將這類激光器 安裝在動力工程車上，以保證激光加工車的高機動性。本發(fā)明設(shè)備可以用于實現(xiàn)軌道不同部位的激光表面強韌化處理，包括 激光淬火、熔凝淬火、激光熔覆和合金化處理等。下面以采用高功率半導(dǎo)體激光器進行野外激光熔覆修復(fù)加工為例，結(jié) 合各圖說明本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，整個在線激光加工設(shè)備包括激光加工車1和動力工程車2 兩部分。激光加工車1包括移動小車3、激光加工頭4及其運動執(zhí)行機構(gòu)5、導(dǎo) 光系統(tǒng)6、激光器7、自動送粉器8、加工車控制系統(tǒng)9。運動執(zhí)行機構(gòu)5 可以是數(shù)控機床，也可以是機器人。當本發(fā)明設(shè)備用于激光淬火或熔凝淬 火時，激光加工車1上可不設(shè)置自動送粉器8。動力工程車2包括發(fā)電機10、制冷機11、空壓機12、冷干機13和激 光器高壓電源14。上述裝置安裝在動力工程車2的車廂內(nèi)。當本發(fā)明設(shè)備 在有外接電源的場所使用時，動力工程車2上可不設(shè)置發(fā)電機10。為減緩 在運輸過程中，發(fā)電機、空壓機、冷干機、激光器電源、激光加工車等設(shè) 備因為道路不平產(chǎn)生振動，發(fā)生與車廂之間的碰撞，導(dǎo)致設(shè)備損傷的程度， 上述各裝置可以通過減震器安裝在載重汽車上。發(fā)電機10為動力工程車2上的制冷機11、空壓機12、冷干機13、激光器高壓電源14和激光加工車1上的運動執(zhí)行機構(gòu)5、自動送粉器8和控制系統(tǒng)9提供工作所需要的電能。激光器高壓電源14給激光器7提供產(chǎn)生激光所需要的直流高壓電。 運動執(zhí)行機構(gòu)5、激光器7、自動送粉器8和控制系統(tǒng)9均安裝在移動小車3上。激光加工頭4安裝在激光加工車1上的運動執(zhí)行機構(gòu)5上。激光加工 頭4的角度旋轉(zhuǎn)范圍為-90° 90°,能實現(xiàn)軌道踏面和內(nèi)側(cè)等不同部位的激 光表面強韌化處理。激光加工頭4可以采用現(xiàn)有的可旋轉(zhuǎn)式激光加工頭， 也可以通過加裝旋轉(zhuǎn)軸將普通的激光加工頭安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)上，實現(xiàn)激光加工頭的旋轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)9與制冷機11、空壓機12、冷干機13、激光器高壓電源14、 激光器7、自動送粉器8電連接，控制各器件的開與關(guān)，并控制運動執(zhí)行機 構(gòu)5按照設(shè)定的軌跡運動。激光加工頭4在運動執(zhí)行機構(gòu)5的帶動下按照 控制系統(tǒng)9所設(shè)定的軌跡運動，完成鋼軌表面的強韌化處理。激光器7通 過導(dǎo)光系統(tǒng)6將激光束傳輸?shù)郊す饧庸ゎ^4，聚焦并作用于工件表面。導(dǎo)光 系統(tǒng)6可以采用現(xiàn)有的光纖傳輸系統(tǒng)或由多塊反射鏡組成的硬光路系統(tǒng)， 當使用半導(dǎo)體激光器作為光源時，甚至能夠直接和激光加工頭相連。自動 送粉器8通過導(dǎo)管與激光加工頭4的噴嘴相連。運動執(zhí)行機構(gòu)5可以是數(shù)控機床或機器人。制冷機11通過管道給激光器7及導(dǎo)光系統(tǒng)6、激光加工頭4上的光學(xué) 鏡片提供冷卻水。空壓機12的出風(fēng)口分別通過管道與冷干機D的入風(fēng)口 相連通，冷干機13的出風(fēng)口通過管道與激光加工頭4的噴嘴相連?？諌簷C 12產(chǎn)生的壓縮空氣在經(jīng)過冷干機13過濾后，消除掉其中的水、油滴等液態(tài) 物質(zhì)，再通過管道輸送給激光加工頭4作為保護氣體，防止激光表面處理 過程中產(chǎn)生的灰塵、煙霧污染激光加工頭4上的聚焦鏡。冷干機13的另一 個出風(fēng)口通過管道與自動送粉器8相連，在送粉器開啟時，該氣體將合金 粉末通過導(dǎo)管輸送到激光加工頭4，并從噴嘴噴出。不工作時，激光加工車1安放在載重汽車16車廂的尾部，并固定好。 載重汽車16作為將所載各部件運送到所需地方的運載工具。下面舉例說明各部件的幾種具體實現(xiàn)方式。移動小車3是在由鋁合金或者鋼架構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)(車身)15上安裝 2—4個車輪構(gòu)成，車身15采用鋁合金型材或者型鋼制造，其厚度和尺寸根 據(jù)小車上所需要安裝的裝置如送粉器、激光器、運動執(zhí)行機構(gòu)的重量等要 求而確定。根據(jù)小車上設(shè)備的布置方式，和小車質(zhì)量最小化的原則，小車 上的車輪可以是兩個、三個或者四個。以三輪結(jié)構(gòu)的小車為例，如圖2、圖 3、圖4、圖5所示，在框架結(jié)構(gòu)上安裝了驅(qū)動輪17、前輪18和邊輪19。 在驅(qū)動輪17上，還安裝了伺服電機57和齒輪系統(tǒng)22，可以在控制系統(tǒng)的 驅(qū)動下沿著鋼軌前后運動。在移動小車3的車身15上，還安裝了提手20， 用于將激光加工車1安置或者搬離鋼軌57。如圖5所示，驅(qū)動輪17通過齒輪組22、車輪軸承23和車輪軸24配合 傳動。整車能夠通過提手20安裝或搬離軌道57。移動小車15通過其上的 前輪18、驅(qū)動輪17、邊輪19和軌道57配合，并通過驅(qū)動輪伺服電機21 來驅(qū)動小車沿鋼軌的長度方向前后移動。移動小車3也可以采用二輪結(jié)構(gòu)，并安裝支撐架定位，通過人工移動 將移動小車安裝到軌道單根鋼軌上，通過支撐架定位，可以進一步降低設(shè) 備制造成本和重量。移動小車3采用四輪結(jié)構(gòu)可以增加激光加工車的穩(wěn)定 性，但小車的重量進一步增加，不利于手工搬運激光加工車。激光加工頭4是本發(fā)明中移動式激光加工設(shè)備的重要部件，可以采用 各種形式的可旋轉(zhuǎn)式激光加工頭， 一般有二種結(jié)構(gòu)形式透射聚焦式激光 加工頭和反射聚焦式激光加工頭。下面列舉一種具體的結(jié)構(gòu)形式，但本發(fā) 明所使用的激光加工頭并不局限于此。如圖6所示，激光加工頭4包括激光束擴束鏡33、導(dǎo)光筒34、透射聚 焦鏡35、激光頭支架37、噴嘴39組成。激光束擴束鏡33的入光口和導(dǎo)光 系統(tǒng)6 (光纖或者硬光路)的出光口相連，激光擴束鏡33的出光口插入導(dǎo) 光筒34的上部，所插入深度可在導(dǎo)光筒34中上、下調(diào)整。導(dǎo)光筒34通過 鎖緊螺母36固定在激光頭支架37上，透射聚焦鏡35安裝在導(dǎo)光筒34下 部，噴嘴39與導(dǎo)光筒34的底部螺紋連接。在導(dǎo)光筒34上還安裝有多個氣 嘴40 (最好對稱分布)。它們的作用有兩個當采用激光熔覆工藝時，它們 和自動送粉器8的送粉導(dǎo)管相連，合金粉末通過導(dǎo)管沿噴嘴同軸噴出；當 采用激光淬火或者熔凝淬火工藝時，上述4個氣嘴分別與冷干機的出氣口相連，使清潔、干凈的壓縮空氣從噴嘴噴出，防止鏡片被煙塵污染。激光頭支架37通過旋轉(zhuǎn)軸38與運動執(zhí)行機構(gòu)5相連，使激光頭4與 運動執(zhí)行機構(gòu)5同步運動。旋轉(zhuǎn)軸38上的螺絲帽擰松時，可以輕松地將激 光加工頭4旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而完成鋼軌內(nèi)側(cè)邊的激光表面強韌化處理。激光束擴束鏡33的入光口與導(dǎo)光系統(tǒng)6 (光纖或者導(dǎo)光系統(tǒng))的出光 口相連，激光束擴束鏡33的出光口與連接頭42的上端相連。激光束從擴 束鏡33射出，經(jīng)過45°反射鏡43轉(zhuǎn)變90°后，射到導(dǎo)光筒34內(nèi)非球面聚 焦鏡44上，經(jīng)過非球面聚焦鏡44反射并聚焦之后，從噴嘴39射出并作用 在鋼軌57表面。在導(dǎo)光筒34與45°反射鏡43的接頭處，有一個旋轉(zhuǎn)定位 卡盤45，它一般處于鎖緊狀態(tài)。當需要將激光加工頭4轉(zhuǎn)動加工角度時， 擰松旋轉(zhuǎn)定位卡盤45上的螺絲帽，將導(dǎo)光筒34連同其后邊的非球面聚焦 鏡44在一90° +90°之間調(diào)整，將光束轉(zhuǎn)動到所需要的角度，滿足鋼軌內(nèi) 側(cè)激光表面強韌化處理的要求。當激光加工頭4與自動送粉器9相連時，噴嘴39采用同軸送粉噴嘴。激光加工頭的另一種形式可以采用工業(yè)上常用的反射聚焦方式激光加 工頭，通過旋轉(zhuǎn)軸或其它旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將其安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)上。上述兩種激光加工頭都可用于鋼軌表面的激光強韌化處理。其中，透 射聚焦式激光加工頭結(jié)構(gòu)較為簡單，重量也略微輕便，但是聚焦鏡為晶體， 容易因為污染而損傷。反射聚焦式激光加工頭鏡片都為銅鏡，耐久性強， 比較適合長時間野外工作狀態(tài)。激光加工車1可采用的導(dǎo)光系統(tǒng)6有兩類 一種是光導(dǎo)纖維，另一種是由多塊反射鏡組成的硬光路系統(tǒng)。如圖7所示，當采用光導(dǎo)纖維作為導(dǎo)光系統(tǒng)時，激光器7發(fā)出的激光 束55經(jīng)過光纖耦合頭46耦合進入光導(dǎo)纖維61，傳輸?shù)郊す饧庸ゎ^4上的 激光擴束鏡33，再通過聚焦鏡聚焦之后出射到待處理的軌道上，實現(xiàn)激光 表面強韌化處理。光導(dǎo)纖維61是由本征損耗小的光波導(dǎo)芯層材料(其折射 率為n2)和包層材料(其折射率為nl)構(gòu)成(n2>nl)。 1064nm的紅外激 光在高質(zhì)量光導(dǎo)纖維中的傳輸損耗極低，即使光纖長度達到100米，最大 損耗仍然能夠保持在5%以下。因此，必要時即使將激光器安裝在距離鋼軌 100米遠的動力工程車2上，仍然能夠?qū)⒓す馄?所輸出的高功率激光束高效傳輸?shù)轿挥谲壍郎系募す饧庸ぼ?上。當采用光纖激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器、燈泵浦固體激光器作為光源時，均用光纖作為導(dǎo)光系統(tǒng)6，并 由于該類激光器的體積、重量相對較大， 一般將其安裝在動力工程車2上。 當采用高功率半導(dǎo)體激光器作為激光源時，由于其體積小、重量輕，而光 束質(zhì)量相對較差，因此可直接安裝在激光加工車1上，以便縮短光程。此 時，既可以采用光纖傳輸，也可以采用硬光路傳輸。當采用硬光路傳輸時，有兩種方式 一種是將激光器7直接安裝在激光加工頭4的上方，使半導(dǎo)體激光器7與激光加工頭4直接相連，聚焦后 用于激光加工，此時可以省略導(dǎo)光系統(tǒng)。另一種方式采用45。反射鏡組合將 激光器發(fā)射的激光束傳導(dǎo)至激光加工頭4上聚焦后用于激光加工。當激光器7位于移動小車3上時，激光加工車的結(jié)構(gòu)如圖8、圖9、圖 IO所示。運動執(zhí)行機構(gòu)5采用數(shù)控機床，數(shù)控機床由X軸伺服電機25、 Y 軸伺服電機26、 Z軸伺服電機27、 X軸工作臺28、 Y軸工作臺29、 Z軸工 作臺30組成。激光束通過光導(dǎo)纖維6從激光器7傳輸至激光加工頭4聚焦 后，直接輻照至軌道57表面。當激光器7位于動力工程車2上時，激光加工車的結(jié)構(gòu)如圖11所示。 此時激光束通過光纖傳輸?shù)郊す饧庸ぼ?上的激光加工頭4，聚焦之后照射 到鋼軌表面。如圖12、圖13所示，在數(shù)控機床的5的X軸工作臺28下面安裝一個 可旋轉(zhuǎn)底盤31，將X軸工作臺28固定在可旋轉(zhuǎn)底盤31之上?？尚D(zhuǎn)底盤 31可以圍繞旋轉(zhuǎn)中心軸32轉(zhuǎn)動180度。當激光加工車i處理左惻鋼軌57 時，用螺釘鎖定可旋轉(zhuǎn)底盤31，以防止運動執(zhí)行機構(gòu)5抖動或者滑動。當 完成了左側(cè)鋼軌57的加工后，只需要將該螺釘松開，人工推動它繞旋轉(zhuǎn)中 心軸32轉(zhuǎn)動180度，然后用螺釘鎖定，就可以對另一邊鋼軌57進行激光 加工處理。而激光加工車1上的其余部分不需要移動。這一結(jié)構(gòu)和圖8所 示結(jié)構(gòu)相比的優(yōu)勢在于當需要改變激光加工的軌道時，不需要將整臺激 光加工車1抬起來換向，而只需旋轉(zhuǎn)其中的數(shù)控機床部分5即可，省力省 事，使用更加方便。此時，移動小車3采用四輪系統(tǒng)，以便增加設(shè)備的平 穩(wěn)性。如圖14所示，當激光器7采用高功率半導(dǎo)體激光器作為光源時，可以直接安裝在激光加工頭4上，通過套筒相連。這樣可以減少激光束傳輸損 耗。當激光器采用高功率光纖激光器或半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器作為光源 時，將光纖激光器的高壓電源14和激光器7都安裝在載重汽車16上，其 布置示意圖如圖15所示(不工作狀態(tài))。工作時，將激光加工車1從載重 汽車16上搬到軌道57上，并通過光纖6將激光加工頭4與激光器7相連。激光加工車1中的運動執(zhí)行機構(gòu)5也可以用業(yè)已發(fā)展成熟的機器人代 替。如圖16所示。機器人61位于激光加工車1的中央，激光加工頭4安 裝在機器人61的執(zhí)行機構(gòu)末端，通過機器人61的各個關(guān)節(jié)48、 49、 50、 51、 52、 53的協(xié)調(diào)運動，完成鋼軌57踏面及內(nèi)側(cè)的激光表面強韌化處理。 二極管激光器7輸出的激光束是通過光纖傳輸?shù)郊す饧庸ゎ^4上的。與以數(shù)控機床5為移動執(zhí)行機構(gòu)時相比，機器人61實際上是一種6軸 的數(shù)控系統(tǒng)，它代替數(shù)控機床5作為執(zhí)行機構(gòu)，最大的優(yōu)勢在于它可以 在編制好激光加工程序后， 一次性完成鋼軌踏面(正面)及內(nèi)側(cè)的強韌化 處理。同時，機器人的活動范圍更大，可以在完成一邊軌道57踏面和內(nèi)側(cè) 的強韌化處理之后，根據(jù)所編制的軟件直接完成另一邊鋼軌57踏面和內(nèi)側(cè) 的激光強韌化處理，而不需要使小車改變方向。該結(jié)構(gòu)的不足之處有兩點 一是機器人61的重量一般比數(shù)控機床大，激光加工車1的車身剛性結(jié)構(gòu)必 須加強才能滿足要求，加上機器人61本身的重量也更大，因此激光加工車 1的整車重量會增加較多。當需要搬運激光加工車1時，單純靠人力會存在 困難，但是可以借助叉車來完成；二是機器人61的造價比三軸數(shù)控系統(tǒng)5 高，將會增加設(shè)備制造成本。當采用高功率半導(dǎo)體激光器作為激光源時， 激光器7可安裝在激光加工車1上，如圖16所示。也可以將激光器7直接 安裝在機器人61的執(zhí)行端上，如圖17所示。此時，激光器7和激光加工 頭4直接相連，省去了光纖傳輸或者硬光路導(dǎo)光系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡單，降 低了設(shè)備造價。其不足之處在于激光器7直接裝載在機器人61的執(zhí)行關(guān) 節(jié)上，要求機器人61的承重能力較大，導(dǎo)致相關(guān)成本增加。當采用光纖激光器或者二極管泵浦固體激光器作為光源時，激光器將安 裝在動力工程車2上。此時，激光束從位于動力工程車2上的激光器7輸 出，通過光纖6傳輸?shù)街苯影惭b在機器人61執(zhí)行端的激光加工頭4上，聚焦后作用于鋼軌57表面，如圖18所示。這種結(jié)構(gòu)可以減輕激光加工車1 的重量，但是光線傳輸增加了設(shè)備的成本。與這種激光加工車1所對應(yīng)的 動力工程車2上設(shè)備布局與圖15相同，因此不再贅述。當需要完成鋼軌激光表面強韌化加工任務(wù)時，具體實施工藝流程如下(1) 動力工程車2裝載激光加工車1駕駛到需要進行激光表面強韌化或 者修復(fù)加工處理的鐵路路段，找一個離所處理路段近且相對平整的地方停 好。動力工程車2停車位置距離鋼軌57的直線距離不超過100米。用人工 或者叉車將激光加工車1搬運至所需要處理的鋼軌路段，將激光加工車1 的兩邊車輪對齊軌道，并使激光加工車1運行至指定加工位置。采用電線、 氣管、水管等將動力工程車2上的裝置和激光加工車1上的裝置分別按照 圖1所示的連接方式準確連接。(2) 啟動發(fā)電機IO、制冷機ll、空壓機12、冷干機13、激光器高壓電 源14，打開控制系統(tǒng)9，啟動激光器7使其處于待機狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)9通 過控制運動執(zhí)行機構(gòu)5的運動方式，調(diào)整激光加工頭4上聚焦鏡片和軌道 表面的相對位置，來控制聚焦點位置和光斑尺寸的大小。激光加工頭4可 采用反射聚焦方式或透射聚焦方式。(3) 在激光加工頭4上的位置調(diào)整完畢后，調(diào)入或編制運動執(zhí)行機構(gòu) 5的運動程序、設(shè)定工藝參數(shù)。開啟控制系統(tǒng)9，激光加工作業(yè)開始，在軌 道表面形成所需寬度和深度的激光強韌化層。(4) 在軌道水平面的激光強韌化處理完成后，通過激光加工頭4上的 轉(zhuǎn)動機構(gòu)將激光加工頭4轉(zhuǎn)動一定的角度，然后重復(fù)步驟(4)、 (5)，即可 在軌道內(nèi)側(cè)面形成所需的激光強韌化層。(5) 激光加工完成一段鋼軌的表面處理后，移動激光加工車1至另一 指定位置，重復(fù)上述步驟，完成另一段軌道表面的激光強化。(6) 采用上述工序完成鋼軌的單邊處理后，直接通過提手20將激光 強化加工車搬離軌道并換向后，即可開始對另一邊軌道的加工。當工期緊、任務(wù)重，需要加快進度時，可以采用兩臺或者多臺激光加 工車，集中對所要求表面強韌化的路段進行處理，以便縮短工期，滿足鐵 路運輸要求。
權(quán)利要求
1、一種用于鐵路鋼軌表面強韌化處理的移動式激光加工設(shè)備，其特征在于運動執(zhí)行機構(gòu)(5)和控制系統(tǒng)(9)安裝在移動小車(15)上；發(fā)電機(10)、制冷機(11)、空壓機(12)、冷干機(13)和激光器高壓電源(14)安裝在載重汽車(16)上；運動執(zhí)行機構(gòu)(5)為數(shù)控機床或機器人；發(fā)電機(10)與上述各部件電連接；激光器高壓電源(14)與激光器(7)電連接，為其提供產(chǎn)生激光所需要的直流高壓電；空壓機(12)的出風(fēng)口分別通過管道與冷干機(13)的入風(fēng)口相連通，冷干機(13)的出風(fēng)口通過管道與激光加工頭(4)和送粉器(8)相連；制冷機(11)為激光器(7)及導(dǎo)光系統(tǒng)(6)、激光加工頭(4)上的光學(xué)鏡片提供冷卻；控制系統(tǒng)(9)分別與制冷機(11)、空壓機(12)、冷干機(13)、激光器高壓電源(14)、激光器(7)和運動執(zhí)行機構(gòu)(5)電連接；控制系統(tǒng)(9)控制制冷機(11)、空壓機(12)、冷干機(13)、激光器高壓電源(14)和激光器(7)的開、關(guān)，控制系統(tǒng)(9)控制運動執(zhí)行機構(gòu)(5)按照設(shè)定的軌跡運動；激光加工頭(4)安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)(5)上；激光加工頭(4)直接或者通過導(dǎo)光系統(tǒng)(6)與激光器(7)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于激光器(7)為半導(dǎo)體 激光器，激光器(7)安裝在移動小車(15)上，激光加工頭(4)的入光 口與激光器(7)的出光口相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于激光器(7)安裝在載 重汽車(16)上，激光加工頭(4)的入光口通過兩端分別帶有光纖耦合頭 的光導(dǎo)纖維與激光器(7)的出光口相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的設(shè)備，其特征在于移動小車(15) 上還安裝有自動送粉器(8)，自動送粉器(8)通過導(dǎo)管與激光加工頭(4) 的噴嘴相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的設(shè)備，其特征在于激光加工頭(4) 為可旋轉(zhuǎn)式激光加工頭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的設(shè)備，其特征在于在數(shù)控機床的 (5)的X軸工作臺下面安裝有可旋轉(zhuǎn)底盤(31)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的在線激光加工設(shè)備，其特征在于-激光加工頭(4)由激光束擴束鏡(33)、導(dǎo)光筒(34)、透射聚焦鏡(35)、 激光頭支架(37)和噴嘴(39)組成；導(dǎo)光筒(34)上安裝有氣嘴(40)，導(dǎo)光筒(34)固定在激光頭支架(37) 上，激光束擴束鏡(33)的出光口插入導(dǎo)光筒(34)的上部，透射聚焦鏡 (35)安裝在導(dǎo)光筒(34)下部，噴嘴(39)與導(dǎo)光筒(34)的底部螺紋 連接；激光頭支架(37)通過旋轉(zhuǎn)軸(38)安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鐵路鋼軌表面強韌化處理的在線激光加工設(shè)備，包括激光加工車和動力工程車。激光加工車包括安裝在移動小車上的運動執(zhí)行機構(gòu)、激光加工頭、控制系統(tǒng)均和/或自動送粉器；動力工程車包括安裝在載重汽車上的發(fā)電機、制冷機、空壓機、冷干機和激光器高壓電源。激光加工頭安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)上；激光加工頭直接或者通過導(dǎo)光系統(tǒng)與激光器相連。本發(fā)明可以在不拆卸鋼軌、不影響列車的正常運行前提下，完成各種鋼軌，包括正軌、彎道、護輪軌、道岔等的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆處理，使加工后的鋼軌耐磨性大幅度延長，并具有裝卸簡便、加工精度高、操控簡單的特點。
文檔編號C21D7/00GK101240367SQ200810047028
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月10日
發(fā)明者曾曉雁, 李祥友, 楊學(xué)瑾, 王具平, 羅建國, 胡乾午, 明 高 申請人:華中科技大學(xué);武漢鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所