如今,激光技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛,在工業(yè)領(lǐng)域除了傳統(tǒng)的材料加工外,激光技術(shù)的應(yīng)用場景也正在逐漸延伸和開拓。來自莫納什大學(xué)、澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織(ANSTO)的研究人員與鐵路技術(shù)研究所和Hardchrome Engineering公司的工程師通力合作,開發(fā)了一種基于激光的鐵路修復(fù)技術(shù)。
在ANSTO的澳大利亞中子散射中心,該團隊使用了Kowari儀器評估這項激光熔覆修復(fù)技術(shù)。未來,該方法將有望提高鋼軌的使用壽命,減少維護時間和成本。從成本上看,修復(fù)鋼軌也優(yōu)于直接更換。
圖1:通過Kowari應(yīng)變掃描儀顯示出激光熔覆過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力
行業(yè)合作伙伴Hardchrome是“ARC linkage”項目的合作伙伴,該公司利用激光熔覆在采礦業(yè)的制造和維修方面擁有豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識。然而,重載鐵路維修對制造商提出了新的挑戰(zhàn),因為無法在工廠對鋼軌進行修復(fù),而需要在澳大利亞內(nèi)陸的偏遠地區(qū)完成修復(fù)作業(yè)。
研究團隊的成果發(fā)表在專業(yè)期刊《材料加工技術(shù)》(Materials Processing Technology)上,他們得出結(jié)論,先進的激光技術(shù)可以在重載軌道上使用,同時可以有效減少修復(fù)區(qū)域的殘余應(yīng)力。使用激光熔覆技術(shù),在受損的鋼軌表面用不銹鋼或鈷基合金進行單層或雙層涂覆。
“激光熔覆可以將這些有益材料沉積到受損區(qū)域,但也可以引入或重新分布殘余應(yīng)力。”莫納什大學(xué)博士生Taposh Roy解釋說。目前,他在墨爾本地鐵列車公司擔(dān)任項目工程師。
圖 2:研究人員通過在軌頭下方鉆兩個盲孔實現(xiàn)測量
研究人員使用Kowari應(yīng)變掃描儀對一段全尺寸鋼軌頭進行掃描,中子散射測量可測出由激光在熔覆沉積過程中產(chǎn)生的熱量殘余應(yīng)力。作為研究的一部分,該團隊還開發(fā)了一種新程序來評估全尺寸熔覆鋼軌厚截面的殘余應(yīng)力。
每個測量位置都是由一個坐標測量機指定的,該坐標測量機來自于ScanSS軟件中的Kowari虛擬機。利用Oube掃描軟件對樣品進行掃描,數(shù)據(jù)在SScanSS軟件中建立樣品和測量位置的局部坐標系,如圖1所示。然后,樣品在Kowari衍射儀上對齊,使用測量參考基準點來推導(dǎo)局部坐標系的位置。因此,每一次測量的量規(guī)體積中心都可以精確對準相應(yīng)的測量位置。
鋼軌頂部熔覆層厚度約為1.5mm-2mm,遠小于49mm厚的鋼軌。為了在薄熔覆層(約1mm-2mm)和熱影響區(qū)內(nèi)實現(xiàn)高空間分辨率的殘余應(yīng)力測量,需要較小的測量體積。由于測量尺寸小,通過鋼的路徑長度大,無法使用傳統(tǒng)的安排進行測量。在這項鐵路研究中首次實施了一種替代策略。
如圖2所示,在軌頭下方鉆兩個盲通道孔以減少繞射中子飛行到探測器。兩個盲孔的中心軸線與頂面相交深度為10mm。在兩個孔的中間進行測量,從而避免了局部應(yīng)力的干擾。研究人員發(fā)現(xiàn),激光熔覆可顯著降低鋼軌表面和亞表面的殘余應(yīng)力,該方法似乎優(yōu)于傳統(tǒng)的基于電弧焊的熔覆方法,后者是當(dāng)前修復(fù)鋼軌磨損損壞的常用技術(shù)。
“室內(nèi)的維修試驗結(jié)果鼓舞人心,未來我們將進一步探索該技術(shù)作為便攜式和機動裝置的應(yīng)用,以此解決澳大利亞偏遠地區(qū)的鐵路維護問題?!盇nna Paradowska教授談到。
作者:Taposh Roy(墨爾本地鐵列車)、Anna Paradowska(澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織)
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