一種先進(jìn)的方法在偏遠(yuǎn)的位置修復(fù)磨損損壞的軌道。

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大家都知道，激光運(yùn)用的范圍很廣，不僅涵蓋了日常生活中常用的各種工具，如不銹鋼、大型機(jī)器制造、汽車(chē)、航天等，也適用于醫(yī)療領(lǐng)域。涵蓋面涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等各方面。

不過(guò)你知道嗎，激光竟可用來(lái)修復(fù)鐵路。這項(xiàng)偉大的舉措相信不久的將來(lái)會(huì)讓鐵路交通和運(yùn)輸更加方便快捷。

這項(xiàng)研究來(lái)自 Monash大學(xué)。他們和ANSTO的研究人員與鐵路技術(shù)研究所(IRT)的工程師合作，使用一種先進(jìn)發(fā)方法，使用修復(fù)技術(shù)修復(fù)遠(yuǎn)程位置中磨損損壞的軌道。

這個(gè)技術(shù)的原理是在修復(fù)鐵路的過(guò)程中使用大規(guī)模的中子散射，目前已被證明是可行的。

每個(gè)測(cè)量位置都是由一個(gè)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)指定的，該坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)自于ScanSS軟件中的Kowari虛擬機(jī)。利用Oube掃描軟件對(duì)樣品進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)在SScanSS軟件中建立樣品和測(cè)量位置的局部坐標(biāo)系，如圖(a)所示。然后，樣品在科瓦里衍射儀上對(duì)齊，使用測(cè)量參考基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)推導(dǎo)局部坐標(biāo)系的位置。因此，每一次測(cè)量的量規(guī)體積中心都可以精確對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的測(cè)量位置，如圖(b)所示。

IRT是澳大利亞最重要的軌道和車(chē)輛軌道研究中心，Hardchrome工程是一家主權(quán)重型制造公司，他們共同開(kāi)發(fā)了一種可靠、高效的基于激光的軌道修復(fù)技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)在科瓦里儀器上使用了ANSTO澳大利亞中子散射中心的核技術(shù)來(lái)評(píng)估激光熔覆修復(fù)技術(shù)，這是在其他行業(yè)修復(fù)重型運(yùn)輸軌道上高價(jià)值部件的一種已建立的方法。

采用同軸頭4千瓦IPG光纖激光器和Sultzer-Metco雙-10粉末饋線(xiàn)包層軌道。Lai et al.(2017)詳細(xì)報(bào)道了激光熔覆過(guò)程，本研究使用相同的樣品。

該方法可以提高鋼軌的使用壽命，減少維修時(shí)間和費(fèi)用，因?yàn)榫S修鋼軌比更換鋼軌更可取。

工業(yè)合作伙伴Hardchrome是ARC連鎖項(xiàng)目的合作伙伴，在使用激光熔覆技術(shù)制造和維修采礦部門(mén)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

然而，重載鐵路維修對(duì)制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儾荒茉诠S(chǎng)的受控環(huán)境中進(jìn)行，而需要在澳大利亞內(nèi)陸的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行。

在發(fā)表在《材料加工技術(shù)雜志》上的研究中，他們得出結(jié)論，先進(jìn)的激光技術(shù)可以用于重型運(yùn)輸軌道，可以減少或減輕修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的有害應(yīng)力。

使用激光熔覆技術(shù)，修復(fù)的方法是使用激光技術(shù)在損壞的鋼軌表面涂上不銹鋼或鈷基合金單層或雙層。

鋼軌頂部熔覆層厚度約為1.5 ~ 2 mm，遠(yuǎn)小于49 mm厚的鋼軌。為了在薄熔覆層(約1 ~ 2 mm)和熱影響區(qū)(HAZ)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的殘余應(yīng)力測(cè)量，需要較小的測(cè)量體積。由于測(cè)量尺寸小，通過(guò)鋼的路徑長(zhǎng)度大，無(wú)法使用傳統(tǒng)的安排進(jìn)行測(cè)量。在這項(xiàng)鐵路研究中首次實(shí)施了一種替代策略。如圖所示，在軌頭下方鉆兩個(gè)盲通道孔，以減少繞射中子飛行到探測(cè)器。兩個(gè)盲孔的中心軸線(xiàn)與頂面相交深度為10mm。

“激光熔覆可以將這些有益的材料沉積在受損區(qū)域，但也可以引入或重新分配殘余應(yīng)力，” Monash大學(xué)博士研究生、墨爾本地鐵列車(chē)項(xiàng)目工程師Taposh Roy解釋說(shuō)。

研究人員在全尺寸軌道上的科瓦里應(yīng)變掃描儀上使用中子散射來(lái)測(cè)量熔覆過(guò)程中激光產(chǎn)生的熱量所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

作為這項(xiàng)工作的一部分，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的程序來(lái)評(píng)估全尺寸包層鋼軌厚段的殘余應(yīng)力。

Roy說(shuō):“只有中子可以穿透鋼軌材料的深表面，在幾乎沒(méi)有準(zhǔn)備的情況下，無(wú)損地測(cè)量完整的三軸應(yīng)力分布?！?/p>

一段用過(guò)的鋼軌顯示了經(jīng)過(guò)大約4年的測(cè)試后，鋼軌頭部左側(cè)磨損了多少鋼材。來(lái)源：ORNL/Genevieve

為了在穿過(guò)鋼的大路徑長(zhǎng)度上獲得小尺寸的測(cè)量，他們?cè)跇悠飞献隽嗣た?。在兩個(gè)孔的中間進(jìn)行測(cè)量，也避免了局部應(yīng)力的擾動(dòng)。

Roy說(shuō):“我們發(fā)現(xiàn)，采用熔覆后熱處理顯著降低了熔覆軌道表面和地下的殘余應(yīng)力?！痹摲椒▋?yōu)于傳統(tǒng)的電弧焊覆層法，后者是修復(fù)軌道磨損損傷最常用的方法。

“這些成功的內(nèi)部維修試驗(yàn)是非常鼓舞人心的，進(jìn)一步探索這種技術(shù)的應(yīng)用，作為一個(gè)便攜式和動(dòng)員單元，可以部署解決澳大利亞偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路維修問(wèn)題?！卑拇罄麃喼凶由⑸渲行漠a(chǎn)業(yè)參與經(jīng)理、悉尼大學(xué)聯(lián)合教授A(yíng)nna Paradowska說(shuō)。

來(lái)源：Residual stress in laser cladded heavy-haul rails investigated byneutron diffraction, Journal of Materials Processing Technology (2019). DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116511