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。
來源: Pixabay/CC0 Public Domain
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、航天等，也適用于醫(yī)療領(lǐng)域。涵蓋面涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等各方面。
不過你知道嗎，激光竟可用來修復(fù)鐵路。這項(xiàng)偉大的舉措相信不久的將來會(huì)讓鐵路交通和運(yùn)輸更加方便快捷。
這項(xiàng)研究來自 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)測量位置都是由一個(gè)坐標(biāo)測量機(jī)指定的，該坐標(biāo)測量機(jī)來自于ScanSS軟件中的Kowari虛擬機(jī)。利用Oube掃描軟件對樣品進(jìn)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(biāo)系，如圖(a)所示。然后，樣品在科瓦里衍射儀上對齊，使用測量參考基準(zhǔn)點(diǎn)來推導(dǎo)局部坐標(biāo)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(zhǔn)相應(yīng)的測量位置，如圖(b)所示。
IRT是澳大利亞最重要的軌道和車輛軌道研究中心，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)來評估激光熔覆修復(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粉末饋線包層軌道。Lai et al.(2017)詳細(xì)報(bào)道了激光熔覆過程，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擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識。
然而，重載鐵路維修對制造商來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儾荒茉诠S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(jìn)行測量。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器。兩個(gè)盲孔的中心軸線與頂面相交深度為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、墨爾本地鐵列車項(xiàng)目工程師Taposh Roy解釋說。
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測量熔覆過程中激光產(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)開發(fā)了一種新的程序來評估全尺寸包層鋼軌厚段的殘余應(yīng)力。
Roy說:“只有中子可以穿透鋼軌材料的深表面，在幾乎沒有準(zhǔn)備的情況下，無損地測量完整的三軸應(yīng)力分布。”
一段用過的鋼軌顯示了經(jīng)過大約4年的測試后，鋼軌頭部左側(cè)磨損了多少鋼材。來源：ORNL/Genevieve
為了在穿過鋼的大路徑長度上獲得小尺寸的測量，他們在樣品上做了盲孔。在兩個(gè)孔的中間進(jìn)行測量，也避免了局部應(yīng)力的擾動(dòng)。
Roy說:“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Anna Paradowska說。
來源：Residual stress in laser cladded heavy-haul rails investigated byneutron diffraction, Journal of Materials Processing Technology (2019). DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116511
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