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、澳大利亞核科學和技術(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，而需要在澳大利亞內(nèi)陸的偏遠地區(qū)完成修復作業(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。”莫納什大學博士生Taposh Roy解釋說。目前，他在墨爾本地鐵列車公司擔任項目工程師。
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，后者是當前修復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（澳大利亞核科學和技術(shù)組織）
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