一種先進的方法在偏遠的位置修復磨損損壞的軌道。
來源: Pixabay/CC0 Public Domain
大家都知道，激光運用的范圍很廣，不僅涵蓋了日常生活中常用的各種工具，如不銹鋼、大型機器制造、汽車、航天等，也適用于醫療領域。涵蓋面涉及到光、機、電、材料及檢測等各方面。
不過你知道嗎，激光竟可用來修復鐵路。這項偉大的舉措相信不久的將來會讓鐵路交通和運輸更加方便快捷。
這項研究來自 Monash大學。他們和ANSTO的研究人員與鐵路技術研究所(IRT)的工程師合作，使用一種先進發方法，使用修復技術修復遠程位置中磨損損壞的軌道。
這個技術的原理是在修復鐵路的過程中使用大規模的中子散射，目前已被證明是可行的。
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，數據在SScanSS軟件中建立樣品和測量位置的局部坐標系，如圖(a)所示。然后，樣品在科瓦里衍射儀上對齊，使用測量參考基準點來推導局部坐標系的位置。因此，每一次測量的量規體積中心都可以精確對準相應的測量位置，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工程是一家主權重型制造公司，他們共同開發了一種可靠、高效的基于激光的軌道修復技術。
該團隊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來評估激光熔覆修復技術，這是在其他行業修復重型運輸軌道上高價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)詳細報道了激光熔覆過程，本研究使用相同的樣品。
該方法可以提高鋼軌的使用壽命，減少維修時間和費用，因為維修鋼軌比更換鋼軌更可取。
工業合作伙伴Hardchrome是ARC連鎖項目的合作伙伴，在使用激光熔覆技術制造和維修采礦部門擁有豐富的經驗和專業知識。
然而，重載鐵路維修對制造商來說是一個巨大的挑戰，因為它們不能在工廠的受控環境中進行，而需要在澳大利亞內陸的偏遠地區進行。
在發表在《材料加工技術雜志》上的研究中，他們得出結論，先進的激光技術可以用于重型運輸軌道，可以減少或減輕修復關鍵區域的有害應力。
使用激光熔覆技術，修復的方法是使用激光技術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，遠小于49 mm厚的鋼軌。為了在薄熔覆層(約1 ~ 2 mm)和熱影響區(HAZ)內實現高空間分辨率的殘余應力測量，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。
“激光熔覆可以將這些有益的材料沉積在受損區域，但也可以引入或重新分配殘余應力，” Monash大學博士研究生、墨爾本地鐵列車項目工程師Taposh Roy解釋說。
研究人員在全尺寸軌道上的科瓦里應變掃描儀上使用中子散射來測量熔覆過程中激光產生的熱量所產生的殘余應力。
作為這項工作的一部分，該團隊開發了一種新的程序來評估全尺寸包層鋼軌厚段的殘余應力。
Roy說:“只有中子可以穿透鋼軌材料的深表面，在幾乎沒有準備的情況下，無損地測量完整的三軸應力分布。”
一段用過的鋼軌顯示了經過大約4年的測試后，鋼軌頭部左側磨損了多少鋼材。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。在兩個孔的中間進行測量，也避免了局部應力的擾動。
Roy說:“我們發現，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力。”該方法優于傳統的電弧焊覆層法，后者是修復軌道磨損損傷最常用的方法。
“這些成功的內部維修試驗是非常鼓舞人心的，進一步探索這種技術的應用，作為一個便攜式和動員單元，可以部署解決澳大利亞偏遠地區的鐵路維修問題。”澳大利亞中子散射中心產業參與經理、悉尼大學聯合教授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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