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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(chǎng)景也正在逐漸延伸和開(kāi)拓。來(lái)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(kāi)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(tuán)隊(duì)使用了Kowari儀器評(píng)估這項(xiàng)激光熔覆修復(fù)技術(shù)。未來(lái)，該方法將有望提高鋼軌的使用壽命，減少維護(hù)時(shí)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(guò)Kowari應(yīng)變掃描儀顯示出激光熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

行業(yè)合作伙伴Hardchrome是“ARC linkage”項(xiàng)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(yàn)和專業(yè)知識(shí)。然而，重載鐵路維修對(duì)制造商提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)闊o(wú)法在工廠對(duì)鋼軌進(jìn)行修復(fù)，而需要在澳大利亞內(nèi)陸的偏遠(yuǎn)地區(qū)完成修復(fù)作業(yè)。

研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)的激光技術(shù)可以在重載軌道上使用，同時(shí)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(jìn)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?xì)堄鄳?yīng)力。”莫納什大學(xué)博士生Taposh Roy解釋說(shuō)。目前，他在墨爾本地鐵列車公司擔(dān)任項(xiàng)目工程師。

圖 2：研究人員通過(guò)在軌頭下方鉆兩個(gè)盲孔實(shí)現(xiàn)測(cè)量

研究人員使用Kowari應(yīng)變掃描儀對(duì)一段全尺寸鋼軌頭進(jìn)行掃描，中子散射測(cè)量可測(cè)出由激光在熔覆沉積過(guò)程中產(chǎn)生的熱量殘余應(yīng)力。作為研究的一部分，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種新程序來(lái)評(píng)估全尺寸熔覆鋼軌厚截面的殘余應(yīng)力。

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1所示。然后，樣品在Kowari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。

鋼軌頂部熔覆層厚度約為1.5mm-2mm，遠(yuǎn)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(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2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)盲孔的中心軸線與頂面相交深度為10mm。在兩個(gè)孔的中間進(jìn)行測(cè)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(yàn)結(jié)果鼓舞人心，未來(lái)我們將進(jìn)一步探索該技術(shù)作為便攜式和機(jī)動(dòng)裝置的應(yīng)用，以此解決澳大利亞偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路維護(hù)問(wèn)題。”Anna 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）