一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011013732.6
(22)申请日 2020.09.24
(71)申请人 山东镭研激光科技有限公司
地址 250000 山东省济南市高新区飞跃大
道2016号F4-2-202-35
(72)发明人 李峰西　何建群　王文涛　王立果　
黄腾　
(74)专利代理机构 济南舜昊专利代理事务所
(特殊普通合伙) 37249
代理人 张笑
(51)Int.Cl.
C22C 38/54(2006.01)
C22C 38/44(2006.01)
C22C 38/32(2006.01)
C22C 38/22(2006.01)
C23C 24/10(2006.01)
(54)发明名称一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺(57)摘要本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺，激光熔覆材料为一种铁基合金粉末，包括C≤0.13wt％，Cr ：16.0wt％～18.0wt％，Ni≤5.0wt％，Mo：1.0wt％～2.0wt％，Mn≤0.5wt％，Si≤1.2wt％，B≤0.85wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；工艺选取铁轨为基材，采用气动同轴送粉方式，并利用机械手控制激光器运行路线，通过激光将铁基合金粉末熔覆到铁轨表面，实现钢轨表面修复。

本发明可达到恢复铁轨尺寸、提升表面性能的技术效果，在保证铁轨性能同时，提升修复效率，
降低修复成本。

权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 112281082 A 2021.01.29
C N 112281082
A
1.一种激光熔覆材料，其特征在于，所述激光熔覆材料为一种铁基合金粉末，所述铁基合金粉末包括如下组分：
C≤0.13wt％，Cr：16.0wt％～18.0wt％，Ni≤5.0wt％，Mo：1.0wt％～2.0wt％，Mn≤0.5wt％，Si≤1.2wt％，B≤0.85wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的激光熔覆材料，其特征在于，所述铁基合金粉末的粒度为50～150μm。

3.一种采用如权利要求1所述的激光熔覆材料的火车铁轨激光熔覆修复工艺，其特征在于，所述工艺选取铁轨为基材，采用气动同轴送粉方式，并利用机械手控制激光器运行路线，通过激光器发出的激光将铁基合金粉末熔覆到损伤铁轨表面，获得表面成形形貌好，无裂纹、砂眼缺陷且与基材为冶金结合的激光熔覆层，实现钢轨表面修复。

4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述激光熔覆的参数包括：设置送粉器送粉量为60g/min，送粉气流量为5L/min；
设置激光器输出功率为3000～4000w，激光波长为1064nm，焦距为150mm，调节离焦量，使加工点位于焦点下方5mm处，光斑直径为5mm；
设置机械手按照蛇形方式来回折返运行，运行速度为20～30mm/s，搭接量为40％～50％，即相邻两道激光间距离为2.0～2.5mm。

5.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述铁基合金粉末的制备方法为按照各元素重量百分比混合、筛匀后，150℃烘干1h备用。

6.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述激光熔覆层的单层厚度为1.0～1.5mm，表面硬度为HRC45～48。

7.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，为达到修复尺寸要求，采用多层熔覆方式对铁轨进行修复。

8.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在激光熔覆前对钢轨进行前处理，所述前处理包括：
对待修复钢轨进行超声探伤，确保钢轨芯部无损伤；
砂轮打磨损伤面，边缘做圆滑过渡处理，打磨区域进行着色渗透探伤，确保无裂纹缺陷后，清洗钢轨表面探伤剂，确保待修复区域无油、无锈。

9.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在激光熔覆后对钢轨进行后处理，所述后处理包括：
表面着色探伤确定无裂纹、砂眼缺陷后，打磨熔覆涂层，使修复区域高度与钢轨周围一致；
再次着色检验铁轨表面是否有裂纹、砂眼缺陷，超声探伤确保钢轨芯部无损伤。

权　利　要　求　书1/1页CN 112281082 A
一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺
技术领域
[0001]本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺。

背景技术
[0002]随着火车载重量的提高和速度的提升，铁轨损伤问题越来越严重，目前通常采用人工焊补的方式修复铁轨表面损伤，主要分为锰钢类堆焊焊条冷焊修复和珠光体类焊条现场预热焊补。

焊补仍存在诸多不足之处：预热焊补热输入量大，容易对钢轨芯部强度造成影响，焊接应力易引起整个钢轨性能的下降；焊补表面平整度差，需要人工打磨量大；焊补对人员技能要求高，操作门槛高；焊接材料强度不足，耐腐蚀性不足；冷焊焊补结合强度不足。

考虑铁轨修复的安全性和技术难度，激光熔覆(Laser Cladding)作为一种新型的表面修复技术手段，可以很好的弥补传统手段的不足。

[0003]激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的熔覆层。

相比于人工焊补，激光熔覆在以下方面优势明显：1、激光熔覆热输入量小，基材变形小；2、涂层与基材为冶金结合，两者结合牢固，不易脱落；3、激光熔覆工艺过程容易控制，易于形成牢固稳定的表面涂层。

现阶段在利用熔覆技术修复火车铁轨损伤时，通常只考虑到硬度指标，对所形成熔覆层的韧性、耐腐蚀性能等缺乏关注，导致熔覆层虽具备较高硬度但寿命仍然较短。

[0004]基于此，有必要提供一种新的激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺。

发明内容
[0005]针对火车铁轨熔覆层残余热应力较高、韧性及耐腐蚀性差的技术问题，本发明提供一种激光熔覆材料及火车铁轨激光熔覆修复工艺，采用本发明激光熔覆材料及工艺对损伤铁轨进行局部修复，可达到恢复铁轨尺寸、提升表面性能的技术效果，在保证铁轨性能同时，提升修复效率，降低修复成本。

[0006]第一方面，本发明提供一种激光熔覆材料，所述激光熔覆材料为一种铁基合金粉末，所述铁基合金粉末包括如下组分：
[0007]C≤0.13wt％，Cr：16.0wt％～18.0wt％，Ni≤5.0wt％，Mo：1.0wt％～2.0wt％，Mn ≤0.5wt％，Si≤1.2wt％，B≤0.85wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

[0008]进一步的，所述铁基合金粉末的粒度为50～150μm。

[0009]第二方面，本发明提供一种采用上述激光熔覆材料的火车铁轨激光熔覆修复工艺，所述工艺选取铁轨为基材，采用气动同轴送粉方式，并利用机械手控制激光器运行路线，通过激光器发出的激光将铁基合金粉末熔覆到损伤铁轨表面，获得表面成形形貌好，无裂纹、砂眼缺陷且与基材为冶金结合的激光熔覆层，实现钢轨表面修复。

[0010]进一步的，所述激光熔覆的参数包括：设置送粉器送粉量为60g/min，送粉气流量
为5L/min；
[0011]设置激光器输出功率为3000～4000w，激光波长为1064nm，焦距为150mm，调节离焦量，使加工点位于焦点下方5mm处，光斑直径为5mm；
[0012]设置机械手按照蛇形方式来回折返运行，运行速度为20～30mm/s，搭接量为40％～50％，即相邻两道激光间距离为2.0～2.5mm。

[0013]铁轨表面修复只要保证足够的激光能量密度即可，激光能量密度超过4000w会导致热输入量大，增加开裂敏感性，影响熔覆层性能，能量密度低于3000w，则难以形成理想的熔覆涂层，在该激光功率下选择激光光斑为5mm，既可以保证功率密度又能保证光斑尺寸，保证一定的搭接量，从而提高效率；
[0014]运行速度低于20mm/s，激光熔覆层稀释率高，而且熔覆效率低，运行速度高于30mm/s，激光没有足够时间熔化母材，难以形成理想的熔覆层，搭接量决定熔覆层的平整度，搭接量低于40％，熔覆效率低，搭接量高于50％，熔覆层表面不平整。

[0015]进一步的，所述铁基合金粉末的制备方法为按照各元素重量百分比混合、筛匀后，150℃烘干1h备用。

[0016]进一步的，所述激光熔覆层的单层厚度为1.0～1.5mm，表面硬度为HRC45～48。

[0017]随着硬度的提升，涂层的耐磨性会有一定程度提高，但是韧性会有所下降，同时随着含碳量的提高，涂层耐腐蚀性会有所下降，本发明激光熔覆层硬度为HRC45～48，即可以保证涂层的硬度和耐磨性，同时又能够保证涂层的韧性和耐腐蚀性。

[0018]进一步的，为达到修复尺寸要求，采用多层熔覆方式对铁轨进行修复。

[0019]进一步的，所述工艺还包括在激光熔覆前对钢轨进行前处理，所述前处理包括：[0020]对待修复钢轨进行超声探伤，确保钢轨芯部无损伤；
[0021]砂轮打磨损伤面，边缘做圆滑过渡处理，打磨区域进行着色渗透探伤，确保无裂纹缺陷后，清洗钢轨表面探伤剂，确保待修复区域无油、无锈。

[0022]进一步的，所述工艺还包括在激光熔覆后对钢轨进行后处理，所述后处理包括：[0023]表面着色探伤确定无裂纹、砂眼缺陷后，打磨熔覆涂层，使修复区域高度与钢轨周围一致；
[0024]再次着色检验铁轨表面是否有裂纹、砂眼缺陷，超声探伤确保钢轨芯部无损伤。

[0025]本发明的有益效果在于，
[0026]本发明提供的激光熔覆材料包含C≤0.13wt％，Cr：16.0wt％～18.0wt％，Ni≤5.0wt％，Mo：1.0wt％～2.0wt％，Mn≤0.5wt％，Si≤1.2wt％和B≤0.85wt％，其中，[0027]C元素能够影响材料成型后的强度、塑性、韧性等性能，含碳量高，硬度和耐磨性会有一定程度提高，但是耐腐蚀性和韧性会有降低，为保证材料的耐磨性，同时具有耐腐蚀性和一定的韧性，限定C≤0.13wt％；
[0028]Cr元素可以提高材料的硬度和耐磨性而不使材料变脆，含量超过12wt％时有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，但是当Cr含量过高，材料的强度和硬度会下降，本发明选择16.0wt％～18.0wt％的含量区间，保证耐磨耐腐蚀性的同时，尽可能降低对强度和硬度的影响；
[0029]Ni元素可以提高材料强度、韧性和耐腐蚀性，Ni含量在4.0wt％～5.0wt％时，变脆温度可达到-180℃，由于Ni材料成本较高问题，根据保证性能降低成本的原则选择Ni≤
5.0wt％；
[0030]Mo元素可以消除残余应力，保持材料有稳定的硬度，增加对变形、开裂和磨损等的抗力，同时该元素还可以提高对酸的抗腐蚀性，可以防止氯离子产生的点腐蚀倾向，1.0wt％～2.0wt％元素含量下，材料具有耐磨性和红硬性；
[0031]Mn元素能够起到脱氧、脱硫，提高淬透性的作用，Mn含量的增加有利于提升熔覆层塑性、降低热膨胀系数，从而减少熔覆层残余应力，避免裂纹等缺陷产生，另一方面由于淬透性能提升，熔覆层快速冷却时容易形成马氏体组织，当Mn含量过大时，熔覆层冲击韧性会降低，因此Mn含量应保持在0.5wt％以下；
[0032]Si元素可以脱氧造渣，是良好的脱氧剂，硅含量高会降低材料塑性，超过3.0wt％时会显著降低塑性和韧性，本发明综合考虑材料熔覆层结构及塑性、韧性特性，限定Si≤1.2wt％；
[0033]B元素和O元素有强的亲和力，可以起到脱氧造渣作用，B和Si配合使用还可以避免熔覆层形成气孔，增强脱氧造渣作用，与Mn联合脱氧可有效减少熔池中的FeO，形成硼硅酸盐，从而增加熔池流动性，有效防止夹杂和裂纹。

[0034]另一方面，本发明提供的激光熔覆修复工艺不仅能够解决工件变形、热应力等焊接问题，去除预热缓冷等工艺流程，提升修复效率，还通过利用具备高耐磨性、高耐腐蚀性的铁基合金粉末及工艺参数优化，制备出表面平整无裂纹、砂眼等缺陷的激光熔覆涂层，保证硬度、韧性满足使用条件，实现对钢轨表面修复。

附图说明
[0035]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0036]图1是本发明实施例3机械手控制激光器运行路线示意图；
[0037]图2是本发明实施例3激光熔覆修复铁轨15天通车试验照片。

具体实施方式
[0038]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0039]实施例1
[0040]一种激光熔覆材料，所述激光熔覆材料为粒度75μm的铁基合金粉末，包括如下组分：
[0041]C：0.08wt％，Cr：16.0wt％，Ni：2.5wt％，Mo：1.0wt％，Mn：0.2wt％，Si：0.5wt％，B：0.05wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

[0042]实施例2
[0043]一种激光熔覆材料，所述激光熔覆材料为粒度150μm的铁基合金粉末，包括如下组
分：
[0044]C：0.10wt％，Cr：18.0wt％，Ni：5.0wt％，Mo：2.0wt％，Mn：0.50wt％，Si：1.0wt％，B：0.50wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

[0045]将铁轨试样与以实施例2激光熔覆材料制备的涂层分别制成销状样品，在相同摩擦磨损条件下与相同摩擦副对磨，测量摩擦前后样品的失重来表征样品的耐磨性，每个样品测三次，取平均值。

经测量，铁轨试样的失重为0.0042g，而激光熔覆材料涂层的失重为0.003g，可见在相同的摩擦条件下，激光熔覆材料涂层更耐磨，相应的，在相同的摩擦环境中，实施例2的激光熔覆材料会增加铁轨的使用寿命。

[0046]对以实施例2激光熔覆材料制备的涂层进行耐中性盐雾测试，经测试，96小时激光熔覆材料涂层表面未出现锈点。

[0047]实施例3
[0048]一种采用实施例2激光熔覆材料的火车铁轨激光熔覆修复工艺，选取试验路轨为基材，采用气动同轴送粉方式，并利用机械手控制激光器运行路线，通过激光器发出的激光将铁基合金粉末熔覆到损伤铁轨表面，获得表面成形形貌好，无裂纹、砂眼缺陷的且与基材为冶金结合的激光熔覆层，实现钢轨表面修复，该工艺具体包括如下步骤：
[0049](1)前处理：对待修复钢轨进行超声探伤，确保钢轨芯部无损伤；
[0050]砂轮打磨损伤面，边缘做圆滑过渡处理，打磨区域进行着色渗透探伤，确保无裂纹缺陷后，清洗钢轨表面探伤剂，确保待修复区域无油、无锈；
[0051](2)铁基合金粉末的制备：按照各元素重量百分比混合、筛匀后，150℃烘干1h备用；
[0052](3)激光熔覆参数的设置：向气动送粉器内放置合金粉末，设置送粉器送粉量为60g/min，送粉气流量为5L/min，设置送粉器，使送粉器处于预送粉状态；
[0053]设置激光器输出功率为3500w，激光波长为1064nm，焦距为150mm，调节离焦量，使加工点位于焦点下方5mm处，光斑直径为5mm；
[0054]设置机械手按照蛇形方式来回折返运行(如图1所示)，运行速度为25mm/s，搭接量为40％，即相邻两道激光间距离为2.0mm；
[0055](4)激光熔覆：将激光器调整到开始加工位置，开启送粉器，粉末从送粉喷头送出，开启机械手，同步开启激光器，开始激光熔覆，单层涂层厚度为1.0～1.5mm，表面硬度为HRC45～48，多层熔覆直至达到修复尺寸要求；
[0056](5)后处理：表面着色探伤确定无裂纹、砂眼缺陷后，打磨熔覆涂层，使修复区域高度与钢轨周围一致；
[0057]再次着色检验铁轨表面是否有裂纹、砂眼缺陷，超声探伤确保钢轨芯部无损伤。

[0058]如图2所示，将试验铁轨(方框标记)安装到试验路段，经过15天通车试验，熔覆层表面除存在可擦拭的泥土等污物外，未出现脱落磨损及腐蚀现象。

[0059]尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。

在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

图1
图2。