專利名稱：基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光鋼軌硬化領(lǐng)域，特別是一種基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置 的應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
鐵路是關(guān)系到國計(jì)民生的重要交通設(shè)施，鋼軌是鐵路軌道的重要組成部分，所以 鋼軌的質(zhì)量是非常重要的。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著列車速度、運(yùn)量和軸重的提高，鋼軌表面及 側(cè)表面所受到車輪的摩擦是非常強(qiáng)烈的，磨損非常嚴(yán)重，鋼軌磨損失效的速率也越來越快， 對鋼軌的壽命和安全性非常不利，我國每年用于更換和維修損傷鋼軌的直接費(fèi)用達(dá)到數(shù)億 元人民幣，因此，研發(fā)出一種對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，為解決現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明的目的就在于提供一種基于火車 運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，可以有效解決鋼軌使用壽命短、不安全等問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置 的應(yīng)用方法，具體步驟如下1)確定光學(xué)裝置硬化寬度為70mm ；2)調(diào)整光學(xué)裝置保證經(jīng)整形后的光斑尺寸為70mmX0. 5mm的矩形光斑；3)使用連續(xù)供電電源裝置使光學(xué)裝置的激光工作方式是連續(xù)激光輸出；4)選擇半導(dǎo)體激光二極管中的激光器為激光輸出模式是能量均勻的多模光束的 半導(dǎo)體激光器；5)在光學(xué)裝置中放置4個(gè)或多于4個(gè)的半導(dǎo)體激光二極管堆，使激光功率輸出在 5 10萬瓦，從而保證激光功率密度達(dá)到104 105W/cm2 ；6)參數(shù)確定后，將整個(gè)光學(xué)裝置裝在火車的底部，露出三個(gè)激光頭，中間的激光頭 對應(yīng)鋼軌的中間，另外兩個(gè)各對應(yīng)鋼軌兩側(cè)的倒圓；7)光學(xué)裝置的掃描速度為普通列車車速，掃描路徑為火車的行駛路徑，從而完成 在火車行駛中對鋼軌的硬化。本發(fā)明利用大功率半導(dǎo)體激光器裝置對鋼軌進(jìn)行硬化，鋼軌表面發(fā)生相變，使鋼 軌表面獲得高的硬度、耐磨性和控制表面壓應(yīng)力狀態(tài)以提高其疲勞抗力等。


圖1為本發(fā)明的火車運(yùn)行中對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的激光頭對鋼軌表面相變硬 化作用的示意圖。圖2是本發(fā)明的火車運(yùn)行中對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明。由圖1所示，本發(fā)明的基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征 在于，具體步驟如下1)確定光學(xué)裝置硬化寬度為70mm ；2)調(diào)整光學(xué)裝置保證經(jīng)整形后的光斑尺寸為70mmX0. 5mm的矩形光斑；3)使用連續(xù)供電電源裝置使光學(xué)裝置的激光工作方式是連續(xù)激光輸出；4)選擇半導(dǎo)體激光二極管中的激光器為激光輸出模式是能量均勻的多模光束的 半導(dǎo)體激光器；5)在光學(xué)裝置中放置4個(gè)或多于4個(gè)的半導(dǎo)體激光二極管堆，使激光功率輸出在 5 10萬瓦，從而保證激光功率密度達(dá)到104 105W/cm2 ；6)參數(shù)確定后，將整個(gè)光學(xué)裝置裝在火車的底部，露出三個(gè)激光頭10，中間的激 光頭10對應(yīng)鋼軌11的中間，另外兩個(gè)各對應(yīng)鋼軌11兩側(cè)的倒圓；7)光學(xué)裝置的掃描速度為普通列車車速，掃描路徑為火車的行駛路徑，從而完成 在火車行駛中對鋼軌11的硬化。所說的火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置包括半導(dǎo)體激光二極管堆1、第一偏振耦 合棱鏡2、第二偏振耦合棱鏡3、平面反射鏡4、波長耦合棱鏡5、對稱階梯鏡6、光束壓縮鏡 7、慢軸準(zhǔn)直鏡8、光學(xué)工作鏡組9和激光頭10，第一偏振耦合棱鏡2的X、Y方向上各放置一 個(gè)半導(dǎo)體激光二極管堆1，半導(dǎo)體激光二極管堆1的光軸與第一偏振耦合棱鏡2的中心在同 一條直線上，第一偏振耦合棱鏡2的X出光方向上放置平面反射鏡4 ；第二偏振耦合棱鏡3 的X、Y方向上各放置一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管堆1，半導(dǎo)體激光二極管堆1的光軸與第二偏 振耦合棱鏡3的中心在同一條直線上，第二偏振耦合棱鏡3的X出光方向上放置波長耦合 棱鏡5，其中心與波長耦合棱鏡5的中心在同一條直線；波長耦合棱鏡5對應(yīng)平面反射鏡4， 波長耦合棱鏡5的X出光方向上放置對稱階梯鏡6，波長耦合棱鏡5的光軸與對稱階梯鏡6 的光軸在同一條直線，對稱階梯鏡6的出光方向上依次放置光速壓縮鏡7、慢軸準(zhǔn)直鏡8、光 學(xué)工作鏡組9和激光頭10。所說的平面反射鏡4與第一偏振耦合棱鏡2和波長耦合棱鏡5的鍍膜面平行。所說的對稱階梯鏡6的出光方向與光速壓縮鏡7、慢軸準(zhǔn)直鏡8、光學(xué)工作鏡組9、 激光頭10的中心均在同一直線。所說的半導(dǎo)體激光二極管堆1上裝有快軸準(zhǔn)直鏡。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。根據(jù)鋼軌的實(shí)際的寬度70mm，來確定硬化寬度為70mm。又根據(jù)光斑實(shí)際壓縮的難 度，確定具體的所需要的光斑尺寸為70mmX0. 5mm。又根據(jù)鋼軌硬化層深度的要求我們一 般要求硬化0. 5 1mm來滿足鋼軌的耐磨程度。最后來決定半導(dǎo)體激光器的工作方式、激 光模式、激光功率、光斑尺寸、掃描速度、掃描路徑等。工作方式指連續(xù)激光或脈沖激光，這 里我們使用連續(xù)激光輸出。激光模式的高斯型單模光束光強(qiáng)分布不均勻，光斑中心能量顯 著高于邊緣，不利于均勻硬化。因此，使多模光束能量分布比較均勻。為了確保鋼軌11的硬化層深度在0. 5 1mm之間，激光功率選擇在5 10萬瓦，激光功率密度選擇在104 105W/cm2。又根據(jù)光斑實(shí)際壓縮的難度，光斑尺寸為70mmX0.5mm。掃描速度為普通列車的 速度85Km/h = 23600mm/so將激光束導(dǎo)入到激光加工頭直接作用到鋼軌的表面，而且不需 要采用鋼軌表面磷化、黑化等措施來實(shí)現(xiàn)對鋼軌的表面的硬化處理。經(jīng)硬化后硬度Hvl0/20可 以達(dá)到800 900，比基體硬度提高3 4倍。以使耐磨性和控制表面壓應(yīng)力狀態(tài)得到提高。激光硬化技術(shù)是利用聚焦后的激光束照射到鋼軌的表面，半導(dǎo)體激光光束與鋼軌 作用過程中，鋼軌表面快速加熱和冷卻，奧氏體化時(shí)間較短，碳在奧氏體中來不及擴(kuò)散，形 成高碳馬氏體；鋼軌的快速加熱使奧氏體的形核率增大數(shù)百倍，但由于奧氏體化時(shí)間短， 來不及長大，因此，生成超精細(xì)化的馬氏體組織，細(xì)小的晶?？梢杂行p小晶界上的集中應(yīng) 力，對裂紋的擴(kuò)展有明顯的阻礙作用，從而對鋼軌韌性、硬度的提高將產(chǎn)生積極的作用。本發(fā)明將激光束導(dǎo)入到激光加工頭，激光頭隨運(yùn)行的列車直接作用到鋼軌的表 面，而且不需要采用鋼軌表面磷化、黑化等措施來實(shí)現(xiàn)對鋼軌的表面的硬化處理。經(jīng)硬化后 硬度HV10/20可以達(dá)到800 900，比基體硬度提高3 4倍。以使耐磨性和控制表面壓應(yīng) 力狀態(tài)得到提高。
權(quán)利要求
基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征在于，具體步驟如下1)設(shè)置光學(xué)裝置的激光頭位置保證激光的寬度為70mm；2)調(diào)整光學(xué)裝置保證經(jīng)整形后的光斑尺寸為70mm×0.5mm的矩形光斑；3)使用連續(xù)供電電源裝置使光學(xué)裝置的激光工作方式是連續(xù)激光輸出；4)選擇半導(dǎo)體激光二極管中的激光器為激光輸出模式是能量均勻的多模光束的半導(dǎo)體激光器；5)在光學(xué)裝置中放置4個(gè)或多于4個(gè)的半導(dǎo)體激光二極管堆，使激光功率輸出在5～10萬瓦，從而保證激光功率密度達(dá)到104～105W/cm2；6)參數(shù)確定后，將整個(gè)光學(xué)裝置裝在火車的底部，露出三個(gè)激光頭(10)，中間的激光頭(10)對應(yīng)鋼軌(11)的中間，另外兩個(gè)各對應(yīng)鋼軌(11)兩側(cè)的倒圓；7)光學(xué)裝置的掃描速度為普通列車車速，掃描路徑為火車的行駛路徑，從而完成在火車行駛中對鋼軌(11)的硬化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征在 于，所說的火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置包括半導(dǎo)體激光二極管堆(1)、第一偏振耦合棱 鏡(2)、第二偏振耦合棱鏡(3)、平面反射鏡(4)、波長耦合棱鏡(5)、對稱階梯鏡(6)、光束 壓縮鏡(7)、慢軸準(zhǔn)直鏡(8)、光學(xué)工作鏡組(9)和激光頭(10)，其特征在于，第一偏振耦合 棱鏡(2)的X、Y方向上各放置一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管堆(1)，半導(dǎo)體激光二極管堆(1)的 光軸與第一偏振耦合棱鏡(2)的中心在同一條直線上，第一偏振耦合棱鏡(2)的X出光方 向上放置平面反射鏡(4)，第二偏振耦合棱鏡(3)的X、Y方向上各放置一個(gè)半導(dǎo)體激光二 極管堆(1)，半導(dǎo)體激光二極管堆(1)的光軸與第二偏振耦合棱鏡(3)的中心在同一條直 線上，第二偏振耦合棱鏡(3)的X出光方向上放置波長耦合棱鏡(5)，其中心與波長耦合棱 鏡(5)的中心在同一條直線，波長耦合棱鏡(5)對應(yīng)平面反射鏡(4)，波長耦合棱鏡(5)的 X出光方向上放置對稱階梯鏡(6)，波長耦合棱鏡(5)的光軸與對稱階梯鏡(6)的光軸在同 一條直線，對稱階梯鏡(6)的出光方向上依次放置光速壓縮鏡(7)、慢軸準(zhǔn)直鏡(8)、光學(xué)工 作鏡組(9)和激光頭(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征在 于，所說的平面反射鏡(4)與第一偏振耦合棱鏡(2)和波長耦合棱鏡(5)的鍍膜面平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征在 于，所說的對稱階梯鏡(6)的出光方向與光速壓縮鏡(7)、慢軸準(zhǔn)直鏡(8)、光學(xué)工作鏡組 (9)、激光頭(10)的中心均在同一直線。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，其特征在 于，所說的半導(dǎo)體激光二極管堆(1)上裝有快軸準(zhǔn)直鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光鋼軌硬化領(lǐng)域，特別是一種基于火車運(yùn)行對鋼軌硬化的光學(xué)裝置的應(yīng)用方法，本方法將光學(xué)裝置放置在火車底部，在火車運(yùn)行過程中利用聚焦后的激光束照射到鋼軌的表面，鋼軌表面快速加熱和冷卻，完成鋼軌的硬化。本發(fā)明使鋼軌經(jīng)硬化后硬度Hv10/20可以達(dá)到800～900，比基體硬度提高3～4倍，以使耐磨性和控制表面壓應(yīng)力狀態(tài)得到提高。
文檔編號E01B31/18GK101929114SQ201010262588
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者張俊, 張志軍, 朱洪波, 王立軍, 郝明明 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所