RS66143B1 - Postupak za lasersko očvršćavanje u suštini cilindrične površine radnog elementa - Google Patents

Description

Opis

[0001] Pronalazak se odnosi na postupak laserskog očvršćavanja (kaljenja) u suštini cilindrične površine radnog elementa, posebno oboda diska točka železničkog točka, najmanje delimičnom širinom njegovog gazećeg sloja (gazišta) izloženog habanju i/ili strane njegovog venca točka okrenute prema gazištu.

[0002] Slično, pronalazak se odnosi na lasersko očvršćavanje radnih elemenata sa cilindričnim površinama koje se mogu kaliti laserom, kao što su osovine elemenata železničkih točkova, čaura radilice ili slično.

[0003] Gazišta točkova šinskih vozila, kao što su diskovi točkova na železničkim vagonima i železničkim lokomotivama, podležu manjem ili većem habanju kao rezultat trenja ili klizanja između točka i šine, u zavisnosti od uparivanja materijala, sastava materijala i površinske tvrdoće diska točka i šine, kao i od uslova okoline. Ovo habanje ograničava radni vek točkova. Shodno tome, vreme rada/upotrebe između dva ciklusa održavanja može značajno da varira, tako da se mogu očekivati značajne fluktuacije troškova za održavanje kada se diskovi točkova više puta profilišu na ili neposredno pre dostizanja specificiranih graničnih radnih dimenzija.

[0004] Da bi se smanjilo gorepomenuto habanje, železnički točkovi su proizvedeni sa toplo kaljenim gazištima, pri čemu je uglavnom ceo venac točka točka kaljen. Zbog opasnosti od stvaranja pukotina u predelu oboda točkova povezanih sa takvim toplim kaljenjem i radi poboljšanja očvršćavanja, dokument EP 0116359 predložio je proizvodnju železničkih točkova kod kojih su gazište (gazeći sloj) i/ili delovi venca točka okrenuti prema njemu laserski kaljeni u delovima u obodnom pravcu. Dubina i obim laserski obrađenih delova može da varira u širokim granicama. Lasersko očvršćavanje se može izvesti zajedno sa okretanjem ili prevrtanjem oboda točka. Da bi se kontrolisao stepen očvršćavanja, rastojanje između uređaja za lasersko očvršćavanje i površine koja se očvršćava može da se menja.

[0005] Da bi se izradili metalni točkovi otporni na habanje, DD 267740 A1 generalno upućuje na upotrebu laserskog uređaja za površinsko očvršćavanje gazećeg sloja i venca železničkih točkova.

[0006] U primeni laserskog očvršćavanja koja je opisana u WO99/29520 A1 koristi se laserski snop za proizvodnju traka sa martenzitnom kristalnom strukturom koje se kreću ukoso u odnosu na smer kretanja u intervalima poprečnim na pokretnu površinu diska točka kolosečnog železničkog točka. Povećana tvrdoća ovih traka je namenjena za smanjenje buke i vibracija tokom vožnje.

[0007] Prema DE 10218141 A1 kao varijanta laserske termičke obrade radnih elemenata, predlaže se dejstvo na radni element sa nekoliko odvojeno kontrolisanih snopova laserskih zraka pomoću relativnog kretanja između njih i radnog elementa. Kada se koriste najmanje dva takva laserska snopa, oni se mogu pomerati jedan naspram drugog na kontrolisan način dok se ne sretnu u zajedničkoj krajnjoj liniji. Kada se dostigne zajednička krajnja linija, intenzitet dva laserska zraka koji se sudaraju može se smanjiti izbegavanjem preklapanja puteva očvršćavanja. Ovo ima za cilj da spreči rizik od nepoželjnog lokalnog unosa toplote na temperaturi kaljenja.

[0008] Iz DE 112013004368 T5 je, konačno, poznat postupak za lasersko očvršćivanje površine rukavca radilice, pri čemu površina koja treba da se očvrsne obuhvata najmanje jednu delimičnu oblast osetljivu na toplotu i delimičnu oblast manje osetljivu na toplotu. Prema ovom postupku, laserski snop se skenira na način da se obe površine zagrevaju u različitim stepenima različitom modulacijom laserskog zraka. Delovi radilice pored otvora za podmazivanje uljem izloženi su manjem unosu toplote nego druge površine radilice.

[0009] Nasuprot tome, predmetni pronalazak je zasnovan na cilju realizacije površine oboda točkova na železničkim točkovima proizvedene laserskim kaljenjem, što smanjuje habanje između diska točka i koloseka čak i pod teškim uslovima okloline i na taj način omogućava duže vreme rada između dva ciklusa održavanja. Poseban cilj je da se sve površine izložene abraziji i na vencu i na susednom gazećem sloju točka mogu ravnomerno obraditi, tako da se može izbeći posebno habanje povezano sa habanjem koje varira u odnosu na gorepomenuti obod diska točka.

[0010] Posebno treba izbegavati štetne uticajne varijable kao što su remetilačke mikro-vibracije između diska točka i traga, koje mogu prouzrokovati da disk točkova bude izvan zaobljenosti tokom vožnje, odgovarajućom modulacijom laserskog zraka kako bi se stvorilo ujednačeno napredovanje tvrdoća-dubina putanje za lasersko očvršćavanje.

[0011] Polazeći od prethodnog stanja tehnike pomenutog na početku, postupak prema pronalasku obuhvata korake postupka prema patentnom zahtevu 1 sa daljim realizacijama prema patentnim zahtevima od 2 do 8 koji štite postupak.

[0012] Moraju se uzeti u obzir dodatni faktori uticaja, kao što je sastav materijala diska točka prema DIN EN 13262, stanje površine kao što je hrapavost, stepen oksidacije, homogenost materijala diska točka, temperatura okruženja, itd.

[0013] Zbog inventivne karakteristike prema pronalasku da laserska tačka opisuje uzorak skeniranja u obliku uske linije poprečno na površinu koja se obrađuje, što odgovara rotaciji diska točka, i prostire se po celoj njegovoj širini, obloženi površinski sloj sa većom čvrstoćom od ostatka diska točka može se proizvesti uz posebno kratko vreme laserskog procesa, pri čemu se površnim unosom toplote može postići izražen temperaturni gradijent u dubini oboda točka.

[0014] Dodatna karakteristika prema pronalasku da oblik linije uzorka za skeniranje ide ukoso u odnosu na osu rotacije diska točka svojom uzdužnom osom omogućava da se u velikoj meri izbegnu vertikalne mikro-vibracije, koje mogu dovesti do jačih vibracija unutar kontura kontakta između diska točka i koloseka. Umesto toga, nagib laserske tačke postiže ravnomerno povećanje tvrdoće i homogenu distribuciju tvrdoće unutar laserske putanje, stvarajući na taj način površinu gazišta (gazećeg sloja) i/ili venca točka koja se uglavnom ne haba.

[0015] Izbegavanjem pomenutih mikro-vibracija, koje mogu dovesti do zaobljenosti diska točka, a samim tim i do prekida kontakta točka i šina, moguće je značajno produžiti vek trajanja diska točka između uzastopnih održavanja, što rezultira značajnim uštedama.

[0016] Zbog susedne zone preklapanja prema pronalasku na početku i nakon završetka punog obrtaja diska točka sa smanjenom snagom laserskog izvora, moguće je napraviti laserski tretiranu površinu diska točka, koja je izložena habanju, posebno ravnomerno u prelaznim oblastima svake zone preklapanja.

[0017] Povoljno, uzdužna osa oblika linije koja formira lasersku tačku ide u odnosu na ravan okomitu na osu rotacije diska točka unutar ugaonog raspona α između 30 i 60 stepeni, tako da se laserska tačka završava odgovarajuće ukoso na suprotne ivice površine koja se obrađuje.

[0018] U sledećoj realizaciji pronalaska, da bi se izbegla nejednakost raspodele tvrdoće u blizini ivice, korisno je da se šablon skeniranja laserske tačke završava zaobljenjem na ivici.

[0019] Kao pogodna realizacija pronalaska, predviđeno je da se laserska tačka unutar zone preklapanja modulira sa povećanjem snage na početku obrtaja i opadajućom snagom na kraju, čime se izbegavaju neželjene štetne vibracije tokom vožnje u oblastima prelaza.

[0020] U realizaciji sa najmanje dva puna obrtaja diska točka, prvim za lasersko kaljenje, drugim za lasersko otpuštanje, moguće je postići tvrdoću ivica i željene dubine njihove tvrdoće za uobičajene materijale diskova točkova bez ograničenja.

[0021] Štaviše, u skladu sa daljom realizacijom pronalaska, predviđeno je da se prva puna revolucija za lasersko očvršćavanje sprovodi sa laserskom modulacijom pogodnom za stvaranje tvrdoće ivice > 600 HV, nakon čega sledi drugi puni obrt plus zona preklapanja za lasersko otpuštanje sa odgovarajućom laserskom modulacijom za generisanje ivice tvrdoće između 380 i 430 HV (vidi dijagram prema Sl.4).

[0022] Da bi se postigao dug radni vek, dalja realizacija pronalaska obezbeđuje da se laserska modulacija za lasersko otpuštanje na odgovarajući način kontroliše tako da l da generiše maksimalnu dubinu očvršćavanja između 0,5 i 2,0 mm (vidi dijagram prema Sl.4).

[0023] Prema daljem predlogu prema pronalasku, pogodno je obezbeđena mehanička prethodna obrada površine koja se obrađuje, tako da se sloj oksida prisutan na obodu točka mehanički uklanja pre prvog obrtaja diska točka radi laserskog očvršćavanja i/ili posle svakog daljeg obrtaja diska točka za lasersko otpuštanje. U suprotnom postoji opasnost od formiranja lokalnih temperaturnih vrhova, što može dovesti do automatskog smanjenja snage lasera i do mekih tačaka (tokom očvršćavanja) ili tvrdih tačaka (tokom otpuštanja).

[0024] Pronalazak je objašnjen u daljem tekstu korišćenjem crteža kao primera. Slike prikazuju:

• Na slici 1 prikazan je delimični presek kroz profil diska točka železničkog točka

• Slika 2 je šematski prikaz laserske tačke na gazećem sloju diska točka koji se obrađuje • Slika 3 je prikaz kontakta točak-šina sa Hercovom kontaktnom površinom i

• Slika 4 je dijagram krive tvrdoća-dubina laserske putanje nakon laserskog očvršćavanja i laserskog otpuštanja.

[0025] Na Sl. 1 prikazan je delimični presek diska 1 točka železničkog točka kroz njegovu osu rotacije. Delimični presek prolazi kroz obod 2 diska 1 točka. Mreža 3 diska 1 točka, koja ide do glavčine, prikazana je skraćeno u predelu njenog prelaska na obod 2. Na spoljnom obodu 2 prolazi gazište 4 diska 1 točka, koje se u radijalnom smeru spaja preko krivine 11 na bočnu vodeću površinu venca 5 točka. Osa rotacije 6 diska 1 točka železničkog točka ili odgovarajućeg sklopa točkova nacrtana je na smanjenom rastojanju.

[0026] Na gazištu 4, laserska tačka 7 je prikazana ukoso pod uglom ∝ u odnosu na aksijalnu površinu sečenja kao uski oblik linije koji je zaobljen na suprotnim krajevima. To znači da kada se disk 1 točka rotira, laserska tačka 7 je poravnata sa svojom uzdužnom osom ukoso pod uglom∝ u odnosu na osu rotacije 6 i održava ovu orijentaciju tokom rotacije diska 1 točka.

[0027] U zavisnosti od zahteva za tvrdoćom površine koja se obrađuje, proces laserskog očvršćavanja može biti različit za bočne strane površine diska točka koje naležu na šine.

[0028] S jedne strane, postoji mogućnost čistog laserskog očvršćavanja za postizanje posebno visokih nivoa tvrdoće; S druge strane - poželjno za evropske primene - moguće su kombinacije stvarnog procesa očvršćavanja sa naknadnim procesom laserskog otpuštanja, iako su parametri procesa prilično različiti.

[0029] Dok temperatura očvršćavanja na površini koja se obrađuje iznosi oko 1150 stepeni Celzijusa, temperatura otpuštanja je znatno niža - oko 530 stepeni Celzijusa.

[0030] Dok je tokom laserskog očvršćavanja brzina kretanja koja odgovara rotaciji diska točka oko 100 mm/min, tokom procesa otpuštanja je znatno manja, odnosno oko 70 mm/min.

[0031] Vrednosti za početak procesa se, takođe, razlikuju kada je u pitanju snaga lasera, odnosno za proces očvršćavanja je na oko 6 kW, a za proces otpuštanja je 5kW. Odgovarajuće kontrolne intervencije daju veoma različite vrednosti tokom ovih sekvenci procesa.

[0032] Kao što je gore pomenuto, za proces laserskog očvršćavanja prema pronalasku, za dve varijante procesa laserskog očvršćavanja i/ili laserskog otpuštanja uzimaju se u obzir različiti zahtevi za površinu laserske putanje.

[0033] Gore opisani nagnuti položaj laserske tačke 7 omogućava, kao što je prikazano na Sl.2, da se utiče na početnu i završnu fazu laserske putanje tokom uzastopnih faza procesa, tako da se garantuje što glatkiji prelaz na početku i na kraju svakog punog obrtaja diska 1 točka pod dejstvom laserske tačke.

[0034] Zbog nagnutog položaja laserske tačke 7, može da se koristiti zona 8 preklapanja sa prilagođenom, npr. nižom površinskom tvrdoćom na početku i na kraju svakog punog obrtaja tretiranog diska 1 točka, što omogućava glatko kotrljanje u kontaktu koloseka i šine. Razlog za to je široko izbegavanje mikro-vibracija na površini tretiranoj laserom. Takve mikro-vibracije inače proizvode sve veće zaobljenosti kao rezultat vertikalne dinamike unutar kontakta koloseka i šine.

[0035] Proces Laserskog otpuštanja favorizuje uticaj zone preklapanja jer dobijena manja tvrdoća gazišta u kontaktu koloseka i šina omogućava amortizovano kotrljanje.

[0036] Prikaz zone 8 preklapanja prema Sl.2 odgovara približno razmeri 1:1 sa širinom gazišta 4 od približno 60 mm. Takva zona 8 preklapanja širine B i dužine L je obezbeđena pre početka laserske putanje i nakon njenog završetka. Na crtežu je prikazana, u tri faze, eliptična kontura 10 Hercovog kontakta točak-šina za fino premošćavanje u oblasti zone preklapanja laserske putanje, čime se štetne vibracije, koje se češće javljaju u poznatim laserskim tačkama, koji su poprečne na putanju, uglavnom izbegavaju.

[0037] U vezi sa Hercovom kontaktnom površinom, upućuje se na Sl.3, koja prikazuje šematski prikaz delimičnog oboda gazišta 4 diska 1 točka na šinskom delu 9 železničke pruge. Hercova kontaktna površina 10 ucrtana na koloseku odgovara kontaktu točak-šina, odnosno u tački kontakta ose (η, ε, kontaktnih sistema točka i šine se poklapaju i formiraju eliptične Hercove kontaktne površine 10 prikazane odvojeno na Sl.3 sa poluosama a i b, pri čemu je kraća poluosa b usmerena u pravcu kretanja.

[0038] U daljem tekstu su objašnjeni rezultati dobijeni preliminarnim testiranjima, koji se odnose na postupak prema pronalasku. Rezultati laserskog očvršćavanja prilikom izrade kružne putanje očvršćavanja železničkog točka se ili tretiraju procesom čistog laserskog očvršćavanja u prvom obrtaju točka ili laserskim očvršćavanjem u prvom obrtaju točka i naknadnim laserskim otpuštanjem u sledećem obrtaju točka. Ono što je ovde bitno je modulacija laserskog zraka u pogledu njegove snage i/ili brzine skeniranja i/ili veličine laserske tačke i/ili šablona skeniranja i/ili vremena laserskog procesa.

[0039] Gazišta diskova točkova na železničkim lokomotivama i vagonima su podložne različitom stepenu habanja u zavisnosti od površinske tvrdoće diska točkova i šine, kao i od preovlađujućih uslova okoline. Na primer, u arapskom regionu, efekat peska kao abrazivnog sredstva na visokim temperaturama predstavlja ekstremni izazov u smislu habanja materijala, tako da je vreme rada između dva ciklusa održavanja diskova točkova na garniturama železničkih točkova shodno tome kratko i dovodi do visokih operativnih troškova.

[0040] Serija ispitivanja sprovedena je sa jednostepenim ili dvostepenim laserskim termičkim tretmanom sa ciljem postizanja tvrdoće ivice, odnosno maksimalne tvrdoće na dubini očvršćavanja između 0,5 i 2,0 mm, pri čemu je specificirana širina putanje očvršćavanja od oko 60 mm.

[0041] Osim toga, izabrana je uska laserska tačka u obliku linije, na primer, u obliku profila tanke trake sa odnosom dužine i širine između 50 i 30, poželjno približno 40.

[0042] Za sledeći opis rezultata, laserska termička obrada je sprovedena u dve faze procesa, koje su obuhvatale prvu rotaciju točka nakon procesa laserskog očvršćavanja i/ili naknadnu rotaciju točka nakon procesa laserskog otpuštanja. Sloj oksida iz prvog laserskog procesa je mehanički uklonjen da bi se obezbedila stabilna kontrola procesa tokom laserskog otpuštanja.

[0043] Pored toga, prema predmetnom pronalasku, ukoso ravnanje laserske tačke u odnosu na osu rotacije je korišćeno u obe faze procesa i zona preklapanja sa smanjenom snagom lasera je takođe korišćena na početku i na kraju svakog punog obrtaja u oba laserska procesa.

[0044] Što se tiče opreme, preliminarna ispitivanja su obavljena sa diodnim laserom velike snage od 6 kW sa prečnikom optičkog vlakna od 1500 µm, korišćenjem standardne fokusirajuće optike sa prečnikom fokusa od 15 mm.

[0045] Odgovarajuća optika skenera – poznata pod brendom LASSY – korišćena je za postavljanje ujednačenog temperaturnog polja i za kontrolu širine laserskog fokusa.

[0046] Odgovarajuće termovizijske kamere su služile kao kontrolori procesa, tj.

za proces očvršćavanja: standardni E-MAKQS sa softverom za kontrolu LompocPro za proces otpuštanja: isti standard, ali za opseg niskih temperatura.

[0047] Rezultat je prikazan na dijagramu prema Sl. 4, čija apscisa pokazuje dubinu u mm, a ordinata dubinu tvrdoće u jedinici HV0.5. U ovom dijagramu, gornja kriva LH označava krivu pri maksimalnom očvršćavanju za proces laserskog očvršćavanja, a donja kriva LA predstavlja proces otpuštanja. Nјegova ciljna tvrdoća je označena pravom linijom ZH na 420 HV0.5.

[0048] Kriva otpuštanja LA opisuje postizanje cilja ZH.

[0049] Dvostepeno površinsko uvođenje toplote stvara izražen temperaturni gradijent u dubinu. U oba nivoa tvrdoće (videti krive LH i LA), korišćeno je kratko vreme laserskog procesa od samo devet sekundi po obrtaju – bez ikakvog prethodnog ili naknadnog vremena unutar zona preklapanja.

[0050] Iz kriva tvrdoća-dubina prikazanih na Sl.4, može se izvesti izražen temperaturni gradijent u dubini, na koji značajno utiče površinski unos toplote pomoću uske laserske tačke u obliku linije, kratko vreme laserskog procesa od oko 9 sekundi i homogenost strukture materijala oboda točka.

[0051] Što se tiče parametara otpuštanja, utvrđeno je da se mora poštovati veoma precizna koordinacija u pogledu optimalne temperature otpuštanja i vremena izlaganja kako bi se postigla ujednačena kriva tvrdoća-dubina prikazana prema krivi otpuštanja LA. Konkretno, pokazalo se da čak i mala temperaturna odstupanja od 10 do 20 stepeni Kelvina dovode do jasno merljivih efekata, što može dovesti do odstupanja od ujednačene distribucije unutar zone očvršćavanja, odnosno precizno oblikovanje snopa se mora uzeti u obzir kao deo modulacija laserske tačke.

Claims (8)

Patentni zahtevi

1. Postupak za lasersko očvršćivanje u suštini cilindrične površine radnog elementa, posebno oboda (2) točka diska (1) točka kolosečno vođenog železničkog točka, najmanje delimičnom širinom njegovog gazišta (4) koje je izloženo habanju i/ili strane njegovog venca (5) točka koja je okrenuta prema gazištu (4), uključujući sledeće korake postupka:

- projektovanje laserske tačke (7) na površinu diska (1) točka koji se obrađuje pomoću laserskog izvora,

- stvaranje relativnog kretanja između površine i laserskog izvora rotacijom diska (1) točka oko njegove ose rotacije,

- skeniranje laserskog zraka u odnosu na površinu koja se obrađuje tokom rotacionog kretanja,

- modulisanje laserskog zraka prema različitim kriterijumima, kao što su njegova snaga i/ili brzina skeniranja i/ili veličina laserske tačke i/ili šablon skeniranja,

- pri čemu laserska tačka (7) opisuje šablon skeniranja u obliku uskih linija poprečnih u odnosu na površinu koja se obrađuje, što odgovara rotaciji diska (1) točka, i prostire se po celoj njegovoj širini, pri čemu oblik linije šablona skeniranja ide sa svojom uzdužnom osom nagnutom u odnosu na osu točka rotacije (6) diska (1) točka, i

pri čemu laserski izvor radi sa smanjenom snagom nakon najmanje jednog prvog potpunog obrtaja diska (1) točka unutar zone (8) preklapanja koja se nalazi u blizini početka i/ili kraja površine koja se obrađuje.

2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što uzdužna osa oblika linije koja formira lasersku tačku (7) formira ugao α od 30 do 60 stepeni u odnosu na ravan pod pravim uglom na osu rotacije (6) diska (1) točka, tako da se laserska tačka (7) završava pod odgovarajućim uglom na suprotnim ivicama površine koja se obrađuje.

3. Postupak prema zahtevu 2, naznačen time, što se šablon skeniranja laserske tačke (7) završava odgovarajućom zaobljenom ivicom.

4. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što se laserska tačka (7) unutar zone preklapanja (8) modulira sa rastućom snagom na početku obrtaja, a sa opadajućom snagom na kraju obrtaja.

5. Postupak laserskog očvršćavanja prema zahtevu 1, naznačen time, što se sprovode najmanje dva potpuna obrta diska (1) točka, prvi za lasersko očvršćavanje, drugi za lasersko otpuštanje.

6. Postupak laserskog očvršćavanja prema zahtevu 5, naznačen time, što se prvi potpuni obrt za lasersko očvršćavanje odvija sa laserskom modulacijom pogodnom za generisanje tvrdoće ivice > 600 HV, nakon čega sledi drugi potpuni obrt za lasersko otpuštanje sa laserskom modulacijom pogodnom za generisanje tvrdoće ivice između 380 i 430 HV.

7. Postupak laserskog očvršćavanja prema zahtevu 6, naznačen time, što je laserska modulacija za lasersko otpuštanje na odgovarajući način kontrolisana da generiše maksimalnu dubinu tvrdoće između 0,5 i 2,0 mm.

8. Postupak laserskog očvršćavanja prema zahtevu 5, naznačen time, što se oksidni sloj, koji je prisutan na obodu (2) točka ili koji se formira nakon prethodnog laserskog tretmana, mehanički uklanja pre prvog i/ili posle svakog dodatnog obrtaja diska (1) točka.