一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法，涉及機(jī)械制造與材料處理加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，先對(duì)曲軸的損傷區(qū)進(jìn)行激光熔覆處理，熔覆的供給方式為預(yù)置式激光熔覆；再在曲軸的損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護(hù)下，對(duì)曲軸的損傷區(qū)進(jìn)行激光沖擊處理。本發(fā)明提高了金屬表面的耐磨、耐蝕和抗氧化能力，顯著提高了材料的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，有效提高曲軸表面的微動(dòng)疲勞抗力，抑制了疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。因此這種處理方法將使材料的耐磨性、抗蝕性和疲勞強(qiáng)度得到大幅度提高，進(jìn)而延長(zhǎng)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的工作壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械制造與材料處理加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆是一種表面硬化加工技術(shù)，它利用高能量激光束熔化覆層材料，并在基材上形成很薄的、低稀釋率的50μπι?2mm厚的無(wú)氣孔、無(wú)裂紋的，與基材結(jié)合良好的熔覆層。這種工藝技術(shù)可以用單獨(dú)的軌跡相互交疊覆蓋，應(yīng)用于大面積的改性。它的獨(dú)特功能是能夠熔覆多種合金材料并且適合處理小面積區(qū)域。激光熔覆可以在較低的成本條件下，顯著提高材料的表面性能，擴(kuò)大其適用范圍和領(lǐng)域，延長(zhǎng)其使用壽命。
[0003]在先進(jìn)制造技術(shù)中，激光沖擊加工技術(shù)作為高能束的典型代表，是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用，在金屬材料表面形成塑性變形層產(chǎn)生孿晶等晶體并形成極細(xì)小的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，使材料表層形成很大的殘余壓應(yīng)力，從而使金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術(shù)已在機(jī)械工程、船舶、航空、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要用于材料改性、金屬?zèng)_擊強(qiáng)化和成形，以及無(wú)損檢測(cè)等方面。
[0004]發(fā)動(dòng)機(jī)作為整個(gè)汽車(chē)的核心部件，對(duì)汽車(chē)的運(yùn)行可靠性和使用性能具有決定性影響。曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)受力最集中、受力情況最復(fù)雜的部件，也是最容易發(fā)生問(wèn)題的部件，曲軸的質(zhì)量直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)整體的質(zhì)量。曲軸的失效形式主要表現(xiàn)為軸頸磨損和疲勞斷裂。在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于承受交變彎曲與交變扭轉(zhuǎn)載荷的共同作用，曲軸的各個(gè)危險(xiǎn)斷面尤其是軸頸與曲柄間過(guò)渡圓角處，經(jīng)常因應(yīng)力集中造成曲軸斷裂。因此，提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和壽命對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的可靠性和安全性具有非常重要的意義。
[0005]目前，發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)企業(yè)主要采取圓角滾壓與噴丸強(qiáng)化對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和安全使用壽命。但是圓角滾壓由于受到曲軸加工工藝的限制，各軸頸圓角很難與滾輪吻合，往往造成圓角處發(fā)生啃切，而且滾壓后曲軸變形較大，效果不佳。噴丸強(qiáng)化可以有效避免上述情況發(fā)生，但是噴丸過(guò)程對(duì)曲軸的表面粗糙度影響較大，且噴丸形成的殘余壓應(yīng)力一般只有0.1?0.8_。
[0006]專(zhuān)利號(hào)為CN200810015524.2的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種正火態(tài)球墨鑄鐵曲軸的氮化、沉割圓角滾壓強(qiáng)化工藝。該工藝是對(duì)曲軸主軸頸和連桿頸進(jìn)行圓角沉割，再進(jìn)行氮化，通過(guò)對(duì)氮化爐氣氛的控制，使曲軸軸頸及圓角表面形成滲氮層，然后利用滾壓輪對(duì)沉割后的圓角進(jìn)行滾壓。這種強(qiáng)化工藝，可有效提高曲軸的疲勞彎矩及曲軸軸頸耐磨性，但是該工藝較為復(fù)雜，滾壓后曲軸變形較大，效果不佳，影響曲軸的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種克服以上修復(fù)缺陷、能綜合改善汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的機(jī)械性能的激光修復(fù)再制造方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法，包括以下步驟:A:對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確定曲軸的損傷區(qū)；B:對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的損傷區(qū)進(jìn)行激光熔覆;C:在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護(hù)下，對(duì)曲軸的損傷區(qū)進(jìn)行激光沖擊處理。
[0009]上述方案中，步驟B中對(duì)損傷區(qū)先進(jìn)行打磨拋光并清潔干凈后，再進(jìn)行激光熔覆，以防止雜質(zhì)熔入熔覆層內(nèi)產(chǎn)生二次裂紋或者孔洞，達(dá)不到延長(zhǎng)曲軸的工作壽命的目的。
[0010]上述方案中，步驟B中，熔覆的供給方式為預(yù)置式激光熔覆。
[0011]上述方案中，用于激光熔覆的激光器選用YAG脈沖激光器，所述YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光的功率范圍為1000W?1500W，掃描速度范圍為2?30mm/s，使熔覆層的表觀質(zhì)量最佳，無(wú)裂紋和孔洞產(chǎn)生。
[0012]上述方案中，激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?1.0mm。這是由于熔覆層是利用高能密度的激光束將熔覆粉末與曲軸表面薄層一起熔凝，形成冶金結(jié)合的涂層。熔覆層厚度為0.2?1.0mm的范圍，其耐磨性和抗氧化性要遠(yuǎn)高于原來(lái)的基體層，能起到更好的保護(hù)曲軸的作用，延長(zhǎng)曲軸的工作壽命。
[0013]上述方案中，用于激光沖擊處理的激光器采用CO2激光器，為了達(dá)到曲軸發(fā)生局部塑性變形所需的最短時(shí)間，保障材料發(fā)生動(dòng)態(tài)塑性變形，在塑性層中存在殘余壓應(yīng)力，材料位錯(cuò)密度得到延長(zhǎng)，使材料屈服強(qiáng)度提高，從而使材料的壽命得到延長(zhǎng)，所述CO2激光器的工藝參數(shù)為:輸出波長(zhǎng)為10.6μπι，脈沖能量為35J?50J。
[0014]上述方案中，所述吸收層為硅酸乙脂黑漆涂層。硅酸乙脂黑漆涂層是采用有機(jī)溶劑配置合成的材料作為激光吸收涂層，可以有效吸收激光能量，提高激光沖擊效果，表面硬度大大提高，從而顯著改善材料的耐磨性，增加材料的疲勞壽命。
[0015]上述方案中，所述約束層為水或玻璃。
[0016]本發(fā)明的有益效果:通過(guò)將激光熔覆與激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合，避免了常規(guī)加工方法中曲軸表面粗糙度增加、滾壓后曲軸變形較大，效果不佳等問(wèn)題。本發(fā)明先對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，使熔覆層材料與基體形成良好的冶金結(jié)合，提高了金屬表面的耐磨、耐蝕和抗氧化能力，顯著提高了材料的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。本發(fā)明再對(duì)熔覆層進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，在曲軸表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應(yīng)力，有效提高曲軸表面的微動(dòng)疲勞抗力，抑制疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。因此這種處理方法將使材料的耐磨性、抗蝕性和疲勞強(qiáng)度得到大幅度提高，進(jìn)而延長(zhǎng)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的使用壽命。本工藝適用于各類(lèi)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸表面改性和修復(fù)。其更具體的優(yōu)點(diǎn)如下:1、修復(fù)效果更好:激光熔覆沖擊復(fù)合處理不僅能有效修復(fù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的裂紋，而且激光沖擊形成的殘余應(yīng)力層深度是機(jī)械噴丸形成的10倍左右，可顯著提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的疲勞壽命達(dá)3倍以上。2、適用范圍更廣:對(duì)于一定的基體材料，可以選擇適當(dāng)?shù)娜鄹卜勰┻M(jìn)行修復(fù)。激光熔覆結(jié)合激光沖擊復(fù)合處理技術(shù)可以對(duì)任意形狀、任意曲面進(jìn)行修復(fù)，而其他修復(fù)方法都有其局限性。
3、激光熔覆沖擊復(fù)合處理技術(shù)修復(fù)材料表面的變形很小，不影響結(jié)構(gòu)件芯部性能。4、激光熔覆沖擊復(fù)合處理技術(shù)修復(fù)簡(jiǎn)單快捷，效率高，大大降低了維修成本。5、激光熔覆沖擊復(fù)合處理技術(shù)環(huán)保性優(yōu)異:沒(méi)有任何污染。避免采用回爐、冶煉等回收方式時(shí)對(duì)環(huán)境的二次污染，是綠色的再制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本實(shí)施例中進(jìn)行激光熔覆和激光沖擊后的曲軸表層硬度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]修復(fù)工藝:對(duì)材料為QT700球墨鑄鐵曲軸進(jìn)行修復(fù)。
[0019]先對(duì)曲軸進(jìn)行除油、除銹，并用酒精清洗干凈，然后對(duì)曲軸進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，精確定位損傷部位。接著對(duì)損傷部位殘余物清除，缺陷徹底清除干凈后，對(duì)曲軸損傷部位進(jìn)行打磨拋光，然后用PT探傷確認(rèn)損傷是否徹底清凈。把已處理好的曲軸固定于工作臺(tái)上，將其定位好后用夾具固定夾緊。
[0020]調(diào)節(jié)工作臺(tái)，使待熔覆曲軸與同軸工作頭處于合適的加工位置，調(diào)節(jié)用于激光熔覆的YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光功率為1500W，光斑直徑為5mm，掃描速度為5mm/s，搭接率為30%。熔覆粉末采用與基材合金結(jié)合較好的鐵基合金粉末，粒度為325目。對(duì)損傷部位進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，通過(guò)數(shù)控操作臺(tái)調(diào)節(jié)工作臺(tái)，使曲軸按一定的軌跡移動(dòng)掃描完所需激光熔覆修復(fù)的區(qū)域。
[0021 ]激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?1.0mm。
[0022]待熔覆層冷卻后，用酒精清洗曲軸表面，干燥后涂上硅酸乙脂黑漆，把曲軸再放到工作臺(tái)上，定位好后用夾具將其夾緊。調(diào)節(jié)工作臺(tái)，使曲軸處于合適的加工位置，此時(shí)通過(guò)中央控制處理器控制CO2激光器控制器和光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)CO2激光器參數(shù):激光脈沖能量為35J?50J，50J以內(nèi)的激光脈沖能量就能滿足實(shí)驗(yàn)要求，高于50J則增加成本。但是脈沖能量不能低于35J，如低于35J，則材料不易發(fā)生動(dòng)態(tài)塑性變形，達(dá)不到延長(zhǎng)使用壽命的要求。輸出波長(zhǎng)為10.6μπι，光斑直徑為5mm，以水為約束層對(duì)涂層區(qū)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，然后用酒精清洗沖擊區(qū)的硅酸乙脂黑漆。
[0023]驗(yàn)證結(jié)果:如圖1所示的激光熔覆和激光沖擊后的曲軸表層硬度分布圖。
[0024]其中的兩個(gè)個(gè)曲線分別為:曲軸表面未經(jīng)過(guò)處理(基材)表層硬度和距表層距離的關(guān)系、曲軸表面經(jīng)過(guò)激光沖擊處理后表層硬度和距表層距離關(guān)系。
[0025]由圖1可見(jiàn):通過(guò)本發(fā)明激光熔覆和激光沖擊強(qiáng)化修復(fù)的曲軸硬度顯著提高，表面硬化層的顯微硬度可高達(dá)590 HV，硬化層深度約為1.0 mm，耐磨性和抗擦傷性能得到顯著提高。這對(duì)改進(jìn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料性能具有重要意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的激光修復(fù)再制造方法，其特征在于包括以下步驟: 1)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確定曲軸的損傷區(qū)； 2)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的損傷區(qū)進(jìn)行激光熔覆處理，熔覆的供給方式為預(yù)置式激光熔覆； 3)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護(hù)下，對(duì)刀具的損傷區(qū)進(jìn)行激光沖擊處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:對(duì)損傷區(qū)進(jìn)行打磨拋光并清潔干凈后進(jìn)行激光熔覆處理。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:用于激光熔覆的YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光的功率范圍為100W?1500W，掃描速度范圍為2?30mm/s。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于:激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?I.0mm05.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述激光沖擊處理時(shí)，CO2激光器的工藝參數(shù)為:輸出波長(zhǎng)為10.6μπι，脈沖能量為35J?50J。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述復(fù)合處理方法，其特征在于所述吸收層硅酸乙脂黑漆涂層。7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述復(fù)合處理方法，其特征在于所述約束層為水或玻璃。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK105862028SQ201610252689
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】任旭東, 楊進(jìn)德, 李琳, 佟艷群, 吳教義, 任云鵬, 孫建榮, 戴峰澤
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)