專利名稱：一種薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法
技術領域：
本發明涉及一種冷卻處理方法，更具體的是指一種防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接等非穩態劇烈加熱加工過程中過度受熱、變形、過燒、燒穿的局部高效冷卻處理方法。
諸如激光熔覆、焊接、噴涂的非穩態劇烈加熱加工，加熱強度大，熱流集中，零件升溫速率極快，并且熱源與工件保持相對運動狀態，局部加熱時間短，只是使零件局部熔化或在零件表面產生微熔。這種加熱方式明顯區別于箱式爐對零件的整體均勻加熱，容易造成薄壁零件的變形、過熱、過燒、燒穿。
目前，在激光熔覆、熱噴涂及焊接等非穩態劇烈加熱過程中，主要采用機械夾持的方法來防止薄壁零件的受熱變形，由此帶來的工裝十分復雜，實施也較為困難，而且該方法并不能防止薄壁零件被過度受熱、過燒、燒穿及由此引起的強度等性能的下降。現一般采用的冷卻技術是利用物質熱容吸熱原理，通過氣體、液體介質的對流、熱傳導來散熱降溫，由于物質等壓熱容一般只在20～40 J K-1mol-1范圍內，而激光熔覆、熱噴涂及焊接等加工過程中的加熱具有非穩態性和劇烈性的特征，對薄壁零件采用此種方法的冷卻效果不大，難以有效防止薄壁零件被過度受熱、變形、過燒、燒穿。
為了克服上述冷卻方法的不足，本發明提出了一種可廣泛應用于航空、航天、機械、鋼鐵及汽車、船舶等工業中，防止薄壁零部件在激光熔覆、熱噴涂及焊接等非穩態劇烈加熱加工過程中過度受熱、變形、過燒、燒穿的局部高效冷卻處理方法。
發明目的本發明的目的是，針對上述薄壁零部件在非穩態劇烈高溫加熱加工過程中遇到的有效冷卻問題，基于低熔點金屬熔化相變潛熱非穩態局部高效吸熱原理，提出了一種防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接等非穩態劇烈加熱加工過程中過度受熱、變形、過燒、燒穿的局部高效冷卻技術方法。該技術方法實施簡捷、經濟可行，可廣泛適用于航空、航天、機械、鋼鐵及汽車、船舶等工業中。
在本發明中對受熱溫度要求不超過700℃的薄壁零件，選用鋁或鋁合金薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
在本發明中對受熱溫度要求不超過350℃的薄壁零件，選用鉛薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
在本發明中對受熱溫度要求不超過250℃的薄壁零件，選用錫薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
所述的冷卻方法中還可將同種材料的冷卻金屬薄板材料層疊起來，實現更高效的吸熱冷卻。
所述的冷卻方法中冷卻金屬還可以選用低熔點金屬粉末，采用粘接劑將其與薄壁零件待加工面的背面粘合在一起。
本發明的一種防止薄壁零件在非穩態加熱加工處理過程中的局部冷卻方法，具有以下幾方面獨特之處1、吸熱量大，由于金屬的熔化潛熱很大，一般在10～30 kJ mol-1之間，熔化瞬間的吸熱量就很大；
2、吸熱速度快，瞬間完成；3、通過選用不同熔點的冷卻金屬，可以實現對不同加熱溫度要求的薄壁零件在加工過程中的受熱溫度控制；4、方法實施簡捷方便、經濟可行。
圖2是
圖1的橫截面材料結構局部放大示意圖。
圖3是本發明的板條狀薄壁零件在焊接過程中的冷卻處理示意圖。
圖3(a)是不焊穿，機械夾持焊接過程中的冷卻處理示意圖。
圖3(b)是不焊穿，彈簧壓緊焊接過程中的冷卻處理示意圖。
圖3(c)是焊穿，彈簧壓緊焊接過程中的冷卻處理示意圖。
圖中1.送粉器 2.激光熔覆熔池 3.激光熔覆涂層 4.圓環狀薄壁零件5.低熔點冷卻金屬 6.壓緊鋼帶 301.焊接熔池 302.板條狀薄壁零件 303.低熔點冷卻金屬 304.壓緊鋼板 305.彈簧請參見圖1所示的薄壁圓環狀零件激光熔覆加工，以圓環狀零件受熱溫度不能超過700℃，選擇鋁片5作冷卻金屬為例，將鋁板軋制或切割成約5mm厚的鋁片5，長、寬同圓環狀零件4相適配，并置于圓環狀零件4內側壁，然后將帶有鋁片的圓環狀零件套裝在法蘭盤上。為了使鋁片5和圓環狀零件4均勻相接觸，可在法蘭盤與圓環狀零件4之間安裝一壓緊鋼帶6。緊固后便可進行激光熔覆加工處理。激光熔覆工藝參數，如掃描速度(即熱源與工件的相對運動速度)、激光功率、送粉速度等根據具體加工要求而定。這樣隨激光束相對圓環狀零件4表面運動，當圓環狀零件4局部溫度達到鋁的熔點溫度650℃左右，鋁片5就會通過其相當大的熔化潛熱而迅速吸收大量的熱，從而對圓環狀零件4實時進行局部高效冷卻，使圓環狀零件4溫度控制在700℃以下，有效的防止了薄壁零件的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
請參見圖3所示的薄壁板材焊接加工，以板材受熱溫度不能超過350℃，選擇鉛片作冷卻金屬為例，將鉛板加工成約10mm厚、150mm寬的薄鉛片303，根據板材302焊穿與否及兩焊接部件厚度的均勻性，可采用一塊鉛片303置于焊縫下方，如圖3(a、b)所示(圖3(a)是不焊穿，機械夾持焊接過程中的冷卻示意圖。圖3(b)是不焊穿，彈簧壓緊焊接過程中的冷卻示意圖。)，或將兩塊鉛片303緊靠焊縫放置，如圖3(c)所示(圖3(c)是焊穿，彈簧壓緊焊接過程中的冷卻示意圖。)，再直接用壓緊鋼板304機械夾持或在鉛片303和壓緊鋼板304間通過彈簧305使冷卻金屬鉛片303與板材302機械接觸。這樣隨焊接熱源相對板材302表面運動，當板材302局部溫度達到鉛的熔點溫度327℃左右，鉛片303就會通過其相當大的熔化潛熱而迅速吸收大量的熱，從而對板材302實時進行局部高效冷卻，使板材302溫度控制在350℃以下，有效的防止了薄壁零件的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
在本發明中，對受熱溫度要求不能超過700℃的待加工薄壁零件，選用鋁或鋁合金薄板作為冷卻金屬。對受熱溫度要求不能超過350℃的待加工薄壁零件，選用鉛薄板作為冷卻金屬。對受熱溫度要求不能超過250℃的待加工薄壁零件，選用錫薄板作為冷卻金屬。
另外，由于冷卻金屬材料韌性的限制，不易用較厚的冷卻金屬片與曲面形狀待加工零件的形狀適配，可將同種材料的冷卻金屬薄板層疊起來，實現更高效的吸熱冷卻。
對于形狀不規則的零件進行加工，可選用低熔點金屬粉末，采用適當的粘接劑將其與零件待加工面的背面粘合在一起進行加工冷卻處理。粘接劑可以選用水玻璃，加工完畢采用噴砂或機械刮除方法去除拈結劑。
本發明的冷卻方法適用于激光熔覆、熱噴涂(等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂等)及焊接(激光焊接、電弧焊接、火焰焊接、電子束焊接、等離子焊接等)等加工。
權利要求
1.一種薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于冷卻運用金屬熔化相變潛熱非穩態局部高效吸熱原理，采用低熔點冷卻金屬與薄壁零件加工面的背面機械接觸，實現局部高效冷卻，防止薄壁零件在加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿，該冷卻方法可應用于激光熔覆、熱噴涂、焊接非穩態劇烈加熱加工過程中。
2.根據權利要求1所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于低熔點冷卻金屬置于待加工薄壁零件加工面的背面，冷卻金屬可選用鋁、鉛、錫的薄板材料，厚度在1mm～10mm之間，形狀大小同待加工薄壁零件相適配。
3.根據權利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于對受熱溫度要求不超過700℃的薄壁零件，選用鋁或鋁合金薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
4.根據權利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于對受熱溫度要求不超過350℃的薄壁零件，選用鉛薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
5.根據權利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于對受熱溫度要求不超過250℃的薄壁零件，選用錫薄板材料作為冷卻金屬，可防止薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂、焊接在非穩態劇烈加熱加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿。
6.根據權利要求2所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于還可將同種材料的冷卻金屬薄板材料層疊起來，實現更高效的吸熱冷卻。
7.根據權利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，其特征在于冷卻金屬還可以選用低熔點金屬粉末，采用粘接劑將其與薄壁零件待加工面的背面粘合在一起。
全文摘要
本發明公開了一種薄壁零件在激光熔覆、熱噴涂及焊接加工中的局部高效冷卻方法，該冷卻方法主要運用金屬熔化相變潛熱非穩態局部高效吸熱原理，采用冷卻金屬與薄壁零件待加工面的背面機械接觸，實現局部高效冷卻，防止薄壁零件在加工過程中的過度受熱、變形、過燒、燒穿；其所用冷卻金屬為鋁、鉛、錫等熔點較低、韌性較好、高導熱率的薄板材料，厚度在1mm～10mm之間，形狀大小同薄壁零件相適配，根據實際需要，還可將冷卻金屬薄板層疊起來或使用金屬粉末作為冷卻劑；該冷卻方法實施簡捷、經濟可行，適用于激光熔覆、熱噴涂(等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂等)及焊接(激光焊接、電弧焊接、火焰焊接、電子束焊接、等離子焊接等)等加工過程，可廣泛應用于航空、航天、機械、鋼鐵及汽車、船舶等工業中。
文檔編號B23K37/00GK1456416SQ0311934
公開日2003年11月19日 申請日期2003年3月17日 優先權日2003年3月17日
發明者王華明, 湯海波, 于利根, 蔡良續, 張凌云, 席文君 申請人:北京航空航天大學