機器部件熔覆策略的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明概括性涉及機器部件熔覆領域，更具體地涉及將入射激光束分成清潔光束和焊接光束以用于機器部件表面的凈化和熔覆。
【背景技術】
[0002]激光在現代工業中有許多不同的應用。激光用于直接熔化材料和預熱零件，還用于許多不同的診斷和過程控制應用中。此外，在焊接激光領域內提供了精確控制熱能的空域和時域傳遞的優點。一種特殊類型的激光焊接被稱為激光溶覆，其中激光束用來在與待熔覆的零件接觸時或在接觸待熔覆的零件之前熔化原料。在某些實例中，原料以噴射或預先放置粉末等的形式提供，而在其他實例中以絲線的形式提供。
[0003]長期以來，某些零件的熔覆被認為是用于提高零件的所有的或某些區域的性能和/或使用壽命的策略，并且激光熔復技術可以在許多情況下提供極高的處理效率。某些機器部件是眾所周知的受益于將相對硬的或其他抗疲勞或抗損傷熔覆應用于部件的較軟的基材之上。激光設備往往是相對昂貴的，但是，激光熔覆技術的應用似乎遠遠沒有達到其完全的理論潛能。對于激光配置和操作的已知技術，以及將激光熔覆技術擴展至新應用，有大幅的改進空間。在Anderton等人的第5994664號美國專利中闡述了一種激光恪覆履帶襯套和工藝。
【發明內容】
[0004]在一方面中，一種熔覆機器部件的方法包括:將入射激光束分裂成清潔光束和焊接光束，并將清潔光束和焊接光束朝向機器部件引導，使得清潔光束和焊接光束照射在機器部件的表面上。該方法還包括:相對于清潔光束和焊接光束移動機器部件，使得焊接光束沿著表面上的共同行進路徑跟隨在清潔光束后方。該方法還包括:通過清潔光束沿共同行進路徑凈化表面，以及通過焊接光束熔化熔覆材料，使得熔化的熔覆材料沿共同行進路徑接觸已凈化的表面并且在固化后結合到形成該表面的機器部件材料。
[0005]在另一方面中，一種再制造機器部件的方法包括:在機器系統中使用之后并且已被機械加工去除了其中具有缺陷的機器部件的材料后接收機器部件。該方法還包括:將各自從入射激光束分裂的清潔光束和焊接光束朝向至少部分地通過機械加工形成的機器部件的表面導向，以便清潔光束和焊接光束照射到該表面上。該方法還包括:相對清潔光束和焊接光束移動機器部件，使得焊接光束沿著表面上的共同行進路徑跟隨在清潔光束后方。該方法還包括:通過清潔光束沿共同行進路徑凈化表面，以及通過焊接光束熔化熔覆材料，使得熔化的熔覆材料沿共同行進路徑接觸已凈化的表面并且在固化后形成結合到機器部件的涂層而代替被去除的材料。
【附圖說明】
[0006]圖1是根據一個實施例的具有適用于熔覆的機器部件的分解的機器系統的示意圖；
[0007]圖2是根據一個實施例的、包括詳細的放大部分、正在處理階段的圖1的機器部件的不意圖；
[0008]圖3是在另一個處理階段的機器部件的示意圖；
[0009]圖4是在圖3的處理階段的機器部件的一部分的放大示意圖；以及
[0010]圖5是在圖3的處理階段的機器部件的局部放大視圖。
【具體實施方式】
[0011]參考圖1，示出了機器系統10，其可能出現在拆卸下來用于檢查時和在開始再制造之前。機器系統10可以是例如壓縮點火內燃機系統的發動機系統，其包括從發動機殼體14上去除的機器部件12。在一個實際的實施策略中，機器部件12包括諸如具有細長軸體26的曲軸的發動機軸，并且殼體14包括諸如具有多個氣缸18的氣缸體16、氣缸蓋20以及曲軸軸承蓋或支撐件22的各種部件。本領域技術人員應理解的是，圖1圖示中省略了發動機系統14的各種其他部件。部件12可以替代為凸輪軸，或用于諸如各種傳動裝置的機器系統中的任何各種其他典型的高性能和/或疲勞敏感部件。如將在以下描述中更加明顯的，機器部件12可以在系統10中的使用后被接收，并且根據本發明被再制造為將部件12恢復到與新的一樣好或比新的更好的狀態。
[0012]由于使用中的各個機器部件經歷相對惡劣的工作條件，在拆卸機器系統以進行再制造時所關注的機器部件通常出現各種形式的磨損和/或損壞。例如，細長且可旋轉的機器部件(諸如曲柄軸和凸輪軸)通常通過軸承可旋轉地軸頸連接在殼體內。在部件12的情況中，各由附圖標記24示出的第一和第二對開式軸承以常規方式用于這些目的。本領域技術人員將容易了解，部件12在位于氣缸體12與支撐件22之間時將在軸承24內旋轉，以按照眾所周知的方式將線性活塞運動轉換為系統10內的旋轉運動。諸如扭轉負載、推力負載、累積公差或制造缺陷、潤滑油中的污染物等的不同工作條件和因素可導致部件12在使用期間產生缺陷。內燃機中的曲柄軸或凸輪軸的典型使用壽命可以為數千小時。當被供應到軸承24的潤滑油中引入污染物、發生冷卻故障或發生與理論最優條件的各種其他偏離中的任一種時，可損壞部件12的表面。因此眾所周知的是，當從發動機去除發動機軸時，劃傷、磨損、銹斑、腐蝕或諸如扭曲的其他缺陷可能是顯而易見的。部件12包括呈磨損痕跡40的示例性形式的這些缺陷，并且以本發明中進一步討論的方式，設想獨特的策略以修復這些缺陷并且將部件12恢復使用而不會遭遇已知修復和再制造技術的缺點。
[0013]軸體26可以如上文提及為細長的，并且限定在第一軸向端部30與第二軸向端部32之間延伸的縱軸線28。第一軸向端部30向內軸向地設置有軸承表面36，軸承表面36基本上為圓柱形并且繞軸線28周向延伸，軸承表面36被配置成接觸在使用中的一個軸承24。第二軸向端部33軸向向內為類似配置的另一軸承表面28，軸承表面28與軸承24中的對應一個軸承相關聯。第三軸承表面(未編號)位于軸體26中間附近。軸承表面36和38中的每一個上示出了缺陷40。再制造領域通常試圖將經再制造的部件恢復成與新的一樣好或甚至比新的更好。再制造工程師和技術人員在確定經再制造零件是否準備好恢復使用時通常依賴于新零件的印刷文本和其他規格。通常規定表面光潔度。因此，肉眼可見的缺陷40的存在違反了新曲柄軸的規格。在常規策略中，其中形成缺陷40的部件12的材料將通常通過機械加工來去除，減小了表面36和38的直徑并且當部件12恢復使用時必須使用所謂的較小尺寸的軸承。還可能需要去除了材料的區域進行局部回火，這是本發明中所不需要的要求。至少關于某些發動機軸，現有技術因此一直是根據規格修復已損壞的軸且通過使用大小不同于先前使用的軸承將已損壞軸安裝在發動機內來補償所述修復。鍍鉻已被使用來恢復發動機軸上的軸承表面。在諸如凸輪軸凸角的發動機軸凸角的情況中，以前的慣例通常包括在存在可見凸角損壞之處刮擦相關聯的發動機軸。
[0014]本發明設想機械加工去除形成缺陷40之處的材料，且不脫離規格地，通過以本文中進一步討論的方式增加涂層來將曲柄軸12恢復到初始規格。軸承表面36和38以及如可以駐留在曲柄軸12上的其他這樣的軸承表面將通常以此一般性方式來修復。部件12還包括軸向地位于端部30與32之間的曲柄軸銷34。在某些實施例中，曲柄軸銷34可能是以本文中描述的方式來修復。在凸輪軸的情況中，還設想將執行軸承表面修復，但是也可能在本發明上下文內修復諸如凸輪凸角的凸輪軸的其他零件。為此，還可能根據本發明技術如上文提及地修復除了圓柱形表面之外的表面和除了發動機軸之外的部件。
[0015]現在參考圖2，示出了安裝在機械加工系統42處或之中的固定裝置44上的部件12。部件12被示為其可能出現在具有研磨輪47的研磨機46被定位成接觸表面36且研磨輪47和部件12中的一者或二者旋轉的情況下。表面36的研磨將會機械加工其中具有缺陷40的部件12的材料以去除所述材料。在實際實施策略中，表面36可能被機械加工到沿其軸向長度的一致深度，以一致地去除部件12的材料的大致上圓柱形體積。包括曲柄軸和凸輪軸的某些機器部件12的零件通常被硬化以提高抗疲勞性。圖2包括示出了抵靠部件12接合在表面36上并且研磨去除部件12的基材48的研磨輪47的詳細放大圖。經研磨去除的基材可以包括硬化基材50，諸如可能通過對基材48進行局部加熱處理而獲得的并且在許多實例中具有從約