一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法。所述方法如下：1）以同步送粉的方式，將調配好的鎳基陶瓷合金粉末熔覆在曲軸的表面，通過激光束掃描使粉末材料與曲軸表面同時熔化，混合液體合金在室溫下通過空冷快速凝固，從而形成一層合金熔覆層。2）通過機械加工方式，使熔覆層表面達到曲軸的裝配及工作要求。所述方法具有如下優點：1）提高了熔覆后曲軸表面的強度、耐磨性、耐高溫及耐腐蝕性；2）熔覆層變形小，組織致密，微觀缺陷少，結合強度高，對曲軸表面的稀釋率低；3）熔覆層的尺寸和位置可以精確控制，所述的成分可根據工況的需求方便調節；4）延長了曲軸的使用壽命，提高了發動機的整體性能，節約了維修成本。
【專利說明】一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光熔覆【技術領域】，特別是涉及一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法。
【背景技術】
[0002]曲軸是引擎的主要旋轉機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復)運動變成循環(旋轉)運動，是發動機上的一個重要的機件。其材料是由碳素結構鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位:曲軸軸頸，連桿軸頸。曲軸軸頸被安裝在缸體上，連桿軸頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構。曲軸的旋轉是發動機的動力源。也是整個機械系統的源動力。但是曲軸在運動過程中承受很大的彎曲和扭轉應力，使得軸頸磨損和疲勞斷裂成為曲軸的常見破壞形式，而且這些破壞形式起源于表面，因此曲軸的表面強化和修復顯得尤為重要。現有的曲軸的表面強化和修復方法有:中高頻感應淬火、滲氮處理和碳氮共滲、噴丸強化以及熱噴涂強化。上述表面處理方法雖然能提高耐磨性，但涂層與曲軸結合強度不好而且還容易由于局部應力集中而產生裂紋或涂層剝落，在一定程度上降低了其強化效果。
【發明內容】
[0003]為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種能夠大幅度提高曲軸表面的韌性、強度、耐高溫、耐腐蝕及耐磨損能力的用于曲軸表面進行激光熔覆方法。
[0004]為了達到上述的目的，本發明提供的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法進行下列步驟:
1)對曲軸的表面進行預處理；`
2)將鎳基陶瓷合金粉末在4~6mm的方形光斑直徑、搭接率為20%~30%和3~IOmm/s的線速度條件下采用2000~3000W光纖激光器將合金粉熔覆在曲軸的表面，熔覆過程中采用惰性氣體對熔覆部位進行保護，然后在室溫下通過空冷形成一層合金熔覆層；
3)利用機械加工的方法將上述的合金熔覆層的表層去除即可加工出表面帶有合金熔覆層的曲軸。
[0005]作為一種優選方案，如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:由于曲軸在工作時受到扭力T和支撐力F，所以激光束采用的是軸向和螺旋運動方式的加工走向；當對曲軸表面進行熔覆時，激光束與曲軸表面間的交角為70。~90。。
[0006]作為一種優選方案，所述的鎳基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量為:10%~11%碳化鎢、0.2%~0.4%碳、4%~6%氟化鈣、2%~4%氮化硅、3%~5%硼、0.6%~1%釩、11%~14%鑰、1%~1.4%硅、15%~18%鉻、余量的Ni和當比例的氧化銦(In203)、稀土(Ce02)。
[0007]作為一種優選方案，經過光路調制成方形光斑，它的特點是能量比較均勻。[0008]作為一種優選方案，激光掃描的速度為6.7~8.3mm/s，光纖激光器的功率為2000W。
[0009]作為一種優選方案，鎳基陶瓷合金粉末的供料方式為同步送粉法。
[0010]作為一種優選方案，所述的惰性氣體可選為氮氣、氬氣或氦氣，其作用是對熔覆部位進行保護。
[0011]作為一種優選方案，所述的熔覆層厚度為0.5~2mm。
[0012]作為一種優選方案，對曲軸的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面進行后期機加工，使之達到工作及裝配要求，該加工方法為精加工磨削工藝。
[0013]作為一種優選方案，所述的預處理包括去除曲軸表面的油污和雜質；對曲軸的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面進行后期機加工，使之達到工作及裝配要求，該加工方法為精加工磨削工藝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
圖1是本發明實施例的正面立體示意圖；
附圖中:1.前端軸；2.曲柄；3.連桿軸頸；4.曲軸主軸頸；5.平衡重；6.后端主軸頸。【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本發明提供的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法進行詳細說明。
`[0016]實施例1:
一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，進行如下步驟:
1)所述的曲軸為整體式全支撐曲軸；
2)在室溫下對曲軸表面進行丙酮除油及雜質處理；
3)選用數控機床作為工作臺；
4)預制粉末:選用的鎳基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量為10%碳化鎢、0.2%碳、4%氟化鈣、2%氮化硅、3%硼、0.6%釩、11%鑰、1%硅、15%鉻、余量的鎳和5%的氧化銦(In203)和稀土(Ce02)。
[0017]5)將曲軸裝夾在工作臺上并隨之轉動，工作臺的轉速為300r/min，直徑為4mm的高能激光束(即光斑)，搭接率為20%，通過光纖激光發生器與機器人系統同步軸向移動，保持激光束到連桿軸頸3表面的距離一致，激光束與連桿軸頸3表面間的角度為70°，配合曲軸的旋轉運動，實現激光束在連桿軸頸3表面的一道一道螺旋式的精確掃描，掃描速度為6.1xm/s,掃描過程中，將功率為2000W的激光束照射到連桿軸頸3表面，使連桿軸頸3表面熔化(熔化厚度約0.2mm),同時將自動同步送粉系統提供的鎳基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化過程中選用氮氣對熔化部位進行保護，兩部分液態合金攪拌在一起，待激光束離開后，混合液體合金在室溫下通過空冷快速凝固，形成一層合金熔覆層；熔覆層厚度為1.2_，送粉量為20g/min
6)檢查熔覆層表面有無氣孔裂紋等缺陷
7)將熔覆后的曲軸進行回火處理，防止熱裂紋產生，同時去除了內應力。[0018]8)對熔覆層進行后期加工，利用磨削等機械加工的方法去除多余的表層，以此來保證曲軸的外形尺寸，采用精加工的方式使連桿軸頸3表面粗糙度達到裝配和工作要求，加工過的表面應光滑無毛刺。
[0019]9)由于連桿軸頸3與連桿大頭裝配在一起，承受很大的彎曲和扭轉應力T，連桿軸頸3表面不允許有任何缺陷，所以連桿軸頸3表面需要經過熒光探傷，此探傷是一種無損檢測方法。
[0020]10)對曲軸進行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止鐵屑等臟物滯留在主油道孔的搭結處，曲軸清洗后將其吹干并浸上防銹油，做好防塵工作。
[0021]實施例2:
一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，進行如下步驟:
1)所述的曲軸為整體式全支撐曲軸；
2)在室溫下對曲軸表面進行丙酮除油及雜質處理；
3)選用數控機床作為工作臺；
4)預制粉末:選用的鎳基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量為10%碳化鎢、0.2%碳、4%氟化鈣、2%氮化硅、3%硼、0.6%釩、11%鑰、1%硅、15%鉻、余量的鎳和5%的氧化銦(In203)和稀土(Ce02)。
[0022]5)將曲軸裝夾在工作臺上并隨之轉動，工作臺的轉速為300r/min，直徑為5mm的高能激光束(即光斑)，搭接率為25%，通過光纖激光發生器與機器人系統同步軸向移動，保持激光束到連桿軸頸3表面的距離一致，激光束與連桿軸頸3表面間的角度為80°，配合曲軸的旋轉運動，實現激光束在`連桿軸頸3表面的一道一道螺旋式的精確掃描，掃描速度為
6.1xm/s,掃描過程中，將功率為2500W的激光束照射到連桿軸頸3表面，使連桿軸頸3表面熔化(熔化厚度約0.4mm),同時將自動同步送粉系統提供的鎳基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化過程中選用氮氣對熔化部位進行保護，兩部分液態合金攪拌在一起，待激光束離開后，混合液體合金在室溫下通過空冷快速凝固，形成一層合金熔覆層；熔覆層厚度為1.4_。送粉量為30g/min。
[0023]6)檢查熔覆層表面有無氣孔裂紋等缺陷
7)將熔覆后的曲軸進行回火處理，防止熱裂紋產生，同時去除了內應力。
[0024]8)對熔覆層進行后期加工，利用磨削等機械加工的方法去除多余的表層，以此來保證曲軸的外形尺寸，采用精加工的方式使連桿軸頸3表面粗糙度達到裝配和工作要求，加工過的表面應光滑無毛刺。
[0025]9)由于連桿軸頸3與連桿大頭裝配在一起，承受很大的彎曲和扭轉應力T，連桿軸頸3表面不允許有任何缺陷，所以連桿軸頸3表面需要經過熒光探傷，此探傷是一種無損檢測方法。
[0026]10)對曲軸進行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止鐵屑等臟物滯留在主油道孔的搭結處，曲軸清洗后將其吹干并浸上防銹油，做好防塵工作。
[0027]實施例3:
一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，進行如下步驟:
1)所述的曲軸為整體式全支撐曲軸；
2)在室溫下對曲軸表面進行丙酮除油及雜質處理；3)選用數控機床作為工作臺；
4)預制粉末:選用的鎳基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量為10%碳化鎢、0.2%碳、4%氟化鈣、2%氮化硅、3%硼、0.6%釩、11%鑰、1%硅、15%鉻、余量的鎳和5%的氧化銦(In203)和稀土(Ce02)。
[0028]5)將曲軸裝夾在工作臺上并隨之轉動，工作臺的轉速為400r/min，直徑為6mm的高能激光束(即光斑)，搭接率為30%，通過光纖激光發生器與機器人系統同步軸向移動，保持激光束到連桿軸頸3表面的距離一致，激光束與連桿軸頸3表面間的角度為85°，配合曲軸的旋轉運動，實現激光束在連桿軸頸3表面的一道一道螺旋式的精確掃描，掃描速度為8.3mm/s,掃描過程中，將功率為3000W的激光束照射到連桿軸頸3表面，使連桿軸頸3表面熔化(熔化厚度約0.6mm),同時將自動同步送粉系統提供的鎳基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化過程中選用氮氣對熔化部位進行保護，兩部分液態合金攪拌在一起，待激光束離開后，混合液體合金在室溫下通過空冷快速凝固，形成一層合金熔覆層；熔覆層厚度為1.6_。送粉量為40g/min。
[0029]6)檢查熔覆層表面有無氣孔裂紋等缺陷
7)將熔覆后的曲軸進行回火處理，防止熱裂紋產生，同時去除了內應力。
[0030]8)對熔覆層進行后期加工，利用磨削等機械加工的方法去除多余的表層，以此來保證曲軸的外形尺寸，采用精加工的方式使連桿軸頸3表面粗糙度達到裝配和工作要求，加工過的表面應光滑無毛刺。
[0031]9)由于連桿軸頸3與連桿大頭裝配在一起，承受很大的彎曲和扭轉應力T，連桿軸頸3表面不允許有任何缺陷，所以連桿軸頸3表面需要經過熒光探傷，此探傷是一種無損檢測方法。
[0032]10)對曲軸進行表面清洗，`更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止鐵屑等臟物滯留在主油道孔的搭結處，曲軸清洗后將其吹干并浸上防銹油，做好防塵工作。
【權利要求】
1.一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，所述的方法進行下列步驟: 1)對曲軸的表面進行預處理； 2)將鎳基陶瓷合金粉末在4~6_的方形光斑直徑和3~IOmm/s的線速度條件下采用2000~3000W光纖激光器將合金粉末熔覆在曲軸的表面，熔覆過程中采用惰性氣體對熔覆部位進行保護，然后在室溫下通過空冷形成一層合金熔覆層； 3)利用機械加工的方法將上述的合金熔覆層的表層去除即可加工出表面帶有合金熔覆層的曲軸。
2.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:由于曲軸在工作時受到扭力T和支撐力F，所以激光束采用的是軸向和螺旋運動方式的加工走向；當對凸輪表面進行熔覆時，激光束與曲軸表面間的交角為70°~85°。
3.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:所述的鎳基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量為:10%~11%碳化鎢、0.2%~0.4%碳、4%~6%氟化鈣、2%~4%氮化硅、3%~5%硼、0.6%~1%釩、11%~14%鑰、1%~1.4%硅、15%~18%鉻、余量的鎳和適當比例的氧化銦(In203)、稀土(Ce02)。
4.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:經過光路調制成方形光斑，它的特點是能量比較均勻。
5.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:激光掃描的速度為6.7~8.3mm/s，搭接率為20%~30%。
6.如權利要求2中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:所述的激光器類型為光纖、C02、等離子等，其激光器的功率為2000W~5000W。
7.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:鎳基陶瓷合金粉末的供料方式為同步送粉法。
8.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:所述的惰性氣體可選為氮氣、氬氣或氦氣，其作用是對熔覆部位進行保護。
9.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:所述的熔覆層厚度為0.5~2mm。
10.如權利要求1中所述的一種用于汽車發動機曲軸表面進行激光熔覆的方法，其特征在于:所述的預處理包括去除曲軸表面的油污和雜質；對曲軸的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面進行后期機加工，使之達到工作及裝配要求，該加工方法為精加工磨削工藝。
【文檔編號】C22C32/00GK103498143SQ201310396979
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】季培, 錢志強, 季永清 申請人:江蘇翌煜能源科技發展有限公司