CN102199698B - 气缸盖气门座激光强化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气缸盖气门座激光强化工艺，气缸盖气门座强化工艺，具体步骤为：1)对待处理气缸盖气门座进行清洗预处理；2)将气缸盖气门座划分不同处理区域，根据处理区域、气门座的不同和所需处理后气门座的硬度值调整激光处理参数；3)根据步骤2)的处理参数对气门座进行激光强化处理；4)处理完毕，对气门座进行辅助降温。采用本发明提供的气缸盖气门座激光强化工艺，可使气门座达到高耐磨性要求，符合现代发动机高功率密度、高紧凑和轻量化特点。

Description

气缸盖气门座激光强化工艺

技术领域

本发明属于激光强化技术领域，特别涉及气缸盖气门座的激光强化工艺。

背景技术

气缸盖作为发动机工作过程中密封燃烧室和控制发动机气体交换的精密零件，是保证发动机动力性、经济性、可靠性、耐久性的重要因素。发动机工作过程中，气门座圆锥面受高硬度的进、排气门750次/min的频繁撞击，进气门座的工作温度可达300～400℃，排气门座的工作温度可达700～900℃。进气门座主要受反复冲击的机械负荷，排气门座除受反复冲击的机械负荷外，还受高温氧化气体的腐蚀以及热应力、锥面热箍应力和燃烧时气体压力等共同作用。这些高温、高压、干摩擦及往复冲击载荷作用极易造成气门座损坏。以往解决此类损坏的方法是在气门座上镶嵌气门座圈，定时检修和更换配套摩擦付(气门和气门座)，以防造成漏气使发动机不能工作。但是由此造成的额外问题，包括气门座圈的松脱、下陷以及定时检修等，使我们不得不考虑另外的途径来解决气门座损坏问题。

激光强化技术自20世纪80年代产生以来，以其高密度、微小变形、自动化控制等特点，已经逐渐发展成为高能束表面热处理的重要手段。针对现代发动机高功率密度、高紧凑和轻量化特点，要求气缸盖气门座区域配合精密、结构紧凑且具有高硬度、高耐磨性，因此探讨激光强化技术处理气门座表面工艺十分必要。

发明内容

本发明提供一种气缸盖气门座强化工艺，其目的在于使气缸盖气门座锥面获得一定硬度和深度的硬化层，提高气门座的耐磨性和耐腐蚀性。

为实现上述目的本发明的气缸盖气门座激光强化工艺，具体步骤为：1)对待处理气缸盖气门座进行清洗预处理；2)将气缸盖气门座划分不同处理区域，根据处理区域、气门座的不同和所需处理后气门座的硬度值调整激光处理参数；3)根据步骤2)的处理参数对气门座进行激光强化处理；4)处理完毕，对气门座进行辅助降温。

进一步，步骤1)中清洗预处理使用丙酮清洗剂清洗待处理气缸盖气门座表面，使各个气门座清洁状态保持一致，不得出现影响激光强化的污渍。

进一步，步骤2)中激光强化处理采用的激光器为固体激光器或者气体激光器。

进一步，所述激光器发出的激光为连续激光或者脉冲激光。

进一步，所述激光处理参数包括激光功率、扫描速度、聚焦透镜焦距和离焦量。

进一步，所述气缸盖气门座为带有与水平面有一夹角的圆锥面。

进一步，步骤3)中激光强化处理具体为：将气缸盖固定在可旋转机床上，调整激光器激光的入射角度，令激光垂直辐照气门座。

进一步，激光强化处理过程中，采用比气门座圆锥面宽度更大的光斑。

进一步，激光强化处理之后进一步包括对气缸盖气门座进行后续研磨加工。

进一步，气缸盖气门座根据不同边缘几何构造划分成不同的处理区域，将最易聚热区域定义为慢散热区，采用相对较低的激光功率700-900W；将相对不易聚热区域定义为较慢散热区，采用相对较高激光功率800-1000W；将散热较好区域定于为快散热区，采用相对最高的激光功率900-1000W。

进一步，进出气门座所需硬化层深度与扫描速度和激光功率有关，对于所需硬化层深度较大的排气门座，采用相对较高功率或较低速度，对于所需硬化层深度较小的进气门座，采用相对较低功率或较高速度。

本发明提供的气缸盖气门座激光强化工艺，可使气门座达到高耐磨性要求，符合现代发动机高功率密度、高紧凑和轻量化特点。

附图说明

图1为气缸盖气门座激光强化装置示意图；

图2a为气缸盖气门座俯视图；

图2b为图2a中1-1剖视图；

图3为气缸盖的示意图；

图4a为实施例中气缸盖进气门座强化后的剖面硬化层形貌图；

图4b为实施例中气缸盖排气门座强化后的剖面硬化层形貌图。

具体实施方式

激光强化技术作为一种高密度、微小变形和易实现自动化控制的高能束表面热处理重要手段，应用在本发明气缸盖气门座表面强化过程中，其材料强化原理是：激光照射到材料表面，其中一部分能量被反射，一部分能量被材料吸收使材料表面迅速升温并达到相变温度以上。当激光移走，利用材料自身的传热能力或者进行辅助降温措施(气冷、水冷等)，使温度快速冷却到马氏体相变温度以下获得硬化层。本发明强化所用激光既可以是连续激光，也可以是脉冲激光；激光器既可以是固体激光器(如Nd:YAG激光器)，也可以是气体激光激光器(如CO₂激光器)。

由于气门座圆锥面与水平面有一定夹角，为了使激光束垂直辐照到气门座锥面表面，需要将气缸盖固定在可旋转机床上。激光强化气门座过程中，激光束倾斜一定角度照射在气门座圆锥面上并保持不动，通过可旋转机床的转动实现激光扫描速度。气缸盖气门座激光强化装置示意图如图1所示，将气缸盖1通过固定钢杆2和3固定在可旋转机床4上，其中固定钢杆2和3是焊接在可旋转机床4上的。可旋转机床4通电，并以一定速度带动气缸盖1转动。将激光束6倾斜一定角度，使其垂直辐照在气门座圆锥面5上。通过调整激光的功率、扫描速度、聚焦透镜焦距、离焦量等工艺参数，使得气门座圆锥面5获得一定硬度和深度的硬化层。

在激光强化过程中，激光照射到材料表面，其中一部分被金属吸收，一部分被反射。金属表层和所吸收的激光进行光热转换，致使其表面薄层温度迅速升高并向金属内部进行热传导。如图2a和2b所示，气门座A区域下设弯曲进排气孔，气门座B区域与另外两个气门座相邻。气门座C区域一侧无排气孔也无相邻气门座。A区域由于下设进排气孔导致壁面很薄，B区域临近其余气门座，边缘壁面也较薄，C区域离边缘相对较远且下部无孔，壁面最厚。激光辐照后表面薄层热量向四周和空气中传播，由于气缸盖使用同种材料故导热系数相同，一般金属材料的导热系数都比空气导热系数高4个数量级。A区域边缘壁面薄且两面暴露在空气中，由于空气导热系数低就会导致热量传导很慢而聚集，在传热过程中产生聚热现象，若使用相同工艺参数进行激光强化就会导致此区域温度场高于区域B和C而使硬化层不均匀。为了满足工程要求的一圈相对均匀的硬化层，将最易产生聚热现象的A区域定义为慢散热区，在其它工艺参数相同的情况下，采用相对较低的激光功率；将相对稍好的B区域定义为较慢散热区，在其它工艺参数相同的情况下，采用相对较高激光功率；将不易聚热的C区域定于为快散热区，在其它工艺参数相同的情况下，采用相对最高的激光功率。

在发动机工作过程中，进气门座主要受反复冲击的机械负荷，排气门座除受反复冲击的机械负荷外，还受高温氧化气体的腐蚀以及热应力、锥面热箍应力和燃烧时气体压力等共同作用。进气门座的工作温度可达300～400℃，排气门座的工作温度可达700～900℃。故排气门座往往比进气门座磨损严重，更早产生漏气造成发动机工作障碍。因此为了使拆机维修时间保持一致，排气门座圆锥面硬化层深度需高于进气门座。

气门和气门座作为配套摩擦付，在发动机工作过程中相互摩擦和撞击，因此气门座激光强化后硬度应与配对气门硬度保持一致。

气缸盖在发动机工作过程中主要起到的是密封燃烧室作用，故密封十分重要，这就要求气门座和气门杆严密配合不得出现漏气现象。为了和气门杆配合严密，气缸盖气门座在激光强化之后还需进行后续研磨加工。由于气门座表面为圆锥面，研磨后锥面宽度有一定程度增大，所以在激光强化气门座过程中应该采用比研磨前锥面宽度更大的光斑来保证使用要求。

以上详细介绍了气缸盖气门座的激光强化工艺原理，气缸盖气门座的激光强化工艺具体步骤如下：

1)待处理的气缸盖气门座为带有一定角度的圆锥面，此角度根据设计要求一般为30°、45°、60°。由于一般金属材料的导热系数比空气高4个数量级，待加工区域若边缘较薄易造成聚热，使部分温度场偏高，造成整体硬化层不均匀。气缸盖气门座根据不同边缘几何构造划分成不同的处理区域，将最易聚热区域定义为慢散热区，采用相对较低的激光功率；将相对不易聚热区域定义为较慢散热区，采用相对较高激光功率；将散热较好区域定于为快散热区，采用相对最高的激光功率；

2)使用丙酮等清洗剂清洗待处理气缸盖气门座表面，使各个气门座清洁状态保持一致，不得出现影响激光强化的污渍；

3)将气缸盖固定在可旋转机床上，激光头调整一定角度，使激光束垂直辐照在气门座圆锥面上；

4)激光强化处理过程中，采用比气门座圆锥面宽度更大的光斑，激光头保持不动，通过可旋转机床带动气缸盖转动，由于排气门座往往比进气门座磨损严重，更早产生漏气造成发动机工作障碍。因此排气门座圆锥面硬化层深度需高于进气门座。气门和气门座作为配套摩擦付，在发动机工作过程中相互摩擦和撞击，因此气门座激光强化后硬度应与配对气门硬度保持一致。根据处理区域、进排气门座的不同以及所需硬度值调整激光功率、扫描速度、聚焦透镜焦距、离焦量等工艺参数；

5)采取辅助降温措施，如水冷、气冷等。

下面结合附图，对本发明提供的具体的气缸盖气门座激光强化工艺进一步说明。

激光强化工艺具有高密度、微小变形、自动化控制等特点，是提高材料表面硬度和耐磨性的重要手段。对于气缸盖气门座强化工艺，选用激光器为Nd:YAG固体激光器，输出激光最大功率为1kW(也可选用气体激光器，输出激光可以是连续激光也可以是脉冲激光)。

由于一般金属材料的导热系数比空气高4个数量级，待加工区域若边缘较薄易造成聚热，使部分温度场偏高，造成整体硬化层不均匀。气缸盖气门座根据不同边缘几何构造划分成不同的处理区域，将最易聚热区域定义为慢散热区，采用相对较低的激光功率；将相对不易聚热区域定义为较慢散热区，采用相对较高激光功率；将散热较好区域定于为快散热区，采用相对最高的激光功率。使用丙酮等清洗剂清洗待处理气缸盖气门座表面，使各个气门座清洁状态保持一致，不得出现影响激光强化的污渍。固定气缸盖于可旋转机床上，激光头调整一定角度，使激光束垂直辐照在气门座圆锥面上。

激光强化处理过程中，采用比气门座圆锥面宽度更大的光斑，激光头保持不动，通过可旋转机床带动气缸盖转动。由于排气门座往往比进气门座磨损严重，更早产生漏气造成发动机工作障碍，因此排气门座圆锥面硬化层深度需高于进气门座。根据处理区域和进排气门座要求的不同调整激光功率、扫描速度、聚焦透镜焦距、离焦量等工艺参数；采取辅助降温措施，如水冷、气冷等使表面温度快速下降至马氏体相变温度以下。

实施例：

选取具有两个出气门和两个进气门的多气门发动机气缸盖，气缸盖材料为RuT-300，蠕化率80％，珠光体含量40％，铁素体含量60％。材料化学成分如表1所示。

表1RuT-300化学成分(wt.-％)

气缸盖尺寸如图3所示，气门座圆锥面与水平面夹角为45°。用丙酮清洗气门座，去除表面污渍。将图3所示气缸盖固定在可旋转机床上，激光头与气门座圆锥面成45°角，使激光垂直辐照在气门座圆锥面上。对于进气门座，激光聚焦透镜焦距为150mm，离焦量为41mm，扫描速度为2mm/s，慢散热区激光功率为830W，较慢散热区激光功率为810W，快散热区激光功率为790W。对于排气门座，激光聚焦透镜焦距为150mm，离焦量为41mm，扫描速度为2mm/s，慢散热区激光功率为910W，较慢散热区激光功率为900W，快散热区激光功率为890W。激光束撤离表面后，采取气冷方式给气门座表面降温。图4a给出激光强化后进气门座圆锥面和图4b排气门座圆锥面沿垂直于激光扫描方向的剖面硬化层形貌图，进排气门座硬化层深度均大于0.5mm，且排气门座硬化层深度大于进气门座。以上的工艺参数唯一，均是可以根据进、气门座的不同、气门座处理区域的不同以及所需处理后气门座的硬度值进行调整的。

以上列举的实施例中激光强化工艺参数不是唯一的可以根据实际情况做相应调整，如气门座所需硬化层越深，则采用较高激光功率和较慢扫描速度；气门座所需硬化层越浅，采用较低激光功率和较快扫描速度。另外，气门座上各区域采用的激光功率与离焦量和扫描速度相关，调整离焦量和扫描速度，各区域的激光功率也需要做相应的调整，根据经验保证慢散热区的激光功率700-900W，较慢散热区的激光功800-900W，快散热区的激光功率900-1000W在以上范围内变化即可。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (5)

1.一种气缸盖气门座激光强化工艺，具体步骤为：1)对待处理气缸盖气门座进行清洗预处理；2)将气缸盖气门座根据不同边缘几何构造划分为A、B、C处理区域，气门座的A区域下设弯曲进排气孔，气门座的B区域与另外两个气门座相邻，气门座的C区域一侧无排气孔也无相邻气门座，气门座的A区域定义为慢热散热区，采用相对较低的激光功率700-900W，气门座的B区域定义为较慢散热区，采用相对较高激光功率800-900W，气门座的C区域定义为快散热区，采用相对最高的激光功率900-1000W，气缸盖气门座表面为带有一角度的圆锥面，根据设计要求为30°、45°、60°；3)根据步骤2)的处理参数对气门座进行激光强化处理，在激光强化处理过程中，采用比气门座圆锥面宽度更大的光斑，激光头保持不动，通过可旋转机床带动气缸盖转动，由于排气门座往往比进气门座磨损严重，更早产生漏气造成发动机工作障碍，因此排气门座圆锥面硬化层深度需高于进气门座，气门和气门座作为配套摩擦付，在发动机工作过程中相互摩擦和撞击，因此气门座激光强化后硬度应与配对气门硬度保持一致；4)处理完毕，对气门座进行辅助降温。

2.如权利要求1所述的气缸盖气门座激光强化工艺，其特征在于，步骤1)中清洗预处理使用丙酮清洗剂清洗待处理气缸盖气门座表面，使各个气门座清洁状态保持一致，不得出现影响激光强化的污渍。

3.如权利要求1所述的气缸盖气门座激光强化工艺，其特征在于，步骤2)中激光强化处理采用的激光器为固体激光器或者气体激光器。

4.如权利要求3所述的气缸盖气门座激光强化工艺，其特征在于，所述激光器发出的激光为连续激光或者脉冲激光。

5.如权利要求1所述的气缸盖气门座激光强化工艺，其特征在于，激光强化处理之后进一步包括对气缸盖气门座进行后续研磨加工。

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