CN103498143A - 一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法。所述方法如下：1）以同步送粉的方式，将调配好的镍基陶瓷合金粉末熔覆在曲轴的表面，通过激光束扫描使粉末材料与曲轴表面同时熔化，混合液体合金在室温下通过空冷快速凝固，从而形成一层合金熔覆层。2）通过机械加工方式，使熔覆层表面达到曲轴的装配及工作要求。所述方法具有如下优点：1）提高了熔覆后曲轴表面的强度、耐磨性、耐高温及耐腐蚀性；2）熔覆层变形小，组织致密，微观缺陷少，结合强度高，对曲轴表面的稀释率低；3）熔覆层的尺寸和位置可以精确控制，所述的成分可根据工况的需求方便调节；4）延长了曲轴的使用寿命，提高了发动机的整体性能，节约了维修成本。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，特别是涉及一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法。
背景技术
曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动，是发动机上的一个重要的机件。其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：曲轴轴颈，连杆轴颈。曲轴轴颈被安装在缸体上，连杆轴颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。但是曲轴在运动过程中承受很大的弯曲和扭转应力，使得轴颈磨损和疲劳断裂成为曲轴的常见破坏形式，而且这些破坏形式起源于表面，因此曲轴的表面强化和修复显得尤为重要。现有的曲轴的表面强化和修复方法有：中高频感应淬火、渗氮处理和碳氮共渗、喷丸强化以及热喷涂强化。上述表面处理方法虽然能提高耐磨性，但涂层与曲轴结合强度不好而且还容易由于局部应力集中而产生裂纹或涂层剥落，在一定程度上降低了其强化效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够大幅度提高曲轴表面的韧性、强度、耐高温、耐腐蚀及耐磨损能力的用于曲轴表面进行激光熔覆方法。
为了达到上述的目的，本发明提供的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法进行下列步骤:
1）对曲轴的表面进行预处理；
2）将镍基陶瓷合金粉末在4～6mm的方形光斑直径、搭接率为20%～30%和3～10mm/s的线速度条件下采用2000～3000W光纤激光器将合金粉熔覆在曲轴的表面，熔覆过程中采用惰性气体对熔覆部位进行保护，然后在室温下通过空冷形成一层合金熔覆层；
3）利用机械加工的方法将上述的合金熔覆层的表层去除即可加工出表面带有合金熔覆层的曲轴。
作为一种优选方案，如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：由于曲轴在工作时受到扭力T和支撑力F，所以激光束采用的是轴向和螺旋运动方式的加工走向；当对曲轴表面进行熔覆时，激光束与曲轴表面间的交角为70°～90°。
作为一种优选方案，所述的镍基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量为：10%～11%碳化钨、0.2%～0.4%碳、4%～6%氟化钙、2%～4%氮化硅、3%～5%硼、0.6%～1%钒、11%～14%钼、1%～1.4%硅、15%～18%铬、余量的Ni和当比例的氧化铟(In2O3)、稀土（CeO2）。
作为一种优选方案，经过光路调制成方形光斑，它的特点是能量比较均匀。
作为一种优选方案，激光扫描的速度为6.7～8.3mm/s，光纤激光器的功率为2000W。
作为一种优选方案，镍基陶瓷合金粉末的供料方式为同步送粉法。
作为一种优选方案，所述的惰性气体可选为氮气、氩气或氦气，其作用是对熔覆部位进行保护。
作为一种优选方案，所述的熔覆层厚度为0.5～2mm。
作为一种优选方案，对曲轴的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面进行后期机加工，使之达到工作及装配要求，该加工方法为精加工磨削工艺。
作为一种优选方案，所述的预处理包括去除曲轴表面的油污和杂质；对曲轴的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面进行后期机加工，使之达到工作及装配要求，该加工方法为精加工磨削工艺。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明实施例的正面立体示意图；
附图中：1.前端轴；2.曲柄；3.连杆轴颈；4. 曲轴主轴颈；5.平衡重；6.后端主轴颈。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法进行详细说明。
实施例1：
一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，进行如下步骤：
1）所述的曲轴为整体式全支撑曲轴；
2）在室温下对曲轴表面进行丙酮除油及杂质处理；
3）选用数控机床作为工作台；
4）预制粉末：选用的镍基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量为10%碳化钨、0.2%碳、4%氟化钙、2%氮化硅、3%硼、0.6%钒、11%钼、1%硅、15%铬、余量的镍和5%的氧化铟(In2O3)和稀土（CeO2）。
5）将曲轴装夹在工作台上并随之转动，工作台的转速为300r/min，直径为4mm的高能激光束（即光斑），搭接率为20%，通过光纤激光发生器与机器人系统同步轴向移动，保持激光束到连杆轴颈3表面的距离一致，激光束与连杆轴颈3表面间的角度为70°，配合曲轴的旋转运动，实现激光束在连杆轴颈3表面的一道一道螺旋式的精确扫描，扫描速度为6.7mm/s，扫描过程中，将功率为2000W的激光束照射到连杆轴颈3表面，使连杆轴颈3表面熔化（熔化厚度约0.2mm），同时将自动同步送粉系统提供的镍基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化过程中选用氮气对熔化部位进行保护，两部分液态合金搅拌在一起，待激光束离开后，混合液体合金在室温下通过空冷快速凝固，形成一层合金熔覆层；熔覆层厚度为1.2mm，送粉量为20g/min
6）检查熔覆层表面有无气孔裂纹等缺陷
7）将熔覆后的曲轴进行回火处理，防止热裂纹产生，同时去除了内应力。
8）对熔覆层进行后期加工，利用磨削等机械加工的方法去除多余的表层，以此来保证曲轴的外形尺寸，采用精加工的方式使连杆轴颈3表面粗糙度达到装配和工作要求，加工过的表面应光滑无毛刺。
9）由于连杆轴颈3与连杆大头装配在一起，承受很大的弯曲和扭转应力T，连杆轴颈3表面不允许有任何缺陷，所以连杆轴颈3表面需要经过荧光探伤，此探伤是一种无损检测方法。
10）对曲轴进行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止铁屑等脏物滞留在主油道孔的搭结处，曲轴清洗后将其吹干并浸上防锈油，做好防尘工作。
实施例2：
一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，进行如下步骤：
1）所述的曲轴为整体式全支撑曲轴；
2）在室温下对曲轴表面进行丙酮除油及杂质处理；
3）选用数控机床作为工作台；
4）预制粉末：选用的镍基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量为10%碳化钨、0.2%碳、4%氟化钙、2%氮化硅、3%硼、0.6%钒、11%钼、1%硅、15%铬、余量的镍和5%的氧化铟(In2O3)和稀土（CeO2）。
5）将曲轴装夹在工作台上并随之转动，工作台的转速为300r/min，直径为5mm的高能激光束（即光斑），搭接率为25%，通过光纤激光发生器与机器人系统同步轴向移动，保持激光束到连杆轴颈3表面的距离一致，激光束与连杆轴颈3表面间的角度为80°，配合曲轴的旋转运动，实现激光束在连杆轴颈3表面的一道一道螺旋式的精确扫描，扫描速度为6.7mm/s，扫描过程中，将功率为2500W的激光束照射到连杆轴颈3表面，使连杆轴颈3表面熔化（熔化厚度约0.4mm），同时将自动同步送粉系统提供的镍基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化过程中选用氮气对熔化部位进行保护，两部分液态合金搅拌在一起，待激光束离开后，混合液体合金在室温下通过空冷快速凝固，形成一层合金熔覆层；熔覆层厚度为1.4mm。送粉量为30g/min。
6）检查熔覆层表面有无气孔裂纹等缺陷
7）将熔覆后的曲轴进行回火处理，防止热裂纹产生，同时去除了内应力。
8）对熔覆层进行后期加工，利用磨削等机械加工的方法去除多余的表层，以此来保证曲轴的外形尺寸，采用精加工的方式使连杆轴颈3表面粗糙度达到装配和工作要求，加工过的表面应光滑无毛刺。
9）由于连杆轴颈3与连杆大头装配在一起，承受很大的弯曲和扭转应力T，连杆轴颈3表面不允许有任何缺陷，所以连杆轴颈3表面需要经过荧光探伤，此探伤是一种无损检测方法。
10）对曲轴进行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止铁屑等脏物滞留在主油道孔的搭结处，曲轴清洗后将其吹干并浸上防锈油，做好防尘工作。
实施例3：
一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，进行如下步骤：
1）所述的曲轴为整体式全支撑曲轴；
2）在室温下对曲轴表面进行丙酮除油及杂质处理；
3）选用数控机床作为工作台；
4）预制粉末：选用的镍基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量为10%碳化钨、0.2%碳、4%氟化钙、2%氮化硅、3%硼、0.6%钒、11%钼、1%硅、15%铬、余量的镍和5%的氧化铟(In2O3)和稀土（CeO2）。
5）将曲轴装夹在工作台上并随之转动，工作台的转速为400r/min，直径为6mm的高能激光束（即光斑），搭接率为30%，通过光纤激光发生器与机器人系统同步轴向移动，保持激光束到连杆轴颈3表面的距离一致，激光束与连杆轴颈3表面间的角度为85°，配合曲轴的旋转运动，实现激光束在连杆轴颈3表面的一道一道螺旋式的精确扫描，扫描速度为8.3mm/s，扫描过程中，将功率为3000W的激光束照射到连杆轴颈3表面，使连杆轴颈3表面熔化（熔化厚度约0.6mm），同时将自动同步送粉系统提供的镍基陶瓷合金粉末材料熔化，在熔化过程中选用氮气对熔化部位进行保护，两部分液态合金搅拌在一起，待激光束离开后，混合液体合金在室温下通过空冷快速凝固，形成一层合金熔覆层；熔覆层厚度为1.6mm。送粉量为40g/min。
6）检查熔覆层表面有无气孔裂纹等缺陷
7）将熔覆后的曲轴进行回火处理，防止热裂纹产生，同时去除了内应力。
8）对熔覆层进行后期加工，利用磨削等机械加工的方法去除多余的表层，以此来保证曲轴的外形尺寸，采用精加工的方式使连杆轴颈3表面粗糙度达到装配和工作要求，加工过的表面应光滑无毛刺。
9）由于连杆轴颈3与连杆大头装配在一起，承受很大的弯曲和扭转应力T，连杆轴颈3表面不允许有任何缺陷，所以连杆轴颈3表面需要经过荧光探伤，此探伤是一种无损检测方法。
10）对曲轴进行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止铁屑等脏物滞留在主油道孔的搭结处，曲轴清洗后将其吹干并浸上防锈油，做好防尘工作。
Claims (10)
1.一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，所述的方法进行下列步骤:
1) 对曲轴的表面进行预处理；
2) 将镍基陶瓷合金粉末在4～6mm的方形光斑直径和3～10mm/s的线速度条件下采用2000～3000W光纤激光器将合金粉末熔覆在曲轴的表面，熔覆过程中采用惰性气体对熔覆部位进行保护，然后在室温下通过空冷形成一层合金熔覆层；
3）利用机械加工的方法将上述的合金熔覆层的表层去除即可加工出表面带有合金熔覆层的曲轴。
2.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：由于曲轴在工作时受到扭力T和支撑力F，所以激光束采用的是轴向和螺旋运动方式的加工走向；当对凸轮表面进行熔覆时，激光束与曲轴表面间的交角为70°～85°。
3.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：所述的镍基陶瓷合金粉末配方按重量百分比含量为：10%～11%碳化钨、0.2%～0.4%碳、4%～6%氟化钙、2%～4%氮化硅、3%～5%硼、0.6%～1%钒、11%～14%钼、1%～1.4%硅、15%～18%铬、余量的镍和适当比例的氧化铟(In2O3)、稀土（CeO2）。
4.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：经过光路调制成方形光斑，它的特点是能量比较均匀。
5.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：激光扫描的速度为6.7～8.3mm/s，搭接率为20%～30%。
6.如权利要求2中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：所述的激光器类型为光纤、CO2、等离子等，其激光器的功率为2000W～5000W。
7.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：镍基陶瓷合金粉末的供料方式为同步送粉法。
8.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：所述的惰性气体可选为氮气、氩气或氦气，其作用是对熔覆部位进行保护。
9.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：所述的熔覆层厚度为0.5～2mm。
10.如权利要求1中所述的一种用于汽车发动机曲轴表面进行激光熔覆的方法，其特征在于：所述的预处理包括去除曲轴表面的油污和杂质；对曲轴的表面精度、外形尺寸以及未符合要求的表面进行后期机加工，使之达到工作及装配要求，该加工方法为精加工磨削工艺。
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