CN107138866A - 一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其具体包括以下步骤:S1表面清洁,室温下对旋挖齿锥形面表面进行除油除锈,并利用酒精清洗干净;S2速度设计,将步骤S1中清洁过的旋挖齿座固定在激光加工机床上,通过卡盘带动旋挖齿座旋转,卡盘旋转与激光头X线性轴的进给运动配合运动;S3激光照射,对步骤S2中固定好的旋挖齿使用激光器,在旋挖齿表面形成微凹坑;S4自然冷却,关闭脉冲激光束,待光束停止作用后,冷却,该冷却过程为自然冷却;S5成型,在旋挖齿表面形成微凹坑阵列,完成制备。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面加工技术领域,特别涉及一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法。
背景技术
随着我国桥梁、道路、铁路等基础工程建设的不断开展,旋挖钻机的应用越来越广泛,在一些地质情况较为严苛的地区,工程中经常遇到比较硬的基岩地层、大的漂石层及硬质永冻土层,使得施工作业对旋挖齿耐磨度和钻削效率的要求越来越高。
为在锥形面获得较高的耐磨性,目前常用的方法是在端部基材表面熔覆高硬度耐磨层,但由于熔覆层本身具有较大的脆性,且在熔覆过程中会产生较大的热输入,使得基材内部存在应力积累,在实际施工过程中又经常受到来自岩体的挤压和冲击,熔覆层很容易剥落甚至导致整体断裂,因此,需要提出一种新的截齿锥形面表面处理方法,在锥形面达到较高硬度的同时,保持基材的良好韧性,延长旋挖齿的使用寿命。
发明内容
本发明目的在于提出一种工艺简单,节能环保,可提高旋挖齿锥形面耐磨性,同时保持整体韧性的旋挖齿锥形面强化方法,本发明主要是利用激光微织构技术强化旋挖齿锥形面。
一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其具体包括以下步骤:
S1:表面清洁:室温下对旋挖齿锥形面表面进行除油除锈,并利用酒精清洗干净;
S2:速度设计:将步骤S1中清洁过的旋挖齿座固定在激光加工机床上,通过卡盘带动旋挖齿座旋转,卡盘旋转与激光头X线性轴的进给运动配合运动,根据微凹坑的阵列方式调整卡盘转速和激光头的进给速度;
微凹坑的阵列方式可为多道环形,螺旋线形,等距弥散点阵等形式:
当阵列方式为多道环形时,环形数量为n,每道环形扫描时的卡盘旋转速度为a,激光脉冲频率为H,激光头X轴进给速度为零,完成单道环形扫描后,激光头X轴移动距离为b,b=(1~5)a/H。如此循环n次直到完成所有环形扫描;
当阵列方式为螺旋线形时,卡盘与激光头同时移动,卡盘旋转速度为a,激光脉冲频率为H,激光头X轴进给速度为d,且d=(1~5)a/H;
当阵列方式为等距弥散点阵时,应保证卡盘完成一个圆周运动后,微凹坑间距c与激光头X轴移动距离b相等。
S3:激光照射:对步骤S2中固定好的旋挖齿使用激光器,在旋挖齿表面形成微凹坑,激光功率密度为103~108W/mm2,激光器的输出波长为177nm~15000nm;
S4:自然冷却:关闭脉冲激光束,待光束停止作用后,冷却,该冷却过程为自然冷却,冷却后每个微凹坑直径为1μm~100μm;
S5:成型:在旋挖齿表面形成微凹坑阵列,完成制备。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明利用激光束高能量密度,方向高度集中的特性,在较低成本材料表面形成具有一定排列方式的微凹坑阵列,每个微凹坑处的硬度相比基材有明显提升,凹坑周边的微凸起可起到一定的耐磨作用。
2、本发明微凹坑周边的基材保持良好的组织韧性,与微凹坑处的高硬度相间分布,可在保证旋挖齿基材优良韧性的前提下,在锥形面获得较好的耐磨性。
3、本发明加工方法操作简单,节能环保,在尽量降低成本费用的同时提高旋挖齿的综合性能,提高其使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为旋挖齿锥形面强化激光微织构工艺方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式,对本发明进一步详细说明。
如图所示的一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法案例,其具体步骤是:
第一步:室温下对旋挖齿锥形面表面进行除油除锈,并利用酒精清洗干净。
第二步:将上述处理过的旋挖齿座固定在激光加工机床上,通过卡盘带动旋挖齿座旋转,卡盘旋转与激光头X线性轴的进给运动配合运动,选择环形阵列方式,环形数量为100道,每道环形扫描时的卡盘旋转速度为2.8r/s,激光头X轴进给速度为零,完成单道环形扫描后,激光头X轴移动距离为1mm。如此循环100次直到完成所有环形区域扫描;
微凹坑的阵列方式可为多道环形,螺旋线形,等距弥散点阵等形式:
当阵列方式为多道环形时,环形数量为n,每道环形扫描时的卡盘旋转速度为a,激光脉冲频率为H,激光头X轴进给速度为零;完成单道环形扫描后,激光头X轴移动距离为b,b=(1~5)a/H,如此循环n次直到完成所有环形扫描;
当阵列方式为螺旋线形时,卡盘与激光头同时移动,卡盘旋转速度为a,激光脉冲频率为H,激光头X轴进给速度为d,且d=(1~5)a/H;
当阵列方式为等距弥散点阵时,应保证卡盘完成一个圆周运动后,微凹坑间距c与激光头X轴移动距离b相等。
第三步:采用YAG激光器,其输出波长为1.06μm,输出平均功率为200W,重频10KHz,激光器的输出脉冲激光束经过聚焦后照射到旋挖齿锥形面表面,聚焦采用聚焦透镜实现,聚焦透镜的规格根据激光束光斑大小和微凹坑设计直径进行选择;若激光器光斑大小与设计直径在同一量级,可使用单个聚焦镜聚焦;若二者有量级差别,则应使用聚焦镜组实现所需激光束光斑直径,该激光系统的激光能量密度可达106W/mm2,高能量脉冲激光束照射到材料表面,在短时间内将光能转换为热能,光斑直径范围及周边区域材料迅速融化并快速冷却,形成中心凹陷,边缘凸起的高硬度微凹坑区域。
第四步:关闭脉冲激光束,待光束停止作用后,冷却,该冷却过程为自然冷却,冷却后每个微凹坑直径为100μm。
第五步:在旋挖齿表面形成微凹坑阵列,完成制备。
以上所述仅为本发明的实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何修改、等同变化和修饰,均仍属于本发明技术方案范围之内,因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其具体包括以下步骤:
S1:表面清洁:室温下对旋挖齿锥形面表面进行除油除锈,并利用酒精清洗干净;
S2:速度设计:将步骤S1中清洁过的旋挖齿座固定在激光加工机床上,通过卡盘带动旋挖齿座旋转,卡盘旋转与激光头X线性轴的进给运动配合运动;
S3:激光照射:对步骤S2中固定好的旋挖齿使用激光器,在旋挖齿表面形成微凹坑;
S4:自然冷却:关闭脉冲激光束,待光束停止作用后,冷却,该冷却过程为自然冷却;
S5:成型:在旋挖齿表面形成微凹坑阵列,完成制备。
2.根据权利要求1所述的用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其中卡盘转速和激光头的进给速度由微凹坑的阵列方式决定。
3.根据权利要求1所述的用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其中激光器为气体激光器、固体激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求3所述的用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其中激光器的输出波长为177nm~15000nm。
5.根据权利要求4所述的用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其中激光器的功率密度为103~108W/mm2。
6.根据权利要求1所述的用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法,其中每个微凹坑直径控制在1μm~100μm。
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