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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赵树森
陈�峰
赵钊
林学春
徐陈
段韧
成中庚
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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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

一种用于旋挖齿锥形面强化的激光微织构工艺方法
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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