CN107267979A - 一种盾构机刀头的强化方法以及高强度盾构机刀头 - Google Patents
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Abstract
一种盾构机刀头的强化方法以及高强度盾构机刀头，涉及激光加工技术领域，该强化方法采用激光在盾构机刀头的表面熔覆合金粉末，从而在盾构机刀头表面添加高强度合金熔覆层，以提升刀头性能。该方法操作简单方便，通过该方法强化后的盾构机刀头的韧性和耐磨性较强，使用寿命更长。一种高强度盾构机刀头，其通过上述盾构机刀头的强化方法强化得到。该高强度盾构机刀头具有较好的韧性和耐磨性，可以避免刀头的频繁更换，使用寿命更长。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种盾构机刀头的强化方法以及高强度盾构机刀头。
背景技术
盾构机刀具通常包括刀柄和刀体，刀体的刃口设有沿刃口方向延伸的凹槽，凹槽内镶有硬质合金块。该结构的盾构机刀头在使用过程中，在遇到隧道中的岩石层或砂砾层等密度较高的土壤时，刃口镶嵌的硬质合金块损坏较快，并且由于刀体刃口的磨损量大，很容易使刀体刃口部凹槽内的硬质合金体脱落，使刀头的使用寿命缩短。由于刀头的损耗，导致开仓换刀次数增加，开仓可能导致的塌方等风险不可预计。
传统对盾构刀头的强化一般采用对单一金属基材进行热处理的方法来实现，但很难做到同时满足刀头韧性和耐磨性能的使用要求，长期以来，盾构刀头厂家都在韧性和耐磨性能中寻找平衡点，借此延长刀头的使用寿命。但效果往往差强人意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构机刀头的强化方法，其操作简单，使用方便。能够有效增强盾构机刀头的韧性和耐磨性，增加盾构机刀头的使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种高强度盾构机刀头，其通过上述盾构机刀头的强化方法强化得到，其具有较好的韧性和耐磨性，可以避免刀头的频繁更换，使用寿命更长。
本发明的实施例是这样实现的：
一种盾构机刀头的强化方法，其包括：
采用功率为1300～1600W的激光在经过除油除锈处理后的盾构机刀头的表面熔覆合金粉末。
一种高强度盾构机刀头，其采用上述盾构机刀头的强化方法强化得到。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用激光在盾构机刀头的表面熔覆合金粉末，从而在盾构机刀头表面添加高强度合金熔覆层，以提升刀头性能。该方法操作简单方便，通过该方法强化后的盾构机刀头的韧性和耐磨性较强，使用寿命更长。
本发明实施例还提供一种高强度盾构机刀头，其通过上述盾构机刀头的强化方法强化得到。该高强度盾构机刀头具有较好的韧性和耐磨性，可以避免刀头的频繁更换，使用寿命更长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1所提供的盾构机刀头的示意图。
图标：100-盾构机刀头；101-刃口；102-刀刃凹槽镶块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种盾构机刀头的强化方法以及高强度盾构机刀头进行具体说明。
本发明实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其包括：
采用功率为1300～1600W的激光在经过除油除锈处理后的盾构机刀头的表面熔覆合金粉末。
激光熔覆技术是通过金属合金或其它类型材料在基材上沉积，来实现涂层和基材间的冶金结合一种技术，通过该方法可以在基材表面形成无孔、晶粒细小的显微组织以及良好机械性能的熔覆层。在形成熔覆层的过程中，熔覆层的合金成分、光斑直径、激光功率、扫描速度等多种工艺参数均影响着最终成型的熔覆层的微观组织和宏观质量。
在本发明实施例中，合金粉末包括镍基碳化钨合金粉末或镍基碳化钛合金粉末。碳化钨是碳和钨反应的生成物，而碳化钛则是碳和钛反应的产物，它们二者均具有耐磨性强、硬度高而脆的特点。作为合金粉末中的硬质相，还需要添加一种软的金属来作为粘结剂。这种用作粘合剂的金属可以是钴基合金、镍基合金、铁基合金、铜基合金中的一种。在本发明中，采用镍基合金作为粘结剂，镍基合金是由镍中加入适量的硼、硅和其它元素组成的合金，具有温度在1000℃左右的液相状态，硬度在HRC25～HRC65之间调节。本发明中优选采用Ni60作为粘结金属，其具有60HRC左右的硬度。通过掺入碳化钨或碳化钛，可以将合金粉末的整体硬度提升至≥65HRC。进一步地，合金粉末优选为镍基碳化钨合金粉末，其中，碳化钨的含量≥50％。包括50％T-Ni60A+50％Wc，40％T-Ni60A+60％Wc和30％T-Ni60A+70％Wc等，采用该镍基碳化钨合金粉末得到的熔覆层与基材之间的结合效果好，具有较好的硬度和耐磨性能。
在盾构机刀头的表面熔覆合金粉末时，控制激光光源移动扫描，并通过送粉喷嘴将合金粉末送至激光焦点处。本发明实施例中，在激光增材强化时设置激光功率为1300～1600W，确保功率密度达到合金粉末熔融阈值。实际作业中，可采用输出功率为3000W的光纤激光器作为加工热源，同时，利用机械臂控制激光光源移动，通过送粉喷嘴将硬质合金粉末送至激光焦点处。盾构机刀头通过工装进行夹持，以提高刀具强化重复固定精度。激光在盾构机刀头的表面形成有激光光斑，激光光斑的运动轨迹保持在刀刃凹槽镶块、刃口及其他工作接触部位匀速运动。
在本发明实施例中，激光光源在盾构机刀头的表面形成的激光光斑为矩形光斑，矩形光斑在盾构机刀头的表面进行单道扫描，以保证涂覆效率以及涂覆的精度。例如，可以采用6mm*2mm的积分镜，是激光光斑转化为矩形光斑，激光焦距设置为200mm，离焦量为+10mm。同时，矩形光斑的横向移动距离小于等于矩形光斑长度的50％，以保证涂覆层表面平整度。
激光涂覆过程中，激光光源的扫描速度为150～200mm/min，送粉喷嘴输送合金粉末的流量为30～60g/min，以保证熔覆层的厚度均匀而适宜，在涂覆层不出现裂纹的情况下使表面硬度最大化。优选地，合金粉末采用粒度为45～110μm的细粉。发明人经过创造性劳动发现，采用该粒度范围的合金粉末，在上述涂覆参数下，熔融的效率较高，与基材的结合效果较好，得到的涂覆层致密而均匀，强度较好。
进一步地，合金粉末在盾构机刀头的表面熔覆的单层厚度为2～5mm。发明人经过创造性劳动发现，涂覆层厚度在该范围内时，与基材的结合效果较好，无脱落，无裂痕，且拥有较好的强度。
盾构机刀头在进行激光熔覆之前，需要对其进行除油除锈处理，除油除锈处理可以提高基材表面硬度，减小基材与待涂覆合金粉末间硬度梯度差，使涂覆层与基材之间结合更好，防止熔覆层表面裂纹产生，甚至脱落的情况。优选地，对盾构机刀头进行除油除锈的具体方式为激光脉冲清洗，其中，激光脉冲的宽度为60～100ns，频率为5～20kHz，单脉冲能量为10～20MJ，扫描速度为150～300mm/min。发明人经过创造性劳动发现，在该参数条件下对盾构机刀头进行除油除锈处理的效果较佳，处理后的基材表面与合金粉末的硬度差距小，结合较好。
本发明实施例还提供了一种高强度盾构机刀头，其采用上述盾构机刀头的强化方法强化得到。该高强度盾构机刀头具有较好的韧性和耐磨性，可以避免刀头的频繁更换，使用寿命更长。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用镍基碳化钨合金粉末进行强化，合金粉末的化学成分为40％T-Ni60A+60％WC，合金粉末的粒度为45μm，盾构机刀头的形状如图1所示，其具体步骤如下：
S1.采用采用YAG脉冲激光器对盾构机刀头100的表面进行除油除锈处理，其中，激光的脉冲宽度60ns，频率5kHz，单脉冲能量10MJ，扫描速度150mm/min。
S2.利用工装夹具固定刀头，采用输出功率为3000W的光纤激光器作为加工热源，利用机械臂控制激光光源在刃口101与刀刃凹槽镶块102的表面做直线运动，通过送粉喷嘴将硬质合金粉末送至激光焦点处。
其中，工作时设置激光功率为1300W，激光扫描速度为150mm/min。采用6mm*2mm积分镜，使激光点光斑转换为矩形光斑，，激光焦距为200mm，离焦量为+10mm，单道横向移动距离为光斑长度的50％，合金粉末流量为60g/min。
S3.刀头表面强化完成后，检查合金厚度。并调整动机械臂，重复步骤S2，直到熔覆层厚度达到4mm。
实施例2
本实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用镍基碳化钨合金粉末进行强化，合金粉末的化学成分为50％T-Ni60A+50％WC，合金粉末的粒度为80μm，其具体步骤如下：
S1.采用采用YAG脉冲激光器对盾构机刀头的表面进行除油除锈处理，其中，激光的脉冲宽度100ns，频率15kHz，单脉冲能量20MJ，扫描速度250mm/min。
S2.利用工装夹具固定刀头，采用输出功率为3000W的光纤激光器作为加工热源，利用机械臂控制激光光源盾构机的表面做直线运动，通过送粉喷嘴将硬质合金粉末送至激光焦点处。
其中，工作时设置激光功率为1300W，激光扫描速度为250mm/min。采用6mm*2mm积分镜，使激光点光斑转换为矩形光斑，，激光焦距为200mm，离焦量为+10mm，单道横向移动距离为光斑长度的40％，合金粉末流量为45g/min。
S3.刀头表面强化完成后，检查合金厚度。并调整动机械臂，重复步骤S2，直到熔覆层厚度达到5mm。
实施例3
本实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用镍基碳化钨合金粉末进行强化，合金粉末的化学成分为30％T-Ni60A+70％WC，合金粉末的粒度为110μm，其具体步骤如下：
S1.采用采用YAG脉冲激光器对盾构机刀头的表面进行除油除锈处理，其中，激光的脉冲宽度100ns，频率20kHz，单脉冲能量15MJ，扫描速度300mm/min。
S2.利用工装夹具固定刀头，采用输出功率为3000W的光纤激光器作为加工热源，利用机械臂控制激光光源盾构机的表面做直线运动，通过送粉喷嘴将硬质合金粉末送至激光焦点处。
其中，工作时设置激光功率为1500W，激光扫描速度为300mm/min。采用6mm*2mm积分镜，使激光点光斑转换为矩形光斑，，激光焦距为200mm，离焦量为+10mm，单道横向移动距离为光斑长度的45％，合金粉末流量为30g/min。
S3.刀头表面强化完成后，检查合金厚度。并调整动机械臂，重复步骤S2，直到熔覆层厚度达到2mm。
实施例4
本实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用镍基碳化钨合金粉末进行强化，合金粉末的化学成分为40％T-Ni60A+60％TiC，合金粉末的粒度为80μm，其具体步骤如下：
S1.采用采用YAG脉冲激光器对盾构机刀头的表面进行除油除锈处理，其中，激光的脉冲宽度60ns，频率20kHz，单脉冲能量20MJ，扫描速度200mm/min。
S2.利用工装夹具固定刀头，采用输出功率为3000W的光纤激光器作为加工热源，利用机械臂控制激光光源盾构机的表面做直线运动，通过送粉喷嘴将硬质合金粉末送至激光焦点处。
其中，工作时设置激光功率为1600W，激光扫描速度为200mm/min。采用6mm*2mm积分镜，使激光点光斑转换为矩形光斑，，激光焦距为200mm，离焦量为+10mm，单道横向移动距离为光斑长度的50％，合金粉末流量为40g/min。
S3.刀头表面强化完成后，检查合金厚度。并调整动机械臂，重复步骤S2，直到熔覆层厚度达到4mm。
试验例
采用金相切割机从实施例1～4中强化后的盾构机刀头上取部分试验样品，并对其硬度进行测试，测试的具体方法如下：
1.将试验样品进行打磨抛光，用无水乙醇对试验样品进行清洗并吹干。在DHV-1000Z型数显显微维氏硬度计下测量其硬度，在熔覆层-结合面-基材上依次选取10个点为一组，通过硬度计测量3组压痕数值，计算基材、熔覆层硬度平均值，测量结果如表1所示；
2.观察实验样品表面，记录其表面熔覆层有无脱落情况，观察结果如表1所示；
3.采用化学探伤法，测试熔覆层有无裂痕，测试结果如表1所示。
表1试验样品硬度测试结果
由表1可以看出，通过实施例1～4所采用的盾构机刀头的强化方法进行强化后，观察其表面熔覆层无脱落情况，化学探伤后无裂纹。熔覆层显微硬度与基材相比提高了2倍左右，用此方法加工生产盾构机刀头与传统刀头相比性能有很大提高。
综上所述，本发明实施例提供了一种盾构机刀头的强化方法，其采用激光在盾构机刀头的表面熔覆合金粉末，从而在盾构机刀头表面添加高强度合金熔覆层，以提升刀头性能。该方法操作简单方便，通过该方法强化后的盾构机刀头的韧性和耐磨性较强，使用寿命更长。
本发明实施例还提供一种高强度盾构机刀头，其通过上述盾构机刀头的强化方法强化得到。该高强度盾构机刀头具有较好的韧性和耐磨性，可以避免刀头的频繁更换，使用寿命更长。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种盾构机刀头的强化方法，其特征在于，包括：
采用功率为1300～1600W的激光在经过除油除锈处理后的盾构机刀头的表面熔覆合金粉末。
2.根据权利要求1所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述合金粉末包括镍基碳化钨合金粉末或镍基碳化钛合金粉末，所述合金粉末的硬度≥65HRC。
3.根据权利要求2所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述合金粉末包括镍基碳化钨合金粉末，其中，碳化钨的含量≥50％。
4.根据权利要求1所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，在所述盾构机刀头的表面熔覆所述合金粉末时，控制激光光源移动扫描，并通过送粉喷嘴将所述合金粉末送至激光焦点处。
5.根据权利要求4所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述激光光源在所述盾构机刀头的表面形成的激光光斑为矩形光斑，所述矩形光斑在所述盾构机刀头的表面进行单道扫描，其横向移动距离小于等于所述矩形光斑长度的50％。
6.根据权利要求4所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述激光光源的扫描速度为150～200mm/min。
7.根据权利要求4所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述送粉喷嘴输送所述合金粉末的流量为30～60g/min。
8.根据权利要求1所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，所述合金粉末在所述盾构机刀头的表面熔覆的单层厚度为2～5mm。
9.根据权利要求1所述的盾构机刀头的强化方法，其特征在于，对所述盾构机刀头进行除油除锈的具体方式为激光脉冲清洗，其中，激光脉冲的宽度为60～100ns，频率为5～20kHz，单脉冲能量为10～20MJ，扫描速度为150～300mm/min。
10.一种高强度盾构机刀头，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的盾构机刀头的强化方法强化得到。
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