CN110226011A - 用于疏浚或采矿的增材制造的齿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在水下操作中切削材料的切削元件(3)，该切削元件(3)至少包括第一切削部分(1)和第二切削部分(2)，其中第一切削部分(1)包含第一金属合金，且第二切削部分(2)包含与第一金属合金不同的第二金属合金，其中通过增材制造沉积第一和第二切削部分(1，2)，并且其中第一和第二切削部分(1，2)通过熔融粘合相互连接。

Description

用于疏浚或采矿的增材制造的齿

技术领域

本发明涉及一种用于在水下操作中切削材料的切削元件，例如岩石切削齿。本发明还涉及制造或整修用于在水下操作中切削材料的切削元件。

背景技术

通过铸造/锻造以及随后的热处理来生产用于疏浚应用的大多数岩石切削齿。虽然铸造或锻造的齿具有成本竞争力并且可以大量生产，但是这些具有若干缺点。首先，由于齿和岩石材料之间的摩擦产生的热量，损失了强度和硬度，而使寿命受到限制。其次，由于与材料的马氏体结构相关的齿材料抗冲击性有限而过早发生断裂。

另一种类型的岩石切削齿是铸钢外壳，并且在铸钢外壳中装配碳化钨复合材料插入件或氧化铝插入件。

该技术用于生产被认为优质的岩石切削齿。

与该插入型齿相关的问题如下。首先，插入件的失效主要由于过早的断裂。这是因为使用的复合材料的固有脆性。其次，生产这些齿的需要多个步骤，包括压缩和烧结插入件、生产外壳以及在芯中复杂地装配插入件。最后，由于其硬度较低，钢外壳通常磨损得更快。这使得插入件没有支撑并且加速了插入件的过早失效。

在WO2005005737中找到齿系统的另一种实例。该齿具有芯。该齿系统具有与具有插入件的系统类似的问题。

发明内容

本发明旨在提高切削元件如岩石切削齿的性能和寿命。

本发明的另一个目标是改进已知的切削元件，至少部分地解决与其相关的问题。

本发明的又另一个目标是提供替代的切削元件。

根据本发明的第一方面，其通过用于在水下操作中切削材料的切削元件来实现，该切削元件至少包括第一切削部分和第二切削部分，其中第一切削部分包含第一金属合金，并且第二切削部分包含与第一金属合金不同的第二金属合金，其中通过增材制造沉积第一切削部分和第二切削部分，并且其中第一切削部分和第二切削部分通过熔融粘合(meltbond)相互连接。

具体地，通过高功率增材制造来沉积第一切削部分和第二切削部分。基于激光的方法或基于电弧的方法是高功率增材制造方法的已知示例。通过激光或电弧的能量产生熔池(meltpool)，并且在熔池中添加金属合金。

具有两个部分使得可以组合不同的材料。通过熔融粘合相互连接的部分使得能够获得具有改善的耐久性和可靠性的单件的切削元件。耐久性涉及耐磨性和对于抗冲击的可靠性。因此，提高耐久性和可靠性意味着切削元件具有更高的耐磨性和更大的冲击吸收负载的能力而不会使切削元件断裂。

上述增材制造方法至少涉及通过将例如粉末形式的这些金属合金注入熔池中来沉积第一金属合金和第二金属合金。这导致从第一切削部分平滑且逐渐地过渡到另一个切削部分，并且使得能够控制该过渡。这改善了切削元件整体的热性能。这种基于激光的技术至少包括激光金属沉积(LMD)、激光熔覆和定向能量沉积(DED)。应当注意，基于激光的方法涉及束(激光或电子)和材料添加(粉末或线材)。

切削元件的示例是在疏浚刀头上使用的切削齿，以及在采矿刀头或挖沟刀头上使用的钻头。

在一个实施方式中，切削元件包含基部，其配置为连接到切削头，并且其中该基部支撑第一切削部分和第二切削部分。该基部支撑第一切削部分和第二切削部分，使得切削元件在切削时保持其位置。如果需要，第一切削部分和第二切削部分可以直接沉积在基部上。

在一个实施方式中，切削元件在使用中具有攻击线(line of attack)，其中第一切削部分和第二切削部分之间的界面相对于攻击线横向延伸。以这种方式，最好地利用第一金属合金和第二金属合金的组合特性。具体地，第一切削部分和第二切削部分之间的界面基本上平行于切削元件的纵轴延伸。对于所谓的芯/壳组合是如此。然而，可以构想出其他构造，如第一金属合金和第二金属合金的交替的层。

在切削元件的一个实施方式中，第一切削部分和第二切削部分共轴延伸。这使得可以在其寿命期间保持切削元件的切削性能恒定。

在切削元件的一个实施方式中，第一金属合金和第二金属合金至少在其弹性和硬度特性上不同。

在切削元件的一个实施方式中，第一切削部分在切削元件的内芯处延伸，并且第一金属合金具有60-80HRc的洛氏硬度C(HRc)，更具体地65-75HRc。

在切削元件的一个实施方式中，第一金属合金具有根据ASTM G65-04程序A在约6000次测试循环后造成的质量损失为约或小于0.07g(+/-0.01)的耐磨性。

在切削元件的一个实施方式中，第二切削部分在切削元件的外周延伸，并且第二金属合金在冲击时硬化。具体地，第二金属合金在室温下包含奥氏体结构，其在一定温度下转变成马氏体结构。更具体地，第二金属合金至少包含Fe、Mn和C。

在切削元件的一个实施方式中，第一切削部分和第二切削部分在使用中在切削元件的切削表面上延伸。这确保了利用切削元件的切削性能的能力。明显的是，在芯壳构造的情况下，最初只有第一切削部分和第二切削部分中在外一个在切削表面上延伸。

在切削元件的一个实施方式中，第一切削部分和第二切削部分在它们的整个相互重叠的部分上熔融粘合。这确保了切削元件更高的整体性，特别是在其整个寿命期间。

本发明还涉及一种齿系统，包括基部结构和根据本发明的可拆卸地连接到基部结构的切削元件，其中基部结构配置为通过例如焊接方式或机械紧固方式牢固地安装到刀头上。

本发明进一步涉及一种切削头，其包含根据前述权利要求的切削元件。该切削头可以例如设计用于疏浚、采矿或挖沟。

根据本发明的进一步的方面，其一种用于制造用于切削包括岩石的地层的切削元件的方法来实现，该切削元件包括至少第一切削部分和第二切削部分，其中该方法包括；

a.通过增材制造沉积第一金属合金以提供第一切削部分，

b.将材料供应从第一金属合金转换为第二金属合金，以停止沉积第一金属合金并开始沉积第二金属合金，

c.通过增材制造沉积第二金属合金，以提供第二切削部分，使得第一切削部分和第二切削部分通过熔融粘合相互连接。

在该方法的一个实施方式中，步骤b不中断第一金属合金或第二金属合金或它们的组合的沉积。

在一个实施方式中，该方法包括；

d.逐层制造切削元件，并且每层至少一次从第一金属合金转换到第二金属合金，以形成第一切削部分和第二切削部分。

在一个实施方式中，步骤b包括

e.在从第一金属合金转换到第二金属合金期间控制第一金属合金和第二金属合金的供应之间的比率，以配置第一切削部分和第二切削部分之间的界面。

在一个实施方式中，该方法包括现场执行步骤a-e中的任何步骤。这是在预期的位置完成的，如工程现场。

在一个实施方式中，该方法包括整修受损的切削元件。以这种方式，切掉磨损的元件的顶部边缘，然后通过沉积由第一材料合金和第二材料合金组成的若干层，使元件回到其原始尺寸或不同的尺寸。

本发明进一步涉及一种装置，其包括在说明书中描述和/或在附图中示出的一个或多个特征。

本发明进一步涉及一种方法，其包括在说明书中描述和/或在附图中示出的一个或多个特征。

可以组合本专利中讨论的各个方面以提供额外的优点。

附图说明

参考示意图中所示的优选实施方式，将进一步阐明本发明，其中示出：

图1是根据本发明的切削元件的透视剖视图；

图2a是根据图1的切削元件的截面顶视图；

图2b是切削元件的另一个实施方式的截面顶视图；

图3a是图2的截面；

图3b是图3a的细节；

图4是用于制造根据本发明的切削元件的设备；并且

图5是具有根据本发明的切削元件的刀头。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的切削元件3。切削元件3适合于并构造为用于在水下操作中切削材料。切削元件3包括至少第一切削部分1和第二切削部分2。第一切削部分1包含第一金属合金，第二切削部分2包含第二金属合金。第二金属合金与第一金属合金相比是不同的。第一切削部分1和第二切削部分2都通过基于激光的增材制造方法沉积，例如通过DED或激光熔覆。第一切削部分1和第二切削部分2通过熔融粘合相互连接。此处，第一切削部分1和第二切削部分2在它们的相互重叠的整个部分上熔融粘合。切削元件3包含仅示意性地描绘的基部4。基部4设计成在切削操作期间支撑切削部分1、2。基部4还配置为将切削元件3可拆卸地连接到刀头5，如图5中所示，使得能够更换切削元件3。在操作期间，切削元件3可能在例如半小时之后已经磨损，并且然后需要更换。

本领域技术人员将理解，与切削部分1、2相关的基部4可以是来自切削头(未示出)的适配器或任何其他合适的装置。

图1的切削元件3具有所谓的芯壳构造。换句话说，第一切削部分1在内芯处延伸，而第二切削部分2在切削元件3的外周处延伸。第一切削部分1和第二切削部分2沿切削元件3的纵轴7延伸。此处，第一切削部分1和第二切削部分2沿纵轴7共轴地延伸。此处，第一切削部分1和第二切削部分2之间的界面6基本上平行于切削元件的纵轴7延伸。在这种情况下，界面6是锥形的。应当注意，界面6可以是包含第一切削部分1和第二切削部分2的至少一种合金的渐变界面。

第一切削部分1和第二切削部分2形成此处的切削元件3，其形式为锥形切削齿。第一切削部分1和第二切削部分2都向切削元件提供了与切削力Fc相关的的强度和整体性。在这种情况下，第一切削部分1和第二切削部分2都在切削元件的基部处延伸超过切削元件直径的约一半。切削元件3的基部是面向基部4的一侧。

切削元件3在使用中具有攻击线8，切削力Fc沿该线作用在切削元件3上。第一切削部分1和第二切削部分2之间的界面6相对于攻击线8横向延伸。此处，切削元件3的纵轴7相对于攻击线8横切延伸。明显的是，切削元件3的纵轴7与攻击线8是的其他相互取向是可能的。切削力Fc施加在切削元件3的外表面上。

图2a是图1所示的切削元件3的截面顶视图。此处，可以最好地看出图1的切削元件3具有芯壳构造。第一切削部分1和第二切削部分2沿纵轴7并围绕纵轴7共轴延伸。图2b是可替换构造的切削元件3的截面顶视图。与图2a的视图相比的差异在于，切削元件3具有第一金属合金和第二金属合金的交替的层。这甚至更加改善了切削元件3的热性能和切削特性。

通过基于激光的增材制造方法制造切削元件3。这也意味着通常将以逐层方式制造切削元件3。图3a显示了这种层20的截面。图2；通过铺设焊珠(焊缝，weld bead)来生长层20，这些焊珠显示为半圆的形状，其在示出了图3a的细节的图3b中可以最好地看出。示出了第一切削部分1和第二切削部分2以及第一切削部分1和第二切削部分2之间的界面6。第一切削部分1由第一金属合金制成。第二切削部分2由第二金属合金制成。第二金属合金与第一金属合金是不同的。第一金属合金和第二金属合金在弹性和硬度性能上不同。第一金属合金具有60-80HRc的洛氏硬度C(HRc)，更具体地65-75HRc。另外，第一金属合金具有根据ASTM G65-04流程A在约6000次测试循环后造成的质量损失为约或小于0.07g(+/-0.01)的耐磨性。第二金属合金至少在初始时比第一金属合金更软。然而，第二金属合金在冲击时硬化。在冲击时硬化的金属合金本身是已知的。第二金属合金包含Fe、Mn和C，用于确定第二金属合金的硬度特性。可以选择作为第二金属合金的合金的实例是哈德菲尔德(Hadfield)钢。

图4示意性地示出了用于制造根据本发明的切削元件3的设备9。现在将参照设备9描述制造切削元件的方法。该方法涉及通过增材制造沉积第一金属合金13以提供第一切削部分1。第一金属合金13以粉末形式储存在第一容器10中。第一金属合金13通过第一供应管线14、混合装置17并最终通过出口喷嘴16输送到基板上的熔池中。该方法涉及通过增材制造沉积第二金属合金12以提供第二切削部分2。第二金属合金12以粉末形式储存在第二容器11中。第二金属合金12通过第二供应管线15、混合装置17并最终通过出口喷嘴16输送到基板上的熔池中。此处，第一金属合金13和第二金属合金12通过共同的出口喷嘴16排出。该方法还涉及将从出口喷嘴16到熔池的材料供应从第一金属合金13转换为第二金属合金12，以停止沉积第一金属合金13并开始沉积第二金属合金12。转换由混合装置17引导，其具有第一金属合金13和第二金属合金12作为通过相应的第一供应管线14和第二供应管线15的输入，并且具有共同的出口喷嘴16作为其输出。混合装置16可以根据需要在100％的第一金属合金13和100％的第二金属合金12之间混合第一金属合金13和第二金属合金12。转换可以逐渐完成。从第一金属合金13到第二金属合金12的转变可以逐渐进行，使得界面6的宽度可以为多个焊珠。

作为示例，从第一金属合金13到第二金属合金12的转换是逐步进行的。在焊珠围绕纵轴7的每次环绕中，在混合过程中进行一个步骤以提供从第一金属合金13到第二金属合金12的逐渐转变。

从第一金属合金13到第二金属合金12的逐渐转变通过防止从一种材料突然过渡到另一种材料而改善了切削元件3的热性能。一旦它们因操作的摩擦而被加热，这将减少两种材料之间的不匹配的量，或者换言之，热应力。考虑到在使用切削元件期间的高温和温度循环次数，这是很重要的。换句话说，该方法涉及在从第一金属合金转换到第二金属合金期间控制第一金属合金13和第二金属合金12的供应之间的比率，以在第一切削部分1和第二切削部分2之间构造界面6。混合装置17具有控制器22，以控制第一金属合金13和第二金属合金12的混合物。根据需要，控制器22可以是内部的或外部的。转换不会中断第一金属合金13或第二金属合金12或它们的组合的沉积。这促进了切削元件3的机械完整性。

出于说明的目的，切削元件的一个制造层20显示位于载体21上。明显的是，接下来将会有更多的层构成切削元件3。层20至少需要一次转换。在壳芯构造的情况下，从第一金属合金到第二金属合金每层需要两次转换以形成第一切削部分和第二切削部分。

焊珠铺设策略的一个实例是使用哈德菲尔德钢从层20的外侧开始，并以螺旋形式向内移动，并在下一层中反转该顺序，依此类推。通过这种方式，可以在不中断沉积并且材料之间切换(转换)最小的情况下沉积整个部分。

交替的焊珠铺设策略意味着以螺旋形式从切削元件3的外部向内部沉积层20，并从外部或内部再次开始沉积下一层。

技术人员将理解，可以以不同于粉末的形式(即线材)提供第一金属合金13和第二金属12，其中两根线材同时进料以产生界面6。代替控制粉末的混合物，控制线材的进料速度。尽管如此，可能存在其中通过线材的方式提供仅一种金属合金的界面6的区域，以及其中金属合金提供有具有相似或不同的合金的一根或两根线材在界面6的其他区域。还可以设想粉末原料和线材原料的组合。

在整修损坏的切削元件3的情况下，该方法可以包括扫描损坏的切削元件以建立3d数据模型，并且然后将沉积过程调整为按照3d数据模型。

图5示意性示出了提供有根据本发明的切削元件3的刀头5。刀头5具有中心轴23。在使用中，刀头5围绕中心轴23旋转。

显而易见的，在包括上述说明书和附图以说明本发明的一些实施方式之后，并不会限制所保护范围。从本公开开始，对于本领域技术人员而言，更多的实施方式是显而易见的，这些实施方式在本发明的保护范围和本质内，并且它们是现有技术和本专利的公开内容的明显的组合。

Claims (20)

1.用于在水下操作中切削材料的切削元件，所述切削元件至少包括第一切削部分和第二切削部分，其中所述第一切削部分包含第一金属合金，并且所述第二切削部分包含与所述第一金属合金不同的第二金属合金，其中通过增材制造沉积所述第一切削部分和所述第二切削部分，并且其中所述第一切削部分和所述第二切削部分通过熔融粘合相互连接。

2.根据权利要求1所述的切削元件，包括配置为连接至切削头的基部，并且其中所述基部支撑所述第一切削部分和所述第二切削部分。

3.根据前述权利要求所述的切削元件，在使用中具有攻击线，其中所述第一切削部分和所述第二切削部分之间的界面相对于所述攻击线横向延伸。

4.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一切削部分和所述第二切削部分之间的界面基本上平行于所述切削元件的纵轴延伸。

5.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一切削部分和所述第二切削部分共轴延伸。

6.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一金属合金和所述第二金属合金至少在其弹性和硬度性能上不同。

7.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一切削部分在所述切削元件的内芯处延伸，并且所述第一金属合金具有60-80 HRc的洛氏硬度C(HRc)，更具体地65-75 HRc。

8.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一金属合金具有根据ASTM G65-04程序A在约6,000次测试循环后造成的质量损失为约或小于0.07g(+/-0.01)的耐磨性。

9.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第二切削部分在所述切削元件的外周处延伸，并且所述第二金属合金在冲击时硬化。

10.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第二金属合金至少包含Fe、Mn和C。

11.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一切削部分和所述第二切削部分在使用中在所述切削元件的切削表面上延伸。

12.根据前述权利要求所述的切削元件，其中，所述第一切削部分和所述第二切削部分在它们的整个相互重叠上熔融粘合。

13.齿系统，包括基部结构和与所述基部结构可拆卸地连接的根据前述权利要求1-12所述的切削元件，其中所述基部结构配置为通过例如焊接方式或机械紧固方式牢固地安装至刀头。

14.包括根据前述权利要求1-12所述的切削元件的切削头。

15.用于制造用于切削包括岩石的地层的切削元件的方法，所述切削元件至少包括第一切削部分和第二切削部分，其中所述方法包括；

a.通过增材制造沉积第一金属合金以提供所述第一切削部分，

b.将材料供应从所述第一金属合金转换为第二金属合金，以停止沉积所述第一金属合金并开始沉积所述第二金属合金，

c.通过增材制造沉积第二金属合金以提供所述第二切削部分，使得所述第一切削部分和所述第二切削部分通过熔融粘合相互连接。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，步骤b不中断所述第一金属合金或所述第二金属合金或它们的组合的沉积。

17.根据权利要求15或16所述的方法，包括

d.逐层制造所述切削元件，并且每层至少一次从所述第一金属合金转换到所述第二金属合金，以形成所述第一切削部分和所述第二切削部分。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中步骤b包括

e.在从所述第一金属合金转换到所述第二金属合金期间控制所述第一金属合金和所述第二金属合金的供应之间的比率，以在所述第一切削部分和所述第二切削部分之间构造界面。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，包括现场进行步骤a-e中的任一个。

20.根据权利要求15-19中任一项所述的方法，包括整修受损的切削元件。