CN110374755B - 一种气缸盖、发动机及气门座圈的激光熔覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气缸盖，所述气缸盖具有气缸连接端，所述气缸盖包括进气门座孔，所述进气门座孔的侧壁上开设有熔覆槽；所述进气门座孔内设有过渡段，所述过渡段位于所述熔覆槽靠近所述气缸连接端的一侧，所述过渡段与所述熔覆槽边缘相接；所述熔覆槽内通过激光熔覆工艺形成有气门座圈，所述气门座圈与所述气缸盖之间通过结合层连接，所述结合层存在于所述熔覆槽对应的所述进气门座孔的侧壁内，所述结合层还存在于部分所述过渡段对应的所述进气门座孔的侧壁内。通过特制过渡段的弧面熔覆槽，使熔覆物与母体间的结合层延伸至过渡段处，有效避免了普通熔覆槽产生的熔覆裂纹缺陷。

Description

一种气缸盖、发动机及气门座圈的激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机领域，特别涉及一种气缸盖、发动机及气门座圈的激光熔覆方法。
背景技术
近年来，为应对能源危机及气候变化，各国发布了更严苛的油耗排放法规，作为车用动力源，汽油机仍将存在相当长时间，汽车厂商需不断提升整车燃油经济性，根据国家2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，乘用车新车平均油耗将分别达到2020年5.0L/100Km，2015年4.0L/100Km，2030年3.2L/100Km，乘用车汽油机2020年热效率将达到40％，2025年热效率将达到44％，2030年热效率将达到48％。快速燃烧是提高发动机热效率的途径之一，而高滚流进气系统是实现快速燃烧的必要条件，滚流比影响因素：喉口截面积与气门横截面积、喉口处进气道角度、喉口深度。
目前，发动机气缸盖上设有进气门座圈安装口，进气门座圈通过压装的方式与气缸盖本体上的进气门座圈安装口配合，这种配合结构制约了流量系数和滚流强度的提升，即影响了进气道性能的提升。因此需对现有的发动机进气门与气缸盖的配合结构进行改进。在其他条件不变时，激光熔覆气门座圈可降低喉口深度，提高滚流比。
在现有技术中气门座的激光熔覆方法，采用倒角状或圆弧状的熔覆槽，在实际熔覆中在两端会出现因为无缓冲而产生裂纹，熔覆层起始端及搭接区的界面成型质量差，当检测到缺陷时，需要去除沉积金属，再次进行激光熔覆，工艺繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有激光熔覆气门座边缘易产生裂纹缺陷及工艺复杂繁琐的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本发明公开了一种气缸盖，所述气缸盖具有气缸连接端，所述气缸盖包括进气门座孔，所述进气门座孔的侧壁上开设有熔覆槽；
所述进气门座孔内设有过渡段，所述过渡段位于所述熔覆槽靠近所述气缸连接端的一侧，所述过渡段与所述熔覆槽边缘相接；
所述熔覆槽内通过激光熔覆工艺形成有气门座圈，所述气门座圈与所述气缸盖之间通过结合层连接，所述结合层存在于所述熔覆槽对应的所述进气门座孔的侧壁内，所述结合层还存在于部分所述过渡段对应的所述进气门座孔的侧壁内。
进一步的，所述气门座圈由熔覆物加工而成，所述熔覆物通过激光熔覆将填充物与所述气缸盖的母体融合形成，所述熔覆物覆盖在所述熔覆槽和部分所述过渡段上，所述结合层为所述填充物和所述气缸盖的融合过程中形成的。
进一步的，所述熔覆槽环向设置在所述进气门座孔的侧壁上；所述熔覆槽的截面为弧形。
进一步的，所述过渡段为弧状过渡段。
第二方面，本发明公开了一种发动机，所述发动机包括如上所述的气缸盖。
第三方面，本发明公开了一种气门座的激光熔覆方法，包括以下步骤：
在气缸盖的气门座孔的侧壁上加工熔覆槽和过渡段；其中，所述过渡段位于所述熔覆槽靠近气缸连接端的一侧，所述过渡段与所述熔覆槽边缘相接；
准备填充物，以预设送粉速度将填充物送至熔覆槽表面；
激光束照射融化填充物包住所述熔覆槽及部分过渡段对应的母体，将所述填充物与所述母体熔合，在所述母体上形成熔覆层；
机加工，获得气门座圈的形状。
进一步的，所述将所述填充物与所述母体熔合的过程，激光输出功率在预设范围内可调。
进一步的，所述激光输出功率为1000W-3000W。
进一步的，所述预设送粉速度为0.5r/min-2.5r/min。
进一步的，所述激光束绕所述熔覆槽周向进行激光熔覆；和/或，
所述激光束与气门导管孔的中心线入射角为30°-60°。
采用上述技术方案，本发明所述的气缸盖、发动机及气门座的激光熔覆方法具有如下有益效果：
1)本发明的气缸盖，通过特制过渡段的弧面熔覆槽，使熔覆物与母体间的结合层延伸至过渡段处，这种结合更牢固，有效避免了普通熔覆槽产生的熔覆裂纹缺陷，而且成型界面优于其他槽型。
2)本发明的气缸盖，采用激光熔覆的气门座圈，进气门直接与气缸盖本体配合，进气道喉口截面积增大、进气道喉口深度减小，流量系数和滚流比均增加，提高了滚流比；同时，装配时省去了进气门座圈的压装，提高了装配效率、降低了成本。
3)本发明的气门座激光熔覆方法，工艺过程简单，节省成本；激光熔覆采用变激光输出功率可保证熔覆层起始端及搭接区的界面成型，同时选用合适的入射角和送粉速度。
4)本发明的发动机，由于采用激光熔覆的气门座圈，提高了滚流比，从而实现了快速燃烧，改善了发动机的动力性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例1的汽车发动机气缸盖局部剖面结构的示意图；
图2为本发明实施例1的在进气门座孔部分激光熔覆形成气门座圈结构的截面图；
图3为本发明实施例1的激光熔覆后的进气门座孔部分的截面图；
图4为本发明实施例1的不同熔覆槽型激光熔覆后结合层的截面图；
图5为本发明实施例2的气门座的激光熔覆方法工艺流程图；
以下对附图作补充说明：
10-气缸盖；11-进气道；12-气门导管孔；13-进气门；14-气缸连接端；20-进气门座孔；21-熔覆槽；22-过渡段；23-熔覆物；24-机加工面；25-结合层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例1：
如图1所示，气缸盖10上与气门锥面相贴合的部位称气门座。进气门座孔20为发动机的气道和燃烧室相互连接的部分，进气阀包括进气门13，进气门13与进气门13座圈表面接触配合。气门座圈的工作环境温度很高，又需要承受频率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，为了延长气缸盖10的使用寿命。需要在气缸盖10上气门座孔处设置具有优异的耐热性或高温耐磨性的气门座圈。
如图2和图3所示，本发明提供了一种气缸盖10，所述气缸盖10具有气缸连接端14，所述气缸盖10包括进气门座孔20，所述进气门座孔20的侧壁上开设有熔覆槽21；所述进气门座孔20内设有过渡段22，所述过渡段22位于所述熔覆槽21靠近所述气缸连接端14的一侧，所述过渡段22与所述熔覆槽21边缘相接；所述熔覆槽21内通过激光熔覆工艺形成有气门座圈，所述气门座圈与所述气缸盖10之间通过结合层25连接，所述结合层25存在于所述熔覆槽21对应的所述进气门座孔20的侧壁内，所述结合层25还存在于部分所述过渡段22对应的所述进气门座孔20的侧壁内。
本实施例中，进气门座孔20为发动机的气道和燃烧室相互连接的部分，激光熔覆气门座母体层、结合层25和熔覆层构成。所述熔覆槽21设置在进气门座孔20的表面，所述熔覆槽21用于激光熔覆，通过激光熔覆在进气门座孔20处形成气门座圈，可以降低喉口深度，缩短燃烧持续期，保持喉口直径，确保流量系数不降低，提升扭矩，提高燃油经济性和动力性，且通过激光熔覆气门座圈替换传统压装气门座圈可使气道设计更为灵活。
所述气门座圈由熔覆物23加工而成，所述熔覆物23通过激光熔覆将填充物与所述气缸盖10的母体融合形成，所述熔覆物23覆盖在所述熔覆槽21和部分所述过渡段22上，所述结合层25为所述填充物和所述气缸盖10的融合过程中形成的。
本实施例中，所述气门座圈的外形是通过机加工激光熔覆后的熔覆层形成的，机加工包括对熔覆层、结合层25及母体进行气道外形及气门贴合面的加工。
所述熔覆槽21环向设置在所述进气门座孔20的侧壁上；所述熔覆槽21的截面为弧形。所述过渡段22为弧状过渡段22。
如图4所示，图4a为其它熔覆槽21形未设置过渡段22激光熔覆后熔覆层与母体层之间的结合情况，这种结合情况熔覆层易与母体间产生开裂现象，或气门座圈在使用过程中开裂，影响使用寿命；图4b为本实施例的熔覆层与母体层之间的结合情况，通过特制过渡段22的弧面熔覆槽21，使熔覆物23与母体间的结合层25延伸至过渡段22处，这种结合更牢固，有效避免了普通熔覆槽21产生的熔覆裂纹缺陷，而且成型界面优于其他槽型。
本实施例中还提供了一种发动机，所述发动机包括如上所述的气缸盖10。
本发明的发动机，由于采用激光熔覆的气门座圈，提高了滚流比，从而实现了快速燃烧，改善了发动机的动力性。
实施例2：
如图5所示，本发明公开了一种气门座的激光熔覆方法，包括以下步骤：
步骤S1，在气缸盖10的气门座孔的侧壁上加工熔覆槽21和过渡段22；其中，所述过渡段22位于所述熔覆槽21靠近气缸连接端14的一侧，所述过渡段22与所述熔覆槽21边缘相接；
本实施例中，在进行步骤1之间，还包括对气缸盖10的气门座孔处的预处理，所述预处理步骤包括对气缸盖10的探伤，保证气缸盖10没有裂纹、夹杂、气孔等缺陷存在，然后在气门座孔部位加工熔覆槽21，熔覆槽21具有圆弧状的熔覆面，在熔覆槽21靠近气缸连接端14的一端加工出缓冲角，即过渡段22，缓冲角的形状可以为圆滑的弧状缓冲角，也可以为圆锥面状的缓冲角；通过特制缓冲角的弧面熔覆槽21有效避免了其它形状熔覆槽21熔覆产生的熔覆裂纹缺陷；然后将熔覆槽21及过渡段22的待熔覆表面打磨光滑，并去除表面的油污与铁锈，干燥保存。
步骤S3，准备填充物，以预设送粉速度将填充物送至熔覆槽21表面；所述预设送粉速度为0.5r/min-2.5r/min。
本实施例中，在进行步骤3时，需要预先准备好待熔覆的填充物，填充物的强度应与母体材料部相同，对于本实施例，需准备铜基合金粉末，然后将合金粉末送至熔覆槽21部位，由于熔覆槽21为环形，所以采用0.5r/min的速度进行送粉，也可以采用2.5r/min的速度进行送粉，具体根据实际工艺需求进行调整。
步骤S5，激光束照射融化填充物包住所述熔覆槽21及部分过渡段22区域的母体，将所述填充物与所述母体熔合，在所述母体上形成熔覆层；所述激光束绕所述熔覆槽21周向进行激光熔覆；所述激光束与气门导管孔12的中心线入射角为30°-60°。
本实施例中，采用半导体激光器发射激光束，激光束与气门导管孔12的中心线入射角为30°，也可以选用激光束与气门导管孔12的中心线入射角为60°，优选的入射角度采用45°；激光束将合金粉末熔覆在熔覆槽21及过渡段22的表面，形成熔覆层；此时，熔覆层与母体的接合界面成型有一毛细结构层，接合界面两侧的材料结合为一体，所述毛细结构层即为结合层25。
步骤S7，机加工，获得气门座圈的形状。
本实施例中，在进行步骤7之前，需要对熔覆层进行冷却，移除熔覆层表面的残余合金粉末，初步检查后对进气门座孔20外形进行机加工，机加工采用成型刀具对熔覆层、结合层25及母体进行气道外形及气门贴合面机加工。
所述将所述填充物与所述母体熔合的过程，激光输出功率在预设范围内可调。所述激光输出功率为1000W-3000W。
本实施例中，激光输出功率根据熔覆槽21型进行调节，激光熔覆选用变化的输出功率进行熔覆，有利于熔覆层起始端及搭接区的界面成型，采用此方法产生的熔覆缺陷率低，保证了熔覆质量，同时避免产生缺陷时去除熔覆层，多次进行激光熔覆造成的工艺繁琐，降低了工艺成本。在有些情况下，激光输出功率还可以采用定值进行熔覆。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种气缸盖，其特征在于，所述气缸盖具有气缸连接端，所述气缸盖包括进气门座孔，所述进气门座孔的侧壁上开设有熔覆槽；
所述进气门座孔内设有过渡段，所述过渡段位于所述熔覆槽靠近所述气缸连接端的一侧，所述过渡段与所述熔覆槽边缘相接，所述过渡段为弧状过渡段；
所述熔覆槽内通过激光熔覆工艺形成有气门座圈，所述气门座圈与所述气缸盖之间通过结合层连接，所述结合层存在于所述熔覆槽对应的所述进气门座孔的侧壁内，所述结合层还存在于部分所述过渡段对应的所述进气门座孔的侧壁内；
所述气门座圈由熔覆物加工而成，所述熔覆物通过激光熔覆将填充物与所述气缸盖的母体融合形成，所述熔覆物覆盖在所述熔覆槽和部分所述过渡段上，所述结合层为所述填充物和所述气缸盖的融合过程中形成的。
2.根据权利要求1所述的气缸盖，其特征在于：所述熔覆槽环向设置在所述进气门座孔的侧壁上；所述熔覆槽的截面为弧形。
3.一种发动机，其特征在于，所述发动机包括根据权利要求1-2任一项所述的气缸盖。
4.一种气门座圈的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
在气缸盖的气门座孔的侧壁上加工熔覆槽和过渡段；其中，所述过渡段位于所述熔覆槽靠近气缸连接端的一侧，所述过渡段与所述熔覆槽边缘相接，所述过渡段为弧状过渡段；
准备填充物，以预设送粉速度将填充物送至熔覆槽表面，所述填充物覆盖在所述熔覆槽和部分所述过渡段上；
激光束照射融化填充物包住所述熔覆槽及部分过渡段对应的母体，将所述填充物与所述母体熔合，在所述母体上形成熔覆层；
机加工，获得气门座圈的形状。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述将所述填充物与所述母体熔合的过程，激光输出功率在预设范围内可调。
6.根据权利要求5所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述激光输出功率为1000W-3000W。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述预设送粉速度为0.5r/min-2.5r/min。
8.根据权利要求7所述的激光熔覆方法，其特征在于：所述激光束绕所述熔覆槽周向进行激光熔覆；和/或，
所述激光束与气门导管孔的中心线入射角为30°-60°。
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