CN113235086A - 一种船舶发动机用气阀表面修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船舶发动机用气阀表面修复方法，包括以下步骤：利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成第一熔覆层；调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层边缘与气阀基材结合区域的表面进行第二次高速激光熔覆，形成第二熔覆层；调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层表面和第二熔覆层表面的区域进行第三次高速激光熔覆，形成第三熔覆层，完成气阀表面修复，其中，第一熔覆材料为铁基合金粉，第二熔覆材料为钴基合金粉。本发明的修复方法采用铁基合金粉和钴基合金粉作为熔覆材料，气阀本体材料与第一熔覆层、第二熔覆层的相容性好，熔覆表面没有裂纹产生。
Description
技术领域
本发明涉及船舶修复领域，更具体地讲，涉及一种船舶发动机用气阀表面修复方法。
背景技术
气阀作为船舶“心脏”发动机的重要组成部件，由于其面临高温、高压等特殊工作条件，极易造成气阀表面破损。例如，由于燃气中的碳粒或其它杂质会冲刷和落到密封面上，气阀与阀座撞击时会在气阀表面产生磨损伤痕。再例如，气阀底面与高温燃烧产物直接接触，在气阀开启期间会承受高温(900～1000℃)和具有腐蚀性气体的高速(达600m/s)冲刷，气阀中心温度高达700～800℃，在阀盘与阀杆过渡圆弧中段，温度也有600～700℃，当阀面密封不严时，就会引起高温燃气阀面的烧损。气阀落座时，阀与阀座在惯性力和弹簧作用力的共同作用下，还承受着相当大的冲击性交变载荷，阀与阀座的撞击，容易形成气阀面严重的磨损。当气阀表面存在磨损伤痕而达不到使用标准后，必须对气阀进行修复，甚至报废处理。
目前，现有技术中采用堆焊来修复出现破损的气阀，但该方法修复气阀容易在修复表面产生裂纹，达不到修复要求。因此，亟需一种特定的修复技术对船舶气阀表面磨损伤痕进行修复。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种在修复船舶发动机用气阀表面后无裂缝产生的修复方法。
本发明提供了一种船舶发动机用气阀表面修复方法，可以包括以下步骤：利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成第一熔覆层；调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层边缘与气阀基材结合区域的表面进行第二次高速激光熔覆，形成第二熔覆层；调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层表面和第二熔覆层表面的区域进行第三次高速激光熔覆，形成第三熔覆层，完成气阀表面修复，其中，第一熔覆材料为铁基合金粉，第二熔覆材料为钴基合金粉。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下中的至少一项：
(1)本发明的修复方法采用铁基合金粉和钴基合金粉作为熔覆材料，气阀本体材料、第一熔覆层以及第二熔覆层之间的相容性好，熔覆表面没有裂纹产生，修复效果好；
(2)本发明的修复方法针对船舶气阀材质设置特定的熔覆材料和熔覆工艺参数，能够对气阀复杂曲面的表面缺陷进行修复；
(3)本发明的修复方法采用高速熔覆技术，熔覆效率高，熔覆表面质量好，表层修复厚度可控；
(4)本发明的修复方法成本低，加工面热变形小，修复时间短，适用于大规模应用。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的一种船舶发动机用气阀表面修复方法。
本发明提供了一种船舶发动机用气阀表面修复方法。在本发明的船舶发动机用气阀表面修复方法的一个示例性实施例中，可以包括：
S01，利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成第一熔覆层，其中，第一熔覆材料可以为铁基合金粉。形成第一熔覆层可以进行多次的第一次高速激光熔覆。例如，可以进行两次高速激光熔覆，即先利用第一熔覆材料进行高速激光熔覆后在其形成的表面上再利用第一熔覆材料进行一次高速激光熔覆。需要说明的是高速激光熔覆是指在熔覆过程中调整了激光、粉体和熔池的汇聚位置，使粉体汇聚处高于熔池上表面，汇聚的粉体受激光辐照熔化后再进入熔池。
S02，调整送粉量，利用第二熔覆材料对第一熔覆层与气阀基材接触区域进行第二次高速激光熔覆，形成第二熔覆层。其中，第二熔覆材料可以为钴基合金粉。
S03，调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层表面和第二熔覆层表面的区域进行第三次高速激光熔覆，形成第三熔覆层，完成气阀表面修复。
以上，对于上述步骤S01而言，可以根据气阀表面破损伤痕的深度进行多次第一次高速激光熔覆。例如，对于破损深度较浅，例如，2mm深度左右的破损深度可以进行一次高速激光熔覆形成第一熔覆层。再例如，对于8mm左右的破损深度，可以进行3次或4次高速激光熔覆以形成第一熔覆层。第一熔覆层可以对待修复区进行填平以使第一熔覆层的表面与基材表面齐平。当然，第一熔覆层的厚度也可以低于待修复区的深度。
对于步骤S02，为了提高第一熔覆层与气阀基材之间的结合性能，防止空洞、起泡或者裂纹等发生，并增强第三熔覆层的结合性能，可以在第一熔覆层形成后，在第一熔覆层与气阀基材结合(接触)的区域利用第二熔覆材料形成一层较薄的第二熔覆层。可以在第一熔覆层与气阀基材结合的区域表面进行第二次高速激光熔覆，也可以在第一熔覆层与气阀基材结合的区域以及第一熔覆层表面进行第二次高速激光熔覆。第二次高速激光熔覆形成的第二熔覆层可以较薄，例如，厚度可以为0.1mm～1mm，再例如，厚度为0.3mm。为了形成较薄的第二熔覆层，可以在形成第一熔覆层的基础上，减少熔覆送粉量。
对于步骤S03，除了在第一熔覆层和第二熔覆层表面进行第三次高速激光熔覆外，还可以在与熔覆层接触的基材边进行第三次高速激光熔覆。基材边的宽度可以为4mm～10mm，例如，可以为5mm。在基材边也熔覆第三熔覆层可以提高熔覆层与基材的结合性。
进一步地，形成第一熔覆层和第二熔覆层可以包括设定高速激光熔覆的功率为700w～800w，光斑直径为2mm～3mm，扫描速度0.2mm/s～0.4mm/s。在船舶气阀的熔覆过程中，熔覆的功率不高于800w，功率太高会造成熔池的温度过高，船舶气阀受热升温，造成开裂，影响修复质量。若熔覆的功率小于700w，会使第一熔覆材料和第二熔覆材料熔化不彻底，导致可能出现空洞，影响修复质量，因此，将熔覆功率设置在700W～800W。扫描速度与熔覆功率、光斑直径以及船舶气阀的马氏体钢材质配合设置。若扫描速度大于0.4mm/s。扫描速度快，使激光与粉末的接触时间短，会导致第一熔覆材料和第二熔覆材料的熔化不彻底，是修复质量下降；若扫描速度小于0.2mm/s，可能会造成熔覆材料过渡熔化，使合金元素受到损失。
进一步地，第一次激光熔覆和第三次激光熔覆的送粉量可以为12g/min～18g/min，第二次激光熔覆的送粉量可以为6g/min～9g/min。例如，第一次激光熔覆和第三次激光熔覆的送粉量可以为15g/min，第二次激光熔覆的送粉量可以为7.5g/min。第一次激光熔覆和第三次激光熔覆的熔覆厚度可以较厚，可以控制送粉量在12g/min～18g/min。而第二熔覆层的厚度较薄，可以控制第二次高度激光熔覆的送粉量为第一次高速激光熔覆送粉量的2/5～3/5，例如，可以为第一次高度激光熔覆送粉量的一半。
进一步地，第一次高速激光熔覆、第二次高速激光熔覆和第三次高速激光熔覆设定的激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm～12mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方1mm～2mm。例如，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为11mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。
进一步地，第一次高速激光熔覆和第二次高速激光熔覆的搭接率可以为45％～55％。例如，搭接率可以为50％。
进一步地，第二次高度激光熔覆熔覆船舶基材的宽度为1mm～2mm。熔覆1～2mm基材的宽度有利于提高第二熔覆层与基材的结合性能。
进一步地，第二熔覆材料按重量百分比计可以包括：Ni：2％～3％、Cr：27％～30％、W：4％～5％，Fe：1％～1.5％、Si：0.8％～1.3％、C：0.8％～1.1％，Mo：0.4％～0.8％，Mn：0.2％～0.6％，其余为Co和不可避免的杂质。例如，第二熔覆材料按重量百分比计可以包括：Ni：2.72％、Cr：28.95％、W：4.45％，Fe：1.28％、Si：1.06％、C：0.99％，Mo：0.63％，Mn：0.41％，其余为Co。通过使用第二熔覆材料为钴基合金粉，合金粉中钴和铬的含量较高，可以有效提高气阀的耐磨性，使其修复表面形成一层硬质层，修复效果好。
进一步地，第一熔覆材料可以为铁基合金粉。其按重量百分比计可以包括：C：0.09％～0.15％，Cr：15％～18.5％，Si：0.6％～1.1％，B：0.75％～1.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。例如，第一熔覆材料按重量百分比计可以包括：C：0.12％，Cr：16.5％，Si：0.8％，B：0.9％，其余为Fe和不可避免的杂质。
以上，通过将第一熔覆材料设置为铁基合金粉，并结合本发明设置的高速激光熔覆方式与熔覆参数，相比于传统的堆焊，本发明的铁基合金粉与船舶气阀有更好的相容性，其熔覆表面不会出现裂纹。例如，以直径160mm舟山船气阀为试验对象，材质为马氏体钢，其阀盘上有宽约20mm，深约8mm的弧形槽，使用下表中编号1～5的材料先进行氩弧焊堆焊将槽推平，再进行高速激光熔覆与本发明先用铁基合金材料进行熔覆，其表面出现效果如下表所示：
由于船舶气阀的淬硬性较大，使用堆焊易产生冷裂纹，并且氩弧焊的热容量大，焊接时在材料堆集的热量容易使堆焊体易产生裂纹。相比于本发明使用铁基合金粉进行高速激光熔覆，高速激光熔覆在气阀表面的热容量较小，熔覆材料粉末沉积层比堆焊层薄，热量堆集小，不易产生裂纹。
在船舶气阀的表面修复过程中，通过使用本发明的两种熔覆材料，先利用与船舶气阀基体相容性好的第一熔覆材料熔覆形成第一层熔覆层后，再形成第二熔覆层，能够避免仅使用第二熔覆材料而引起熔覆表层的空洞、气泡和裂纹的产生。
进一步地，第二熔覆材料的粉末粒径可以为23.6μm－57.5μm。例如，第二熔覆材料的粉末粒径可以为30μm或45μm。上述粉末粒径与设置的高速熔覆参数相配合以实现第二熔覆层的形成。粒径太大，激光不易融化。
进一步地，在形成第一熔覆层和第二熔覆层的过程中，可以将气阀竖向放置(沿阀杆轴向方向)并使气阀以4转/秒～8转/秒的速度旋转以进行熔覆。熔覆过程中可以使激光器熔覆头与水平面的夹角为80°～90°，例如激光器可以垂直向下与竖向设置的气阀相互平行。通过上述设置能够使激光器中的粉末出粉连续并均匀，并能够使熔覆层厚度均匀。
例如，以直径160mm舟山船气阀为试验对象，其阀盘上有宽约20mm，深约8mm的弧形槽。在熔覆过程中，若将气阀横向设置并旋转，激光器45度倾斜对光，熔覆过程中粉末出现不连续，不均匀性出粉，部分熔覆层的厚度不均匀。因此，为了使激光器中的粉末出粉连续并均匀，并能够让熔覆层厚度均匀，需要将气阀竖向放置并以4转/秒～8转/秒的速度旋转且激光器与竖向的气阀平行。气阀的转动可以在下部设置一台焊接变位机，变位机能够带动气阀旋转。
进一步地，在进行第一次激光熔覆前还可以包括对气阀进行车削或磨削处理。
进一步地，气阀的材质可以为马氏体。气阀的材质可以为4Cr10Si12Mo钢。当然，本发明的气阀材质不限于此。
进一步地，对于气阀材质为马氏体钢，其待修复区位于曲面(可以为阀盘与阀杆过渡圆弧段)且沿阀周向形成的弧形槽，其修复方法可以包括：
步骤1，形成第一熔覆子层；利用第一熔覆材料将待修复区进行填平熔覆，熔覆时间可以为40～80秒，扫描速度可以为0.25mm/s～0.35mm/s，旋转速度可以为5转/秒～7转/秒。例如，熔覆的时间可以是60秒，扫描速度可以是0.3mm/s。旋转速度可以为6转/秒。在形成第一熔覆子层后，其表面无裂纹。
步骤2，形成第二熔覆子层；在形成的第一熔覆子层的基础上继续使用第一熔覆材料进行熔覆，熔覆的时间可以为40～80秒，扫描速度可以为0.25mm/s～0.35mm/s，旋转速度可以为5转/秒～7转/秒。例如，熔覆的时间可以是60秒。扫描速度可以是0.32mm/s。旋转速度可以为6转/秒。第一熔覆子层和第二熔覆子层构成第一熔覆层。
步骤3，全熔覆面走一遍或仅走熔覆层与基材接触区域，全熔覆面和接触区域也包括第一熔覆层以及与第一熔覆层接触的1～2mm的基材，形成第二熔覆层。表面无缺陷，效果好。
步骤4，换第二熔覆材料进行第三次高速激光溶度。在第三次高速激光熔覆之前可以将表面进行打磨以提高熔覆牢度。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
以下示例均采用如下熔覆材料进行激光熔覆，修复区域均位于4Cr10Si12Mo马氏体钢气阀的阀盘与阀杆过渡圆弧段。
第一熔覆材料按重量百分比计包括：C：0.12％，Cr：16％，Si：0.8％，B：0.85％，其余为Fe和不可避免的杂质。
第二熔覆材料按重量百分比计包括：Ni：2.5％，Cr：28％，W：4.2％，Fe：1.32％，Si：1.21％，C：1.02％，Mo：0.58％，Mn：0.32％，其余为Co。和不可避免的杂质。
示例1
步骤1，将气阀沿气阀轴向方向竖直放置并以6转/秒的速度旋转，激光器熔覆头垂直于待修复区表面。利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成第一熔覆层，熔覆的参数为：激光熔覆的功率为700w，光斑直径为2mm，激光扫描速度0.3mm/s，送粉量为14g/min，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。
步骤2，在第一熔覆层边缘与气阀基材结合区域的表面，利用第二熔覆材料进行激光熔覆，形成第二熔覆层。熔覆的参数为：激光熔覆的功率为800w，光斑直径为2mm，激光扫描速度0.35mm/s，送粉量为7g/min，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为11mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。第二熔覆层的厚度为0.5mm。
步骤3，利用第二熔覆材料对阀盘与阀杆过渡圆弧段表面进行激光熔覆以使其全表面形成第三熔覆层，熔覆的参数为：激光熔覆的功率为800w，光斑直径为2mm，激光扫描速度0.3mm/s，送粉量为15g/min，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。完成激光熔覆后检测修复效果。
对比例1
步骤1，将气阀沿气阀轴向方向竖直放置并以6转/秒的速度旋转，激光器熔覆头垂直于待修复区表面。利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成熔覆层，熔覆的参数为：激光熔覆的功率为700w，光斑直径为2mm，激光扫描速度0.3mm/s，送粉量为14g/min，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。
步骤2，利用第二熔覆材料对阀盘与阀杆过渡圆弧段表面进行激光熔覆以使其全表面形成熔覆层，熔覆的参数为：激光熔覆的功率为800w，光斑直径为2mm，激光扫描速度0.3mm/s，送粉量为15g/min，激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方2mm。完成激光熔覆后检测修复效果。
示例1与对比例1相比，示例1在第一熔覆层边缘与气阀基材结合区域的表面形成了第二激光熔覆层，而对比例1在第一次激光熔覆完成后直接利用第二熔覆材料进行激光熔覆。检测其修复结果，示例1在修复区的修复效果更好，表面未出现裂纹，各层材料之间的相容性好，结合性能好。对比例1的表面出现了细微裂纹，各层材料之间的结合性变差。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用第一熔覆材料对待修复区进行第一次高速激光熔覆，形成第一熔覆层；
调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层边缘与气阀基材结合区域的表面进行第二次高速激光熔覆，形成第二熔覆层；
调整送粉量，利用第二熔覆材料对至少包括第一熔覆层表面和第二熔覆层表面的区域进行第三次高速激光熔覆，形成第三熔覆层，完成气阀表面修复，其中，第一熔覆材料为铁基合金粉，第二熔覆材料为钴基合金粉。
2.根据权利要求1所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第一次高速激光熔覆、第二次高速激光熔覆和第三次高速激光熔覆的熔覆功率为700w~800w，光斑直径为2mm~3mm，激光扫描速度0.2mm/s~0.4mm/s。
3.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第一次激光熔覆和第三次激光熔覆的送粉量为12g/min~18g/min，第二次激光熔覆的送粉量为6g/min~9g/min。
4.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第一次高速激光熔覆、第二次高速激光熔覆和第三次高速激光熔覆设定的激光器熔覆头到待修复区表面的工作距离为10mm～12mm，熔覆材料粉末焦点在待修复区表面上方1mm～2mm。
5.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第二熔覆材料按重量百分比计包括：Ni：2%~3%，Cr：27%~30%，W：4%~5%，Fe：1%~1.5%，Si：0.8%~1.3%，C：0.8%~1.1%，Mo：0.4%~0.8%，Mn：0.2%~0.6%，其余为Co。
6.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第一熔覆材料按重量百分比计包括：C：0.09%~0.15%，Cr：15%~18.5%，Si：0.6%~1.1%，B：0.75%~1.1%，其余为Fe。
7.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，还包括在形成第一熔覆层、第二熔覆层和第三熔覆层的熔覆过程中，将气阀沿气阀轴向方向竖直放置并以4转/秒~8转/秒的速度旋转，激光器熔覆头与水平面的夹角为80°~90°。
8.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第三熔覆层的厚度为0.2mm~0.6mm。
9.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，第二熔覆材料的粉末粒径为23.6μm－57.5μm。
10.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气阀表面修复方法，其特征在于，气阀为4Cr10Si12Mo马氏体气阀钢。
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