CN114231975A - 一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种利用超高速激光修复废旧刹车盘或强化新刹车盘的方法,主要是解决刹车盘因长时间工作变薄而失效的问题,目前对于失效的刹车盘普遍采用更换的方法,在汽车如此普及的今天是一种极大的资源浪费。超高速激光熔覆是一种增材制造方法,可以将因磨损变薄的刹车盘加工到原来的厚度并重新投入使用,也可以将新刹车盘进行表面强化从而提升使用寿命。本发明的加工方法为设定刹车盘为平面旋转运动,转速用分段函数表达。熔覆头沿圆盘半径向由外向内运动,移动速度根据圆盘的转速设定。采用多层多道熔覆,对刹车盘实现高效修复再制造。

Description

一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法
技术领域
本发明属于表面工程领域。利用超高速激光熔覆对刹车片进行修复或强化。
背景技术
随着社会的发展,如今机动车在人们的生活中充当着重要的角色,不论是出行还是货物的运输。而随着家用汽车的不断推广,几乎每家每户都有私家车。据统计截至2020年中国机动车的保有量达到了3.72亿辆。而刹车盘作为这些机动车的消耗品,目前刹车片只是更换的方式,这在一定程度的造成了资源的浪费。据统计一辆车每行驶3~5万公里就要更换一次刹车盘。假设每辆机动车每年更换两片刹车片,那么每年将会有7.44亿个刹车盘需要更换。将是一个非常庞大的数据。因此刹车盘的表面修复与表面强化是目前亟待解决的问题。
通过表面强化或修复技术对刹车盘表面进行强化和修复,不但能延长刹车盘的使用寿命而且可以实现废弃刹车盘的再利用,极大的减少了资源的浪费。刹车盘表面在服役过程中工作温度较高切伴随着很大的切应力和剪应力。目前的表面改性技术:磁控溅射技术制备的薄膜厚度仅能达到微米尺寸且附着力较小,难以在刹车盘表面发挥作用。热喷涂技术制备的涂层为扁平状粒子相互堆积而成的层状结构,粒子间相互接触的界面结合率较低,导致涂层内部形成大量的缺陷,在涂层服役过程中极易失效。激光熔覆是通过高能量的激光束将基体与粉末同时熔化,在基体表面制备具有冶金结合的涂层。激光熔覆制备的涂层可达毫米级别,且极快的冷却速度对涂层起到了细晶强化的作用。通过优化激光熔覆的工艺参数可以制备良好无缺陷的涂层。但是激光熔覆较低的沉积速率限制了其在工业生产中的大规模应用。且激光熔覆热输入量较大对涂层元素易造成烧损,对基体的热影响较大。
超高速激光熔覆是继传统激光熔覆之后发展起来的一项新技术,超高速激光熔覆将金属粉末交汇的位置上调至基体上方,在高能量激光束的作用下熔化并沉积到机体表面,与基体形成冶金结合。由于大部分的激光能量用于金属的粉末的熔化,极大的提高熔覆的沉积速率,小部分的能量用于基体的熔化也降低了涂层的稀释率。超高速激光熔覆的沉积速率可以达到20~500m/min。解决了传统激光熔覆在实际工业应用中难以推广应用的问题。超高速激光熔覆拥有极高的冷却速度使得涂层的组织细化,结构致密,所以其硬度一般比较高,耐磨性能较好。
将超高速激光熔覆技术应用到刹车盘的强化和修复当中,不仅节约了资源,也为车主节约了一部分开支。
发明内容
要解决的问题:本发明提供了一种利用超高速激光熔覆技术对刹车盘进行表面强化或者对因磨损而失效的刹车盘进行修复的方法,对于强化和修复分别提供两组不同的工艺参数。两者均是通过设计好的夹具将刹车盘水平固定在设定好转速的圆盘上,再配合超高速激光熔覆头的径向移动实现对刹车盘的表面的强化和修复。对熔覆完的刹车盘进行精磨加工,使其表面粗糙度达到Ra<1.6。
本发明采用的技术方案如下。
修复:(1)刹车盘的预处理:将刹车盘的损坏部位进行机械加工,使其各个位置具有均匀厚度,随后用酒精清洗刹车盘端面上的油污。
(2)将熔覆粉放到干燥箱内加热到120℃,干燥两个小时。
(3)将刹车盘通过夹具固定在水平圆盘夹具上,设定好转速。调整超高速激光熔覆头的移动路径,保证移动路径是沿着刹车盘的直径,并设定好移动速度。
(4)工艺参数的选择原则:刹车盘的修复目的是将因为磨损变薄而失效的刹车盘通过超高速激光熔覆的方法,将刹车盘的厚度增加至原来的厚度达到废弃刹车盘的再利用的目的;在熔覆时为保证单层熔覆层的厚度足够应选择较大的送粉速率和较慢的熔覆线速度,因为单层的熔覆层的厚度较大故搭接率不宜选择过大;在保证粉末充分融化的前提下,应选择较小的激光功率,减少激光的热输入对基体的热影响。
(5)确定工艺参数为:优先选用50%左右的搭接率,300mm/s以上的熔覆线速度,2500w以下的激光功率,4r/min以上的送粉速度。通过多道多层熔覆将刹车盘加厚至新刹车盘的1.1~1.2倍(具体实例工艺参数如表二所示)。
(6)若修复完的刹车盘继续做表面强化处理,将刹车盘水平固定在磨床上将刹车盘表面磨平即可;若不做表面强化处理则需要在磨床上将表面粗糙度Ra磨至1.6以下。
强化:(1)刹车盘的预处理:用酒精清洗刹车盘端面上的油污。
(2)将熔覆粉放到干燥箱内加热到120℃,干燥两个小时。
(3)将刹车盘通过夹具固定在水平圆盘夹具上,设定好转速。调整超高速激光熔覆头的移动路径,保证移动路径是沿着刹车盘的直径,并设定好移动速度。
(4)工艺参数的选择:刹车盘的表面强化目的是在刹车盘表面制备一层厚度为0.3~0.6mm的高耐磨涂层以提高刹车盘的表面质量,延长使用寿命。在熔覆时应选择较高的搭接率以保证涂层的表面粗糙度不会太高;应当选择较低的送粉率和较快的熔覆线速度,以保证较快的加工速率且涂层厚度不会太厚;在保证粉末充分融化的前提下,应选择较小的激光功率,减少激光的热输入对基体的热影响。
(5)确定工艺参数为:优先选择80%以上的搭接率,600mm/s以上的熔覆线速度,2.2r/min以下的送粉率以及1000~1500w的激光功率;熔覆层数选择两层及以上(具体实例工艺参数如表三所示)。
(6)将熔覆完的刹车盘水平固定在磨床上,将表面粗糙度磨至1.6以下。
附图说明
图1:超高速激光熔覆修复刹车盘示意图。
图2:夹具示意图。
实施例
选择两种尺寸不同的刹车盘,具体尺寸如表一所示。
选择商业金属粉Ni60。分别对每一个刹车盘进行修复和强化两道工艺,且每一道工艺设计两组工艺参数。共有四组方案。
Figure 132870DEST_PATH_IMAGE001
表一:刹车盘尺寸。
Figure 938758DEST_PATH_IMAGE002
表二:修复工艺参数。
Figure 718496DEST_PATH_IMAGE003
表三:强化工艺参数。
为保证搭接率和熔覆线速度不变,设计熔覆头径向移动速度和圆盘转速均用分段函数表示,圆盘转速Va: Va=a/(b-x)*3.14r/s;熔覆头径向移动速度Vb:Vb=x/t=(1-c)*d*a/(b-x)*3.14mm/s(a为熔覆线速度;b为刹车盘外圆直径; c为搭接率;d为光斑直径;x为熔覆头径向移动的距离,刹车盘每转动一圈熔覆头移动(1-c)*dmm)。
方案一:对刹车盘1进行修复处理
基本参数选择:光斑直径:1mm;熔覆线速度:300mm/s;搭接率:50%;送粉速度4r/min;激光功率:2500w;根据:Va= 300/(240-2x)*3.14r/s,Vb=x/t=150/(240-2x)*3.14mm/s计算结果如表四:
Figure 848126DEST_PATH_IMAGE004
表四:方案一Va,Vb计算结果。
方案二:对刹车盘1进行强化处理
基本参数选择:光斑直径:1mm;熔覆线速度:600mm/s;搭接率:80%;送粉速度:2.2r/min;激光功率:1000w;根据:Va= 300/(240-2x)*3.14r/s怎样,Vb=x/t=150/(240-2x)*3.14mm/s计算结果如表五:
Figure 662498DEST_PATH_IMAGE005
表五:方案二Va,Vb计算结果。
方案三:对刹车盘2进行修复处理
基本参数选择:光斑直径:1mm;熔覆线速度:400mm/s;搭接率:50%;送粉速度:4r/min;激光功率:2500w。根据:Va= 300/(240-2x)*3.14r/s,Vb=x/t=150/(240-2x)*3.14mm/s计算结果如表六:
Figure 875173DEST_PATH_IMAGE006
表六:方案三Va,Vb计算结果。
方案四:对刹车盘2进行强化处理
基本参数选择:光斑直径:1mm;熔覆线速度:700mm/s;搭接率:80%;送粉速度:2.2r/min;激光功率:1000w;根据:Va= 300/(240-2x)*3.14r/s,Vb=x/t=150/(240-2x)*3.14mm/s计算结果如表七:
Figure 142207DEST_PATH_IMAGE007
表七:方案三Va,Vb计算结果。

Claims (5)

1.本发明是提出一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法,对刹车盘进行熔覆前需要进行一定的预处理,具体包括:(1)对于废旧刹车盘的修复,通过车床将厚度不均的刹车盘进行机加工,保证刹车盘各个位置的厚度均匀,用酒精洗去刹车盘表面的油污,对于新刹车盘的表面强化,需使用酒精清洗表面油污;(2)通过所设计的夹具将刹车盘固定在水平旋转的圆盘上;在圆盘旋转运动和熔覆头水平移动的配合下对刹车盘表面进行强化和修复;要求单道熔覆层的宽度和厚度保持不变必须控制熔覆线速度保持不变,要求多道熔覆层的表面尽可能的平整必须控制搭接率保持不变,故对圆盘转速和熔覆头移动速度用分段函数表示,圆盘每一圈都对应着不同的转速,根据圆盘每一圈的转动时间可以求出熔覆头的径向的移动速度(圆盘每转动一圈熔覆头移动距离为:(1-搭接率)*光斑直径);(4)对与刹车盘的修复和强化设计两种不同类型的工艺参数即:强化工艺参数和修复工艺参数,在保证涂层质量的前提下,尽可能的提高加工速度;(4)最后在磨床上对熔覆后的表面进行精磨处理,使其达到使用要求。
2.如权利要求1所述的一种利用超高速激光熔覆技术修复修复或强化刹车盘的方法,其特征在于,利用表面修复与增材制造的方法实现废弃刹车盘的再制造与新刹车盘的表面强化,熔覆速率可达20~500m/min,熔覆效率最高可达500cm2/min。
3.如权利要求1所述的一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法,其特征在于,利用自行设计的夹具将刹车盘固定在水平旋转圆盘上,夹具可适用于各种不同型号刹车盘的安装。
4.如权利要求1所述的一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法,其特征在于,圆盘水平旋转的转速用分段函数表示,每一圈对应不同的转速;根据搭接率和光斑直径可以计算出圆盘每转过一圈熔覆头前进的距离,同样通过分段函数计算出熔覆头的移动速度,两者的速度有一定的关联,且与刹车盘尺寸和工艺参数的选择有关。
5.如权利要求1所述的一种利用超高速激光熔覆技术修复修复或强化刹车盘的方法,其特征在于,对强化和修复采用两种不同的工艺类型,以满足涂层质量和加工速度的要求。
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Application publication date: 20220325

Assignee: TIANJIN JINGMEITE SURFACE TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: TIANJIN University OF TECHNOLOGY AND EDUCATION (CHINA VOCATIONAL TRAINING INSTRUCTOR TRAINING CENTER)

Contract record no.: X2024980003690

Denomination of invention: A method of repairing or strengthening brake discs using ultra high speed laser cladding technology

Granted publication date: 20230623

License type: Common License

Record date: 20240329

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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20220325

Assignee: TIANJIN RADIUM LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: TIANJIN University OF TECHNOLOGY AND EDUCATION (CHINA VOCATIONAL TRAINING INSTRUCTOR TRAINING CENTER)

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Denomination of invention: A method of repairing or strengthening brake discs using ultra high speed laser cladding technology

Granted publication date: 20230623

License type: Common License

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