一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法
【專利摘要】一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法，涉及機械制造與材料處理加工應用技術領域，先對曲軸的損傷區(qū)進行激光熔覆處理，熔覆的供給方式為預置式激光熔覆；再在曲軸的損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護下，對曲軸的損傷區(qū)進行激光沖擊處理。本發(fā)明提高了金屬表面的耐磨、耐蝕和抗氧化能力，顯著提高了材料的疲勞強度和使用壽命，有效提高曲軸表面的微動疲勞抗力，抑制了疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴展速率。因此這種處理方法將使材料的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度得到大幅度提高，進而延長了汽車發(fā)動機曲軸的工作壽命。
【專利說明】
一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及機械制造與材料處理加工應用技術領域，特指一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法。
【背景技術】
[0002]激光熔覆是一種表面硬化加工技術，它利用高能量激光束熔化覆層材料，并在基材上形成很薄的、低稀釋率的50μπι?2mm厚的無氣孔、無裂紋的，與基材結合良好的熔覆層。這種工藝技術可以用單獨的軌跡相互交疊覆蓋，應用于大面積的改性。它的獨特功能是能夠熔覆多種合金材料并且適合處理小面積區(qū)域。激光熔覆可以在較低的成本條件下，顯著提高材料的表面性能，擴大其適用范圍和領域，延長其使用壽命。
[0003]在先進制造技術中，激光沖擊加工技術作為高能束的典型代表，是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈沖激光誘導的沖擊波與材料相互作用，在金屬材料表面形成塑性變形層產(chǎn)生孿晶等晶體并形成極細小的位錯亞結構，使材料表層形成很大的殘余壓應力，從而使金屬材料的疲勞強度、硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術已在機械工程、船舶、航空、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應用，目前該技術主要用于材料改性、金屬沖擊強化和成形，以及無損檢測等方面。
[0004]發(fā)動機作為整個汽車的核心部件，對汽車的運行可靠性和使用性能具有決定性影響。曲軸是汽車發(fā)動機受力最集中、受力情況最復雜的部件，也是最容易發(fā)生問題的部件，曲軸的質量直接決定發(fā)動機整體的質量。曲軸的失效形式主要表現(xiàn)為軸頸磨損和疲勞斷裂。在高速旋轉過程中，由于承受交變彎曲與交變扭轉載荷的共同作用，曲軸的各個危險斷面尤其是軸頸與曲柄間過渡圓角處，經(jīng)常因應力集中造成曲軸斷裂。因此，提高曲軸的疲勞強度和壽命對提高發(fā)動機整體的可靠性和安全性具有非常重要的意義。
[0005]目前，發(fā)動機行業(yè)企業(yè)主要采取圓角滾壓與噴丸強化對曲軸進行強化處理，提高曲軸的疲勞強度和安全使用壽命。但是圓角滾壓由于受到曲軸加工工藝的限制，各軸頸圓角很難與滾輪吻合，往往造成圓角處發(fā)生啃切，而且滾壓后曲軸變形較大，效果不佳。噴丸強化可以有效避免上述情況發(fā)生，但是噴丸過程對曲軸的表面粗糙度影響較大，且噴丸形成的殘余壓應力一般只有0.1?0.8_。
[0006]專利號為CN200810015524.2的中國專利公開了一種正火態(tài)球墨鑄鐵曲軸的氮化、沉割圓角滾壓強化工藝。該工藝是對曲軸主軸頸和連桿頸進行圓角沉割，再進行氮化，通過對氮化爐氣氛的控制，使曲軸軸頸及圓角表面形成滲氮層，然后利用滾壓輪對沉割后的圓角進行滾壓。這種強化工藝，可有效提高曲軸的疲勞彎矩及曲軸軸頸耐磨性，但是該工藝較為復雜，滾壓后曲軸變形較大，效果不佳，影響曲軸的使用壽命。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種克服以上修復缺陷、能綜合改善汽車發(fā)動機曲軸的機械性能的激光修復再制造方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法，包括以下步驟:A:對汽車發(fā)動機曲軸表面進行無損檢測，確定曲軸的損傷區(qū)；B:對汽車發(fā)動機曲軸的損傷區(qū)進行激光熔覆;C:在汽車發(fā)動機曲軸損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護下，對曲軸的損傷區(qū)進行激光沖擊處理。
[0009]上述方案中，步驟B中對損傷區(qū)先進行打磨拋光并清潔干凈后，再進行激光熔覆，以防止雜質熔入熔覆層內產(chǎn)生二次裂紋或者孔洞，達不到延長曲軸的工作壽命的目的。
[0010]上述方案中，步驟B中，熔覆的供給方式為預置式激光熔覆。
[0011]上述方案中，用于激光熔覆的激光器選用YAG脈沖激光器，所述YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光的功率范圍為1000W?1500W，掃描速度范圍為2?30mm/s，使熔覆層的表觀質量最佳，無裂紋和孔洞產(chǎn)生。
[0012]上述方案中，激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?1.0mm。這是由于熔覆層是利用高能密度的激光束將熔覆粉末與曲軸表面薄層一起熔凝，形成冶金結合的涂層。熔覆層厚度為0.2?1.0mm的范圍，其耐磨性和抗氧化性要遠高于原來的基體層，能起到更好的保護曲軸的作用，延長曲軸的工作壽命。
[0013]上述方案中，用于激光沖擊處理的激光器采用CO2激光器，為了達到曲軸發(fā)生局部塑性變形所需的最短時間，保障材料發(fā)生動態(tài)塑性變形，在塑性層中存在殘余壓應力，材料位錯密度得到延長，使材料屈服強度提高，從而使材料的壽命得到延長，所述CO2激光器的工藝參數(shù)為:輸出波長為10.6μπι，脈沖能量為35J?50J。
[0014]上述方案中，所述吸收層為硅酸乙脂黑漆涂層。硅酸乙脂黑漆涂層是采用有機溶劑配置合成的材料作為激光吸收涂層，可以有效吸收激光能量，提高激光沖擊效果，表面硬度大大提高，從而顯著改善材料的耐磨性，增加材料的疲勞壽命。
[0015]上述方案中，所述約束層為水或玻璃。
[0016]本發(fā)明的有益效果:通過將激光熔覆與激光沖擊強化技術的結合，避免了常規(guī)加工方法中曲軸表面粗糙度增加、滾壓后曲軸變形較大，效果不佳等問題。本發(fā)明先對汽車發(fā)動機曲軸進行激光熔覆修復，使熔覆層材料與基體形成良好的冶金結合，提高了金屬表面的耐磨、耐蝕和抗氧化能力，顯著提高了材料的疲勞強度和使用壽命。本發(fā)明再對熔覆層進行激光沖擊強化處理，在曲軸表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應力，有效提高曲軸表面的微動疲勞抗力，抑制疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴展速率。因此這種處理方法將使材料的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度得到大幅度提高，進而延長了汽車發(fā)動機曲軸的使用壽命。本工藝適用于各類機械發(fā)動機曲軸表面改性和修復。其更具體的優(yōu)點如下:1、修復效果更好:激光熔覆沖擊復合處理不僅能有效修復汽車發(fā)動機曲軸的裂紋，而且激光沖擊形成的殘余應力層深度是機械噴丸形成的10倍左右，可顯著提高汽車發(fā)動機曲軸的疲勞壽命達3倍以上。2、適用范圍更廣:對于一定的基體材料，可以選擇適當?shù)娜鄹卜勰┻M行修復。激光熔覆結合激光沖擊復合處理技術可以對任意形狀、任意曲面進行修復，而其他修復方法都有其局限性。
3、激光熔覆沖擊復合處理技術修復材料表面的變形很小，不影響結構件芯部性能。4、激光熔覆沖擊復合處理技術修復簡單快捷，效率高，大大降低了維修成本。5、激光熔覆沖擊復合處理技術環(huán)保性優(yōu)異:沒有任何污染。避免采用回爐、冶煉等回收方式時對環(huán)境的二次污染，是綠色的再制造方法。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實施例中進行激光熔覆和激光沖擊后的曲軸表層硬度分布圖。
【具體實施方式】
[0018]修復工藝:對材料為QT700球墨鑄鐵曲軸進行修復。
[0019]先對曲軸進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈，然后對曲軸進行表面無損檢測，精確定位損傷部位。接著對損傷部位殘余物清除，缺陷徹底清除干凈后，對曲軸損傷部位進行打磨拋光，然后用PT探傷確認損傷是否徹底清凈。把已處理好的曲軸固定于工作臺上，將其定位好后用夾具固定夾緊。
[0020]調節(jié)工作臺，使待熔覆曲軸與同軸工作頭處于合適的加工位置，調節(jié)用于激光熔覆的YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光功率為1500W，光斑直徑為5mm，掃描速度為5mm/s，搭接率為30%。熔覆粉末采用與基材合金結合較好的鐵基合金粉末，粒度為325目。對損傷部位進行激光熔覆修復，通過數(shù)控操作臺調節(jié)工作臺，使曲軸按一定的軌跡移動掃描完所需激光熔覆修復的區(qū)域。
[0021 ]激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?1.0mm。
[0022]待熔覆層冷卻后，用酒精清洗曲軸表面，干燥后涂上硅酸乙脂黑漆，把曲軸再放到工作臺上，定位好后用夾具將其夾緊。調節(jié)工作臺，使曲軸處于合適的加工位置，此時通過中央控制處理器控制CO2激光器控制器和光束轉換及調節(jié)裝置調節(jié)CO2激光器參數(shù):激光脈沖能量為35J?50J，50J以內的激光脈沖能量就能滿足實驗要求，高于50J則增加成本。但是脈沖能量不能低于35J，如低于35J，則材料不易發(fā)生動態(tài)塑性變形，達不到延長使用壽命的要求。輸出波長為10.6μπι，光斑直徑為5mm，以水為約束層對涂層區(qū)進行激光沖擊強化處理，然后用酒精清洗沖擊區(qū)的硅酸乙脂黑漆。
[0023]驗證結果:如圖1所示的激光熔覆和激光沖擊后的曲軸表層硬度分布圖。
[0024]其中的兩個個曲線分別為:曲軸表面未經(jīng)過處理(基材)表層硬度和距表層距離的關系、曲軸表面經(jīng)過激光沖擊處理后表層硬度和距表層距離關系。
[0025]由圖1可見:通過本發(fā)明激光熔覆和激光沖擊強化修復的曲軸硬度顯著提高，表面硬化層的顯微硬度可高達590 HV，硬化層深度約為1.0 mm，耐磨性和抗擦傷性能得到顯著提高。這對改進汽車發(fā)動機曲軸材料性能具有重要意義。
【主權項】
1.一種汽車發(fā)動機曲軸的激光修復再制造方法，其特征在于包括以下步驟: 1)對汽車發(fā)動機曲軸表面進行無損檢測，確定曲軸的損傷區(qū)； 2)對汽車發(fā)動機曲軸的損傷區(qū)進行激光熔覆處理，熔覆的供給方式為預置式激光熔覆； 3)在汽車發(fā)動機曲軸損傷區(qū)表面涂敷吸收層，再在約束層的保護下，對刀具的損傷區(qū)進行激光沖擊處理。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:對損傷區(qū)進行打磨拋光并清潔干凈后進行激光熔覆處理。3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:用于激光熔覆的YAG脈沖激光器的工藝參數(shù)為:激光的功率范圍為100W?1500W，掃描速度范圍為2?30mm/s。4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的方法，其特征在于:激光熔覆形成的熔覆層厚度為0.2?I.0mm05.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:所述激光沖擊處理時，CO2激光器的工藝參數(shù)為:輸出波長為10.6μπι，脈沖能量為35J?50J。6.根據(jù)權利要求1或5所述復合處理方法，其特征在于所述吸收層硅酸乙脂黑漆涂層。7.根據(jù)權利要求1或5所述復合處理方法，其特征在于所述約束層為水或玻璃。
【文檔編號】C21D10/00GK105862028SQ201610252689
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】任旭東, 楊進德, 李琳, 佟艷群, 吳教義, 任云鵬, 孫建榮, 戴峰澤
【申請人】江蘇大學