阀芯端帽工作面激光合金化工艺研究.pdf

Z艺与检测 T e c h a n d 阀芯端帽工作面激光合金化工艺研究 王斌修 田新国 李成彪 青岛理工大学机械工程学院， 山东 青 岛 2 6 6 0 3 3 摘要 主要研究了脉冲工作电流、 扫描速度和光斑直径对 阀芯端帽工作面激光合金化质量的影 响， 得 出这 3个因素对合金层的表面硬度及合金层厚度的影响规律 ， 以期提高阀芯端帽工作面激光合金化 的加 工质 量 。 关键词 激光合金化T i C加工工艺 中图分类号 T G1 5 6 ． 9 9 ； T G1 7 4 ． 4 文献标识码 A Pr o c e s s o f t h e l a s e r s u r f a c e a l l o y i n g o n e n d c a p W ANG Bi n x i u，TI AN Xi n g u o，L I Ch e n g b i a o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ，Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C H N Ab s t r a c t Th e e nd c a p s we r e s t r e n g t h e n e d b y l a s e r a l l o y i n g t e c h n o l o g y，a n d t h e i n flu e n c e o f p ul s e c u r r e n t ，s c a n n i n g s p e e d a n d s p o t s i z e o n p r o c e s s wa s s t u d i e d t o o．Th e i n flu e n c e r e g u l a r i t y o f t h e t h r e e f a c t o r s t o s u r f a c e ha r d n e s s a n d t hi c k n e s s h a s be e n s u mma r i z e d， whi c h c a n be u s e d t o i mp r o v e t he p r o c e s s i n g q u a l i t y． Ke y wo r dsLa s e r Al l o y i n g；Ti C；Pr o c e s s i n g Te c h ni c 自动流量平衡 阀属于 自力式 流量控制 阀， 可以使 通过阀门的流量保持动态恒定 ， 从而有效地解决 了管 网的流量失调问题 ， 自动保证管网的安全运行 ， 广泛应 用于建筑 、 暖通 、 钢铁 、 石油和化工等 系统管 网。其结 构主要包括阀芯和阀体两大部分 ， 阀芯端帽是 自动流 量平衡 阀的核心部件 ， 工作 时主要通过端帽上下运动 来保持流量的动态恒定 ， 结构如 图 1所示。阀芯 端帽与阀体之 间不断摩擦而极易被磨 损或被流体 腐 蚀 ， 严重时甚至会影响 自动流量平衡 阀的工作。而且 ， 阀芯端帽属于薄壁 回转体类零件 ， 采用传统热处理方 法对其工作面进行强化 ， 不仅成本较高而且极易引起 变形 。激光表面合金化技术是一种新型的表面改性技 术 ， 具有热影响区小 ， 工件变形量小 ； 处理速度快 ， 能有 效利用能量 ； 合金层组织致密 ， 与基材的冶金结合程度 好及能使难 以接近和局部的区域合金化 ， 工艺灵活性 98 图1 阀芯端帽结构图 高等优点 ， 几 乎不需要校直 、 打磨等后续加工 _ 4 一 ， 适 合用来对阀芯端帽工作面进行强化。 1 实验 准备 实验采用 J H M一 1 G Y一 5 0 0型多功能激光加工机 ， 激光器为 Y A G脉冲激光器 ， 波长为 1 ． 0 6 m， 脉 冲频 率为 1～ 2 0 0 H z 连续可调 ， 脉冲宽度为 0 ． 1～2 0 m s 连 续可调 ， 脉冲工作 电流为 1 0 0～4 5 0 A， 激 光器输 出的 最大单脉冲能量为 9 0 J 。阀芯端 帽的材料为 A I S I 3 0 4 奥氏体不锈钢， 成分见表 1 ， 合金化前用砂纸打磨试样 表面 ， 然后用无水酒精 清洗 干净。合金化 粉末 以 T i C 为主 ， 粒径为 1～ 3 m， 纯度为 9 9 ． 8 ％， 另外添加少量 的石墨粉和稀土元素 ， 具体含量见表 2 ， 其 中石墨用 于 防止基体材料被烧损 ， 稀土元素则具有防止氧化 ， 提高 合金层显微组织均匀致密性及净化晶界。在试样表面 预置合金化材料 ， 厚度为 0 ． 1 m m。 2 实验及数 据分 析 2 ． 1 实验因素分析 在激光表 面合金化加工过程 中， 可 以影响合金化 质量 的因素有很多 ， 但在基体材料及材料表面对激光 能量 吸收率一定 的条件下 ， 影响最大 的是材料表面的 激 光功率密度和光束作用时间 。 从实际加工的角 等 。 表 1 AI S I 3 0 4奥 氏体不锈钢 的成分 T e c h n 0 a n d 工艺与检测 元素 C C r N i S i Mn P S F e 含量 ％ ≤0 ． O 8 1 7 ． 0 O～1 9 ． 0 0 8 ． 0 0～1 0 ． 0 O ≤1 ． O 0 ≤2 ． 0 o ≤O ． 0 3 5 ≤0 ． 0 3 0 其余 表 2合金化粉末的成分 成分 T i C 石 墨 稀土元 素 含量 ％ 9 5 4 1 度出发 ， 实验 中主要调节的工艺参数为脉冲工作电流 、 扫描速度和光斑直径 ， 其 中脉 冲工作电流和光斑直径 影响工件表面的激光功率密度 ， 扫描速度决定 了合金 化过程中的光束作用时间。此次实验主要研究脉冲工 作电流 、 扫描速度 和光斑直径对阀芯端帽工作 面激光 合金化质量的影响 ， 得 出这 3个因素对合金层 的表 面 硬度及合金层厚度的影响规律。 2 ． 2 实验及数据分析 1 脉冲工作 电流对合金层质量的影响 为获得脉冲工作 电流对合金层质量 合金层 的表 面硬度及合金层厚度 的影响规律 ， 选取 扫描速度 8 0 m m ／ mi n ， 光斑 直径 d1 ． 5 mm， 脉冲宽度 t 0 ． 5 ms ， 脉冲频率 6 0 H z ， 用氩气作保护气 ， 调整激光多 功能加工机的脉冲工作电流值进行实验 。实验 中脉冲 工作 电流值及所得合金层 的表面硬度及合金层厚度如 图 2所示 。 b 图2 脉冲工作 电流值及所得合金 层的表面硬度、合金层厚度 由图 2可知 ， 随着脉冲工作电流的增大 ， 合金层的 表面硬度先增大后减小 ， 合金层厚度逐渐增大。在扫 描速度 、 光斑直径 、 脉冲宽度及频率等因素为定值时 ， 材料表面激光合金化的时间也为定值 ， 增大激光多功 能加工机 的脉冲工作电流， 可以增加激光器的输 出功 率 ， 光斑的平均能量密度增加 ， 则在高能激光束 的作用 下 ， 试样表面的 T i C更多的进入基体中， 同时试样表面 吸收的能量增加 ， 使得试样表面组织的晶粒得到细化 ， 由奥 氏体转变为马氏体进行得更加充分 ， 此时， 合金层 的表面硬度及合金层厚度随脉冲工作 电流的增加而增 加。但脉冲工作电流过大会造成试样表面过热、 烧伤， 使所得合金层的表面硬度 降低 ， 所 以适当选择脉 冲工 作电流对合金层表面硬度有很大的影响。 2 扫描速度对合金层质量的影响 为获得激光束的扫描速度对合金层质量的影响规 律 ， 选取脉冲工作电流 ， 7 5 A， 光斑直径 d 1 ． 5 m m， 脉冲宽度 t 0 ． 5 ms ， 脉 冲频率f _- 6 0 H z ， 用氩气作保 护气 ， 调整激光多功能加工机激光束的扫描速度值进 行实验， 实验中激光束的扫描速度值及所得合金层的 表面硬度、 合金层厚度如图 3所示 。 窭 黯 恒 怅 b 图3 扫描速度值及所得合金层 的表面硬度、合金层厚度 由图 3可知 ， 随着扫描速度的增大 ， 合金层的表面 硬度逐渐增大， 达到最大值后又呈现下降趋势， 合金层 厚度逐渐减小 。在脉冲工作电流、 光斑直径 、 脉冲宽度 及频率等因素为定值时， 扫描速度的快慢将决定材料 9 9 Z艺与检测 T o 10 g y a n d T e s f 表面激光合金化处理的时间 ， 扫描速度较小时 ， 激光束 在材料表面作用时间较长 ， 材料吸收的能量多 ， 容易使 得材料表面烧伤 ， 以致降低所得合金层的表面硬度 ， 随 着扫描速度的增加 ， 激光束在材料表面的作用时间逐 渐减少 ， 工件的冷却速度逐渐加快 ， 合金化区域的过冷 度增加 ， 经激光束处理后得到的马氏体晶粒越细小 ， 可 以有效提高合金层 的表面硬度 。但另一方 面， 随着扫 描速度的增加 ， 激光束在材料表面的作用时间减少 ， 试 样表面 的 T i C进入基体 中数量和深度逐渐减少 ， 同时 试样表面吸收的能量也减少 ， 试样表层组织 由奥 氏体 向马氏体转变 的时间变短 ， 对合金层表面硬度 的提高 产生不利影响 ， 且影响 的力度逐 渐增 强， 因此 ， 随着扫 描速度的增加 ， 合金层 的表面硬度逐渐增大 ， 在达到最 大值后又呈现下降的趋势 ， 合金层厚度逐渐减小 。 3 光斑直径对合金层质量 的影响 为获得光斑直径对合金层质量 的影响规律 ， 选取 脉冲工作 电流 ， 7 5 A， 扫描速度 8 0 m m ／ m i n ， 脉 冲 宽度 t 0 ． 5 m s ， 脉冲频率．厂 6 0 Hz ， 用氩气作保护气 ， 调整激光多功能加工机激光头的高度即改变光斑直径 进行实验 ， 实验中光斑直径的取 值及所得合金层 的表 面硬度及合金层厚度如图 4所示 。 光斑 直 径 mm b 图4 光斑直径值及所得合金层 的表面硬度及合金层厚度 由图4可知 ， 随着光斑直径的增大 ， 合金层的表面 硬度逐渐增大 ， 达到最大值后又呈现下降趋势 ， 合金层 厚度则逐渐减小。调节光斑直径将直接影响激光束在 材料表面作用功率密度的大小 ， 在脉冲工作 电流 、 扫描 速度 、 脉冲宽度及频率等 因素为定值 时 ， 光斑 直径较 1 0 O 小 ， 则材料表面激光功率密度增大 ， 甚至会造成材料表 面烧伤或轻微的熔化 ， 降低材料表面硬度。随着光斑 直径的增大 ， 材料表面激光功率密度逐渐减小 ， 在高能 激光束的作用下 ， 试样表面的 T i C进入基体中， 合金化 区域的组织 由奥 氏体向马氏体转变 ， 试样表层合金化 区域在激光束离开后快速冷却 ， 合金化 区域 的晶粒在 急冷急热的过程 中得到细化 ， 使得合金层表 面硬度增 大 。当光斑直径继续增大时 ， 工件表面激光功 率密度 较小 ， 工件表面 T i C进人基体中的数量和深度均减少 ， 同时试样表面吸收 的能量也减 少 ， 试样表层组织 由奥 氏体向马氏体转变不够充分 ， 对合金层 的表 面硬度产 生不利影响。因此 ， 随着光斑直径的增大 ， 合金层的表 面硬度逐渐增大 ， 在达到最大值后又呈现下降的趋势 ， 合金层厚度则逐渐减小 。 3 结语 本文主要研究脉 冲工作电流 、 扫描速度和光斑直 径对阀芯端帽工作 面激光合金化质量的影 响， 发现合 金层 的表面硬度随脉 冲工作 电流 、 扫描速度和光斑直 径的增大而逐渐增大 ， 达到最大值后又呈现下降趋势 ； 合金层厚度则随脉冲工作 电流的增大而逐渐增大 、 随 扫描速度和光斑直径的增大而逐渐减小。根据这些规 律 ， 可以优化合金化工艺参数 ， 提高阀芯端帽的合金化 质量 ， 并对其他薄壁 回转体类零 件的激光表面合金化 有一定的借鉴意义。 参考文献 [ 1 ] 陈清 ， 陈振双 ， 涂光备． 动态 流量平衡 阀的原 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