一种发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的装置和方法

摘要

本发明公开了一种发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的装置和方法，包括计算机控制处理系统、同轴喷雾式送粉单元、激光熔覆单元和辅助工作系统。本方法充分利用激光熔覆对于疲劳裂纹的修复和强化作用，即对发动机曲轴的疲劳裂纹处进行激光熔覆，在曲轴圆角处获得高质量的表面熔覆涂层，产生高幅度残余压应力，有效提高曲轴的疲劳抗力，综合改善曲轴的机械性能，大幅度提高曲轴的疲劳寿命，达到延寿和提高其可靠性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用激光对工件表面进行强化的装置和方法，尤其涉及一种对发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的装置和方法。

背景技术

汽车行业的蓬勃发展对汽车制造业提出了更高的要求和期望，新一代国IV/V排放标准汽车要求具有更好的安全性，更高的运行可靠性。发动机作为整个汽车的核心部件，对于汽车的整体性能具有决定性影响。在发动机工作时，气缸内最高温度可达2500K以上，最高压力可达5~9MPa，现在汽车发动机最高转速可达4000~6000r/min，曲轴是汽车发动机受力最集中、受力情况最复杂的部件。曲轴的失效形式主要表现为曲颈磨损和疲劳断裂。在告诉旋转过程中，由于承受交变弯曲与交变扭转载荷的共同作用，曲轴的各危险断面尤其是轴颈与曲柄间过渡圆角处，经常因应力集中造成曲轴断裂。因此，提高曲轴的疲劳强度和寿命对提高发动机的整体可靠性和安全性具有非常重要的意义。

目前，发动机行业主要采取圆角滚压和喷丸强化对曲轴进行强化处理，提高曲轴的疲劳强度和安全使用寿命。但圆角滚压由于受到曲轴加工工艺的限制，各轴颈圆角很难与滚压吻合，往往造成圆角的啃切现象，而且滚压后曲轴变形较大，效果不佳。喷丸强化可以有效避免上述情况发生，但喷丸过程对曲轴的表面粗糙度影响较大，且喷丸形成的残余应力一般只有0.1~0.8mm。专利号为CN101575705A的中国专利公开了一种失效曲轴激光熔覆再造修复工艺，改放大主要是利用激光熔覆工艺对工件失效部位进行再造，使工件不因几何结构尺寸失效而报废，但整个过程无法实现自动化，同时也不能从根本上对曲轴疲劳裂纹缺陷加以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对曲轴疲劳裂纹进行激光修复与强化的装置和方法，用以修复曲轴疲劳裂纹尤其是曲颈与曲柄间过渡圆角处，经常因应力集中造成的曲颈磨损和疲劳断裂。

本发明的创新之处在于充分利用了激光熔覆的特点，避免了常规加工方法中的焊接变形、热影响区大、易出现热裂纹、使用过程中易产生脱落、开裂等问题。先对曲轴进行磁粉探伤，确定损伤位置及大小，通过控制系统自动对损伤部位进行熔覆粉末的涂抹，之后进行激光熔覆修复，使熔覆层材料与基体形成良好的冶金结合，提高了曲轴表面的耐磨、耐蚀和抗氧化能力。显著提高了材料的疲劳强度和使用寿命，同时激光熔覆后会在熔覆层表面产生高幅残余压应力，有效提高曲轴表面的疲劳抗力、抑制疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳裂纹的扩展速率。因此这种处理方法使材料的耐磨、耐蚀和抗氧化能力，进行延长了曲轴的使用寿命。

本发明采取的技术方案为：一种对发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的装置，其特征在于，包括计算机控制处理系统、同轴喷雾式送粉单元、激光熔覆单元和辅助工作系统，所述计算机控制处理系统包括中央控制处理器、YAG激光控制器、水玻璃溶液控制器、熔覆粉末控制器；所述YAG激光控制器、所述水玻璃溶液控制器和所述熔覆粉末控制器均与所述中央控制处理器连接：所述同轴喷雾式送粉单元包括熔覆粉末喷射装置和水玻璃溶液喷雾装置；所述熔覆粉末喷射装置和所述熔覆粉末控制器连接，所述水玻璃溶液喷雾装置与所述水玻璃溶液控制器连接；所述激光熔覆单元包括同轴工作头、全反射镜，导光管、YAG激光器和氩气保护装置，所述同轴工作头、所述全反射镜）和导光管组成光路系统；所述辅助工作系统包括五轴联动工作台、数控工作台和液压伸缩杆；所述五轴联动工作台和所述液压伸缩杆均与数控工作台连接，所述数控工作台与中央控制处理器连接，所述液压伸缩杆位于所述五轴联动工作台的两侧。

上述方案中，还包括一个磁粉探伤装置。

本发明还提供了一种对发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的方法，包括如下步骤：

A：对待熔覆发动机曲轴进行磁粉探伤，确定裂纹的位置，并用酒精或丙酮除去曲轴表面的油渍和污垢；

B：把已处理好的曲轴放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧，通过液压伸缩杆控制曲轴在五轴联动工作台上的位置和角度；

C：中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴区域处于熔覆粉末喷射装置和水玻璃喷雾装置下方，中央控制处理器发出反馈信号给熔覆粉末喷射控制器和水玻璃喷雾控制器，对裂纹位置进行熔覆粉末的覆盖；

D：待熔覆粉末覆盖完毕后，中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴区域处于同轴工作头下方，中央控制处理器发出反馈信号给YAG脉冲激光器控制器和同轴工作头，YAG脉冲激光器产生脉冲激光，经导光管、同轴工作头照射到覆盖了熔覆粉末的曲轴裂纹损伤位置，同时开启氩气保护装置保护熔覆粉末以防氧化；

E：待熔覆完成后，对修复件进行磁粉探伤和表面处理。

上述方案中，步骤A中采用磁粉探伤还用来确定熔覆曲轴前后裂纹损伤的形状和大小。

本发明还提供了一种镍基陶瓷合金熔覆粉末粉末，包括10%碳化钨，0.3%碳，5%氟化钙，4%硼，3%氮化硅，0.6~1.0%矾，11~14%钼，1.0~1.4%硅，15~18%铬，余量为镍。

本发明的具体优点：（1）修复效果更好：激光熔覆不仅能有效修复曲轴疲劳裂纹，产生的残余应力可以显著提高曲轴的疲劳寿命。（2）范围更广：对于一定的基体材料或者其他零部件，可以选择适当的金属熔覆粉末进行修复，对任意形状、曲面进行修复，而其他方法都有其局限性。（3）自动化：熔覆粉末的添加通过同轴喷雾式送粉单元控制，自动化程度高。（4）激光熔覆修复使曲轴变形很小，不影响曲轴性能。（5）激光熔覆技术修复简单快捷，速率高，大大降低了维修成本。（6）激光熔覆技术环保性优异：没有任何污染，避免采用回炉、冶炼等回收方式对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。

附图说明

图1为利用激光熔覆处理曲轴疲劳裂纹的装置示意图。

图中：1-中央控制处理器，2-同轴工作头，3-全反射镜，4-导光管，5-YAG激光器，6-YAG激光器控制器，7-同步工作头控制器，8-氩气保护装置，9-数控工作台，10-液压伸缩杆，11-汽车曲轴，12-五轴联动工作台，13-熔覆粉末喷射装置，14-水玻璃喷雾装置，15-水玻璃溶液控制器，16-熔覆粉末控制器。

具体实施方式

下面结合图1对本装置进一步的详细说明。

如图1所示一种发动机曲轴疲劳裂纹激光修复与强化的装置，包括计算机控制处理系统、同轴喷雾式送粉单元、激光熔覆单元和辅助工作系统，所述计算机控制处理系统包括中央控制处理器1、YAG激光控制器6、水玻璃溶液控制器15、熔覆粉末控制器16；所述YAG激光控制器6、所述水玻璃溶液控制器15和所述熔覆粉末控制器16均与所述中央控制处理器1连接：所述同轴喷雾式送粉单元包括熔覆粉末喷射装置13和水玻璃溶液喷雾装置14；所述熔覆粉末喷射装置13和所述熔覆粉末控制器16连接，所述水玻璃溶液喷雾装置14与所述水玻璃溶液控制器15连接；所述激光熔覆单元包括同轴工作头2、全反射镜3，导光管3、YAG激光器5和氩气保护装置8，所述同轴工作头2、所述全反射镜3和导光管3组成光路系统；所述辅助工作系统包括五轴联动工作台12、数控工作台9和液压伸缩杆10；所述五轴联动工作台和所述液压伸缩杆10均与数控工作台9连接，所述数控工作台9与中央控制处理器1连接，所述液压伸缩杆位于所述五轴联动工作台的两侧，还包括一个磁粉探伤装置。

具体实施过程：对待熔覆发动机曲轴进行磁粉探伤，确定裂纹的位置、大小和形状，并有酒精或丙酮出去曲轴表面的油渍和污垢；把已处理好的曲轴放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧，通过液压伸缩杆控制曲轴在五轴联动工作台上的位置和角度；中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴处于熔覆粉末喷射装置和水玻璃喷雾装置下方，中央控制处理器发出反馈信号给熔覆粉末喷射控制器和水玻璃喷雾控制器，对裂纹位置进行熔覆粉末的覆盖；待熔覆粉末覆盖完毕后，中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴处于同轴工作头下方，中央控制处理器发出反馈信号给YAG脉冲激光器控制器和同轴工作头，YAG脉冲激光器产生脉冲激光，经导光管、同轴工作头照射到覆盖了熔覆粉末的曲轴裂纹损伤位置，同时开启氩气保护装置保护熔覆粉末以防氧化。待熔覆完成后，对修复件进行磁粉探伤和表面处理。

实施例1

损伤部位：曲轴的第V轴颈

激光工艺参数：熔覆功率P=5000W；光斑直径5mm；扫描速度V=200mm/min;搭接率50%。

熔覆粉末：镍基陶瓷合金粉末，其成分为10%碳化钨，0.3%碳，5%氟化钙，4%硼，3%氮化硅，0.6~1.0%矾，11~14%钼，1.0~1.4%硅，15~18%铬，余量为镍。

详细步骤：对待熔覆发动机曲轴进行磁粉探伤，确定曲轴第V轴颈裂纹的位置、大小和形状，并用酒精或丙酮出去曲轴表面的油渍和污垢；把已处理好的曲轴放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧，通过液压伸缩杆控制曲轴在五轴联动工作台上的位置和角度；中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴处于熔覆粉末喷射装置和水玻璃喷雾装置下方，熔覆粉末喷射控制器和水玻璃喷雾控制器，对裂纹位置进行熔覆粉末的覆盖；待熔覆粉末覆盖完毕后，中央控制处理器通过数控工作台调节五轴联动工作台，使待熔覆曲轴处移动到同轴工作头下方，中央控制处理器发出反馈信号给YAG脉冲激光器控制器和同轴工作头，YAG脉冲激光器产生脉冲激光，经导光管、同轴工作头照射到覆盖了熔覆粉末的曲轴裂纹损伤位置，同时开启氩气保护装置保护熔覆粉末以防氧化。待熔覆完成后，对修复件进行磁粉探伤和表面处理。熔覆层厚度为1.2mm，激光熔覆区域平均硬度比曲轴其他部位提升30%，硬化深度达到0.5mm，对修复件进行疲劳试验，并与处理前对比，发现裂纹萌生时的循环次数提高了2倍左右，从而极大提高了曲轴的疲劳寿命。研究结果表明，这种修复强化后，曲轴曲颈的硬度和强度显著提高，其表面残余应力状态从拉应力变为压应力，从而其疲劳寿命和耐磨性等性能得到显著改善，这对提升曲轴的综合性能具有重要意义。