CN109570764A - 一种发动机气门锥面的激光堆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，通过机加工形成待堆焊的气门工件，将待堆焊的气门工件在热处理炉内进行预热，预热温度200℃‑300℃，预热时间15‑30min，使用工装对待堆焊的气门工件进行固定，所述工装安装在转动轴上，用于带动待堆焊的气门工件转动，采用激光堆焊机对气门工件进行激光堆焊，由于气门工件自身转动，激光堆焊机发出的激光束的扫描轨迹为螺旋形，激光堆焊机的参数包括：光斑直径为5‑8mm，激光功率为2000‑3000W，扫描速度为5‑15mm/s，送粉速率为10‑16g/min，尾吹气体的流量为5‑15L/min，保护气体的流量为5‑10L/min，搭接率为35％‑45％，本发明不但能有效减少堆焊的堆焊粉末的损耗和提高堆焊粉末的利用率，而且能有效地减少热应力。

Description

一种发动机气门锥面的激光堆焊方法

技术领域

本发明涉及激光堆焊方法，尤其涉及一种发动机气门锥面的激光堆焊方法。

背景技术

随着日益提高的性能要求和环保要求，发动机的工作状况也越来越复杂和恶劣，气门的使用工况也愈加严峻，其中排气门工况尤为突出。由于气门在发动机气缸中运动，其气门的工况较为复杂。气门盘部锥面主要的工况如下：(1)气门盘部处于快速开合状态，因此每一次开合，气门锥面均会与气门座圈接触，由于气缸内燃气的爆炸压力，使得气门锥面与座圈形成一个冲击力。(2)气缸内由于燃气燃烧产生高温，以及燃烧不充分的硫化废气从气门锥面处排出，气门锥面受到高温以及腐蚀性气体的影响。(3)气门-气门座摩擦副是发动机的主要摩擦副之一，工作中受到持续性的循环摩擦影响。气门锥面受到高温、交变载荷及复杂燃烧气氛冲刷腐蚀，易产生磨损。

因此，当前气门锥面的表面强化方式主要有以下两种，第一种方式是通过对气门整体进行软氮化，第二种方式是通过对气门的锥面进行等离子堆焊。目前气门采用的是等离子堆焊技术，该技术是针对气门盘部锥面的表面处理强化技术。

堆焊是焊接的一个分支，是金属间晶内结合的一种熔化焊接方法。堆焊是用焊接的方法，在金属材料或零件的表面堆焊一层或几层具有一定性能(耐磨、耐蚀等)材料的工艺过程。其目的在于修复零件或增加零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能，可以延长零部件的使用寿命、降低成本和改进产品。堆焊技术既可以用于修复材料因服役而导致的失效部位，也可用于强化材料或零件的表面，其目的在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。

目前世界上主要采用三种堆焊方法，第一种是传统的电弧粉末堆焊技术，由于受到电弧吹力的影响，难以同时达到高效和低稀释率的目标，为了提高效率，必然导致热输入增加，致使基材熔深增大，堆焊层性能下降，产生较大拉伸热应力。第二种是基于等离子弧为主的高能密度热源的粉末堆焊技术，也是目前气门采用的堆焊技术，该技术具有较低的稀释率(5％～10％)，但是堆焊效率较低，堆焊后加工余量大，堆焊层难加工，堆焊粉末利用率不高，加工刀具易损耗等缺点。第三种是以激光堆焊为代表的高能束堆焊技术，能源利用率高达 30％以上，基材受热不受金属蒸汽的影响，熔覆金属冷却速度快，熔覆层耐磨性好，缺点是激光设备价格贵和运行费用高，目前该技术还未用于气门产品上。

等离子弧堆焊具有如下几个方面的优点:等离子弧温度高，热量集中，被加工材料不受其熔点高低的限制；等离子弧热稳定性好；等离子弧具有可控性；等离子弧堆焊温度高，热量集中，可以堆焊难熔材料并提高堆焊速度。但其设备比较复杂，气体耗量大，等离子弧堆焊适合批量生产。而等离子堆焊的缺点是在制造过程中电弧的稳定性难以保证，影响的参数较多，成形件的精度较低，因此堆焊后需要留有充足的加工余量。

激光堆焊技术是一种新的表面堆焊技术，是指在金属表面利用激光作为热源熔化专用覆层材料，利用堆焊原理熔敷一定厚度具有特殊性能材料的工艺过程。其表面焊层的厚度可以达到0.8～3mm，甚至更高，利用高能量密度的激光束作为热源，具有传统电弧粉末堆焊以及等离子弧堆焊等方法所不具备的优势，已成为国内外学者的研究热点，得到了迅速发展。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其不但能有效减少堆焊的堆焊粉末的损耗和提高堆焊粉末的利用率，而且能有效地减少热应力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，包括以下步骤：

S1、通过机加工形成待堆焊的气门工件；

S2、待堆焊的气门工件在热处理炉内进行预热，预热温度200℃ -300℃，预热时间15-30min；

S3、使用工装对待堆焊的气门工件进行固定，所述工装安装在转动轴上，用于带动待堆焊的气门工件转动；

S4、采用激光堆焊机对气门工件进行激光堆焊，激光堆焊过程中，气门工件转动，激光堆焊机的参数包括：光斑直径为5-8mm，激光功率为2000-3000W，扫描速度为5-15mm/s，送粉速率为10-16g/min，尾吹气体的流量为5-15L/min，保护气体的流量为5-10L/min，搭接率为35％-45％；

S5、对堆焊后的气门工件放置在空气中自然冷却至200℃以下；；

S6、对冷却后的气门工件的锥面进行高频感应回火；

S7、对回火后的气门工件进行磨削精加工形成气门成品。

进一步地，执行步骤S1后，还包括步骤S101：对待堆焊的气门工件的堆焊区域进行去除油污、去除铁锈、和去除氧化物处理。

进一步地，执行步骤S101后，还包括步骤S102：对待堆焊的气门工件进行荧光探伤检测，如气门工件的表面有裂纹或气孔，则该气门工件不合格，进行报废处理；如气门工件的表面没有裂纹和气孔，则该气门工件合格，合格的气门工件进行下一步工序。

进一步地，所述激光束移动时与所述气门工件的堆焊表面垂直。

进一步地，所述保护气体为氩气，所述保护气体的纯度为99％，采用保护气体能有效避免堆焊形成夹渣，防止产生裂纹。

进一步地，所述尾吹气体为氩气，所述尾吹气体与所述激光束成Φ角度，尾吹气体可以使堆焊过程中未熔化的粉末颗粒沿着堆焊方向运动，并进入新的熔池中，成为细小的凝固核心，有利于消除夹渣和防止气孔生成。

进一步地，所述Φ角度的范围为30°至60°。

进一步地，所述激光堆焊使用的堆焊粉末为钴基合金。

相比现有技术，本发明有以下有益效果：

1.等离子堆焊在制造过程中电弧的稳定性难以保证，影响的参数较多，成形件的精度较低，因此堆焊后需要留有充足的加工余量，堆焊粉末相比激光堆焊利用率低，而堆焊后合金层加工困难，影响生产效率，对加工刀具也有较高要求。而激光堆焊可以实现热输入的准确控制，工件加热速度、冷却速度快，热畸变小，厚度、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层，其成形精度高，加工余量小，节省贵重金属材料，堆焊层可采用更易于加工的磨削精加工工艺。

2.等离子堆焊由于热作用区大，堆焊层冷却速度较慢，堆焊层组织复杂，形成较大的热应力，表现为拉应力形式，回火去应力效果不明显；激光堆焊可准确控制热输入量，输入能量较小，热影响区小，焊接变形小，因此通过预热后进行激光堆焊，相比等离子堆焊具有更小的热应力，更易通过下一步回火工艺消除。

3.等离子堆焊温度非常高，堆焊过程中对基体热影响作用较大，激光堆焊热影响区较小，对基体组织影响小，各种特性较为平稳，相比等离子堆焊更好。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的气门激光堆焊示意图。

图2为本发明的等离子堆焊锥面结构示意图。

图3为本发明的激光堆焊锥面结构示意图。

图4为本发明的多道熔覆搭接示意图。

图5为本发明的气门激光堆焊时激光束与气门的示意图。

图6为本发明的气门激光堆焊宏观示意图。

图7为本发明的气门激光堆焊熔合区示意图。

图8为本发明的气门工件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，包括以下步骤：

S1、通过机加工形成待堆焊的气门工件；

S101、对待堆焊的气门工件的堆焊区域进行去除油污、去除铁锈、和去除氧化物处理，避免堆焊过程中待堆焊的气门工件表面的杂质成为裂纹源；

S102、对待堆焊的气门工件进行荧光探伤检测，如气门工件的表面有裂纹、气孔等表面缺陷，则该气门工件不合格，对不合格的气门工件进行报废处理；如气门工件的表面没有裂纹、气孔等表面缺陷，则该气门工件合格，合格的气门工件进行下一步工序；

S2、待堆焊的气门工件在热处理炉内进行预热，以减少激光堆焊过程中快速冷却可能产生的裂纹倾向，预热温度200℃-300℃，预热时间15-30min，当预热温度达到300℃时，气门工件不再出现裂纹，但预热温度过高，会导致工件基体组织产生不必要的相变；

S3、使用工装对待堆焊的气门工件进行固定，所述工装安装在转动轴上，用于带动待堆焊的气门工件转动；

S4、采用激光堆焊机对气门工件进行激光堆焊，激光堆焊过程中，气门工件转动，，激光堆焊机的堆焊参数设置如下：光斑直径为5-8mm，激光功率为2000-3000W，扫描速度为5-15mm/s，送粉速率为 10-16g/min，尾吹气体的流量为5-15L/min，保护气体的流量为5-10L/min，搭接率为35％-45％；

S5、对堆焊后的气门工件放置在空气中自然冷却至200℃以下；；

S6、对冷却后的气门工件的锥面进行高频感应回火；待回火的气门工件装夹在工装上，调整气门工件的盘端面与感应线圈间距离在 1-5mm的范围，由工装带动气门工件以轴心自转，采用红外线测温仪进行检测，盘锥面宽度较大的测温头激光点固定在锥面；盘锥面宽度较小的测温头激光点固定在盘锥面与颈部交接处附近；马氏体材料气门工件的堆焊去应力回火温度为680℃～720℃，测温仪显示达到温度后，即从工装上取下气门工件，放置在空气中自然冷却；奥氏体材料气门工件的堆焊去应力回火温度为950℃～1050℃，测温仪显示达到温度后，即从工装上取下气门工件，放置在空气中自然冷却。

S7、对回火后的气门工件进行磨削精加工形成气门成品。

具体地，气门工件如图8所示，本实施例采用通快公司基于六轴机器人的高灵活度的激光增材制造加工系统对气门锥面堆焊进行设计制造，由于本实施例采用机械手作为运动系统，机械手的转弯精度尤其是R<15mm的精度较低，而气门工件的堆焊层尺寸通常为几个毫米，故激光堆焊的堆焊槽需采用无弧度设计，如图3所示的激光堆焊的堆焊槽无任何圆角，在激光堆焊的过程中，激光束与气门工件的堆焊表面垂直，而堆焊槽有圆角是很难让机械手控制激光束一直垂直于表面，激光束与气门工件的堆焊表面不垂直，激光束会发生一定角度倾斜，会导致激光束能量未完全集中在当前的堆焊粉末上，造成堆焊粉末完全熔化形成夹渣，夹渣会导致气门工件的表面产生气孔和裂纹，从而造成堆焊的质量不佳；而等离子堆焊由于等离子的能量大、堆焊层厚和加工余量大，故对堆焊槽的弧度要求不高，如图2中采用的R6的堆焊槽弧面。

具体地，由于等离子堆焊电弧的稳定性难以保证，影响的参数较多，成形件的精度较低，电弧柱较粗，因此留有较多加工余量，需将堆焊坡口设计尺寸加大，以便后续加工。而激光堆焊的精度高，预留加工余量小，因此坡口的设计尺寸相对较小。激光堆焊相比等离子堆焊更有利于减少昂贵堆焊粉末的消耗，同时由于堆焊层硬度高，后期加工难度大，等离子堆焊过多的加工余量需要车削后再通过磨削精加工，加工刀具的损耗大，加工成本高；激光堆焊经精确控制，其堆焊层可直接采用磨削加工即可达到产品要求，减少了工艺步骤和加工难度，节约了加工成本。

具体地，气门工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。气门锥面采用等离子堆焊需要经过多道堆焊，每一道堆焊层互相搭接，最后完全覆盖堆焊坡口。而第一道堆焊层在冷却过程中会被第二道以及后续几道堆焊层的温度影响，后续每一道堆焊都会对前面的堆焊产生温度影响，堆焊热影响区受到多次的重复加热。堆焊完成后，整个堆焊层表面由于受到空气影响，表面快速冷却，而热影响区仍处于较高温度且冷却缓慢。堆焊层心部冷却过程中体积收缩不能自由进行，导致心部受到拉应力，表层受到压应力。气门锥面等离子堆焊后，通过对气门锥面高频感应回火，可减少残余应力，但效果不明显，仍会产生气门盘部开裂掉块等失效风险；激光堆焊的能量密度高，加热面积小，多道堆焊层间互相热影响相对更小，但更快的冷却速度仍会产生残余应力。但激光堆焊的冷却速度比等离子堆焊的冷却速度快，激光堆焊的凝固成形比等离子堆焊的凝固成形快，在晶粒长大时间段，堆焊层金相组织致密均匀，堆焊层和基体之间扩散少，能保证堆焊层和基体的冶金结合，同时保证堆焊层的质量。

如图5所示，所述激光束移动时与所述气门工件的堆焊表面垂直。

具体地，所述保护气体为氩气，所述保护气体的纯度为99％，采用保护气体能有效避免堆焊形成夹渣，防止产生裂纹。

具体地，所述尾吹气体为氩气，所述尾吹气体与所述激光束成Φ角度，优选地，所述Φ角度的范围为30°至60°。

具体地，尾吹气体可以使堆焊过程中未熔化的粉末颗粒沿着堆焊方向运动，并进入新的熔池中，成为细小的凝固核心，有利于消除夹渣和防止气孔生成。优选地，激光堆焊加入适当的尾吹气流，能够加快空气流动，减少多道堆焊产生的温度影响；另外，由于激光堆焊冷却速度快，熔池中微量的空气还未排出，表层冷却后空气留在堆焊层中形成气孔，尾吹气流能加速熔池搅动，有利于熔池心部空气排出，消除气孔。激光堆焊由于多道堆焊之间热影响小，金相组织致密，同时尾吹气流加入后，带走堆焊层热量，有效地减少了堆焊热影响所产生的重复回火情况，因此能够得到组织和性能均匀的堆焊层。同样通过对气门锥面进行高频感应回火，能够有效消除堆焊残余应力。

具体地，由于熔覆涂层搭接的不同，可以将其细分为3种：单道熔覆、多道搭接和多层熔覆。多道搭接熔覆如图4所示，其中L1/L2 的比值称为搭接率。如果搭接率不合适，涂层表面就不再平整，焦距就会发生变化，而原先预设的扫描速度、送粉量和功率等参数就不再合适，最终基体表面的涂层尺寸精度就比较差。优选地，激光堆焊机的搭接率为35％-45％，效果较佳。

具体地，稀释率指的是堆焊金属被稀释的程度，常用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来表示，堆焊层及熔合区的成份和性能都受到稀释的重要影响。在堆焊方法和设备已经选定的情况下，应从堆焊材料成份上补偿稀释率的影响，并严格工艺参数来控制稀释率。一般认为其稀释率应小于10％，最好在5％左右，以保证焊层的性能。

具体地，激光堆焊机的激光功率2000-3000W，扫描速度 5-15mm/s，较高的激光功率有助于堆焊粉末的充分熔化，有利于消除夹渣，扫描速度过快会造成裂纹的产生，扫描速度过慢，会影响工作效率，同时也造成较高的稀释率(基体熔深过大)。

具体地，所述激光堆焊使用的堆焊粉末为钴基合金，由于排气门工况尤为突出。随着爆炸压力和工作温度的逐步提高，以及气缸燃烧后产生的积碳和腐蚀性气体，气门工件材料的选择，已从过去的耐高温马氏体不锈钢材料，过渡到采用耐高温镍基合金材料。目前常用于排气门的材料主要是23-8N，21-4NWNb，Ni30，Inconel751, Nomonic80A等材料。除此之外，排气门盘部还另外堆焊材料，常用 Stellite 1、Stellite 12、Stellite 6、StelliteF等钴基粉作为堆焊材料，钴基粉具有耐蚀性、耐热性以及抗粘着磨粒磨损等良好的性能，但其价格昂贵，一般只用于排气门锥面上。

具体地，下表中序号1-5为气门工件材料的名称及其具体的成分，下表中序号6-10为堆焊粉末材料的名称及其具体的成分。

图6-7为激光堆焊的金相图，从这两幅图中可以显示出激光堆焊层无气孔和无裂纹，熔合区冶金结合好。

本实施例解决了以下问题：

1.等离子堆焊在制造过程中电弧的稳定性难以保证，影响的参数较多，成形件的精度较低，因此堆焊后需要留有充足的加工余量，堆焊粉末相比激光堆焊利用率低，而堆焊后合金层加工困难，影响生产效率，对加工刀具也有较高要求。而激光堆焊可以实现热输入的准确控制，工件加热速度、冷却速度快，热畸变小，厚度、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层，其成形精度高，加工余量小，节省贵重金属材料，堆焊层可采用更易于加工的磨削精加工工艺。

2.等离子堆焊由于热影响区大，堆焊层冷却速度较慢，堆焊层组织复杂，形成较大的热应力，表现为拉应力形式，回火去应力效果不明显；激光堆焊可准确控制热输入量，输入能量较小，热影响区小，焊接变形小，因此通过预热后进行激光堆焊，相比等离子堆焊具有更小的热应力，更易通过下一步回火工艺消除。

3.等离子堆焊温度非常高，堆焊过程中对基体热影响作用较大，激光堆焊热影响区较小，对基体组织影响小，各种特性较为平稳，相比等离子堆焊更好。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过机加工形成待堆焊的气门工件；

S2、待堆焊的气门工件在热处理炉内进行预热，预热温度200℃-300℃，预热时间15-30min；

S3、使用工装对待堆焊的气门工件进行固定，所述工装安装在转动轴上，用于带动待堆焊的气门工件转动；

S4、采用激光堆焊机对气门工件进行激光堆焊，激光堆焊过程中，气门工件转动，激光堆焊机的堆焊参数设置如下：光斑直径为5-8mm，激光功率为2000-3000W，扫描速度为5-15mm/s，送粉速率为10-16g/min，尾吹气体的流量为5-15L/min，保护气体的流量为5-10L/min，搭接率为35％-45％；

S5、对堆焊后的气门工件放置在空气中自然冷却至200℃以下；

S6、对冷却后的气门工件的锥面进行高频感应回火；

S7、对回火后的气门工件进行磨削精加工形成气门成品。

2.根据权利要求1所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：执行步骤S1后，还包括步骤S101：

对待堆焊的气门工件的堆焊区域进行去除油污、去除铁锈和去除氧化物处理。

3.根据权利要求2所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：执行步骤S101后，还包括步骤S102：

对待堆焊的气门工件进行荧光探伤检测，如气门工件的表面有裂纹或气孔，则该气门工件不合格，进行报废处理；如气门工件的表面没有裂纹和气孔，则该气门工件合格，合格的气门工件进行下一步工序。

4.根据权利要求1所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：所述激光束移动时与所述气门工件的堆焊表面垂直。

5.根据权利要求1所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：所述保护气体为氩气，所述保护气体的纯度为99％。

6.根据权利要求1所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：所述尾吹气体为氩气，所述尾吹气体与所述激光束成Φ角度。

7.根据权利要求6所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：所述Φ角度的范围为30°至60°。

8.根据权利要求1所述的一种发动机气门锥面的激光堆焊方法，其特征在于：所述激光堆焊使用的堆焊粉末为钴基合金。