CN103695939A - 一种超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法，涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，先对刀具的损伤区进行激光熔覆处理，熔覆的供给方式为预置式激光熔覆；再在刀具的损伤区表面涂敷吸收层，再在约束层的保护下，对刀具的损伤区进行激光冲击处理。本发明提高了金属表面的耐磨、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，有效提高刀具表面的微动疲劳抗力，抑制了疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳裂纹的扩展速率。因此这种处理方法将使材料的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度得到大幅度提高，进而延长了超大型剪切装备刀具的使用寿命。

Description

一种超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法

技术领域

本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，特指一种超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法，尤其适用于超大型剪切装备刀具刀刃的损伤修复。

背景技术

激光熔覆是一种表面硬化加工技术，它利用高能量激光束熔化覆层材料，并在基材上形成很薄的、低稀释率的50μm~2mm厚的无气孔、无裂纹的，与基材结合良好的熔覆层。这种工艺技术可以用单独的轨迹相互交叠覆盖，应用于大面积的改性。它的独特功能是能够熔覆多种合金材料并且适合处理小面积区域。用激光熔覆可以在较低的成本条件下，显著提高材料的表面性能，扩大其适用范围和领域，延长其使用寿命。

在先进制造技术中，激光冲击加工技术作为高能束的典型代表，是一种具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，在金属材料表面形成塑性变形层产生孪晶等晶体并形成极细小的位错亚结构，使材料表层形成很大的残余压应力，从而使金属材料的疲劳强度、硬度等性能得以提高，尤其是疲劳寿命。这一技术已在机械工程、船舶、航空、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。

在超大型剪切装备中，实现最终剪切目的的关键零件——刀具非常重要，其质量的优劣、寿命的长短将直接影响着整套机床或设备单元的使用和效能，更关系到产量和经济效益。而剪机刀刃在使用过程中承受拉伸、弯曲、冲击、摩擦等机械力作用，因此经常发生脆断、崩刃、磨损、拉伤等现象，造成早期失效等现状。超大型剪切装备刀具的失效不仅影响产品的质量而且增加生产成本,频繁更刀具更会导致生产量下降,给企业带来巨大的经济损失；另一方面刀具一旦失效就基本报废，严重地浪费了材料，不符合循环经济发展要求。因此需要采用各种先进技术对失效的超大型剪切装备刀具进行快速、精密修复,大幅度延长、提高刀具的使用寿命。

目前，修复刀具的方法主要有两种：一是利用高频钎焊的方法，可以实现刀具与硬质合金的可靠连接，但是这种方法对刀具本身的热影响区过大，降低了刀体本身的硬度；另一种方法是机械连接法，但是在刀具上加工螺纹比较困难。利用激光熔覆的方法修复钛合金零件的实例很多，但是利用激光熔覆的方法修复剪切刀具暂无先例。

专利号为CN102912341A的中国专利公开了一种利用激光熔覆修复高速钢切削刀具的方法。该方法在真空环境下，对高速钢切削刀具基体的磨损处，通过激光熔覆硬质合金粉末，实现对切削刀具的修复再制造。但是单纯的激光熔覆过程中高能密度的激光束快速加热使修复层与基材间产生很大的温度梯度，还会产生较高的热应力，会导致熔复层裂纹和气泡的萌生，影响刀具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提出一种克服以上修复缺陷、能综合改善超大型剪切装备刀具的机械性能的超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法。

本发明包括以下步骤：

1）对刀具表面进行无损检测，确定刀具的损伤区；

2）对刀具的损伤区进行激光熔覆处理，熔覆的供给方式为预置式激光熔覆；

3）在刀具的损伤区表面涂敷吸收层，再在约束层的保护下，对刀具的损伤区进行激光冲击处理。

本发明通过将激光熔覆与激光冲击强化技术的结合，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。本发明先对超大型剪切装备刀具进行激光熔覆修复，使熔覆层材料与基体形成良好的冶金结合，提高了金属表面的耐磨、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。本发明再对熔覆层进行激光冲击强化处理，在超大型剪切装备刀具表面产生高幅值残余压应力，有效提高刀具表面的微动疲劳抗力， 抑制了疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳裂纹的扩展速率。因此这种处理方法将使材料的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度得到大幅度提高，进而延长了超大型剪切装备刀具的使用寿命。本工艺适用于各类金属刀具的表面改性和修复。

本发明的优点具体如下：

1、修复效果更好：激光熔覆冲击复合处理不仅能有效修复超大型剪切装备刀具的裂纹，而且激光冲击形成的残余应力层深度是机械喷丸形成的10倍左右，可显著提高超大型剪切装备刀具的疲劳寿命达3倍以上。

2、范围更广：对于一定的基体材料，可以选择适当的金属熔覆粉末进行修复。激光熔覆+激光冲击复合处理技术可以对任意形状、任意曲面进行修复，而其他修复方法都有其局限性。

3、激光熔覆冲击复合处理技术修复材料表面的变形很小，不影响结构件心部性能。

4、激光熔覆冲击复合处理技术修复简单快捷，效率高，大大降低了维修成本。

5、激光熔覆冲击复合处理技术环保性优异：没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。

另外，为了防止杂质熔入熔覆层内产生二次裂纹或者孔洞影响熔覆效果，达不到延长刀具使用寿命，本发明对损伤区进行打磨抛光并清洁干净后再进行激光熔覆处理。

为了使熔覆层的表观质量最佳，无裂纹和孔洞产生，本发明用于激光熔覆的YAG脉冲激光器的工艺参数为：激光的功率范围为1000W～1500W，扫描速度范围为2～30mm/s。

激光熔覆形成的熔覆层厚度为0.2～1.0mm。熔覆层是利用高能密度的激光束将熔覆粉末与基体（刀具）表面薄层一起熔凝并形成冶金结合的涂层。熔覆层的耐磨性和抗氧化性要高于原来的基体层，也就是说熔覆层能起到保护刀具的作用，能延长刀具的使用寿命。

为了达到刀具材料发生局部塑性变形所需的最短时间，材料发生动态塑性变形，在塑性层中存在着残余压应力，材料位错密度得到延长，使材料屈服强度提高，从而使材料的寿命得到延长，所述激光冲击处理时，CO₂激光器的工艺参数为：输出波长为10.6μm，脉冲能量为35J～50J。

50J以内的激光脉冲能量就能满足实验要求，高于50J则增加成本。但是脉冲能量不能低于35J，如低于35J，则材料不易发生动态塑性变形，达不到延长使用寿命的要求。

所述吸收层为黑漆或铝箔。所述约束层为水或玻璃。

附图说明

    图1为刀具表面经过不同工艺处理后显微硬度和距表面的距离的关系图。

具体实施方式

一、修复工艺：

例一：对材料为Cr12MoV工具钢的超大型剪切装备刀具进行修复。

先对刀具进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，然后对刀具进行表面无损检测，精确定位损伤部位。接着对损伤部位残余物清除，缺陷彻底清除干净后，对刀具进行打磨抛光后，用PT探伤确认损伤是否彻底清净。把已处理好的刀具放到工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧。

调节工作台，使待熔覆刀具与同轴工作头处于合适的加工位置，调节用于激光熔覆的YAG脉冲激光器的工艺参数为：激光功率为1500W，光斑直径为5mm，扫描速度为5mm/s，搭接率为30%。熔覆粉末采用与基材合金结合较好的镍基合金粉末，粒度为325目。对损伤部位进行激光熔覆修复，通过数控操作台调节工作台，使刀具按照一定的轨迹移动扫描完所需激光熔覆修复的区域。

激光熔覆形成的熔覆层厚度为0.2～1.0mm。

待熔覆层冷却后，用酒精清洗刀具表面，干燥后涂上黑漆，把刀具再放到工作台上，定位好后用夹具将其夹紧。调节工作台，使刀具处于合适的加工位置，此时通过中央控制处理器控制CO₂激光器控制器和光束转换及调节装置调节CO₂激光器参数：激光脉冲能量为35J～50J，输出波长为10.6μm，光斑直径为5mm，以水为约束层对涂层区进行激光冲击强化处理，然后用酒精清洗冲击区的黑漆。

例二：对材料为T10工具钢的超大型剪切装备刀具进行修复。

加工步骤与上例相同，不相的是：

1、调节用于激光熔覆的YAG脉冲激光器的工艺参数为：激光功率为1000W，光斑直径为5mm，扫描速度为2mm/s。

2、熔覆粉末采用：镍基合金粉末。

3、用铝箔替代黑漆作为吸收层。

4、激光冲击处理时，CO₂激光器的工艺参数为：脉冲能量为40J。

5、以玻璃为约束层。

二、验证结果：

    如图1所示的刀具表面经过不同工艺处理后显微硬度和距表面的距离的关系图。

其中的三个曲线分别为：刀具表面未经过处理（基材）显微硬度和距表面的距离的关系、刀具表面经过激光熔覆处理后显微硬度和距表面的距离关系、刀具表面经过激光熔覆和激光冲击处理后显微硬度和距表面的距离的关系。

由图1可见：通过本发明激光熔覆和激光冲击强化修复的刀具硬度显著提高，其表面残余应力状态由拉应力状态变为压应力状态，其疲劳寿命和耐磨性等性能显著改善，这对改进超大型剪切装备刀具材料性能具有重要意义。

Claims (7)

1.一种超大型剪切装备刀具的激光修复再制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对刀具表面进行无损检测，确定刀具的损伤区；

2）对刀具的损伤区进行激光熔覆处理，熔覆的供给方式为预置式激光熔覆；

3）在刀具的损伤区表面涂敷吸收层，再在约束层的保护下，对刀具的损伤区进行激光冲击处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对损伤区进行打磨抛光并清洁干净后进行激光熔覆处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用于激光熔覆的YAG脉冲激光器的工艺参数为：激光的功率范围为1000W～1500W，扫描速度范围为2～30mm/s。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：激光熔覆形成的熔覆层厚度为0.2～1.0mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光冲击处理时，CO₂激光器的工艺参数为：输出波长为10.6μm，脉冲能量为35J～50J。

6.根据权利要求1或5所述复合处理方法，其特征在于所述吸收层为黑漆或铝箔。

7.根据权利要求1或5所述复合处理方法，其特征在于所述约束层为水或玻璃。

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