閥芯端帽工作面激光合金化工藝研究

王斌修 田新國 李成彪

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033)

自動(dòng)流量平衡閥屬于自力式流量控制閥，可以使通過閥門的流量保持動(dòng)態(tài)恒定，從而有效地解決了管網(wǎng)的流量失調(diào)問題，自動(dòng)保證管網(wǎng)的安全運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于建筑、暖通、鋼鐵、石油和化工等系統(tǒng)管網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)主要包括閥芯和閥體兩大部分，閥芯端帽是自動(dòng)流量平衡閥的核心部件，工作時(shí)主要通過端帽上下運(yùn)動(dòng)來保持流量的動(dòng)態(tài)恒定［1－3］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥芯端帽與閥體之間不斷摩擦而極易被磨損或被流體腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懽詣?dòng)流量平衡閥的工作。而且，閥芯端帽屬于薄壁回轉(zhuǎn)體類零件，采用傳統(tǒng)熱處理方法對(duì)其工作面進(jìn)行強(qiáng)化，不僅成本較高而且極易引起變形。激光表面合金化技術(shù)是一種新型的表面改性技術(shù)，具有熱影響區(qū)小，工件變形量小;處理速度快，能有效利用能量;合金層組織致密，與基材的冶金結(jié)合程度好及能使難以接近和局部的區(qū)域合金化，工藝靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，幾乎不需要校直、打磨等后續(xù)加工［4－7］，適合用來對(duì)閥芯端帽工作面進(jìn)行強(qiáng)化。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用JHM－1GY－500型多功能激光加工機(jī)，激光器為YAG脈沖激光器，波長為1.06 μm，脈沖頻率為1～200 Hz連續(xù)可調(diào)，脈沖寬度為0.1～20 ms連續(xù)可調(diào)，脈沖工作電流為100～450 A，激光器輸出的最大單脈沖能量為90 J。閥芯端帽的材料為AISI304奧氏體不銹鋼，成分見表1，合金化前用砂紙打磨試樣表面，然后用無水酒精清洗干凈。合金化粉末以TiC為主，粒徑為1～3 μm，純度為99.8%，另外添加少量的石墨粉和稀土元素，具體含量見表2，其中石墨用于防止基體材料被燒損，稀土元素則具有防止氧化，提高合金層顯微組織均勻致密性及凈化晶界。在試樣表面預(yù)置合金化材料，厚度為0.1 mm。

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)因素分析

在激光表面合金化加工過程中，可以影響合金化質(zhì)量的因素有很多，但在基體材料及材料表面對(duì)激光能量吸收率一定的條件下，影響最大的是材料表面的激光功率密度和光束作用時(shí)間［8］。從實(shí)際加工的角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)中主要調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)為脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑，其中脈沖工作電流和光斑直徑影響工件表面的激光功率密度，掃描速度決定了合金化過程中的光束作用時(shí)間。此次實(shí)驗(yàn)主要研究脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑對(duì)閥芯端帽工作面激光合金化質(zhì)量的影響，得出這3個(gè)因素對(duì)合金層的表面硬度及合金層厚度的影響規(guī)律。

表1 AISI304奧氏體不銹鋼的成分

表2 合金化粉末的成分

2.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

(1)脈沖工作電流對(duì)合金層質(zhì)量的影響

為獲得脈沖工作電流對(duì)合金層質(zhì)量(合金層的表面硬度及合金層厚度)的影響規(guī)律，選取掃描速度v=80 mm/min，光斑直徑d=1.5 mm，脈沖寬度ti=0.5 ms，脈沖頻率f=60 Hz，用氬氣作保護(hù)氣，調(diào)整激光多功能加工機(jī)的脈沖工作電流值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中脈沖工作電流值及所得合金層的表面硬度及合金層厚度如圖2所示。

由圖2可知，隨著脈沖工作電流的增大，合金層的表面硬度先增大后減小，合金層厚度逐漸增大。在掃描速度、光斑直徑、脈沖寬度及頻率等因素為定值時(shí)，材料表面激光合金化的時(shí)間也為定值，增大激光多功能加工機(jī)的脈沖工作電流，可以增加激光器的輸出功率，光斑的平均能量密度增加，則在高能激光束的作用下，試樣表面的TiC更多的進(jìn)入基體中，同時(shí)試樣表面吸收的能量增加，使得試樣表面組織的晶粒得到細(xì)化，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體進(jìn)行得更加充分，此時(shí)，合金層的表面硬度及合金層厚度隨脈沖工作電流的增加而增加。但脈沖工作電流過大會(huì)造成試樣表面過熱、燒傷，使所得合金層的表面硬度降低，所以適當(dāng)選擇脈沖工作電流對(duì)合金層表面硬度有很大的影響。

(2)掃描速度對(duì)合金層質(zhì)量的影響

為獲得激光束的掃描速度對(duì)合金層質(zhì)量的影響規(guī)律，選取脈沖工作電流I=75 A，光斑直徑d=1.5 mm，脈沖寬度ti=0.5 ms，脈沖頻率f=60 Hz，用氬氣作保護(hù)氣，調(diào)整激光多功能加工機(jī)激光束的掃描速度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中激光束的掃描速度值及所得合金層的表面硬度、合金層厚度如圖3所示。

由圖3可知，隨著掃描速度的增大，合金層的表面硬度逐漸增大，達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，合金層厚度逐漸減小。在脈沖工作電流、光斑直徑、脈沖寬度及頻率等因素為定值時(shí)，掃描速度的快慢將決定材料表面激光合金化處理的時(shí)間，掃描速度較小時(shí)，激光束在材料表面作用時(shí)間較長，材料吸收的能量多，容易使得材料表面燒傷，以致降低所得合金層的表面硬度，隨著掃描速度的增加，激光束在材料表面的作用時(shí)間逐漸減少，工件的冷卻速度逐漸加快，合金化區(qū)域的過冷度增加，經(jīng)激光束處理后得到的馬氏體晶粒越細(xì)小，可以有效提高合金層的表面硬度。但另一方面，隨著掃描速度的增加，激光束在材料表面的作用時(shí)間減少，試樣表面的TiC進(jìn)入基體中數(shù)量和深度逐漸減少，同時(shí)試樣表面吸收的能量也減少，試樣表層組織由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間變短，對(duì)合金層表面硬度的提高產(chǎn)生不利影響，且影響的力度逐漸增強(qiáng)，因此，隨著掃描速度的增加，合金層的表面硬度逐漸增大，在達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，合金層厚度逐漸減小。

(3)光斑直徑對(duì)合金層質(zhì)量的影響

為獲得光斑直徑對(duì)合金層質(zhì)量的影響規(guī)律，選取脈沖工作電流I=75 A，掃描速度v=80 mm/min，脈沖寬度ti=0.5 ms，脈沖頻率f=60 Hz，用氬氣作保護(hù)氣，調(diào)整激光多功能加工機(jī)激光頭的高度即改變光斑直徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中光斑直徑的取值及所得合金層的表面硬度及合金層厚度如圖4所示。

由圖4可知，隨著光斑直徑的增大，合金層的表面硬度逐漸增大，達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，合金層厚度則逐漸減小。調(diào)節(jié)光斑直徑將直接影響激光束在材料表面作用功率密度的大小，在脈沖工作電流、掃描速度、脈沖寬度及頻率等因素為定值時(shí)，光斑直徑較小，則材料表面激光功率密度增大，甚至?xí)斐刹牧媳砻鏌齻蜉p微的熔化，降低材料表面硬度。隨著光斑直徑的增大，材料表面激光功率密度逐漸減小，在高能激光束的作用下，試樣表面的TiC進(jìn)入基體中，合金化區(qū)域的組織由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，試樣表層合金化區(qū)域在激光束離開后快速冷卻，合金化區(qū)域的晶粒在急冷急熱的過程中得到細(xì)化，使得合金層表面硬度增大。當(dāng)光斑直徑繼續(xù)增大時(shí)，工件表面激光功率密度較小，工件表面TiC進(jìn)入基體中的數(shù)量和深度均減少，同時(shí)試樣表面吸收的能量也減少，試樣表層組織由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變不夠充分，對(duì)合金層的表面硬度產(chǎn)生不利影響。因此，隨著光斑直徑的增大，合金層的表面硬度逐漸增大，在達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，合金層厚度則逐漸減小。

3 結(jié)語

本文主要研究脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑對(duì)閥芯端帽工作面激光合金化質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)合金層的表面硬度隨脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑的增大而逐漸增大，達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì);合金層厚度則隨脈沖工作電流的增大而逐漸增大、隨掃描速度和光斑直徑的增大而逐漸減小。根據(jù)這些規(guī)律，可以優(yōu)化合金化工藝參數(shù)，提高閥芯端帽的合金化質(zhì)量，并對(duì)其他薄壁回轉(zhuǎn)體類零件的激光表面合金化有一定的借鑒意義。

［1］陳清，陳振雙，涂光備.動(dòng)態(tài)流量平衡閥的原理及其應(yīng)用［J］.煤氣與熱力，2000，20(6):443 －445.

［2］周揚(yáng)民，郭健祥，方俊喜，等.自動(dòng)流量平衡閥可變過流面端帽的有限元分析［J］.機(jī)床與液壓，2006(1):146－150.

［3］趙亞新，吳春華，丁世明.動(dòng)態(tài)流量平衡閥的原理與在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2008(15):37 －38.

［4］張永康.激光加工技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］張國順.現(xiàn)代激光制造技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［6］許長慶，李貴江.激光表面合金化TiC增強(qiáng)復(fù)合涂層及性能研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(4):160 －163.

［7］姜偉，戚佳睿，孫海霞.30CrMnSi鍍鉻后激光表面合金化［J］.表面技術(shù)，2008，37(4):29 －30.

［8］孫榮敏，馮樹強(qiáng)，溫宗胤，等.低鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥激光表面合金化的工藝研究［J］.應(yīng)用激光，2009，29(6):493 －496.