自动流量平衡阀过流端帽的激光强化研究.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 0卷 第 1 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAULI CS J a n．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 1 3 自动流量平衡阀过流端帽的激光强化研究 王斌修 ，贺敬地 青岛理工大学，山东青岛2 6 6 0 3 3 摘要利用激光表面强化技术对 自动流量平衡阀过流端帽工作面进行强化以增加其使用寿命。详细分析了不同激光参 数如脉冲电流、扫描速度、脉冲频率和离焦量等因素对过流端帽表面硬化的影响。实验结果表明只要工艺参数选择适 当，可获得很好的表面硬化质量 ，且能提高生产效率。 关键词过流端帽；激光强化 中图分类号T G1 6 2 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 4 83 Re s e a r c h o n La s e r En ha nc e me nt f o r Au t o ma t i c Fl o w Va l v e Ov e r ． c u r r e nt End Ca p WANG B i n x i u．HE J i n g d i 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 S h a n d o n g 2 6 6 0 3 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ov e r - c u r r e n t e n d c a p o f a u t o ma t i c fl o w c o n t r o l v a l v e s wa s s t r e n g t h e n e d b y u s i n g l a s e r s u r f a c e s t r e n gth e n i n g t e c h n o l o g y i n o r d e r t o i n c r e a s e i t s s e r v i c e l i f e ．T h e i n f l u e n c e s o f t h e d i ff e r e n t l a s e r p a r a me t e r s t o S u rf a c e s t r e n gth e n i n g ，s u c h a s l a s e r p u l s e c u r - r e n t ，s c a n n i n g s p e e d，p u l s ee q u e n c y a n d d e f o c u s ，w e r e a n a l y z e d ．E x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t a s l o n g a s t h e a p p r o p ri a t e l a s e r p a r a me t e r s b e c h o s e n， g o o d s u rfa c e h a r d e n i n g q u a l i t y c a n b e o b t a i n e d ，a n d t h e p r o d u c t i o n e ffic i e n c y c a n b e i mp r o v e d ． Ke y wor ds Ov e r c u r r e n t e n d c a p；La s e r e n ha n c e me n t 自动流量平衡阀 图 1 已广泛应用于高层建筑 的供水供暖、农业灌溉以及石油化工等管路复杂的流 体系统领域 ，用来解决管路流量不均匀的问题。自动 流量平衡阀属于自力式流体控制阀，能在工作压差范 围内，利用内部高弹性弹簧产生的机械作用力改变阀 芯的可变过流面积，使水流量保持动态恒定 ，从而达 到控制流量的目的。 l ～ 过 流端 帽 2 一 可 变过 流 曲面 卜阀芯体 4 -高精度控 制弹 簧 预紧力调 节 螺 帽 图 1 自动流量平衡阀阀芯结构 自动流量平衡阀在工作的时候，过流端帽会受到 流体的冲击作用。随着冲击次数的增加，平衡阀阀芯 过流端帽侧面会因液体冲击而磨损或者损坏。所以， 有必要对平衡阀阀芯端帽进行工艺研究，对平衡阀阀 芯端帽进行表面强化以增大其耐磨性、强度 、硬度 等 。 采用激光表面强化技术在 自动流量平衡阀的阀芯 端帽强化方面有很大优势。激光表面强化与其他热处 理技术，如高频淬火、渗碳 、渗氮等传统工艺相比， 具有以下特点 1 无需使用外加材料 ，就可 以显著改变材料 的组织结构 ，大大改善工件的性 能。激 光淬火过程 中 的急热急冷过程使得淬火后 ，马氏体晶粒极细、位错 密度相对于常规淬火更高 ，进而大大提高材料性能。 2 处理层和基体结合强度高 ，具有较高的硬 度和耐磨性 。 3 被加工工件变形小，适合于高精度零件处 理，可作为零件和材料的最后处理工序。 4 加 工 柔 性 好 ，适 用 面 广 。激 光 光 斑 面 广 。 激 光光斑 的面积较小 ，不可能同时对大面积表 面进行 加工，但是可以利用灵活的导光系统随意将激光导向 处理部分，可根据需要调整硬化层深度 ，获得需要的 工艺 。 5 工艺优越简单。激光加工噪声小、无污染 、 劳动条件好 ，效率高 ，经济效益显著。 1 激光对平衡阀工作面强化机理 激光淬火的强化机理为 1 获得晶粒极细的 收稿日期2 0 1 01 1 2 2 作者简介王斌修，男 ，硕士生导师，研究方向为特种加工与模具技术。E m a i l h e j i n g d i l 1 2 2 1 6 3 ． c o m 。 第 1期 王斌修 等自动流量平衡阀过流端帽的激光强化研究 4 9 马氏体； 2 淬硬层 中位错密度很高； 3 表层形 成压应力。强化机理 的最本质原 因还在于激光淬火独 特的热循环过程。 激光 淬 火 马 氏体 的形成机理与传统淬 火马氏体的形成机理 并无 不同，都是通过 热 循 环 过程 将 材料 加 热到奥 氏体相变临界 温度 以上 ，然 后 以 大 于 马 氏体 形 成 的临 界 速度冷却 ，最终形成 马氏体。但是激光淬 图2 常规淬火和激光淬 火的热循环曲线 火的热循环过程不同于常规淬火 ，使得它具有独特之 处，二者热循环曲线见图2 。 2 工作面激光淬火试验 用 H R 1 5 0洛 氏 硬 度 计 测 得 原 始 表 面 硬 度 为 H R C 3 2 ，然后 在表 面 均匀 涂覆 一层 石 墨 ，厚 度 约 4 0 tx m，采用光斑扫描方式进行淬火实验，对激光输出 电流、扫描速度、离焦量和脉冲频率进行实验研究 ， 把淬火后端帽的表面硬度和淬硬层深度作为硬化质量 的衡量指标。 2 ． 1 激 光输 出电流 为获得输出电流对淬火质量的影响，选取扫描速 度 9 0 m m ／ m i n 、离焦量 L1 0 re a l 、脉冲宽度 t 0 ． 5 m s 、脉冲频率．厂 8 0 H z ，用压缩空气帮助冷却，调 整电流大小进行淬火实验 ，将测量结果列人表 1 ，图 3 与图4是获得的输出电流与淬火质量之间的关系图。 表 1 调整电流获得的实验数据 图 3 输出电流对淬 图4 输出电流对淬硬 火硬度的影响 层深度的影响 从图 3可 以看 出在保持扫描速度等因素一定 时，工件表面的受热时间也一定，表面硬度随着电流 的增大呈先上升后下降的趋势。这是因为电流增大 时 ，输入到材料中的能量增多，逐渐达到了完全淬火 温度 ，起到淬火效果，硬度逐渐升高；当输入电流较 高时，输入到金属表面的能量过高会使金属表面出现 重熔和气孔现象，超过了淬火需要的能量，会使金属 表层硬度下降。 在该实验条件中，输出电流达到1 0 5 A时，硬度 会达到最大值 ；超过 1 0 5 A，材料表面吸收的能量超 过熔点 ，出现焊接波纹，不但改变了表面的外形 、增 大了热影响区，还降低了表面硬度 ；但是当电流低于 9 5 A时，由于能量偏低 ，达不到淬火温度，没有发 生淬火 ，淬硬层硬度接近于零。 在图3中，随着输出电流的增大，即激光输出功 率增大 ，光斑的平均功率密度增加，金属表面吸收的 能量也不断增大，表层温度升高，所以淬硬层深度不 断增大。可以看到淬硬层的深度随电流值不断增 加，淬硬层深度与电流值呈线性关系。 2 ． 2扫描 速 度 为获得扫描速度对淬火质量的影响，选取输出电 流 ，1 0 2 A、离焦量 L1 1 m m，脉 冲宽度 t 0 ． 5 m s ，脉冲频率厂 8 0 H z ，用压缩空气帮助冷却 ，调整 扫描速度进行淬火实验，将测量结果列人表 2 。 表 2 调 整扫描速 度获得 的实验数据 扫描速度是工作台与激光束相对运动的速度 ，它 反映了工件表面被加热的时间。从图5可以看出，硬 度随着扫描速度的增加先升后降。这是因为如果扫描 速度太慢 ，则激光与材料表面作用 的时间变长 ，材料 吸收能量过多 ，冷却速度变慢，很容易使材料表面出 现熔化和过淬火现象 ，反而降低了硬度；如果扫描速 度太快 ，则激光作用于材料 的时间变短 ，材料吸收的 能量不足，硬化区达不到淬火温度；因而硬度也会降 低。从图5可以看出，最佳扫描速度为 1 2 0 ra m ／ ra i n 。 从图6可以看出增大扫描速度，淬硬层深度在 不断降低。主要因为激光照射时间变短，材料表面吸 收的能量不足 ，达不到淬火温度 ，从而导致淬硬层深 度减小。过高的扫描速度会使淬硬层深度不断减小直 到为0 ；过低的扫描速度，由于加热时间过长，能量密 度过大，金属表面会出现热积累现象，产生熔化现象。 5 O 机床与液压 第4 0卷 图5 扫描速度对淬 火硬度的影响 2 ． 3 离焦量 0 昌 墨 0 图6 扫描速度对淬硬 层深度的影响 为获得离焦量对淬火质量的影响，选取输出电流 为 1 0 0 A、扫描速度为 1 3 0 m m ／ m i n 、脉冲宽度为 0 ． 6 m s 、脉冲频率为 8 0 H z ，用压缩空气帮助冷却，调整 离焦量进行淬火实验 ，将测量结果列入表3 。 表 3 调整离焦量获得 的实验数据 离焦量的变化主要影响激光能量的变化 ，若离焦 量 为 0 ，此时 激光 聚焦形 成 的光斑最 小 ，能量 最 高 ， 随着离焦量 的增大 ，聚焦的光斑直径变大 ，被材料吸 收的有效能量降低。 从图7中可以看出，淬火硬度随着离焦量的增大 呈现先升后降趋势。这是因为 ，开始时离焦量很小， 照射到工件表面的能量可以达到材料的熔点 ，出现熔 融和回火现象 ，因此硬度较低；随着离焦量的增大， 输入到工件表面的能量可以使照射区达到完全淬火温 度，因而硬度升高；继续增大离焦量，则会 由于能量 不足 ，达不到完全淬火温度 ，从而硬度降低。 从图8可以看出在其他参数不变的情况下，离 焦 量变大 ，则输入到工件的能量变低 ，淬硬层深度 随 之变小。离焦量太大会使淬硬层深度趋近于零 ，原因 也是 由于能量不足 ，温度没有达到淬火要求 。 U 皇 踏 灶 6 8 1 0 l 2 1 4 ， m m 图7 离焦量对淬火 图8 离焦量对淬硬 硬度的影响 层深度的影响 2 ． 4 脉冲频率 为获得脉冲频率对淬火质量的影响，选取输出电 流为 1 0 0 A 、扫描速度为 1 0 0 m m ／ m i n 、离焦量为 1 0 1T I IT I 、脉冲宽度为 0 ． 5 m s ，用压缩 空 气帮助 冷却 ，调 整频率进行淬火实验 ，将测量结果列入表4 。 表 4 调整频率获得的实验数据 从图9中可以看出开始时脉冲频率较低，发出 的激光次数少，作用于材料表面的能量较低，因此硬 度随着频率的增加而升高 ；当频率较高时，又会因为 出光次数多，激光能量超过材料熔点而导致硬度下 降。为了达到较好的硬度 ，最佳脉冲频率为8 5 H z 。 从图 1 0可以看出在脉冲频率低于 7 0 H z的时 候 ，淬硬层 深度 0 ． 0 8 m m 左右 ，基 本 上没有 发 生淬 火 ；随着脉 冲频率 的增加 ，逐渐发生淬火 ，淬硬层 深 度不断增加，呈指数增加。因为脉冲频率越高，激光 出光次数越多，激光器输出的能量越大 ，材料表面吸 收的能量越高 ，参与激光反应的能量越多 ，淬硬层深 度随之升 高。 盘 蹬 齄 图9 脉冲频率对淬 火硬度 的影响 图1 0 脉冲频率对淬硬 层深度的影响 3结论 试验主要分析了影响激光对 自动流量平衡 阀表面 强化 的各个 因素 ，分别对电流大小 、扫描速度 、离焦 量 和脉 冲频率进行 了分析 。分别得到 了各个 因素 对表 面硬化的影响规律 ，其 中在一定范 围内增大 电流 、脉 冲频率 ，降低 扫描速度 和减小离焦量都能够增大淬硬 层的深度；考虑到多因素的影响，并不一定能增大平 衡 阀过流端 帽的硬度 ；在 电流 1 0 5 A、扫描 速度 1 2 0 ra m ／ ra i n 、离焦量 1 1 m m、脉冲频率8 5 H z 时能达到较 好的硬度。试验结果对于自动流量平衡阀过流端帽的 硬化加工有一定的指导意义。 参考文献 【 1 】张永康， 周建忠 ， 叶云霞． 激光加工技术[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 7 ． 【 2 】 日 金罔傻． 激光加工[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 05． 【 3 】 曹凤国． 激光加工技术[ M] ． 北京 北京科学技术出版 社 ． 2 0 0 7 ．