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        大功率低速柴油機活塞桿桿身激光淬火應(yīng)用研究

        2013-09-27 08:31:42胡新成
        船舶與海洋工程 2013年2期
        關(guān)鍵詞:光斑淬火寬度

        胡新成,方 磊

        (上海中船三井造船柴油機有限公司,上海 201306)

        0 引 言

        活塞桿為船用低速柴油機最重要運動部件之一,其桿身處于長時間高速往復(fù)運動工況中,因此外圓表面需要進行淬硬處理。目前國內(nèi)外通常采用中頻表面淬火工藝,但此工藝占用場地大,污染環(huán)境,耗能高,生產(chǎn)效率低。本文結(jié)合目前船舶柴油機廠加工生產(chǎn)條件,對各種金屬表面處理技術(shù)進行篩選,尋求一種新的熱處理替代方法,其中金屬表面激光淬火技術(shù)成為應(yīng)用研究的對象。

        激光淬火是激光表面處理中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種方法,它具有節(jié)能、高效、精密、高性能等獨特優(yōu)點[1]。該方法與目前采用的中頻淬火方法比較,激光淬火表面硬度比較接近,但有效硬化層深度偏低。與離子氮化方法比較,其表面硬度及有效硬化層深度比較接近,且可調(diào)整工藝參數(shù),較少有激光淬火后零件的表面燒損,零件可在激光淬火精磨后直接使用,減少加工工序,降低生產(chǎn)成本。采用MAN B&W型船用大型低速柴油機S30H和S30Mn材質(zhì)的活塞桿桿身作為試件,用6kW功率的激光模塊進行激光淬火試驗。

        1 激光淬火

        對于激光淬火來說,自然條件下為圓形光斑。設(shè)激光能量與同等能量密度的光斑面積的比例系數(shù)為γ[2]:

        式中:P——激光能量;γ——激光光斑面積的比例系數(shù);S——激光光斑面積。

        由下面公式可以看出,同等能量的激光光斑,尺寸為圓形的掃描效率最低:

        式中:R——激光光斑半徑;A——矩形光斑長邊;B——矩形光斑短邊。

        假設(shè)A = B ,則 A =B = 1.77R > R。即,圓形光斑變?yōu)檎叫喂獍?,效率將至少提?7%,而當A>B,即變?yōu)殚L方形光斑時,長邊A將比R更大,即可相應(yīng)提高光斑掃描效率。

        工業(yè)上采用積分鏡,將激發(fā)的圓形光斑轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦喂獍?,以長邊為掃描寬度,盡量提高掃描效率[3]。

        2 S30H激光淬火試驗

        2.1 試塊激光淬火區(qū)域

        試驗采用相應(yīng)積分鏡,矩形光斑尺寸為15mm×2.5mm,焦距 300mm,搭接寬度(兩條激光淬火路線間隔距離)12mm。試驗中保持這些參數(shù)不變,通過改變激光移動速度,來觀察對激光淬火性能的影響。

        在一個圓環(huán)形試塊內(nèi)圈,均勻分布5塊區(qū)域進行激光淬火試驗。每塊區(qū)域尺寸為80mm×36mm,見圖1。試驗不變量:矩形光斑尺寸15mm×2.5mm,焦距300mm,搭接寬度12mm。試驗變量:光斑移動速度——掃描速度。

        2.2 激光淬火各淬硬區(qū)域分布

        各淬硬區(qū)域分布見圖2。

        圖1 圓環(huán)形試塊

        圖2 激光淬火各種淬硬區(qū)域分布

        2.3 激光移動速度

        激光移動速度試驗結(jié)果見表1。

        表1 激光移動速度對淬火性能的影響

        試驗結(jié)果顯示,隨著速度減慢,硬化層厚度增加,表面不平整加劇。金相檢測顯示:熔凝區(qū)硬度約550HV0.2,完全相變區(qū)硬度為 450~600HV0.2,完全相變區(qū)邊緣為 351~450HV0.2,過渡區(qū)硬度為247~325HV0.2(基體硬度 175~190HV0.2),過渡區(qū)厚度約為相變區(qū)厚度的 40%~50%。所以硬度超過350HV0.2的區(qū)域為熔凝區(qū)和完全相變區(qū)。

        2.4 搭接區(qū)

        激光淬火最危險的區(qū)域為兩條淬火帶之間區(qū)域,為了研究不同的搭接寬度對搭接區(qū)(軟帶)淬火性能的影響,進行了如下3組試驗,見表2。

        表2 不同搭接寬度的淬火性能

        結(jié)果顯示:由于活塞桿要求淬火的面積比較大,再加上光斑限制,光斑需重復(fù)掃描才能完成活塞桿表面淬火,故掃描路徑搭接區(qū)域由于重復(fù)掃描產(chǎn)生自回火效應(yīng),導(dǎo)致搭接區(qū)域產(chǎn)生軟化帶。

        如:位移量15mm,無搭接,兩月牙間隙硬度較低(351~247HV0.2);位移12mm、9mm的結(jié)果顯示搭接區(qū)大小對軟帶的寬度和硬度影響不大,寬度都為1.5mm左右、極度軟點硬度:0.2mm深度、0.6mm深度都為247HV0.2、1.0mm深度為193 HV0.2(基體硬度180~190 HV0.2)。

        由此可見,搭接區(qū)的表面硬度比其他區(qū)域的表面硬度低100HV左右;搭接區(qū)的有效淬硬層淺,甚至在除去表面溶化層后沒有有效淬硬層。

        3 S30Mn激光淬火試驗

        3.1 激光移動速度

        激光移動速度試驗結(jié)果見表3。

        表3 激光移動速度對淬火性能的影響

        試驗結(jié)果顯示隨著移動速度減慢,硬化層厚度增加,表面不平整加劇。金相檢測顯示:

        1) 激光淬火速度100mm/min的熔凝區(qū)硬度約為550HV0.2;完全相變區(qū)硬度為450~600HV0.2(距表面0.8mm區(qū)域),過渡區(qū)硬度為282.2~412.1HV0.2(距表面1.5mm區(qū)域)。

        2) 激光淬火速度300mm/min的熔凝區(qū)硬度約為550HV0.2;完全相變區(qū)硬度為450~600HV0.2(距表面0.6mm區(qū)域),過渡區(qū)硬度為302.8~412.1HV0.2(距表面1.3mm區(qū)域)。

        3.2 搭接區(qū)

        為了研究不同的搭接寬度對搭接區(qū)(軟帶)的影響,進行了如下兩組試驗,見表4。

        表4 試驗數(shù)據(jù)表

        初步結(jié)果顯示:同樣由于搭接區(qū)重復(fù)掃描,產(chǎn)生自回火效應(yīng),導(dǎo)致軟帶。100mm/min激光淬火的檢測結(jié)果顯示,位移量對搭接區(qū)大小影響不大,但對硬度略有影響。位移 12mm、9mm 的“軟帶”寬度都為0.7~1.0mm,極度軟點硬度:0.2mm深度為351 HV0.2、0.6mm深度為282HV0.2(小于351 HV0.2的軟帶寬度約0.4mm);位移12mm,極度軟點硬度:0.2mm深度為302 HV0.2(低于351 HV0.2的區(qū)域小于0.4mm)、0.6mm深度為263.7HV0.2(低于351 HV0.2的軟帶寬度約0.8mm);位移9mm的“軟帶”寬度都為1.0mm左右,極度軟點硬度:0.2mm深度為325.6 HV0.2(低于351 HV0.2的小于0.4mm)、0.6mm深度為282HV0.2(低于351 HV0.2的軟帶寬度約0.8mm)。

        4 結(jié) 語

        1) 隨著激光移動速度的降低,激光淬火表面硬度、淬硬層深度和表面熔化層厚度增加,同時表面不平整度也增加。

        2) 激光淬火間隔寬度對搭接區(qū)(軟帶)寬度有影響,但是影響不大。受激光設(shè)備的限制,目前無法消除軟帶區(qū)域。

        3) 與S30H材料相比,S30Mn材料激光淬火性能更好,淬火硬度和淬硬層深度均有部分提高。

        4) 對目前船用柴油機活塞桿兩種材質(zhì)的試驗結(jié)果表明,激光淬火兩條淬火帶之間均有1mm左右區(qū)域的淬火硬度與淬硬層深度較低,淬火性能差。這是激光淬火工藝本身所致,無法從根本上消除。

        5) 軸類零件激光淬火時,工件表面將產(chǎn)生一條連續(xù)的螺旋狀淬火軟帶區(qū)。在使用過程中,軟帶區(qū)容易磨損形成裂紋源,導(dǎo)致失效。因此采用桿身表面淬火,必須先解決激光淬火大面積淬火搭接區(qū)域軟帶的問題。

        [1] 張遼遠. 現(xiàn)代加工技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2008.

        [2] 宋威廉. 激光加工技術(shù)的發(fā)展[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2008.

        [3] 孟永剛. 激光加工技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2008.

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