專利名稱：泵類零部件微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法與裝置的制作方法
泵類零部件微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法與裝置技術(shù)領(lǐng)域；
本發(fā)明涉及金屬表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域和激光加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種酸堿性環(huán)境下泵類零部件的微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法與裝置。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種利用激光沖擊波對(duì)材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用，在金屬材料表面形成塑性變形層，產(chǎn)生孿晶等晶體并形成極細(xì)小的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，使材料表層形成很大的殘余壓應(yīng)力，從而使金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術(shù)已在航空、船舶、機(jī)械工程、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要用于材料改性、金屬?zèng)_擊強(qiáng)化和成形，以及無損檢測等方面。進(jìn)入21世紀(jì)，保護(hù)地球環(huán)境、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)和保持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國共同關(guān)心的話題。目前大力提倡的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式是追求更大經(jīng)濟(jì)效益、更少資源消耗、更低環(huán)境污染的一種先進(jìn)經(jīng)濟(jì)模式。所以產(chǎn)品的修復(fù)問題和延長使用壽命問題變的至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，泵類殼體在鑄造、運(yùn)輸和運(yùn)行等過程中，有可能產(chǎn)生微細(xì)裂紋，甚至局部損壞，葉片在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于在扭矩的長期作用下或鑄造時(shí)在氣孔、砂眼等在外部應(yīng)力的作用下，也可能造成微細(xì)裂紋的產(chǎn)生。這些微細(xì)裂紋會(huì)給產(chǎn)品的安全運(yùn)行帶來很大威脅，因此對(duì)易產(chǎn)生裂紋部位進(jìn)行無損探傷檢查，及時(shí)處理缺陷、消除事故隱患十分必要。目前用于修復(fù)泵類零部件裂紋的方法有氬弧焊、等離子噴涂、等離子電弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊和激光熔覆等方法。氬弧焊、等離子噴涂、等離子電弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊這些方法在修復(fù)過程中熱輸入量較大，熱影響區(qū)極易出現(xiàn)熱裂紋，焊接容易變形，使用過程中容易產(chǎn)生脫落、開裂等問題，同時(shí)修復(fù)過程中引起的收縮變形使葉片的安裝精度難以保證，因此這些方法的應(yīng)用具有很大的局限性。激光熔覆是超快速加熱和超快速冷卻的過程，具有對(duì)基材的熱輸入量少、熱影響區(qū)小、熔覆層組織細(xì)小、與基體形成良好的冶金結(jié)合和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，采用激光熔覆的方法修復(fù)泵類殼體及葉片裂紋與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢，但在激光熔覆的過程中容易產(chǎn)生裂紋等內(nèi)部缺陷而影響了熔覆層的質(zhì)量。上述方法中都有一個(gè)共同不足之處在于修復(fù)過程中易產(chǎn)生裂紋，裂紋的不斷擴(kuò)展嚴(yán)重影響了泵類殼體及葉片的正常運(yùn)行和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)以上技術(shù)的不足，避免傳統(tǒng)泵類零部件微細(xì)裂紋修復(fù)過程中出現(xiàn)熱影響區(qū)形成新的裂紋，提供一種泵類零部件的微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法與裝置。該方法在修復(fù)過程中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋，不僅能有效修復(fù)微細(xì)裂紋而卻能提高泵類零部件的機(jī)械力學(xué)性能，也解決了泵類零部件在酸堿性液體環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用的難題。采用本發(fā)明方法和裝置對(duì)損傷泵類零部件修復(fù)后，達(dá)到了延壽、提高其可靠性和安全性的目的。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置包括控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)和在線噴涂系統(tǒng)。 所述的控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制器、數(shù)字控制器、激光控制器、加熱控制器。數(shù)字控制器上端與激光控制器相連，下端與工業(yè)控制器相連，加熱控制器與工業(yè)控制器相連，工業(yè)控制器通過數(shù)字控制器分別控制激光控制器、光斑大小調(diào)節(jié)裝置和多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)，激光控制器控制高功率脈沖激光裝置，加熱控制器控制加熱管。所述的光學(xué)系統(tǒng)包括高功率脈沖激光裝置、導(dǎo)光管、45°全反鏡、沖擊頭和光斑大小調(diào)節(jié)裝置。光斑大小調(diào)節(jié)裝置位于45°全反鏡與沖擊頭之間，與數(shù)字控制器相連，45°全反鏡在光斑大小調(diào)節(jié)裝置上方，沖擊頭在光斑大小調(diào)節(jié)裝置下方，聚焦透鏡位于沖擊頭內(nèi)，導(dǎo)光管把激光器、45°全反鏡、光斑大小調(diào)節(jié)裝置和沖擊頭串聯(lián)起來，其一端連接著激光器，另一端對(duì)著工件夾具系統(tǒng)，沖擊頭位于工件夾具系統(tǒng)上面。所述的工件夾具系統(tǒng)包括多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)、泵類零部件和夾具，泵類零部件通過夾具固定在多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)上；所述的在線噴涂系統(tǒng)包括儲(chǔ)料罐、高壓柱塞泵、流量調(diào)節(jié)裝置、連接管、支撐架、加熱管和噴槍，儲(chǔ)料罐和高壓柱塞泵相連，流量調(diào)節(jié)裝置通過連接管把高壓柱塞泵和噴槍連接起來，加熱管固定在支撐架。本發(fā)明其特征在于所噴涂的涂料含10-60 %復(fù)合特鈦粉或片狀鋅粉，涂料厚度為 40_120Mffl，創(chuàng)新之處在線噴涂系統(tǒng)使用復(fù)合特鈦粉或片狀鋅粉涂料即增大了激光力效應(yīng)， 而且這種涂料特別耐酸耐堿，解決了泵類零部件經(jīng)常處于酸堿性液體環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用易腐蝕的難題；本發(fā)明其特征還在于該方法的完成要結(jié)合本發(fā)明裝置才能實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明技術(shù)的創(chuàng)新，在于激光誘導(dǎo)的沖擊波作用于泵類零部件微細(xì)裂紋處產(chǎn)生極大的殘余壓應(yīng)力，利用激光冷作沖擊力對(duì)裂紋的閉合效應(yīng)從而對(duì)泵類零部件損傷部位進(jìn)行快速修復(fù)，本發(fā)明裝置能在線自動(dòng)噴涂和加熱烘干涂料以及進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。經(jīng)該方法修復(fù)強(qiáng)化后，無熱裂紋產(chǎn)生，修復(fù)效果好。儲(chǔ)料罐里的涂料經(jīng)高壓柱塞泵加壓后流入流量調(diào)節(jié)裝置，流量調(diào)節(jié)裝置控制涂料的輸出流量，涂料通過噴槍對(duì)泵類零部件微細(xì)裂紋處進(jìn)行噴涂，加熱管加熱靜止空氣使涂料快速烘干形成涂料層，高功率脈沖激光裝置發(fā)出的激光輻射到柔性貼膜上，激光誘導(dǎo)的沖擊波對(duì)涂料層和泵類零部件微細(xì)裂紋進(jìn)行沖擊強(qiáng)化， 在其表面形成塑性變形層和極大的殘余壓應(yīng)力，提高其疲勞強(qiáng)度、硬度等性能，極大的殘余壓應(yīng)力使微細(xì)裂紋趨于閉合，同時(shí)極大的殘余壓應(yīng)力使涂料層和泵類零部件基體結(jié)合緊密，涂料層不易產(chǎn)生脫落、開裂等問題，延長了泵類零部件的使用壽命，起到了強(qiáng)化延壽的作用。多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)有三個(gè)坐標(biāo)的移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，故可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵類零部件上任意位置的微細(xì)裂紋的強(qiáng)化。


圖1泵類殼體微細(xì)裂紋強(qiáng)化裝置示意2葉片微細(xì)裂紋強(qiáng)化裝置部分示意圖
圖中，1.工業(yè)控制器；2.數(shù)字控制器；3.激光控制器；4.高功率脈沖激光裝置；5.導(dǎo)光管；6.激光束；7. 45°全反鏡；8.光斑大小調(diào)節(jié)裝置；9.儲(chǔ)料罐；10.高壓柱塞泵；11.加熱控制器；12.支撐架；13.加熱管；14.聚焦透鏡；15.沖擊頭；16.連接管；17.流量調(diào)節(jié)裝置；18.泵類殼體；19夾頭A ;20.夾具A;21.噴槍；22.柔性貼膜(約束層和吸收層);23.涂料層；24.夾頭B ;25.多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)；26.圓柱銷；27.圓柱頂針；28.葉片；29.夾具B。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1、圖2詳細(xì)說明本發(fā)明提出的方法和具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。如圖1、2所示，泵類零部件的一種微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽裝置包括工業(yè)控制器1， 數(shù)字控制器2，激光控制器3，高功率脈沖激光裝置4，導(dǎo)光管5，45°全反鏡7，光斑大小調(diào)節(jié)裝置8，儲(chǔ)料罐9，高壓柱塞泵10，加熱控制器11，支撐架12，加熱管13，聚焦透鏡14，沖擊頭15，連接管16，流量調(diào)節(jié)裝置17，泵類殼體18，夾頭A19，夾具A20，噴槍21，柔性貼膜(約束層和吸收層)22，涂料層23，夾頭B24，多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)25，圓柱銷26，圓柱頂針27，葉片 28，夾具似9。先對(duì)損傷泵類零部件進(jìn)行表面除油除銹處理和噴砂處理，使表面清潔、無雜質(zhì)且具有一定的粗糙度，滿足正常涂裝前處理的要求。再用夾具裝置將損傷泵類零部件夾緊后一起固定在多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)25上。啟動(dòng)高壓柱塞泵10，工業(yè)控制器1發(fā)出指令，流量調(diào)節(jié)裝置17調(diào)節(jié)涂料輸出流量，涂料經(jīng)連接管16和噴槍21噴涂到泵類零部件的微細(xì)裂紋上形成涂料層23，加熱管13對(duì)靜止空氣加熱lOmin，加熱溫度范圍為160°C 200°C，使涂料層23 快速烘干。待涂料層23固化后，工業(yè)控制器1發(fā)出指令經(jīng)數(shù)字控制器2控制激光控制器3 調(diào)節(jié)高功率脈沖激光裝置4，高功率脈沖激光裝置4發(fā)出經(jīng)過優(yōu)化的激光束6，激光束6經(jīng)過導(dǎo)光管5、45°全反鏡7、光斑大小調(diào)節(jié)裝置8、沖擊頭15中的聚焦透鏡14和涂料層23照射到泵類零部件的微細(xì)裂紋表面。激光控制器3調(diào)節(jié)激光的激光能量和脈沖寬度，控制光斑大小調(diào)節(jié)裝置8改變光斑直徑，使各參數(shù)滿足試驗(yàn)要求。激光誘導(dǎo)的沖擊波作用于涂料層23和泵類零部件，在泵類零部件表面形成塑性變形層和極大的殘余壓應(yīng)力，使其微細(xì)裂紋趨于閉合達(dá)到修復(fù)的目的，然后調(diào)節(jié)數(shù)字控制器2使多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)25按一定的軌跡移動(dòng)，由于多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)25有三個(gè)坐標(biāo)的移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，故可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵類零部件上任意位置的微細(xì)裂紋的強(qiáng)化。實(shí)施例一
泵類殼體。先對(duì)損傷泵類殼體進(jìn)行表面除油除銹處理和噴砂處理，然后用夾具將損傷泵類殼體夾緊后一起固定在多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)上。啟動(dòng)高壓柱塞泵，涂料經(jīng)連接管和噴槍對(duì)泵類殼體的微細(xì)裂紋進(jìn)行噴涂形成涂料層，厚度為40-100μπι，然后用加熱管加熱180°C 左右烘干lOmin。調(diào)節(jié)高功率脈沖激光裝置參數(shù)和光斑大小調(diào)節(jié)裝置參數(shù)，激光能量為 12. 1J，脈沖寬度為30ns，光斑直徑為4 mm,以水為約束層進(jìn)行激光沖擊。實(shí)施例二
泵體葉片。先對(duì)損傷葉片進(jìn)行表面除油除銹處理和噴砂處理，然后用夾具將損傷葉片夾緊后一起固定在多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)上。啟動(dòng)高壓柱塞泵，涂料經(jīng)連接管和噴槍對(duì)葉片的微細(xì)裂紋進(jìn)行噴涂形成涂料層，厚度為40-100μπι，然后用加熱管加熱180°C左右烘干lOmin。 調(diào)節(jié)高功率脈沖激光裝置參數(shù)和光斑大小調(diào)節(jié)裝置參數(shù)，激光能量為12. 1J，脈沖寬度為 30ns，光斑直徑為4 mm,以水為約束層進(jìn)行激光沖擊。用該方法處理修復(fù)后，經(jīng)檢查，鹽霧試驗(yàn)IOOOh后涂料層表面未出現(xiàn)銹蝕、開裂和脫落現(xiàn)象，泵類殼體及葉片的壽命延長1. 5倍左右，檢測其表面力學(xué)性能，并與處理前對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生時(shí)的循環(huán)次數(shù)明顯增加，從而極大地提高了疲勞壽命，起到了強(qiáng)化作用。 同時(shí)保證了泵類殼體及葉片在水、酸堿性液體環(huán)境下的正常工作。研究結(jié)果表明，這種修復(fù)強(qiáng)化后泵類殼體及葉片硬度和強(qiáng)度顯著提高，其表面由殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，從而其疲勞壽命和耐磨性等性能顯著改善，這對(duì)泵類殼體及葉片的綜合性能具有重要意義。該方法和裝置不僅適用于泵類零部件微細(xì)裂紋的強(qiáng)化，還適用于其他類似于泵類零部件微細(xì)裂紋的強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種泵類零部件的微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法，其特征在于，利用激光沖擊波的力效應(yīng)對(duì)泵類殼體微細(xì)裂紋進(jìn)行冷沖擊強(qiáng)化；實(shí)現(xiàn)激光沖擊波力效應(yīng)所噴涂的涂料含10-60 %復(fù)合特鈦粉或片狀鋅粉，涂料厚度為40-120Mm ；高功率脈沖激光器發(fā)出的激光脈寬為 5ns 20ns可調(diào)；能量在IJ 100J可調(diào)；沖擊功率2. 8-3. 6Gff/cm2可調(diào)；光斑大小調(diào)節(jié)裝置的光斑直徑為Imm 10mm。
2.實(shí)施權(quán)利要求1所述的所述的一種泵類零部件的微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽裝置，其裝置特征在于，包括控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)和在線噴涂系統(tǒng)；所述的控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制器(1)、數(shù)字控制器(2 )、激光控制器(3 )、加熱控制器(11)，數(shù)字控制器(2 )上端與激光控制器(3 )相連，下端與工業(yè)控制器(1)相連，加熱控制器(11)與工業(yè)控制器(1)相連；所述的光學(xué)系統(tǒng)包括高功率脈沖激光裝置(4)、導(dǎo)光管(5)、45°全反鏡(7)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(8)、沖擊頭(15)和聚焦透鏡(14)，光斑大小調(diào)節(jié)裝置(8)位于45°全反鏡(7)和沖擊頭(15)之間與數(shù)字控制器(2)相連，45°全反鏡(7)在光斑大小調(diào)節(jié)裝置(8)上方，沖擊頭(15)在光斑大小調(diào)節(jié)裝置(8)下方，聚焦透鏡(14)位于沖擊頭(15)內(nèi)，導(dǎo)光管把高功率脈沖激光裝置(4)、45°全反鏡(7)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(8)和沖擊頭(15)串聯(lián)起來，其一端連接著高功率脈沖激光裝置(4)，另一端對(duì)著工件夾具系統(tǒng)，沖擊頭(15)位于工件夾具系統(tǒng)上面；所述的工件夾具系統(tǒng)包括多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(25)、泵類零部件和夾具；泵類零部件通過夾具固定在多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(25)上；所述的在線噴涂系統(tǒng)包括儲(chǔ)料罐(9)、高壓柱塞泵 (10)、流量調(diào)節(jié)裝置(17)、連接管(16)、支撐架(12)、加熱管(13)和噴槍(21)，儲(chǔ)料罐(9) 和高壓柱塞泵(10)相連，流量調(diào)節(jié)裝置(17)通過連接管(16)把高壓柱塞泵(10)和噴槍 (21)連接起來，加熱管(13)固定在支撐架(12)。
全文摘要
泵類零部件微細(xì)裂紋快速修復(fù)延壽方法與裝置，涉及金屬表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域和激光加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，利用激光沖擊波的力效應(yīng)對(duì)泵類特別是離心泵殼體微細(xì)裂紋進(jìn)行冷沖擊強(qiáng)化；實(shí)現(xiàn)激光沖擊波力效應(yīng)所噴涂的涂料含10-60﹪復(fù)合特鈦粉或片狀鋅粉。本發(fā)明在修復(fù)過程中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋，不僅能有效修復(fù)微細(xì)裂紋而卻能提高泵類零部件的機(jī)械力學(xué)性能，也解決了泵類零部件在酸堿性液體環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用的難題。采用本發(fā)明方法和裝置對(duì)損傷泵類零部件修復(fù)后，達(dá)到了延壽、提高其可靠性和安全性的目的。
文檔編號(hào)B23K26/34GK102489879SQ201110367260
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者任旭東, 占秋波, 周建忠, 孫桂芳, 戴峰澤, 楊慧敏, 皇甫喁卓, 阮亮 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)