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

(青島理工大學機械工程學院，山東青島 266033)

自動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態恒定，從而有效地解決了管網的流量失調問題，自動保證管網的安全運行，廣泛應用于建筑、暖通、鋼鐵、石油和化工等系統管網。其結構主要包括閥芯和閥體兩大部分，閥芯端帽是自動流量平衡閥的核心部件，工作時主要通過端帽上下運動來保持流量的動態恒定［1－3］，結構如圖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，嚴重時甚至會影響自動流量平衡閥的工作。而且，閥芯端帽屬于薄壁回轉體類零件，采用傳統熱處理方法對其工作面進行強化，不僅成本較高而且極易引起變形。激光表面合金化技術是一種新型的表面改性技術，具有熱影響區小，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，與基材的冶金結合程度好及能使難以接近和局部的區域合金化，工藝靈活性高等優點，幾乎不需要校直、打磨等后續加工［4－7］，適合用來對閥芯端帽工作面進行強化。

1 實驗準備

實驗采用JHM－1GY－500型多功能激光加工機，激光器為YAG脈沖激光器，波長為1.06 μm，脈沖頻率為1～200 Hz連續可調，脈沖寬度為0.1～20 ms連續可調，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。在試樣表面預置合金化材料，厚度為0.1 mm。

2 實驗及數據分析

2.1 實驗因素分析

在激光表面合金化加工過程中，可以影響合金化質量的因素有很多，但在基體材料及材料表面對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間［8］。從實際加工的角度出發，實驗中主要調節的工藝參數為脈沖工作電流、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間。此次實驗主要研究脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑對閥芯端帽工作面激光合金化質量的影響，得出這3個因素對合金層的表面硬度及合金層厚度的影響規律。

表1 AISI304奧氏體不銹鋼的成分

表2 合金化粉末的成分

2.2 實驗及數據分析

(1)脈沖工作電流對合金層質量的影響

為獲得脈沖工作電流對合金層質量(合金層的表面硬度及合金層厚度)的影響規律，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，用氬氣作保護氣，調整激光多功能加工機的脈沖工作電流值進行實驗。實驗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，材料表面激光合金化的時間也為定值，增大激光多功能加工機的脈沖工作電流，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更多的進入基體中，同時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化，由奧氏體轉變為馬氏體進行得更加充分，此時，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，所以適當選擇脈沖工作電流對合金層表面硬度有很大的影響。

(2)掃描速度對合金層質量的影響

為獲得激光束的掃描速度對合金層質量的影響規律，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，用氬氣作保護氣，調整激光多功能加工機激光束的掃描速度值進行實驗，實驗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，達到最大值后又呈現下降趨勢，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，掃描速度的快慢將決定材料表面激光合金化處理的時間，掃描速度較小時，激光束在材料表面作用時間較長，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間逐漸減少，工件的冷卻速度逐漸加快，合金化區域的過冷度增加，經激光束處理后得到的馬氏體晶粒越細小，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間減少，試樣表面的TiC進入基體中數量和深度逐漸減少，同時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變的時間變短，對合金層表面硬度的提高產生不利影響，且影響的力度逐漸增強，因此，隨著掃描速度的增加，合金層的表面硬度逐漸增大，在達到最大值后又呈現下降的趨勢，合金層厚度逐漸減小。

(3)光斑直徑對合金層質量的影響

為獲得光斑直徑對合金層質量的影響規律，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，用氬氣作保護氣，調整激光多功能加工機激光頭的高度即改變光斑直徑進行實驗，實驗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，達到最大值后又呈現下降趨勢，合金層厚度則逐漸減小。調節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，光斑直徑較小，則材料表面激光功率密度增大，甚至會造成材料表面燒傷或輕微的熔化，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進入基體中，合金化區域的組織由奧氏體向馬氏體轉變，試樣表層合金化區域在激光束離開后快速冷卻，合金化區域的晶粒在急冷急熱的過程中得到細化，使得合金層表面硬度增大。當光斑直徑繼續增大時，工件表面激光功率密度較小，工件表面TiC進入基體中的數量和深度均減少，同時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變不夠充分，對合金層的表面硬度產生不利影響。因此，隨著光斑直徑的增大，合金層的表面硬度逐漸增大，在達到最大值后又呈現下降的趨勢，合金層厚度則逐漸減小。

3 結語

本文主要研究脈沖工作電流、掃描速度和光斑直徑對閥芯端帽工作面激光合金化質量的影響，發現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，達到最大值后又呈現下降趨勢;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。根據這些規律，可以優化合金化工藝參數，提高閥芯端帽的合金化質量，并對其他薄壁回轉體類零件的激光表面合金化有一定的借鑒意義。

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