專利名稱：泵類零部件微細裂紋快速修復延壽方法與裝置的制作方法
泵類零部件微細裂紋快速修復延壽方法與裝置技術領域；
本發(fā)明涉及金屬表面防護技術領域和激光加工應用技術領域，特指一種酸堿性環(huán)境下泵類零部件的微細裂紋快速修復延壽方法與裝置。
背景技術：
激光沖擊強化(LSP)是一種利用激光沖擊波對材料表面進行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕等性能的技術。其原理是高能量短脈沖激光誘導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小的位錯亞結構，使材料表層形成很大的殘余壓應力，從而使金屬材料的疲勞強度、硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術已在航空、船舶、機械工程、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應用，目前該技術主要用于材料改性、金屬沖擊強化和成形，以及無損檢測等方面。進入21世紀，保護地球環(huán)境、構建循環(huán)經(jīng)濟和保持社會可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國共同關心的話題。目前大力提倡的循環(huán)經(jīng)濟模式是追求更大經(jīng)濟效益、更少資源消耗、更低環(huán)境污染的一種先進經(jīng)濟模式。所以產(chǎn)品的修復問題和延長使用壽命問題變的至關重要。在實際生產(chǎn)應用中，泵類殼體在鑄造、運輸和運行等過程中，有可能產(chǎn)生微細裂紋，甚至局部損壞，葉片在運行一段時間后，由于在扭矩的長期作用下或鑄造時在氣孔、砂眼等在外部應力的作用下，也可能造成微細裂紋的產(chǎn)生。這些微細裂紋會給產(chǎn)品的安全運行帶來很大威脅，因此對易產(chǎn)生裂紋部位進行無損探傷檢查，及時處理缺陷、消除事故隱患十分必要。目前用于修復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、鎢極惰性氣體保護焊這些方法在修復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，同時修復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，具有對基材的熱輸入量少、熱影響區(qū)小、熔覆層組織細小、與基體形成良好的冶金結合和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，采用激光熔覆的方法修復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共同不足之處在于修復過程中易產(chǎn)生裂紋，裂紋的不斷擴展嚴重影響了泵類殼體及葉片的正常運行和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對以上技術的不足，避免傳統(tǒng)泵類零部件微細裂紋修復過程中出現(xiàn)熱影響區(qū)形成新的裂紋，提供一種泵類零部件的微細裂紋快速修復延壽方法與裝置。該方法在修復過程中不會出現(xiàn)熱裂紋，不僅能有效修復微細裂紋而卻能提高泵類零部件的機械力學性能，也解決了泵類零部件在酸堿性液體環(huán)境下實際應用的難題。采用本發(fā)明方法和裝置對損傷泵類零部件修復后，達到了延壽、提高其可靠性和安全性的目的。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置包括控制系統(tǒng)、光學系統(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)動工作臺，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。所述的光學系統(tǒng)包括高功率脈沖激光裝置、導光管、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)動工作臺、泵類零部件和夾具，泵類零部件通過夾具固定在多軸聯(lián)動工作臺上；所述的在線噴涂系統(tǒng)包括儲料罐、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)使用復合特鈦粉或片狀鋅粉涂料即增大了激光力效應， 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，實際應用易腐蝕的難題；本發(fā)明其特征還在于該方法的完成要結合本發(fā)明裝置才能實現(xiàn)。本發(fā)明技術的創(chuàng)新，在于激光誘導的沖擊波作用于泵類零部件微細裂紋處產(chǎn)生極大的殘余壓應力，利用激光冷作沖擊力對裂紋的閉合效應從而對泵類零部件損傷部位進行快速修復，本發(fā)明裝置能在線自動噴涂和加熱烘干涂料以及進行激光沖擊強化。經(jīng)該方法修復強化后，無熱裂紋產(chǎn)生，修復效果好。儲料罐里的涂料經(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，涂料通過噴槍對泵類零部件微細裂紋處進行噴涂，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，激光誘導的沖擊波對涂料層和泵類零部件微細裂紋進行沖擊強化， 在其表面形成塑性變形層和極大的殘余壓應力，提高其疲勞強度、硬度等性能，極大的殘余壓應力使微細裂紋趨于閉合，同時極大的殘余壓應力使涂料層和泵類零部件基體結合緊密，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，起到了強化延壽的作用。多軸聯(lián)動工作臺有三個坐標的移動和兩個轉動，故可實現(xiàn)對泵類零部件上任意位置的微細裂紋的強化。


圖1泵類殼體微細裂紋強化裝置示意2葉片微細裂紋強化裝置部分示意圖
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.導光管；6.激光束；7. 45°全反鏡；8.光斑大小調(diào)節(jié)裝置；9.儲料罐；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)動工作臺；26.圓柱銷；27.圓柱頂針；28.葉片；29.夾具B。
具體實施例方式下面結合圖1、圖2詳細說明本發(fā)明提出的方法和具體裝置的細節(jié)和工作情況。如圖1、2所示，泵類零部件的一種微細裂紋快速修復延壽裝置包括工業(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，導光管5，45°全反鏡7，光斑大小調(diào)節(jié)裝置8，儲料罐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)動工作臺25，圓柱銷26，圓柱頂針27，葉片 28，夾具似9。先對損傷泵類零部件進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)動工作臺25上。啟動高壓柱塞泵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裂紋上形成涂料層23，加熱管13對靜止空氣加熱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)滿足試驗要求。激光誘導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力，使其微細裂紋趨于閉合達到修復的目的，然后調(diào)節(jié)數(shù)字控制器2使多軸聯(lián)動工作臺25按一定的軌跡移動，由于多軸聯(lián)動工作臺25有三個坐標的移動和兩個轉動，故可實現(xiàn)對泵類零部件上任意位置的微細裂紋的強化。實施例一
泵類殼體。先對損傷泵類殼體進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)動工作臺上。啟動高壓柱塞泵，涂料經(jīng)連接管和噴槍對泵類殼體的微細裂紋進行噴涂形成涂料層，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,以水為約束層進行激光沖擊。實施例二
泵體葉片。先對損傷葉片進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)動工作臺上。啟動高壓柱塞泵，涂料經(jīng)連接管和噴槍對葉片的微細裂紋進行噴涂形成涂料層，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,以水為約束層進行激光沖擊。用該方法處理修復后，經(jīng)檢查，鹽霧試驗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，檢測其表面力學性能，并與處理前對比，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生時的循環(huán)次數(shù)明顯增加，從而極大地提高了疲勞壽命，起到了強化作用。 同時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。研究結果表明，這種修復強化后泵類殼體及葉片硬度和強度顯著提高，其表面由殘余應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)閴簯顟B(tài)，從而其疲勞壽命和耐磨性等性能顯著改善，這對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裂紋的強化，還適用于其他類似于泵類零部件微細裂紋的強化。
權利要求
1.一種泵類零部件的微細裂紋快速修復延壽方法，其特征在于，利用激光沖擊波的力效應對泵類殼體微細裂紋進行冷沖擊強化；實現(xiàn)激光沖擊波力效應所噴涂的涂料含10-60 %復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.實施權利要求1所述的所述的一種泵類零部件的微細裂紋快速修復延壽裝置，其裝置特征在于，包括控制系統(tǒng)、光學系統(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；所述的光學系統(tǒng)包括高功率脈沖激光裝置(4)、導光管(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)動工作臺(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)動工作臺(25)上；所述的在線噴涂系統(tǒng)包括儲料罐(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
泵類零部件微細裂紋快速修復延壽方法與裝置，涉及金屬表面防護技術領域和激光加工應用技術領域，利用激光沖擊波的力效應對泵類特別是離心泵殼體微細裂紋進行冷沖擊強化；實現(xiàn)激光沖擊波力效應所噴涂的涂料含10-60﹪復合特鈦粉或片狀鋅粉。本發(fā)明在修復過程中不會出現(xiàn)熱裂紋，不僅能有效修復微細裂紋而卻能提高泵類零部件的機械力學性能，也解決了泵類零部件在酸堿性液體環(huán)境下實際應用的難題。采用本發(fā)明方法和裝置對損傷泵類零部件修復后，達到了延壽、提高其可靠性和安全性的目的。
文檔編號B23K26/34GK102489879SQ201110367260
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日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 申請人:江蘇大學