本發明涉及激光加工技術領域，具體而言，涉及一種盾構機刀頭的強化方法以及高強度盾構機刀頭。

背景技術：

盾構機刀具通常包括刀柄和刀體，刀體的刃口設有沿刃口方向延伸的凹槽，凹槽內鑲有硬質合金塊。該結構的盾構機刀頭在使用過程中，在遇到隧道中的巖石層或砂礫層等密度較高的土壤時，刃口鑲嵌的硬質合金塊損壞較快，并且由于刀體刃口的磨損量大，很容易使刀體刃口部凹槽內的硬質合金體脫落，使刀頭的使用壽命縮短。由于刀頭的損耗，導致開倉換刀次數增加，開倉可能導致的塌方等風險不可預計。

傳統對盾構刀頭的強化一般采用對單一金屬基材進行熱處理的方法來實現，但很難做到同時滿足刀頭韌性和耐磨性能的使用要求，長期以來，盾構刀頭廠家都在韌性和耐磨性能中尋找平衡點，借此延長刀頭的使用壽命。但效果往往差強人意。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種盾構機刀頭的強化方法，其操作簡單，使用方便。能夠有效增強盾構機刀頭的韌性和耐磨性，增加盾構機刀頭的使用壽命。

本發明的另一目的在于提供一種高強度盾構機刀頭，其通過上述盾構機刀頭的強化方法強化得到，其具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種盾構機刀頭的強化方法，其包括：

采用功率為1300～1600w的激光在經過除油除銹處理后的盾構機刀頭的表面熔覆合金粉末。

一種高強度盾構機刀頭，其采用上述盾構機刀頭的強化方法強化得到。

本發明實施例的有益效果是：

本發明實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用激光在盾構機刀頭的表面熔覆合金粉末，從而在盾構機刀頭表面添加高強度合金熔覆層，以提升刀頭性能。該方法操作簡單方便，通過該方法強化后的盾構機刀頭的韌性和耐磨性較強，使用壽命更長。

本發明實施例還提供一種高強度盾構機刀頭，其通過上述盾構機刀頭的強化方法強化得到。該高強度盾構機刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例1所提供的盾構機刀頭的示意圖。

圖標：100-盾構機刀頭；101-刃口；102-刀刃凹槽鑲塊。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。

下面對本發明實施例的一種盾構機刀頭的強化方法以及高強度盾構機刀頭進行具體說明。

本發明實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其包括：

采用功率為1300～1600w的激光在經過除油除銹處理后的盾構機刀頭的表面熔覆合金粉末。

激光熔覆技術是通過金屬合金或其它類型材料在基材上沉積，來實現涂層和基材間的冶金結合一種技術，通過該方法可以在基材表面形成無孔、晶粒細小的顯微組織以及良好機械性能的熔覆層。在形成熔覆層的過程中，熔覆層的合金成分、光斑直徑、激光功率、掃描速度等多種工藝參數均影響著最終成型的熔覆層的微觀組織和宏觀質量。

在本發明實施例中，合金粉末包括鎳基碳化鎢合金粉末或鎳基碳化鈦合金粉末。碳化鎢是碳和鎢反應的生成物，而碳化鈦則是碳和鈦反應的產物，它們二者均具有耐磨性強、硬度高而脆的特點。作為合金粉末中的硬質相，還需要添加一種軟的金屬來作為粘結劑。這種用作粘合劑的金屬可以是鈷基合金、鎳基合金、鐵基合金、銅基合金中的一種。在本發明中，采用鎳基合金作為粘結劑，鎳基合金是由鎳中加入適量的硼、硅和其它元素組成的合金，具有溫度在1000℃左右的液相狀態，硬度在hrc25～hrc65之間調節。本發明中優選采用ni60作為粘結金屬，其具有60hrc左右的硬度。通過摻入碳化鎢或碳化鈦，可以將合金粉末的整體硬度提升至≥65hrc。進一步地，合金粉末優選為鎳基碳化鎢合金粉末，其中，碳化鎢的含量≥50％。包括50％t-ni60a+50％wc，40％t-ni60a+60％wc和30％t-ni60a+70％wc等，采用該鎳基碳化鎢合金粉末得到的熔覆層與基材之間的結合效果好，具有較好的硬度和耐磨性能。

在盾構機刀頭的表面熔覆合金粉末時，控制激光光源移動掃描，并通過送粉噴嘴將合金粉末送至激光焦點處。本發明實施例中，在激光增材強化時設置激光功率為1300～1600w，確保功率密度達到合金粉末熔融閾值。實際作業中，可采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，同時，利用機械臂控制激光光源移動，通過送粉噴嘴將硬質合金粉末送至激光焦點處。盾構機刀頭通過工裝進行夾持，以提高刀具強化重復固定精度。激光在盾構機刀頭的表面形成有激光光斑，激光光斑的運動軌跡保持在刀刃凹槽鑲塊、刃口及其他工作接觸部位勻速運動。

在本發明實施例中，激光光源在盾構機刀頭的表面形成的激光光斑為矩形光斑，矩形光斑在盾構機刀頭的表面進行單道掃描，以保證涂覆效率以及涂覆的精度。例如，可以采用6mm*2mm的積分鏡，是激光光斑轉化為矩形光斑，激光焦距設置為200mm，離焦量為+10mm。同時，矩形光斑的橫向移動距離小于等于矩形光斑長度的50％，以保證涂覆層表面平整度。

激光涂覆過程中，激光光源的掃描速度為150～200mm/min，送粉噴嘴輸送合金粉末的流量為30～60g/min，以保證熔覆層的厚度均勻而適宜，在涂覆層不出現裂紋的情況下使表面硬度最大化。優選地，合金粉末采用粒度為45～110μm的細粉。發明人經過創造性勞動發現，采用該粒度范圍的合金粉末，在上述涂覆參數下，熔融的效率較高，與基材的結合效果較好，得到的涂覆層致密而均勻，強度較好。

進一步地，合金粉末在盾構機刀頭的表面熔覆的單層厚度為2～5mm。發明人經過創造性勞動發現，涂覆層厚度在該范圍內時，與基材的結合效果較好，無脫落，無裂痕，且擁有較好的強度。

盾構機刀頭在進行激光熔覆之前，需要對其進行除油除銹處理，除油除銹處理可以提高基材表面硬度，減小基材與待涂覆合金粉末間硬度梯度差，使涂覆層與基材之間結合更好，防止熔覆層表面裂紋產生，甚至脫落的情況。優選地，對盾構機刀頭進行除油除銹的具體方式為激光脈沖清洗，其中，激光脈沖的寬度為60～100ns，頻率為5～20khz，單脈沖能量為10～20mj，掃描速度為150～300mm/min。發明人經過創造性勞動發現，在該參數條件下對盾構機刀頭進行除油除銹處理的效果較佳，處理后的基材表面與合金粉末的硬度差距小，結合較好。

本發明實施例還提供了一種高強度盾構機刀頭，其采用上述盾構機刀頭的強化方法強化得到。該高強度盾構機刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長。

以下結合實施例對本發明的特征和性能作進一步的詳細描述。

實施例1

本實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進行強化，合金粉末的化學成分為40％t-ni60a+60％wc，合金粉末的粒度為45μm，盾構機刀頭的形狀如圖1所示，其具體步驟如下：

s1.采用采用yag脈沖激光器對盾構機刀頭100的表面進行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度60ns，頻率5khz，單脈沖能量10mj，掃描速度150mm/min。

s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機械臂控制激光光源在刃口101與刀刃凹槽鑲塊102的表面做直線運動，通過送粉噴嘴將硬質合金粉末送至激光焦點處。

其中，工作時設置激光功率為1300w，激光掃描速度為150mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點光斑轉換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動距離為光斑長度的50％，合金粉末流量為60g/min。

s3.刀頭表面強化完成后，檢查合金厚度。并調整動機械臂，重復步驟s2，直到熔覆層厚度達到4mm。

實施例2

本實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進行強化，合金粉末的化學成分為50％t-ni60a+50％wc，合金粉末的粒度為80μm，其具體步驟如下：

s1.采用采用yag脈沖激光器對盾構機刀頭的表面進行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度100ns，頻率15khz，單脈沖能量20mj，掃描速度250mm/min。

s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機械臂控制激光光源盾構機的表面做直線運動，通過送粉噴嘴將硬質合金粉末送至激光焦點處。

其中，工作時設置激光功率為1300w，激光掃描速度為250mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點光斑轉換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動距離為光斑長度的40％，合金粉末流量為45g/min。

s3.刀頭表面強化完成后，檢查合金厚度。并調整動機械臂，重復步驟s2，直到熔覆層厚度達到5mm。

實施例3

本實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進行強化，合金粉末的化學成分為30％t-ni60a+70％wc，合金粉末的粒度為110μm，其具體步驟如下：

s1.采用采用yag脈沖激光器對盾構機刀頭的表面進行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度100ns，頻率20khz，單脈沖能量15mj，掃描速度300mm/min。

s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機械臂控制激光光源盾構機的表面做直線運動，通過送粉噴嘴將硬質合金粉末送至激光焦點處。

其中，工作時設置激光功率為1500w，激光掃描速度為300mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點光斑轉換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動距離為光斑長度的45％，合金粉末流量為30g/min。

s3.刀頭表面強化完成后，檢查合金厚度。并調整動機械臂，重復步驟s2，直到熔覆層厚度達到2mm。

實施例4

本實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進行強化，合金粉末的化學成分為40％t-ni60a+60％tic，合金粉末的粒度為80μm，其具體步驟如下：

s1.采用采用yag脈沖激光器對盾構機刀頭的表面進行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度60ns，頻率20khz，單脈沖能量20mj，掃描速度200mm/min。

s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機械臂控制激光光源盾構機的表面做直線運動，通過送粉噴嘴將硬質合金粉末送至激光焦點處。

其中，工作時設置激光功率為1600w，激光掃描速度為200mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點光斑轉換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動距離為光斑長度的50％，合金粉末流量為40g/min。

s3.刀頭表面強化完成后，檢查合金厚度。并調整動機械臂，重復步驟s2，直到熔覆層厚度達到4mm。

試驗例

采用金相切割機從實施例1～4中強化后的盾構機刀頭上取部分試驗樣品，并對其硬度進行測試，測試的具體方法如下：

1.將試驗樣品進行打磨拋光，用無水乙醇對試驗樣品進行清洗并吹干。在dhv-1000z型數顯顯微維氏硬度計下測量其硬度，在熔覆層-結合面-基材上依次選取10個點為一組，通過硬度計測量3組壓痕數值，計算基材、熔覆層硬度平均值，測量結果如表1所示；

2.觀察實驗樣品表面，記錄其表面熔覆層有無脫落情況，觀察結果如表1所示；

3.采用化學探傷法，測試熔覆層有無裂痕，測試結果如表1所示。

表1試驗樣品硬度測試結果

由表1可以看出，通過實施例1～4所采用的盾構機刀頭的強化方法進行強化后，觀察其表面熔覆層無脫落情況，化學探傷后無裂紋。熔覆層顯微硬度與基材相比提高了2倍左右，用此方法加工生產盾構機刀頭與傳統刀頭相比性能有很大提高。

綜上所述，本發明實施例提供了一種盾構機刀頭的強化方法，其采用激光在盾構機刀頭的表面熔覆合金粉末，從而在盾構機刀頭表面添加高強度合金熔覆層，以提升刀頭性能。該方法操作簡單方便，通過該方法強化后的盾構機刀頭的韌性和耐磨性較強，使用壽命更長。

本發明實施例還提供一種高強度盾構機刀頭，其通過上述盾構機刀頭的強化方法強化得到。該高強度盾構機刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。