CN1456416A

CN1456416A - 一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法

Info

Publication number: CN1456416A
Application number: CN03119343A
Authority: CN
Inventors: 王华明; 汤海波; 于利根; 蔡良续; 张凌云; 席文君
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: CN1224494C

Abstract

本发明公开了一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，该冷却方法主要运用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用冷却金属与薄壁零件待加工面的背面机械接触，实现局部高效冷却，防止薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿；其所用冷却金属为铝、铅、锡等熔点较低、韧性较好、高导热率的薄板材料，厚度在1mm～10mm之间，形状大小同薄壁零件相适配，根据实际需要，还可将冷却金属薄板层叠起来或使用金属粉末作为冷却剂；该冷却方法实施简捷、经济可行，适用于激光熔覆、热喷涂(等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等)及焊接(激光焊接、电弧焊接、火焰焊接、电子束焊接、等离子焊接等)等加工过程，可广泛应用于航空、航天、机械、钢铁及汽车、船舶等工业中。

Description

一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法

技术领域

本发明涉及一种冷却处理方法，更具体的是指一种防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接等非稳态剧烈加热加工过程中过度受热、变形、过烧、烧穿的局部高效冷却处理方法。

发明背景

在航空、航天、机械、钢铁及汽车、船舶等工业中，存在大量薄壁零部件，经常要对其进行激光熔覆、热喷涂(包括有等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等)及焊接(包括有激光焊接、电弧焊接、火焰焊接、电子束焊接、等离子焊接等)等加工处理。在这些加工处理过程中的非稳态剧烈加热，极容易造成薄壁零件过度受热、变形、过烧以及烧穿，严重影响了零件的尺寸，降低了零件的强度等性能指标，甚至使零件报废。因此须对薄壁零件在加工过程中进行有效冷却，以防止其在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿，确保其使用要求。

诸如激光熔覆、焊接、喷涂的非稳态剧烈加热加工，加热强度大，热流集中，零件升温速率极快，并且热源与工件保持相对运动状态，局部加热时间短，只是使零件局部熔化或在零件表面产生微熔。这种加热方式明显区别于箱式炉对零件的整体均匀加热，容易造成薄壁零件的变形、过热、过烧、烧穿。

目前，在激光熔覆、热喷涂及焊接等非稳态剧烈加热过程中，主要采用机械夹持的方法来防止薄壁零件的受热变形，由此带来的工装十分复杂，实施也较为困难，而且该方法并不能防止薄壁零件被过度受热、过烧、烧穿及由此引起的强度等性能的下降。现一般采用的冷却技术是利用物质热容吸热原理，通过气体、液体介质的对流、热传导来散热降温，由于物质等压热容一般只在20～40 J K^-1mol^-1范围内，而激光熔覆、热喷涂及焊接等加工过程中的加热具有非稳态性和剧烈性的特征，对薄壁零件采用此种方法的冷却效果不大，难以有效防止薄壁零件被过度受热、变形、过烧、烧穿。

为了克服上述冷却方法的不足，本发明提出了一种可广泛应用于航空、航天、机械、钢铁及汽车、船舶等工业中，防止薄壁零部件在激光熔覆、热喷涂及焊接等非稳态剧烈加热加工过程中过度受热、变形、过烧、烧穿的局部高效冷却处理方法。

发明目的

本发明的目的是，针对上述薄壁零部件在非稳态剧烈高温加热加工过程中遇到的有效冷却问题，基于低熔点金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，提出了一种防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接等非稳态剧烈加热加工过程中过度受热、变形、过烧、烧穿的局部高效冷却技术方法。该技术方法实施简捷、经济可行，可广泛适用于航空、航天、机械、钢铁及汽车、船舶等工业中。

发明内容

一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其冷却运用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用低熔点冷却金属与薄壁零件待加工面的背面机械接触，实现局部高效冷却，防止薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿，该冷却方法可应用于激光熔覆、热喷涂、焊接非稳态剧烈加热加工过程中。低熔点冷却金属置于待加工薄壁零件加工面的背面，冷却金属选用铝、铅、锡的薄板材料，厚度在1mm～10mm之间，形状大小同待加工薄壁零件相适配。

在本发明中对受热温度要求不超过700℃的薄壁零件，选用铝或铝合金薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

在本发明中对受热温度要求不超过350℃的薄壁零件，选用铅薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

在本发明中对受热温度要求不超过250℃的薄壁零件，选用锡薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

所述的冷却方法中还可将同种材料的冷却金属薄板材料层叠起来，实现更高效的吸热冷却。

所述的冷却方法中冷却金属还可以选用低熔点金属粉末，采用粘接剂将其与薄壁零件待加工面的背面粘合在一起。

本发明的一种防止薄壁零件在非稳态加热加工处理过程中的局部冷却方法，具有以下几方面独特之处：

1、吸热量大，由于金属的熔化潜热很大，一般在10～30 kJ mol^-1之间，熔化瞬间的吸热量就很大；

2、吸热速度快，瞬间完成；

3、通过选用不同熔点的冷却金属，可以实现对不同加热温度要求的薄壁零件在加工过程中的受热温度控制；

4、方法实施简捷方便、经济可行。

附图说明

图1是本发明的圆环状薄壁零件在激光熔覆过程中的冷却处理示意图。

图2是图1的横截面材料结构局部放大示意图。

图3是本发明的板条状薄壁零件在焊接过程中的冷却处理示意图。

图3(a)是不焊穿，机械夹持焊接过程中的冷却处理示意图。

图3(b)是不焊穿，弹簧压紧焊接过程中的冷却处理示意图。

图3(c)是焊穿，弹簧压紧焊接过程中的冷却处理示意图。

图中：1.送粉器 2.激光熔覆熔池 3.激光熔覆涂层 4.圆环状薄壁零件5.低熔点冷却金属 6.压紧钢带 301.焊接熔池 302.板条状薄壁零件 303.低熔点冷却金属 304.压紧钢板 305.弹簧

具体实施方式

本发明是一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，是一种防止薄壁零件加工过程中过度受热、变形、过烧、烧穿的局部高效冷却处理技术，该冷却方法主要运用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用冷却金属与薄壁零件待加工面的背面机械接触，实现局部高效冷却，防止薄壁零件的过度受热、变形、过烧、烧穿，其所用的低熔点冷却金属置于待加工薄壁零件加工面的背面，冷却金属可为铝、铅、锡等熔点较低、韧性较好、高导热率的薄板材料，厚度在1mm～10mm之间，形状大小依薄壁零件灵活可变，根据实际需要，还可将冷却金属薄板层叠起来。

请参见图1所示的薄壁圆环状零件激光熔覆加工，以圆环状零件受热温度不能超过700℃，选择铝片5作冷却金属为例，将铝板轧制或切割成约5mm厚的铝片5，长、宽同圆环状零件4相适配，并置于圆环状零件4内侧壁，然后将带有铝片的圆环状零件套装在法兰盘上。为了使铝片5和圆环状零件4均匀相接触，可在法兰盘与圆环状零件4之间安装一压紧钢带6。紧固后便可进行激光熔覆加工处理。激光熔覆工艺参数，如扫描速度(即热源与工件的相对运动速度)、激光功率、送粉速度等根据具体加工要求而定。这样随激光束相对圆环状零件4表面运动，当圆环状零件4局部温度达到铝的熔点温度650℃左右，铝片5就会通过其相当大的熔化潜热而迅速吸收大量的热，从而对圆环状零件4实时进行局部高效冷却，使圆环状零件4温度控制在700℃以下，有效的防止了薄壁零件的过度受热、变形、过烧、烧穿。

请参见图3所示的薄壁板材焊接加工，以板材受热温度不能超过350℃，选择铅片作冷却金属为例，将铅板加工成约10mm厚、150mm宽的薄铅片303，根据板材302焊穿与否及两焊接部件厚度的均匀性，可采用一块铅片303置于焊缝下方，如图3(a、b)所示(图3(a)是不焊穿，机械夹持焊接过程中的冷却示意图。图3(b)是不焊穿，弹簧压紧焊接过程中的冷却示意图。)，或将两块铅片303紧靠焊缝放置，如图3(c)所示(图3(c)是焊穿，弹簧压紧焊接过程中的冷却示意图。)，再直接用压紧钢板304机械夹持或在铅片303和压紧钢板304间通过弹簧305使冷却金属铅片303与板材302机械接触。这样随焊接热源相对板材302表面运动，当板材302局部温度达到铅的熔点温度327℃左右，铅片303就会通过其相当大的熔化潜热而迅速吸收大量的热，从而对板材302实时进行局部高效冷却，使板材302温度控制在350℃以下，有效的防止了薄壁零件的过度受热、变形、过烧、烧穿。

在本发明中，对受热温度要求不能超过700℃的待加工薄壁零件，选用铝或铝合金薄板作为冷却金属。对受热温度要求不能超过350℃的待加工薄壁零件，选用铅薄板作为冷却金属。对受热温度要求不能超过250℃的待加工薄壁零件，选用锡薄板作为冷却金属。

另外，由于冷却金属材料韧性的限制，不易用较厚的冷却金属片与曲面形状待加工零件的形状适配，可将同种材料的冷却金属薄板层叠起来，实现更高效的吸热冷却。

对于形状不规则的零件进行加工，可选用低熔点金属粉末，采用适当的粘接剂将其与零件待加工面的背面粘合在一起进行加工冷却处理。粘接剂可以选用水玻璃，加工完毕采用喷砂或机械刮除方法去除拈结剂。

本发明的冷却方法适用于激光熔覆、热喷涂(等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等)及焊接(激光焊接、电弧焊接、火焰焊接、电子束焊接、等离子焊接等)等加工。

Claims

1、一种薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：冷却运用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用低熔点冷却金属与薄壁零件加工面的背面机械接触，实现局部高效冷却，防止薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿，该冷却方法可应用于激光熔覆、热喷涂、焊接非稳态剧烈加热加工过程中。

2、根据权利要求1所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：低熔点冷却金属置于待加工薄壁零件加工面的背面，冷却金属可选用铝、铅、锡的薄板材料，厚度在1mm～10mm之间，形状大小同待加工薄壁零件相适配。

3、根据权利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：对受热温度要求不超过700℃的薄壁零件，选用铝或铝合金薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

4、根据权利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：对受热温度要求不超过350℃的薄壁零件，选用铅薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

5、根据权利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：对受热温度要求不超过250℃的薄壁零件，选用锡薄板材料作为冷却金属，可防止薄壁零件在激光熔覆、热喷涂、焊接在非稳态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿。

6、根据权利要求2所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：还可将同种材料的冷却金属薄板材料层叠起来，实现更高效的吸热冷却。

7、根据权利要求1、2所述的薄壁零件在激光熔覆、热喷涂及焊接加工中的局部高效冷却方法，其特征在于：冷却金属还可以选用低熔点金属粉末，采用粘接剂将其与薄壁零件待加工面的背面粘合在一起。