[發(fā)明專利]一種金屬表面的可控形變技術(shù)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410189279.2
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN103937948A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王瑛瑋;曹延君;程文竹;侯婷
• 申請（專利權(quán)）人: 王瑛瑋
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C22F1/00;C23C24/10
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬表面的可控形變技術(shù)。這種金屬表面的可控形變技術(shù)涉及對金屬進行形變處理以改善金屬表層應(yīng)力分布的技術(shù)和智能控制技術(shù)。

技術(shù)背景

金屬材料的加工過程中，往往會因為零部件的不同部位溫度變化不同步等原因，導致加工后的零部件內(nèi)部殘留內(nèi)應(yīng)力，這一應(yīng)力可能導致多種不良后果。

殘留內(nèi)應(yīng)力可能導致的第一種不良后果是：過度變形。變形量一旦超過使用或后續(xù)加工允許的公差范圍，則可能導致零部件報廢。

殘留內(nèi)應(yīng)力可能導致的第二種不良后果是：零件開裂。零件的某些特征部位的殘余內(nèi)應(yīng)力值如果超過材料的強度，則零件將要發(fā)生裂紋擴展、材料開裂。

殘留內(nèi)應(yīng)力可能導致的第三種不良后果是：零部件在后續(xù)長期使用過程中出現(xiàn)問題。可能出現(xiàn)的第一個問題是強度降低，使用過程中零部件會受到外加應(yīng)力的作用，如果零件的某些特征部位外加應(yīng)力與殘余內(nèi)應(yīng)力發(fā)生疊加，疊加后的應(yīng)力如果超過了材料的強度，則零件將會在較低的外加應(yīng)力作用下即發(fā)生裂紋擴展、材料開裂，表現(xiàn)為零部件的強度降低。可能出現(xiàn)的第二個問題是由于長期使用過程中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，零部件的形狀、尺寸發(fā)生變化，影響零部件的運轉(zhuǎn)精度，甚至可能導致零部件報廢。

金屬材料的加工過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力種類不同、所處位置不同，對零部件的影響也會差別巨大。處于零部件表面附近的殘余拉應(yīng)力最危險、影響最大，絕大多數(shù)的不良后果都是由表面附近的殘余拉應(yīng)力造成。

激光熔覆技術(shù)是一種利用激光能量作用于焊絲或焊粉對金屬零部件表面進行焊覆的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于金屬零部件表面的強化、功能化和修復處理，在汽車模具修復等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，目前存在的最主要問題是熔覆后巨大殘余拉應(yīng)力帶來的開裂。

由于熔覆時必須將焊絲或焊粉熔化，激光掃描必須將焊絲或焊粉加熱到熔點以上，而被熔覆的金屬基體溫度很低，于是出現(xiàn)了熔覆層與基體的巨大溫度差和巨大的溫度梯度，激光束掃過之后的降溫過程中，熔覆層溫度的巨大降幅決定了其將要發(fā)生明顯的收縮，而基體的厚度遠大于熔覆層，這就決定了熔覆層的收縮將會被抑制，于是出現(xiàn)了降溫后熔覆層附近巨大的殘余拉應(yīng)力，往往前面在進行激光熔覆處理，后面剛剛?cè)鄹驳膮^(qū)域幾經(jīng)開始開裂。

為了解決這一問題，目前主要采取的辦法是選擇塑性極好的焊料或及時對熔覆層進行降應(yīng)力處理，例如：選用昂貴的鎳基合金作為焊料，或及時對熔覆層進行再加熱處理以減小溫度梯度從而降應(yīng)力，或及時手工敲擊使熔覆層塑性變形釋放應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容

鎳基合金作為焊料雖然有效地緩解了開裂問題，但金屬鎳比較昂貴，且性能單一，難以滿足模具等要求修復后表面高強度、耐磨等要求；再加熱處理雖可以減小溫度梯度從而降應(yīng)力，但時機難掌握，處理不及時還是難以避免開裂的發(fā)生；手工敲擊使熔覆層塑性變形釋放應(yīng)力的措施過分依賴操作者的經(jīng)驗，且效果有限。

本發(fā)明旨在尋找一種智能化的、廣泛適用于多種材料、多種組織和性能要求的形變處理技術(shù)，不僅能夠有效緩解拉應(yīng)力，甚至可以獲得零件表層殘留壓應(yīng)力，以及一定的形變強化效果。

本發(fā)明的主要特點是：在充分研究待處理件表面溫度分布、應(yīng)力分布和變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，編制智能控制程序，以控制由多個撞針組成的陣列，對待處理件的待處理區(qū)域?qū)嵤┨囟◤姸取⑻囟l率的沖擊形變處理。

多個撞針組成的陣列，每一個撞針的沖擊強度、沖擊頻率在事先編制好的程序控制下，充分滿足所處陣位被加工材料的表面形變需要，而又不至于引起過度形變和開裂。

被加工面的每一點，都會經(jīng)受多個撞針的多次反復沖擊的影響而多次形變。

由于多個撞針組成的陣列中，每一個撞針都單獨受到控制系統(tǒng)的控制，撞針之間互不干涉，即使被加工面為三維曲面，也能保證三維曲面的凹陷處獲得足夠的形變。

如果被加工對象是剛剛形成的熔覆層，對其上一點來說，這種形變將會在一個較大的溫度范圍內(nèi)持續(xù)，持續(xù)期間開始時可能是奧氏體組織，而后可能是珠光體組織或馬氏體組織或混合組織，這種持續(xù)能夠有效地緩解各個溫度區(qū)間、各種組織形成的應(yīng)力，直至某一較低的溫度形變結(jié)束，最終熔覆層與被加工件溫度一致時，熔覆層的拉應(yīng)力得到極大的緩解，甚至可以獲得一定的殘余壓應(yīng)力而進一步提高零件的表面性能。

附圖說明

附圖為一種金屬表面的可控形變技術(shù)實施過程示意圖：(1)為可控形變陣列；(2)為撞針(3)為可控形變陣列前進方向；(4)為待加工區(qū)域。

具體實施方式