消除热裂纹的方法与流程

相关申请的交叉引用

本pct国际专利申请要求于2019年1月16日提交的标题为“消除热裂纹的方法(methodofremovalofheatchecking)”的、序列号为62/793,113的美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容在此通过参引并入本文中。

背景技术：

1.技术领域

本发明涉及消除热裂纹的系统。更具体地，本发明涉及利用激光束从铸件表面消除热裂纹的系统和方法。

2.相关技术

该部分提供了涉及本公开内容的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

虽然铸造工艺是广泛采用的形成有用的物品(铸件)的方法，但铸造工艺具有某些缺点。铸造过程中的一个常见问题是因热裂纹(模具裂纹)的形成而引起的热疲劳，这在拉应力随着熔融材料在模具内凝固而作用于铸件的表面时发生。热裂纹是表面层(通常是h13或p20工具钢的表面层)上的纹路或裂纹，这些纹路或裂纹最终使外表面因可加工性降低而恶化。传统地，铸造工艺包括将熔融材料放入模腔内，然后冷却熔融材料直到其凝固成模腔的形状。热裂纹与铸件的各层从过热温度冷却的速率成比例地发生。铸件温度保持相对稳定并且缓慢地冷却，而最接近表面的各层经历快速的冷却和收缩。热裂纹特征通常大约为0.06英寸，但是可以通过改变铸造周期和模具润滑时间而变化。热裂纹在铸件上形成刚性的铝“鳍”，其降低了美观性以及与配合面的可加工性，因此通常需要消除。

为了消除热裂纹特征，已经开发出了对铸件的特定区域进行磨削和打磨的机械磨床。现代，自动机械已经被用于操作机械磨床，其中，操作员可以输入热裂纹特征深度，然后自动机械将根据不同的表面去除不同的量。虽然这些自动机械已经减少了时间量和体力劳动，但其具有某些缺点，比如增加了表面下的孔隙率、昂贵的资本投资、需要相当大的占地面积并且还是耗时的。此外，众所周知铝粉是易燃易爆的，因此需要特殊处理。

因此，一直存在的期望是，开发和进一步完善能够以最少的时间、费用和占地面积消除热裂纹特征进而改善部件的可加工性的工艺。

技术实现要素：

前面已经大致概述了本发明的特征和技术优点以使本发明的以下详细描述能够更好地理解。形成本发明的权利要求的主题的本发明的其他特征和优点将在下文中描述。本领域的技术人员应该理解的是，所公开的概念和具体实施方式可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同的目的的其他实施方式的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等同实施方式没有脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。该部分提供了本公开的总体概述，并且不应被解释为是与本公开相关联的所有目的、方面、特征和优点的完整且全面的列举。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于消除铸件的热裂纹特征的方法。该方法包括以下步骤：提供具有热裂纹特征的铸件，确定热裂纹特征的位置，将激光束投射到热裂纹特征上，以及利用激光束消除热裂纹特征的至少一部分。

根据本公开的另一方面，本发明提供了一种用于消除铸件的热裂纹特征的组件。该组件包括自动机械臂、用于针对热裂纹特征对铸件进行扫描的热裂纹传感器、以及用于接收来自热裂纹传感器的读数并生成铸件轮廓的控制单元。该组件还包括连接至自动机械臂的激光头，其中，控制单元利用自动机械臂引导激光头，以基于铸件轮廓将激光束投射到热裂纹特征的至少一部分上。

其他适用领域根据本文中提供的描述将变得明显。该发明内容中的描述和具体示例意在仅用于说明的目的而并不意在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅出于对所选实施方式进行说明的目的，而非意在限制本公开的范围。通过参照以下描述并结合附图，将更容易理解与本公开相关联的发明构思，在附图中：

图1a是与热裂纹消除系统一起使用的示例性冷室高压铸造机的横截面图；

图1b是具有热裂纹特征的铸件的平面图；

图1c是由与增加的热裂纹特征相关的冷却导致的铸件上的表面应力的图示；

图1d是具有热裂纹特征的另一铸件的平面图；

图1e是图1d中的铸件的平面图，其中，热裂纹特征已经通过磨削操作被部分地消除；

图2a是包括自动机械臂和激光的热裂纹消除系统的侧视图；

图2b是热裂纹特征正在被从铸件消除的放大视图；

图2c和图2d图示了自冲铆钉被驱动到铸件的热裂纹特征已被消除的部分和另一部件中；

图3a和图3b图示了模具组件的定模的热力学疲劳的计算机模拟；

图3c和图3d图示了模具组件的动模的热力学疲劳的计算机模拟；

图4a是说明利用热裂纹消除系统消除热裂纹特征的步骤的方法流程图；以及

图4b是根据另一方面来说明利用热裂纹消除系统消除热裂纹特征的步骤的另一方法流程图。

具体实施方式

现在将参照附图对示例性实施方式进行更充分地描述。总之，本实施方式针对通过将激光束投射到铸件表面上来消除铸件表面的热裂纹的系统和方法。然而，提供示例实施方式仅为了使本公开将是详尽的，并且将向本领域技术人员全面地传达范围。阐述了许多具体细节比如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显的是，不需要采用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方式中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

参照附图，其中，相同的附图标记表示各视图中的相应的部件，示出了利用激光束消除铸件表面的热裂纹的系统和过程，以提高效率和准确度。更具体地，本热裂纹消除系统20和过程包括确定新近铸造的部件的表面上的热裂纹的存在度，并且利用激光束选择性地消除热裂纹特征。

热裂纹消除系统20可以包括用于首先形成铸件的铸造组件22。图1a中示出了示例性铸造组件22的立体图。更具体地，示例性铸造组件22被说明为冷室高压模具铸造组件22。铸造组件22包括具有动模24a和定模24b的模具24。定模24b和动模24a相对于彼此移动并且可以密封在一起以在定模24b与动模24a之间形成腔40。腔40限定了期望铸件的形状。动模24a和定模24b的运动由夹持单元26控制。

夹持单元26包括朝向及远离固定压板32移动的可移动压板38。动模24a包括与可移动压板38一起移动的推板30。可移动压板38沿着一个或更多个拉杆28行进。熔融材料最初可以存储在熔炉中(未示出)，随后送入注入组件34内，此后注入腔40内。注入组件34可以包括套筒36和将熔融材料推动穿过套筒36并推入腔40内的柱塞44。冷却通道48可以位于模具24内。在操作中，熔炉保持熔融材料直到熔融材料准备好由注入组件34注入腔40内为止。熔融材料然后被冷却直到熔融材料凝固成期望的形状或铸件42和外部热裂纹特征46。通过冷却通道48可以加速冷却，但是，冷却通道48的位置越靠近熔融材料并且邻近的熔融材料冷却越快，铸件42上形成的热裂纹特征46就越多(参见图1b和图1c)。通过推板30的移动促进了铸件42的移除。移除后，可以在热裂纹特征46的消除之前采用进一步的淬火和处理步骤。

铸造组件22的描述在本质上是示例性的并且可以进一步利用高压压铸系统(hpdc)来快速地冷却熔融材料，如在标题为“直接冷硬永久模具铸造系统及方法(directchillpermanentmoldcastingsystemandmethodofsame)”的国际申请no.pct/us19/32099中所述，该国际申请在此通过参考并入本文中。图1b中图示了铸件42上的热裂纹特征46的放大视图。热裂纹特征46包括延伸到铸件42表面中的裂口和通道。图1c是作为时间的函数的、由于冷却而在铸件内产生的压缩应力和拉伸应力的图示，其中，更快的冷却和增加的应力导致更大的热裂纹特征46，热裂纹特征46降低了美观性和可加工性。图1d中示出了另一示例性铸件42，该示例性铸件42可以由aural-2铝合金形成。示例aural-2铸件42具有2.92mm的厚度并且模具具有延伸到腔的表面中的深度达到大约0.22mm的热裂纹特征。常规地，这种热裂纹特征转移至铸件，然后其被通过如图1e中所示的耗时的磨削操作而消除。在磨削操作之后，铸件表面的大约0.07mm被去除，使得最终厚度大约为2.85mm，并且铸件遭受了包括多孔表面的前述缺点。

现在参照图2a，热裂纹消除系统20包括热裂纹消除组件100，该热裂纹消除组件100相比于图1e中所示的情况提供了改进的热裂纹特征46消除。热裂纹消除组件100包括铸件夹紧装置102、激光源104、自动机械臂106和热裂纹传感器108。一旦铸件42已经冷却至凝固、推出和淬火，铸件42就被放置在铸件夹紧装置102中。铸件夹紧装置102优选地构造成与铸件42进行有限接触，使得可以在不被铸件夹紧装置102打断的情况下将热裂纹特征46消除操作尽可能多地施用于铸件42。在一个实施方式中，铸件夹紧装置102包括基部110和布置成将铸件42保持在特定的和预定的点处的至少一个臂112。所述至少一个臂112可以包括多个细臂112。一旦铸件42已经被放置在铸件夹紧装置102中，热裂纹传感器108将提供铸件42的表面轮廓以确定热裂纹特征46的区域和深度。热裂纹传感器108在热裂纹消除操作期间可以是运行的，以提供实时的或者更新的读数以确保全部的热裂纹特征被消除。一旦轮廓已经生成，激光源104包括激光头114，该激光头114使激光束聚焦到各预定的热裂纹特征46位置上。激光头114附接至自动机械臂106并由自动机械臂106基于来自热裂纹传感器108的轮廓读数引导。至少一个电源116为热裂纹消除系统20的各部件提供电能。激光头114还可以包括在激光源104与激光头114之间的光纤电缆。替代性地，激光源104还可以在同一壳体内附接至激光头114。激光头114可以包括一个或更多个透镜和反射镜并且激光源104可以包括用以产生初始激光束的其他部件。激光头114可以经由安装支架115以可移除的方式附接至自动机械臂106。控制单元118与热裂纹传感器108、自动机械臂106和激光源104通信，并且朝向热裂纹特征46位置引导激光头114。

控制单元118可以配置成使得热裂纹消除组件100的操作至少部分地自动化。更具体地，控制单元118可以包括处理器120和具有机器可读非临时存储的存储器122。程序和/或软件124(比如arduinoide、windows、linux、android、ios)可以保存在存储器122上以执行指令。除了自动化软件124之外，用户界面126可以与控制单元118通信以提供输入数据128或用于热裂纹消除组件100的操作的指令。除了软件124和输入数据124之外，经由热裂纹传感器108传输的轮廓数据130也可以保存在存储器上。这些连同控制单元118提供的各个元件允许特定的实现。因此，电子和电路领域的普通技术人员可以替换各个部件来实现类似的功能。在操作中，可以利用用户界面126初始设置某些值，例如，铸件的材料、铸件的形状或者激光束每通过一次的预定去除深度。接下来，热裂纹传感器108扫描铸件并生成轮廓数据130。然后控制单元118引导自动机械臂106来使激光束在铸件42的已经被确认具有热裂纹特征46的区域上移动。在激光束通过之后，热裂纹传感器108可以采取第二轮廓以确保热裂纹特征水平满足质量阈值。此外，一旦热裂纹特征存在度处于低阈值量，控制单元118可以降低最终通过的激光束的功率或强度，以提供光滑的加工表面。根据热裂纹特征46的深度，控制单元118可以经由增加的电源116输出来增加激光头的功率或者减慢自动机械臂106的运动来增加激光头114施用于热裂纹特征46的时间量。控制单元118还可以将激光束的投射指示成脉冲的以在某些情况下有效地消除热裂纹。

热裂纹传感器108可以附接至自动机械臂106或者与自动机械臂106分离。当激光头114引导激光束来消除热裂纹特征46时，热裂纹传感器108可以同时地生成实时的轮廓。例如，热裂纹传感器108可以进行初始测量以生成第一轮廓，并且在激光束的投射之后或激光束的投射期间采取热裂纹特征46已经由激光束至少部分地消除的位置的第二轮廓，以确定是否已经在预定的阈值内进行了足够地消除。热裂纹传感器108经由表面裂纹的存在度和深度确定热裂纹特征46的位置和深度。例如，在扫描期间，热裂纹传感器108可以测量热裂纹传感器108与表面之间的距离，使得裂纹提供位于距热裂纹传感器108更远距离处的读数。一旦热裂纹传感器108发现了热裂纹特征46的位置，控制单元118就引导自动机械臂106将激光束经由激光头114投射在热裂纹特征46位置上。这种投射可以是脉冲的、均匀的或者具有不同强度。例如，激光束最初可以是脉冲的以消除铸件的热裂纹，然后可以是均匀的以使铸件42的表面平滑。在消除热裂纹特征46之后可以采用进一步的淬火和处理步骤。

如图2c和图2d中最佳地示出的，热裂纹消除组件100还可以包括铆钉驱动器132以将自冲铆钉(s.p.r.)134驱动到铸件42的热裂纹特征46已被消除的部分中。更具体地，在消除至少在铸件44与第二部件136之间的界面表面138上的热裂纹特征46之前，可以首先确定界面表面138。因此，界面表面138是光滑的并且可以在与第二部件136连接之前与第二部件136平齐。除了使用自冲铆钉132之外，还可以使用包括粘合剂、紧固件等的其他连接方式。

激光头114优选地是具有最小3千瓦激光束输出的光纤激光器并且以100μm的直径并以1m/s的运动速度施用于铸件。激光束输出可以在900nm以上、1000nm以上、900nm至1200nm之间、1000nm至1100nm之间或者大约1064nm。因此，激光源104可以包括用于对激光束输出进行功率调节的多个二极管激光泵浦模块。虽然铸件42已被描述为铝或铝合金，但铸件也可以由不同的材料形成。类似地，虽然铸造工艺已被描述为高压压铸工艺“h.p.d.c.”，但在不背离本公开的情况下可以采用其他铸造工艺。还应该理解的是，激光源104和激光头114以及相关的部件可以设置为阴极激光器、气体激光器、固态激光器等。

热裂纹表面46还可以通过模具24而非铸件44的先进铸造模拟来确定。图3a至图3d示出了导致热裂纹的示例性前冲击塔工具表面上的热力疲劳的x射线分析的计算机模拟。计算机模拟是基于经验物理学的并且还可以通过观察(overserving)工具特征进行校准。例如，在使用hpdc的情况下，熔融材料以足以破坏壁的速度进入腔内。基于历史磨损模式、流体动力学等的组合，可以开发出精确的模型。具体参照图3a和图3b，定模24b被示出在多个循环之后示出了裂纹萌生。现在看图3c和图3d，动模24a被示出在多个循环之后示出了其他有问题的裂纹萌生。图3a至图3d中所示的工具的不同区域可以作为有问题区域包括在轮廓数据130中。此外，从热裂纹传感器108获得的轮廓数据130的趋势可以表示工具疲劳。例如，如果多个铸件显示出相比于其他区域受热裂纹影响的局部区域，则这种趋势可以被注意到并且经由用户界面126告知用户。也可以在铸件44上执行x射线分析。

图4a中示出了消除热裂纹特征46的过程200。该过程200始于将熔融材料引入202模具中。熔融材料被冷却204直到其至少部分地凝固为止。一旦铸件已凝固，其就被转移206至铸件夹紧装置。转移铸件206的步骤还可以包括首先将铸件转移至压铸机的水淬槽，然后将铸件放入剪边机内以消除任何海绵状金属片、浇口、流道和溢流口。转移铸件206的步骤还可以包括在将部件转移至铸件夹紧装置之前对铸件或模具进行x射线分析以生成质量轮廓(参见图3a至图3d)。然后将铸件放置208在铸件夹紧装置的分立点上。放置后，热裂纹传感器针对热裂纹对铸件的表面进行扫描210以生成包括热裂纹的位置的轮廓212。如前所述，轮廓信息可以包括来自用户界面的输入。热裂纹传感器可以确定热裂纹的位置214和深度215并且将该信息结合到轮廓中。轮廓信息被发送至控制单元216并且可以保存在本地存储器中。控制单元基于轮廓向自动机械臂提供指令218以将激光束投射到铸件的具有热裂纹的区域上。这些指令可以包括投射脉冲的、均匀的或者不同强度的激光束。这些指令可以包括描画需要施用激光束的区域220的轮廓，提供激光束需要施用于表面的时间长度或速度221，以及提供激光束的推荐功率或强度222。这些附加的指令可以取决于包括热裂纹的位置、期望铸件的形状223和热裂纹特征的深度的轮廓数据。然后，自动机械臂将激光束224施用于热裂纹的区域并且灼烧热裂纹特征226直到其至少部分地、基本上或完全地消除为止。例如，激光束最初可以是脉冲的以消除铸件的热裂纹，然后可以是均匀的以用于恒定的表面。虽然这些步骤可以按发生时间顺序，但这些步骤可以实时发生，因为热裂纹传感器可以直接附接在自动机械臂上以在激光束消除铸件的一个区域的热裂纹时同时地在铸件的另一区域上生成轮廓。投射激光束的步骤可以包括使用二极管激光器以100μm和1m/s以及3千瓦功率投射激光束。该应用步骤还可以包括使激光束光强度或强度是脉冲的以有效地消除热裂纹的部分。激光束可以施用于热裂纹直到表面达到等于10的美学标准(粗糙度)为止。对于某些应用，激光束的投射和对应的灼烧和热裂纹特征的消除仅提供给铸件的某些区域。更具体地，激光束仅投射到基于某些操作标准预先确定的局部区域228上。例如，当铸件要接合至另一部件时，铸件(即接头)的局部区域的接触区域可能是接收激光束投射的唯一局部区域。一旦热裂纹从局部区域消除，铸件放置在另一部件上使得局部区域形成接头230界面的大部分，其中，接头主要是平接触。自冲铆钉(s.p.r.)然后被驱动232到部件和/或铸件中以将它们接合在一起。

图4b中呈现了另一种方法200’。该方法200’与图3a中所示的方法类似但不包括使用传感器来定位热裂纹特征。相反，方法200’包括利用其他装置检查或推测热裂纹层/特征211位置的步骤。定位热裂纹特征211的步骤可以包括基于先前的铸件关联热裂纹位置，自动地将激光束投射至铸件的特定区域以消除特定量的表面，或者替代性地可以包括定位热裂纹特征211以引导激光束的其他方法。这些其他方法可以包括视觉或者计算机辅助定位(参见图3a至图3d)。此外，定位热裂纹特征211的步骤可以包括首先形成具有多余厚度的铸件并使用激光束去除多余的厚度。

铸件可以包括例如铝、铝合金、镁或锌的有色金属合金。

在图5a所示的一个实施方式中，按基于合金的总重量的重量百分比(wt.％)计，铸件42的铝合金包括：硅(最小9.5wt.％、最大11.5wt.％)；铁(最小没有、最大0.25wt.％)；锰(最小0.40wt.％，最大0.60wt.％)；镁(最小0.10wt.％，最大0.60wt.％)；锶(最小0.010wt.％，最大0.025wt.％)；钛(最小没有，最大0.12wt.％)；铝；以及其他元素，其他元素单独不大于0.05w.％并且合计不大于0.15wt.％。

在图5b所示的又一实施方式中，按基于合金的总重量的重量百分比(wt.％)计，铸件42的铝合金包括：硅(最小6.0wt.％、最大8.0wt.％)；铁(最小没有、最大0.25wt.％)；锰(最小0.40wt.％，最大0.60wt.％)；镁(最小0.10wt.％，最大0.60wt.％)；锶(最小0.010wt.％，最大0.030wt.％)；钛(最小没有，最大0.15wt.％)；铝；以及其他元素；其他元素单独不大于0.05w.％并且合计不大于0.15wt.％。

应当理解的是，为了进行说明，已提供了实施方式的上述描述。换言之，本公开内容并非意在是详尽的或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是，即使没有具体示出或描述，特定实施方式的各个元件或特征在适用的情况下也是可互换的，并且可以在选定实施方式中使用。特定实施方式的各个元件或特征也可以以多种方式进行变化。这种变化不应被视为背离本公开，并且所有这种修改均意在包含于本公开的范围内。