专利名称：激光包覆用的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种激光包覆的方法，尤其涉及一种利用激光包覆工艺制造阀座的方法。
背景技术：
在内燃机中，铝或铝合金常用作许多主要发动机铸件如汽缸盖的材料。但是，当汽缸盖用铝或铝合金制成时，汽缸盖的某些部件却用不同的材料制成，以提高发动机的寿命。例如，设置阀座，在该处使进气阀或排气阀的阀面接合汽缸盖主体。因为重复地啮合进气阀或排气阀并经受高温，所以阀座用更硬的材料如铁或铁族铁合金制成，以提高阀座寿命。
用于铝合金发动机盖的阀座插入件用于增强在高温和震动下受阀连续冲击的阀座区域已有一些时候了。这些插入件通常用铁或镍基金属粉末压制品制成，以承受在这些用途下经受的热量、应力和冲击负荷。这些插入件压配合或冷缩配合在汽缸盖座支承件的预先机加工的凹处中。虽然这些插入件增强了耐磨性能使其超过母体铝，但它们由于限制热量从阀流入汽缸盖而最终流入冷却套，因此可能限制了发动机燃烧参数。温度的升高可能来自于两方面。首先，在插入件和汽缸盖的母体金属支承件之间可能有大至50～150微米的间隙；这些间隙阻碍在燃烧期间通过汽缸盖将热量从阀座有效地排出，因此升高了与这些阀座接触的阀的温度。其次，插入件需要有显著的厚度，以保证机械安装期间有充分的刚性；此种厚度有助于热阻抗，从而限制从阀产生的热传导。因此，常常改变发动机操作参数，以防止阀受到极端温度，例如通过限制火花提前角度程度和/或压缩比，由此限制可以利用的功率和转矩。此外，阀座插入件的显著厚度限制阀的尺寸，从而限制了有用的功率和转矩。
激光包覆已用于减小由金属插入物产生的热屏障和尺寸障碍。激光包覆通常包括通过用汽缸盖的铝基材料稀释而安置在阀座区中的预置的或同时进料的硬面合金的粉末或丝材。激光包覆可以降低多达150°F的阀操作温度。其次，激光包覆允许加大发动机空气流量因而提高峰值功率的较大直径的阀座。
在一种已知的方法中，激光包覆用于在一铝汽缸盖上沉积铜基材料如铜合金粉，以形成一个其中包覆材料与母体材料混合(即稀释)的阀座，来替代传统的阀座插入件。但是，激光包覆将显著量的热量引入阀座支承区中，这可以显著地改变汽缸盖的下面的铝合金的冶金学性能。沉积物的品质决定于激光的功率调整和为包覆工艺选择的进料速率，以及在完成包覆后材料的冷却。例如，当激光装置用于包覆一阀座时，两种材料之间稀释的结果是不均匀的。这种不均匀性是由因存在冷却套、火花塞孔和阀座附近的汽缸盖的通常变化的构型而产生的阀座周围的可变的材料厚度而引起的。阀座周围的稀释变化是不希望有的，它会导致过早的破裂。
更具体地说，当激光束的热量过大时，很多铝合金基的金属被熔化而铜基合金粉末被稀释，使得包层金属变成一种又硬又脆的合金成分。当从激光束的热输入量缺乏时，该铜合金粉末就不会充分地熔融到铝基金属中。
因此，需要一种改进的方法和系统来利用一种激光包覆工艺制造阀座，该方法和系统计算出围绕该阀座的汽缸盖的可变材料厚度。
发明概述此处公开的是一种用于激光包覆的方法。该方法包括确定一个衬底的材料厚度的变化和根据衬底材料厚度的变化而改变激光的强度。
本发明也公开一种提供衬底上包覆的系统。该系统包括一个用于测定衬底的材料厚度变化的机构、一个用于向计算机程序提供该衬底的材料厚度变化的计算参数的机构和一个根据衬底材料厚度变化的确定而改变激光强度的机构。
本发明还公开了另一种用于在衬底上提供一种包覆的系统。该系统包括一台具有模拟机构的计算机，该机构对该衬底进行三维(3D)模拟，来确定衬底的第一和第二靶位置之间的材料厚度变化，该计算机包括处理机构，能预测衬底的材料厚度变化的趋势。
上述和其它特点将通过下面的附图和详述而举例示范。
附图简述现在参照作为示范实施例的附图，图中相同的部件用相同的标号
图1是一种带有四个燃烧室的发动机汽缸盖装置的透视图，每个燃烧室有一进气阀座、一排气阀座和一其间的火花塞孔；图2是一种与图1的汽缸盖头和一台按照一个示范实施例的计算机在操作上连通的激光包覆系统的示意图；图3是按照一个示范的实施例的包括图2的汽缸盖装置的用于激光包覆的方法的流程图；图4是用一种模拟系统绘制的图1的第二燃烧室的透视截面图，该图例示激光包覆的阀座附近的材料厚度变化；图5是用该模拟系统绘制的图4的燃烧室的部分放大截面图，该图例示按照一个示范实施例的一个用于计算一与其对应的参数的径向部分部分；图6是燃烧室的另一模拟系统图，例示72个径向部分或者对阀座的每5径向度绘制一个径向部分，用于由计算机计算其参数；图7是一种标绘一系列接连的径向部分中每个径向部分的表面积相对于其径向位置的曲线图，用以例示相对于进气和排气阀座面积两者的汽缸盖的材料厚度变化的趋势；以及图8是一种标绘一系列接连的径向部分中每个径向部分的体积相对于其径向位置的曲线图，用以例示相对于进气和排气阀面积两者的汽缸盖的材料厚度变化的趋势。
优选实施例详述此处使用的短语“激光包覆工艺”指粉末或金属混合物的激光沉积工艺，其中，单独一层或多层材料用激光熔融金属混合物和衬底而沉积在衬底上，从而将这些材料稀释在一起。短语“包层”指衬底上的沉积层。制造包层的工艺称为“包覆”，当包层的厚度很小而该工艺用于以另一材料来涂敷或稀释该衬底的表面时，也同义地称为“涂敷”。
图1例示一个发动机汽缸盖装置10，其间形成了四个燃烧室12。每个室12显示预先机加工的凹部，用于进气阀座14和排气阀座16的包覆沉积，带有一个用于可螺纹结合地装入一火花塞(未示出)的小孔18。如图所示，发动机汽缸盖装置10是一个铝基盖；但是，也可考虑其它金属和合金基的材料。
如图2中所示，按照本发明的一个示范实施例，将一束高能量密度的激光束聚焦在一个特定的金属面积上，以便将一种粉末金属混合物包覆在一母体材料上，使得能完成与母体材料(如燃烧室12)一体的阀座的制造。也就是，激光束被导向母体材料的阀座位置20而受控的粉末金属混合物流受该激光束的加热。激光的热量使基底材料和粉末金属混合物熔融，形成一种熔融的金属结合物。在一示范的实施例中，该激光可以是一种连续波(CW)激光或脉冲激光束激光。
仍然参照图2，在一种进行激光包覆的例示工艺中，供应装置24用于储存粉末金属混合物并将其供应到阀座目标位置20上，而一个用于将屏蔽气体供应到粉末金属混合物的喷嘴(未示出)被喷射到该阀座的目标位置上。该工艺中也使用一个产生激光束28的激光束源26和一个激光束振荡器30，后者用透镜32将从激光束源26发射的激光束28聚焦于供应到阀座目标位置20上的总的用28表示的粉末金属混合物上。
总的参照图1和2，一种制造阀座的方法包括在汽缸盖材料或金属衬底(如燃烧室12)中预先机加工一个“凹部”，在对应于将形成阀座的汽缸盖材料的面积上形成阀座靶位置20，除去在制成的阀座目标位置20上形成的氧化膜，并将粉末金属混合物38喷射在阀座目标位置20上，且将激光束28引到粉末金属混合物上。虽然在铸件中预先机加工该凹部被描述为在其上面形成阀座靶位置的结构的来源，但该技术的普通专业人员会理解，也可以采用其它已知工艺来提供一种合适的结构或衬底。
现在参照图3，一种用于按照本发明的示范实施例制造阀座的方法还包括在方框40中确定邻近待激光包覆面积的衬底材料厚度的变化。在方框42中，在金属混合物上照射激光束以包覆衬底上的金属混合物。在方框44中，该激光束的强度根据方框42中衬底材料厚度变化的确定而改变。以这种方式，只要在靶位置处在金属混合物和衬底之间均匀地稀释，该靶位置附近的衬底材料厚度变化的确定用于调节激光强度。更确切地说，该激光被调节到按照对应于该靶位置的直接焊接部位附近的材料厚度而改变激光强度。
详细地参照图4，一台可以与激光器或激光束源26操作上连通的计算机50(图2)包括一个按三维来模拟汽缸盖12的模拟机构，以确定每个阀座14和16附近的汽缸盖12的材料厚度的变化。该模拟机构包括一个计算机辅助设计系统，后者包括描画待制造的部件。在一个示范的实施例中，该模拟机构包括CAD/CAM软件，其构型做成确定被照射的汽缸盖12的面积中的材料厚度变化。计算机50包括处理机构，其构型做成预测衬底材料厚度的变化趋势，如下面相对于图7和8更充分地讨论的。计算机50与激光器26接口(如图2中用线52表示)，以便根据衬底材料厚度变化的确定而改变激光束的强度。计算机50可以包括一台控制器(未示出)，用于与激光器26的这样一种接口。其次，该控制器可以包括用于调整该激光器的电路。
图4例示，围绕每个预先机加工的阀座面积14和16的径向区段或部分的材料厚度由于火花塞孔18和冷却套56的存在而变化，同时例示燃烧室12的大体构型。例如，阀座14附近的第一区58处的截面积不同于阀座16附近的第二区60处的截面积。图5例示进气阀阀座区14的径向部分70。相关技术的专业人员可以认识到，如果径向部分或区段具有基本上相同的厚度76，那么径向部分70包括一个用72表示的截面表面积和一个正比于面积72的相应的体积量。
现在参照图6，图中例示燃烧室12的两个预先机加工的进气阀座14和排气阀座16的三维图形。在一个示范的实施例中，计算机50包括CAD/CAM软件，其构型做成将每个阀座14和16横截成径向截面70，并用径向位置74表示每个截面，如图5中所示。可以认识到，图5中所示的径向截面70对应于图6中所示的相对于预先机加工的进气阀座14的约径向180度的径向位置。更确切地说，该CAD/CAM软件或其它模拟机构将每个阀座14和16横截为径向区段，从而预测围绕每个阀座14和16的材料厚度的变化趋势。以这种方式，计算机50能够计算一个用于每一径向区段70的参数，该参数反映一个应当施加到每一径向区段70上以便在该包层和基底材料之间提供均匀的稀释的激光功率强度。图6例示，径向区段是按每五径向度截取的，因此，对于每个被计算而提供在一系列限定每个阀座14和16的接连的径向区段70中的材料厚度变化趋势的每个阀座14、16，示出72个区段(也即360径向度/5径向度每区段＝72径向区段)。相关技术的专业人员可以理解，每个阀座14和16可以用其它方式横截，包括(例如)具有特定厚度的区段。在这种情况下，可以设想，区段70可以是约8mm～约15mm厚。
在一个参照图6和7的例子中，在100处例示一个对于每个阀座14、16的表面积72对接连的径向区段70的径向位置74的曲线图。实线102表示对应于进气阀座14的变化厚度的表面积的一览图，而虚线104表示对应于排气阀座16的变化厚度的表面积的一览图。可以注意到，邻近零度和360度处出现每个阀座的较薄的区段，这对应于一个在该处预先机加工的阀座14和16之间的距离最小的位置。还应注意到，在180径向度的径向位置附近，每个预先机加工的阀座表面积处在其最大值，例外的是在约30和330径向度处，后两处对应于因阀座14和16之间空间最大而产生的汽缸盖12的材料累积。
利用图7中关于一系列接连的径向区段70的计算的表面积72所反映的信息，能反映出有关每个预先机加工的阀座14、16的材料厚度的变化趋势。因此，通过在具有对应于较厚区域的增大的表面积72的径向区段70处增大激光强度而在具有对应于较薄区域的减小的表面积的径向区段70处减小激光强度，就可以用该信息来调整激光强度。以这种方式，将产生两种材料之间的均匀稀释，从而改善一个激光包覆的阀座的强度和寿命。
在另一参照图6和8的例子中，在200处例示一个对应于每个预先机加工的阀座14、16的体积相对于接连的径向区段70的曲线图。实线202表示对应于预先机加工的进气阀座14的变化厚度的体积的一览图，而虚线204表示对应于排气阀座16的变化厚度的体积的一览图。再一次，像在表面积72的曲线图中一样，可以注意到，邻近零度和360度处出现每个阀座的较薄的区段，这对应于一个在该处阀座14和16之间的距离最小的位置。还应注意到，在180径向度的径向位置附近，每个阀座的表面积处在其最大值，例外的是在约30和330径向度处，后两处对应于因预先机加工的阀座14和16之间更大的空间由于其间的隔开而变成可以利用所产生的燃烧室12的材料累积。
利用图8中关于一系列接连的径向区段70的计算的体积所反映的信息，能反映出有关每个预先机加工的阀座14、16的材料厚度的变化趋势。因此，通过在具有对应于较厚区域的增大的体积的径向区段70处增大激光强度而在具有对应于较薄区域的减小的体积的径向区段70处减小激光强度，就可以用该信息来调整激光强度。以这种方式，将产生两种材料之间的均匀稀释，从而改善一个激光包覆的阀座的强度和寿命。
现在参照图7和8，可以注意到，对每个径向区段70的表面积72或体积的计算的参数提供一种确定相对于每个预先机加工的阀座14、16的变化的材料厚度的数据中的相似趋势。这些参数也能够确定一个激光束28开始参照图6～8的过程的最终起始点。更具体地说，在一个示范的实施例中，激光束28的功率强度可以在居于预先机加工的阀座凹部14和16之间的零径向度位置处从低处开始。然后，当激光束围绕进气阀座14而行进时，激光束28的功率密度可以升高功率而在越过对应于零度位置的360度位置之前在约30、180和330径向度位置处达到最大值。归因于两种阀构型，当激光束28以关于在相对于预先机加工的阀座凹部14的上述相应的径向位置处的激光功率强度的相似方式完成用于排气阀座16的包覆工艺时，激光束28可以以“8”字图形行进经过汽缸盖。
利用这样一种激光包覆工艺来包覆该阀座靶位置20，阀座的制造就相当容易。例如，由于改善了阀座的抗磨性能，在设计期间，阀座的直径和接触该阀座的阀的直径可以更自由地变化。同时，通过降低阀座的温度，可以提高压缩比和降低燃料消耗。其次，通过提高生产率而降低了制造费用，通过消除稀释中的变化而减少了寿命试验期间的过早破裂。
在利用上述本发明的激光包覆工艺制造阀座的方法和系统中，激光束的高能密度性能被应用于制造阀座，使得母体材料和包覆层之间的熔融强度增大，制成的阀座能够经受高温和高度耐磨，从而提高发动机的总寿命。但是，应当认识到，虽然已经参考一个汽缸盖的阀座而描述了用于激光包覆的示范实施例，但上述用于激光包覆的方法和系统也能用于带有任何适合于所要最终目的衬底的金属混合物的激光包覆。
虽然已参考一个示范实施例而描述了本发明，但该技术的专业人员将会理解，可以进行各种变化和可以用等同部件替代其部件而并不偏离本发明的范围。此外，按照本发明可以进行许多修改来适应特定的状况或材料而并不偏离其基本范围。因此，预期本发明不限于作为完成本发明而考虑的最好方式所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附的权利要求书范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种激光包覆的方法，该方法包括确定衬底的材料厚度变化；以及根据该衬底材料厚度变化的确定而在激光包覆期间改变激光强度。
2.权利要求1的方法，其特征在于，该衬底材料厚度变化的确定包括计算指示第一靶位置和第二靶位置之间的相对材料厚度的参数。
3.权利要求2的方法，其特征在于，这些被计算的参数被用来调整激光强度而在金属混合物与第一和第二靶位置处的衬底之间提供均匀的稀释。
4.权利要求3的方法，其特征在于，这些被计算的参数被用来确定在该衬底上分别起动和结束该包覆工艺的开始点和停止点中的至少一个。
5.权利要求2的方法，其特征在于，这些计算参数包括计算对应于第一和第二靶位置中每个的表面积和体积中的至少一个。
6.权利要求5的方法，其特征在于，该计算对应于第一和第二靶位置中每个的表面积和体积的步骤包括限定对应于待包覆面积的衬底的至少一部分的一些径向件。
7.权利要求6的方法，其特征在于，每个径向件的面积和体积中的至少一个被标绘在一个相对于其径向位置的线性图上。
8.权利要求7的方法，其特征在于，能够就待激光包覆的面积预测材料厚度变化的趋势。
9.权利要求6的方法，其特征在于，每个径向件包括一个对应于约5径向度的径向区段。
10.权利要求6的方法，其特征在于，每个径向件包括一个具有在约8mm～约15mm之间的横截宽度的径向截面。
11.权利要求1的方法，其特征在于，还包括利用CAD/CAM软件来确定待照射的衬底面积中材料厚度的变化，以帮助调整激光束的强度来提供对应于待照射的衬底面积的可变材料厚度。
12.权利要求2的方法，其特征在于，该衬底是一个发动机汽缸盖，而该第一和第二靶位置限定一个待照射的面积，该面积包括一个与发动机汽缸盖相关的至少一个阀座的预先机加工的凹部。
13.权利要求12的方法，其特征在于，该阀座包括每个燃烧室的两个和多个阀座中的一个，每个燃烧室包括一个邻近于排气阀座和进气阀座之一的进气阀座。
14.权利要求12的方法，其特征在于，还包括在任何两个相邻阀座之间的一个点上开始照射激光而便于该激光包覆工艺期间激光束的“8”字形运动。
15.权利要求12的方法，其特征在于，该发动机汽缸盖是用铝或铝合金制造的。
16.权利要求12的方法，其特征在于，这些计算参数包括计算对应于每个第一和第二靶位置的表面积和体积步骤中的至少一个。
17.权利要求16的方法，其特征在于，该计算对应于每个第一和第二靶位置的表面积和体积的步骤包括限定对应于待包覆面积的汽缸盖的至少一部分的径向件。
18.权利要求17的方法，其特征在于，每个径向件的面积和体积中的至少一个被标绘在一相对于其径向位置的线性图上。
19.权利要求18的方法，其特征在于，可以就待激光包覆的面积预测材料厚度变化的趋势。
20.权利要求17的方法，其特征在于，每个径向件包括一个对应于约5径向度和约8mm～15mm之间的横截宽度的径向区段。
21.一种用于在一衬底上形成包覆的系统，包括一个用于确定衬底的材料厚度变化的机构；一个用于对计算机程序提供该衬底的材料厚度变化的计算参数的机构；以及一个用于根据该衬底的材料厚度变化的确定而改变激光强度的机构。
22.一种用于在一衬底上形成包覆的系统，包括一台具有模拟机构而以三维(3D)模拟该衬底来确定该衬底的第一和第二靶位置之间的材料厚度变化的计算机，该计算机包括处理机构，用来预测该衬底的材料厚度变化的趋势。
全文摘要
一种用于激光包覆的方法和系统，包括确定一衬底的材料厚度变化和根据该衬底的材料厚度变化的确定而改变激光强度。该衬底的材料厚度变化的确定包括计算指示第一靶位置和第二靶位置之间相对材料厚度的参数。
文档编号B23K26/34GK1804120SQ20061000513
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者J·M·斯塔尼克, T·L·尼尔, C·B·桑塔纳姆, K·-J·吴 申请人:通用汽车公司