专利名称：泵类零部件微细裂纹快速修复延寿方法与装置的制作方法
泵类零部件微细裂纹快速修复延寿方法与装置技术领域；
本发明涉及金属表面防护技术领域和激光加工应用技术领域，特指一种酸碱性环境下泵类零部件的微细裂纹快速修复延寿方法与装置。
背景技术：
激光冲击强化(LSP)是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，在金属材料表面形成塑性变形层，产生孪晶等晶体并形成极细小的位错亚结构，使材料表层形成很大的残余压应力，从而使金属材料的疲劳强度、硬度等性能得以提高，尤其是疲劳寿命。这一技术已在航空、船舶、机械工程、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。进入21世纪，保护地球环境、构建循环经济和保持社会可持续发展已成为世界各国共同关心的话题。目前大力提倡的循环经济模式是追求更大经济效益、更少资源消耗、更低环境污染的一种先进经济模式。所以产品的修复问题和延长使用寿命问题变的至关重要。在实际生产应用中，泵类壳体在铸造、运输和运行等过程中，有可能产生微细裂纹，甚至局部损坏，叶片在运行一段时间后，由于在扭矩的长期作用下或铸造时在气孔、砂眼等在外部应力的作用下，也可能造成微细裂纹的产生。这些微细裂纹会给产品的安全运行带来很大威胁，因此对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，及时处理缺陷、消除事故隐患十分必要。目前用于修复泵类零部件裂纹的方法有氩弧焊、等离子喷涂、等离子电弧焊、钨极惰性气体保护焊和激光熔覆等方法。氩弧焊、等离子喷涂、等离子电弧焊、钨极惰性气体保护焊这些方法在修复过程中热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，焊接容易变形，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题，同时修复过程中引起的收缩变形使叶片的安装精度难以保证，因此这些方法的应用具有很大的局限性。激光熔覆是超快速加热和超快速冷却的过程，具有对基材的热输入量少、热影响区小、熔覆层组织细小、与基体形成良好的冶金结合和易于实现自动化等优点，采用激光熔覆的方法修复泵类壳体及叶片裂纹与其他方法相比具有明显的优势，但在激光熔覆的过程中容易产生裂纹等内部缺陷而影响了熔覆层的质量。上述方法中都有一个共同不足之处在于修复过程中易产生裂纹，裂纹的不断扩展严重影响了泵类壳体及叶片的正常运行和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术的不足，避免传统泵类零部件微细裂纹修复过程中出现热影响区形成新的裂纹，提供一种泵类零部件的微细裂纹快速修复延寿方法与装置。该方法在修复过程中不会出现热裂纹，不仅能有效修复微细裂纹而却能提高泵类零部件的机械力学性能，也解决了泵类零部件在酸碱性液体环境下实际应用的难题。采用本发明方法和装置对损伤泵类零部件修复后，达到了延寿、提高其可靠性和安全性的目的。
实现本发明方法的装置包括控制系统、光学系统、工件夹具系统和在线喷涂系统。 所述的控制系统包括工业控制器、数字控制器、激光控制器、加热控制器。数字控制器上端与激光控制器相连，下端与工业控制器相连，加热控制器与工业控制器相连，工业控制器通过数字控制器分别控制激光控制器、光斑大小调节装置和多轴联动工作台，激光控制器控制高功率脉冲激光装置，加热控制器控制加热管。所述的光学系统包括高功率脉冲激光装置、导光管、45°全反镜、冲击头和光斑大小调节装置。光斑大小调节装置位于45°全反镜与冲击头之间，与数字控制器相连，45°全反镜在光斑大小调节装置上方，冲击头在光斑大小调节装置下方，聚焦透镜位于冲击头内，导光管把激光器、45°全反镜、光斑大小调节装置和冲击头串联起来，其一端连接着激光器，另一端对着工件夹具系统，冲击头位于工件夹具系统上面。所述的工件夹具系统包括多轴联动工作台、泵类零部件和夹具，泵类零部件通过夹具固定在多轴联动工作台上；所述的在线喷涂系统包括储料罐、高压柱塞泵、流量调节装置、连接管、支撑架、加热管和喷枪，储料罐和高压柱塞泵相连，流量调节装置通过连接管把高压柱塞泵和喷枪连接起来，加热管固定在支撑架。本发明其特征在于所喷涂的涂料含10-60 %复合特钛粉或片状锌粉，涂料厚度为 40_120Mffl，创新之处在线喷涂系统使用复合特钛粉或片状锌粉涂料即增大了激光力效应， 而且这种涂料特别耐酸耐碱，解决了泵类零部件经常处于酸碱性液体环境，实际应用易腐蚀的难题；本发明其特征还在于该方法的完成要结合本发明装置才能实现。本发明技术的创新，在于激光诱导的冲击波作用于泵类零部件微细裂纹处产生极大的残余压应力，利用激光冷作冲击力对裂纹的闭合效应从而对泵类零部件损伤部位进行快速修复，本发明装置能在线自动喷涂和加热烘干涂料以及进行激光冲击强化。经该方法修复强化后，无热裂纹产生，修复效果好。储料罐里的涂料经高压柱塞泵加压后流入流量调节装置，流量调节装置控制涂料的输出流量，涂料通过喷枪对泵类零部件微细裂纹处进行喷涂，加热管加热静止空气使涂料快速烘干形成涂料层，高功率脉冲激光装置发出的激光辐射到柔性贴膜上，激光诱导的冲击波对涂料层和泵类零部件微细裂纹进行冲击强化， 在其表面形成塑性变形层和极大的残余压应力，提高其疲劳强度、硬度等性能，极大的残余压应力使微细裂纹趋于闭合，同时极大的残余压应力使涂料层和泵类零部件基体结合紧密，涂料层不易产生脱落、开裂等问题，延长了泵类零部件的使用寿命，起到了强化延寿的作用。多轴联动工作台有三个坐标的移动和两个转动，故可实现对泵类零部件上任意位置的微细裂纹的强化。
图1泵类壳体微细裂纹强化装置示意2叶片微细裂纹强化装置部分示意图
图中，1.工业控制器；2.数字控制器；3.激光控制器；4.高功率脉冲激光装置；5.导光管；6.激光束；7. 45°全反镜；8.光斑大小调节装置；9.储料罐；10.高压柱塞泵；11.加热控制器；12.支撑架；13.加热管；14.聚焦透镜；15.冲击头；16.连接管；17.流量调节装置；18.泵类壳体；19夹头A ;20.夹具A;21.喷枪；22.柔性贴膜(约束层和吸收层);23.涂料层；24.夹头B ;25.多轴联动工作台；26.圆柱销；27.圆柱顶针；28.叶片；29.夹具B。
具体实施例方式下面结合图1、图2详细说明本发明提出的方法和具体装置的细节和工作情况。如图1、2所示，泵类零部件的一种微细裂纹快速修复延寿装置包括工业控制器1， 数字控制器2，激光控制器3，高功率脉冲激光装置4，导光管5，45°全反镜7，光斑大小调节装置8，储料罐9，高压柱塞泵10，加热控制器11，支撑架12，加热管13，聚焦透镜14，冲击头15，连接管16，流量调节装置17，泵类壳体18，夹头A19，夹具A20，喷枪21，柔性贴膜(约束层和吸收层)22，涂料层23，夹头B24，多轴联动工作台25，圆柱销26，圆柱顶针27，叶片 28，夹具似9。先对损伤泵类零部件进行表面除油除锈处理和喷砂处理，使表面清洁、无杂质且具有一定的粗糙度，满足正常涂装前处理的要求。再用夹具装置将损伤泵类零部件夹紧后一起固定在多轴联动工作台25上。启动高压柱塞泵10，工业控制器1发出指令，流量调节装置17调节涂料输出流量，涂料经连接管16和喷枪21喷涂到泵类零部件的微细裂纹上形成涂料层23，加热管13对静止空气加热lOmin，加热温度范围为160°C 200°C，使涂料层23 快速烘干。待涂料层23固化后，工业控制器1发出指令经数字控制器2控制激光控制器3 调节高功率脉冲激光装置4，高功率脉冲激光装置4发出经过优化的激光束6，激光束6经过导光管5、45°全反镜7、光斑大小调节装置8、冲击头15中的聚焦透镜14和涂料层23照射到泵类零部件的微细裂纹表面。激光控制器3调节激光的激光能量和脉冲宽度，控制光斑大小调节装置8改变光斑直径，使各参数满足试验要求。激光诱导的冲击波作用于涂料层23和泵类零部件，在泵类零部件表面形成塑性变形层和极大的残余压应力，使其微细裂纹趋于闭合达到修复的目的，然后调节数字控制器2使多轴联动工作台25按一定的轨迹移动，由于多轴联动工作台25有三个坐标的移动和两个转动，故可实现对泵类零部件上任意位置的微细裂纹的强化。实施例一
泵类壳体。先对损伤泵类壳体进行表面除油除锈处理和喷砂处理，然后用夹具将损伤泵类壳体夹紧后一起固定在多轴联动工作台上。启动高压柱塞泵，涂料经连接管和喷枪对泵类壳体的微细裂纹进行喷涂形成涂料层，厚度为40-100μπι，然后用加热管加热180°C 左右烘干lOmin。调节高功率脉冲激光装置参数和光斑大小调节装置参数，激光能量为 12. 1J，脉冲宽度为30ns，光斑直径为4 mm,以水为约束层进行激光冲击。实施例二
泵体叶片。先对损伤叶片进行表面除油除锈处理和喷砂处理，然后用夹具将损伤叶片夹紧后一起固定在多轴联动工作台上。启动高压柱塞泵，涂料经连接管和喷枪对叶片的微细裂纹进行喷涂形成涂料层，厚度为40-100μπι，然后用加热管加热180°C左右烘干lOmin。 调节高功率脉冲激光装置参数和光斑大小调节装置参数，激光能量为12. 1J，脉冲宽度为 30ns，光斑直径为4 mm,以水为约束层进行激光冲击。用该方法处理修复后，经检查，盐雾试验IOOOh后涂料层表面未出现锈蚀、开裂和脱落现象，泵类壳体及叶片的寿命延长1. 5倍左右，检测其表面力学性能，并与处理前对比，发现裂纹萌生时的循环次数明显增加，从而极大地提高了疲劳寿命，起到了强化作用。 同时保证了泵类壳体及叶片在水、酸碱性液体环境下的正常工作。研究结果表明，这种修复强化后泵类壳体及叶片硬度和强度显著提高，其表面由残余应力状态由拉应力变为压应力状态，从而其疲劳寿命和耐磨性等性能显著改善，这对泵类壳体及叶片的综合性能具有重要意义。该方法和装置不仅适用于泵类零部件微细裂纹的强化，还适用于其他类似于泵类零部件微细裂纹的强化。
权利要求
1.一种泵类零部件的微细裂纹快速修复延寿方法，其特征在于，利用激光冲击波的力效应对泵类壳体微细裂纹进行冷冲击强化；实现激光冲击波力效应所喷涂的涂料含10-60 %复合特钛粉或片状锌粉，涂料厚度为40-120Mm ；高功率脉冲激光器发出的激光脉宽为 5ns 20ns可调；能量在IJ 100J可调；冲击功率2. 8-3. 6Gff/cm2可调；光斑大小调节装置的光斑直径为Imm 10mm。
2.实施权利要求1所述的所述的一种泵类零部件的微细裂纹快速修复延寿装置，其装置特征在于，包括控制系统、光学系统、工件夹具系统和在线喷涂系统；所述的控制系统包括工业控制器(1)、数字控制器(2 )、激光控制器(3 )、加热控制器(11)，数字控制器(2 )上端与激光控制器(3 )相连，下端与工业控制器(1)相连，加热控制器(11)与工业控制器(1)相连；所述的光学系统包括高功率脉冲激光装置(4)、导光管(5)、45°全反镜(7)、光斑大小调节装置(8)、冲击头(15)和聚焦透镜(14)，光斑大小调节装置(8)位于45°全反镜(7)和冲击头(15)之间与数字控制器(2)相连，45°全反镜(7)在光斑大小调节装置(8)上方，冲击头(15)在光斑大小调节装置(8)下方，聚焦透镜(14)位于冲击头(15)内，导光管把高功率脉冲激光装置(4)、45°全反镜(7)、光斑大小调节装置(8)和冲击头(15)串联起来，其一端连接着高功率脉冲激光装置(4)，另一端对着工件夹具系统，冲击头(15)位于工件夹具系统上面；所述的工件夹具系统包括多轴联动工作台(25)、泵类零部件和夹具；泵类零部件通过夹具固定在多轴联动工作台(25)上；所述的在线喷涂系统包括储料罐(9)、高压柱塞泵 (10)、流量调节装置(17)、连接管(16)、支撑架(12)、加热管(13)和喷枪(21)，储料罐(9) 和高压柱塞泵(10)相连，流量调节装置(17)通过连接管(16)把高压柱塞泵(10)和喷枪 (21)连接起来，加热管(13)固定在支撑架(12)。
全文摘要
泵类零部件微细裂纹快速修复延寿方法与装置，涉及金属表面防护技术领域和激光加工应用技术领域，利用激光冲击波的力效应对泵类特别是离心泵壳体微细裂纹进行冷冲击强化；实现激光冲击波力效应所喷涂的涂料含10-60﹪复合特钛粉或片状锌粉。本发明在修复过程中不会出现热裂纹，不仅能有效修复微细裂纹而却能提高泵类零部件的机械力学性能，也解决了泵类零部件在酸碱性液体环境下实际应用的难题。采用本发明方法和装置对损伤泵类零部件修复后，达到了延寿、提高其可靠性和安全性的目的。
文档编号B23K26/34GK102489879SQ201110367260
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者任旭东, 占秋波, 周建忠, 孙桂芳, 戴峰泽, 杨慧敏, 皇甫喁卓, 阮亮 申请人:江苏大学