专利名称：用激光加热冒口内金属提高补缩效率的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料成型领域中的铸造工艺。具体地说，是涉及一种用于铸件成型过程中的加热冒口内金属、提高补缩效率的方法。
背景技术：
在铸造过程中，液态金属被浇注进铸型以后，逐渐冷却、凝固成型。在此过程中，由于金属温度降低和从液态向固态发生相变，金属体积缩小。如果在冷却和凝固过程中没有得到充分的液态金属来充填因体积收缩而留下的空隙，将产生宏观缩孔或微观疏松，大大降低铸件质量，并可能导致铸件报废。因此，通常在工艺上要设置冒口，在液态金属冷却和凝固过程中用冒口内的液态金属来补充缩小的体积并进入留下的空隙。
在冒口与受补缩部位之间必须维持一个补缩通道才能进行补缩。在实际铸造过程中，因为冒口内金属也会与形成铸件的金属一样冷却和凝固，补缩通道维持时间不长，所以补缩效果往往不理想。为了提高补缩能力，采用了对冒口进行加热保温的方法。目前加热保温冒口的方法是在冒口中加入一些与液态金属作用后产生热量或者减小热量损失的物质。通常是在制作铸型过程中在冒口型壁部位加入这些发热或保温物质，或者制作专用的发热保温冒口。
发明内容
前述这种发热保温冒口虽然能提高补缩效率，但是由于冒口内金属在补充铸型时不断减少，与发热保温物质的接触面也随之逐渐减小，冒口内金属被加热保温的时间和程度有限，因此提高补缩效率的作用有限。而且，这种加热保温冒口操作麻烦，不利于实现自动化，且操作时容易引起砂粒等进入型腔，导致铸件粘砂等缺陷。
本发明提出一种新的提高冒口补缩效率的方法，即用激光加热冒口内金属提高补缩效率。该方法采用激光照射冒口内金属液面，加热冒口(包括冒口颈)内金属并使其维持液态。由于冒口(包括冒口颈)内金属在铸型内金属凝固过程中始终处于液态，补缩通道一直畅通，受补缩部位在金属冷却凝固过程中能够得到足够液态金属的补充，可以达到理想的补缩效果，消除缩孔、缩松等缺陷。另外，由于激光照射时不产生机械力的作用，因此不会引起砂粒等进入型腔造成铸件缺陷。在激光照射过程中，激光能量用来补偿冒口内金属表面辐射和通过铸型传导散失的热量。因为液态金属对激光的吸收率一般较大，如果所用激光器的电光转化效率较高，如CO2或半导体激光器等，加上因补缩效率提高而减小冒口金属体积和铸件报废损失，则整个工艺的成本不会提高，甚至可以比传统加热保温冒口的成本低。
本发明提出了激光加热冒口内金属的工艺要领。在液态金属被浇注进入铸型的过程中，当型内金属达到一定量时，液态金属开始进入冒口(进入顶冒口与进入侧冒口的时间不同)。在冒口内液态金属开始暴露在空气中后的某一时刻，用一定功率、适当光斑大小的激光束照射冒口内金属液面，使冒口(包括冒口颈)内金属保持液态，直到(浇注结束一定时间后)铸件受补缩部位凝固即将完毕时，停止激光照射。
本发明还说明了激光照射冒口内金属液面的工艺参数的计算方法。因为激光能量用来补偿冒口内金属表面辐射和通过铸型传导散失的热量，那么所需激光功率Pl就由液态金属对激光的吸收率α、冒口内金属单位时间内通过表面辐射的热量Pr和通过铸型传导散失的热量Pc决定，即αPl＝Pr+Pc；根据浇注工艺参数(浇注温度和速度等)、铸件结构及其材质热物理特性和铸型特性等，计算铸件凝固时间、冒口尺寸等，决定激光照射起止时间；由冒口尺寸决定激光束在金属液面上的光斑大小，保证能量损失最小，表面氧化也尽可能最小。
四
图1为激光照射冒口内金属液面示意图，在图中浇注系统没有画出来。图中1为激光束，2为冒口内金属液，3为铸型，4为铸件型腔内金属液。
五具体实施例方式
在实施本发明之前，必须先对有关工艺参数进行计算，并把计算结果设定为工艺参数初值。首先，根据浇注工艺参数、铸件结构及其材质热物理特性和铸型特性等，计算铸件凝固时间、需要补缩的铸件部位和补充金属的体积，决定冒口的形状大小和位置以及补缩通道维持的时间；然后计算冒口内金属单位时间内通过表面辐射的热量Pr和通过铸型传导散失的热量Pc，因为可以明确液态金属对激光的吸收率α，用公式αPl＝Pr+Pc求出激光功率Pl(实际功率还需要由Pl乘以一个与过热度和照射时间有关的经验系数)，根据补缩通道需要维持的时间确定激光照射的时间。
具体实施过程1)准备好激光光源、检测装置等，把激光头、液面检测装置对准冒口后，开始浇注液态金属；2)金属液面检测装置检测到冒口内液面及其温度后，把信号传输给计算机，计算机根据液面温度修正原设定的激光开始照射时间；3)计算机根据修正后的激光开始照射时间发出开始照射指令，激光开始照射金属液面；4)浇注完毕后，计算机根据实时检测到的温度修正原设定的激光结束照射时间；5)计算机根据修正后的激光停止照射时间发出停止照射指令，激光停止照射金属液面。
权利要求
1.本专利提出了一种在铸件成型过程中提高冒口补缩效率的方法，即用激光加热冒口内金属、提高补缩效率，其主要技术特征是采用激光照射冒口内金属液面，加热冒口(包括冒口颈)内金属，使其保持液态，维持补缩通道，达到理想的补缩效果。
2.根据权利要求1所述的加热冒口内金属、提高补缩效率的方法，本专利的特征还在于激光加热冒口内金属的工艺要领，即在冒口内液态金属开始暴露在空气中后某一时刻，用一定功率的激光束照射冒口内金属液面，直到浇注结束一定时间后，即铸件受补缩部位凝固完毕时，停止激光照射。
3.根据权利要求1所述的加热冒口内金属、提高补缩效率的方法，本专利的特征还在于激光照射冒口内金属液面的工艺参数的确定方法，即激光功率由液态金属对激光的吸收率、冒口内金属表面辐射和通过铸型传导散失的热量决定；根据浇注工艺参数(浇注温度和速度等)、铸件结构及其材质热物理特性和铸型特性等，决定激光照射起止时间；由冒口尺寸等决定激光束在金属液面上的光斑大小。
全文摘要
本发明涉及一种用于铸件成型过程中的加热冒口内金属、提高补缩效率的方法。在铸型内液态金属冷却和凝固过程中用冒口内的液态金属来补充进入因体积缩小留下的空隙。本发明提出采用激光照射冒口内金属液面，加热冒口(包括冒口颈)内金属并使其维持液态，使补缩通道在铸型内金属凝固过程中一直畅通，提高补缩效率。本发明不会引起砂粒等进入型腔造成铸件缺陷，用电光转化效率较高的激光器加热时整个工艺的成本不会提高。本发明还提出了用激光加热冒口内金属的工艺要领及工艺参数的确定方法。
文档编号B22D27/04GK1827257SQ20051003128
公开日2006年9月6日 申请日期2005年2月28日 优先权日2005年2月28日
发明者刘继常 申请人:刘继常