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激光技术在特种车辆制造中的应用分析

2016-10-17 23:54:10 深圳鑫锐光 阅读

   激光技术是一种高能密度的技术,该技术具有无污染、高效、灵活易于实现自动化操作及优异的处理层性能等优点。近年来,激光技术在国外军事工业上的应用越来越广泛。美国、日本、德国、俄罗斯、英国等国对该项技术十分重视,并且已广泛应用于战斗机、武备、舰船等军工领域,如各种复杂型面、微型构件、耐磨构件、耐热构件、及破损件的修补等。

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  近年来,行业在激光加工技术领域集研究开发和应用于一体,先后开展了激光淬火、激光修复、激光合金化制备耐蚀耐磨层及各种材料的激光焊接和技术研究。

  激光淬火

  激光淬火是应用最广泛的激光热处理技术。这是一种表面局部淬火的新工艺,具有较多的特点和优势,该技术能够处理钛合金、铝合金、合金钢和碳钢等材料。近年来国外军工业对该技术的研究主要集中在飞行器、鱼雷传动构件、发动机关键件及炮管内壁的表面强化。

  激光淬火比常规淬火硬度高出20%以上,GCr15、T10和高速钢等均可得到HV1000以上的硬度。MK10制导火箭发射系统点火区的阻断凸轮,采用AⅡ4340钢,用1.2KW激光表面处理代替原来的氮化处理,最高硬度由原来55HRC提高到62HRC。而在钛叶片的处理中,激光淬火后的硬度提高了75%-125%。德国莱茵工业公司研究了激光相变硬化炮管线膛的新工艺方法,可硬化靠近炮口端的半膛,可获得0.3-0.5mm硬化深度,表面硬度至少为HV650,解决了因炮口端阳膛线过量磨损而影响射弹外弹道飞行性能的问题。

  例如,某型汽车模具仅能冲压300件便需要停机进行修复,然而,采用激光淬火技术对其进行强化后,能够将铸铁模具的硬度由原来HRC45提高至HRC55,使用寿命提高至35,000件,寿命提高100倍以上。

  激光熔覆技术

  激光熔覆技术,是通过高能密度的激光束辐照作用,使预置的添加材料熔化在基材表面形成牢固的涂覆层,从而彻底改变材料表面性能的技术。

  据1997年的有关文献报道,加拿大埃德蒙顿激光所在AI6I4340钢和试样上激光包覆各种耐烧蚀、耐磨损涂层。研究表明,纯钼和Ta-10W合金涂层有望用作炮管内膛涂层。模拟发射试验表明,涂层使用寿命延长了60%。美国 Textron L ycoming Stratford Div对装配BAe1 46直升机的 AL F50 2 R-5涡轮发动机第四级叶片阻尼面,也采用激光熔覆涂层强化处理。

  激光熔覆的另一个应用方面是,对工件局部损坏区域的修复,修复后的工件大部分与原工件性能相当,甚至超过原工件的使用寿命。在美国俄克拉马州 Tinker空军基地的后勤维修中心,每年要有约1200台发动机进行大修,其中叶片修复的成本费用平均值仅为更新叶片费用的20%,仅叶片修复一项每年可获得若干亿美元的效益,美国NASA Marshell航天中心对涡轮叶片的修复和强化进行了研究,使用激光表面熔覆的方法对磨损部位进行修复后,覆层组织致密均匀、无气孔,与原材料为冶金结合。覆层厚度达0.6mm以上,试飞60小时后,发动机性能良好。不但节约了成本而且缩短了加工周期,具有显著的经济效益。

  近十几年来,中国的激光熔覆技术得到了迅速发展,但目前的研究成果大多处于实验室阶段,尤其是在军工方面的应用较少。近年来,中国兵器工业新技术推广研究所在军工产品修复做了大量工作,部分修复案例包括:

  ● 某型飞机叶片修复

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飞机发动机静止叶片激光焊接修复

  某型飞机静止叶片材料为高温Ni基合金,其通气孔板开裂,经激光焊接后已安装使用,飞行400多小时未见异常。

● 旋压模具修复

  该俄罗斯进口的旋压模具为某型XX壳体制造模具,使用过程中局部磨损1mm,采用电火花沉积与激光熔覆复合修复技术在保证修复层组织致密的前提下,获得了较高的结合力与表面硬度。至今使用6年,性能依然优良。

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火箭旋压模修复

  ● 船用柴油机活塞修复

  激光修复铸铁零件容易出现裂纹、气孔等缺陷。对此,通过研制一种专用于铸铁材料修复的激光熔覆粉末,该粉末硬度为HRC30,可用于激光修复铸铁零件,也可用于铸铁熔覆过渡层。该铸铁活塞材料为QT500,由于位置比较特殊,修复难度较大,修复厚度为3mm。

  激光合金化

  激光合金化技术是在高能激光束的辐照下,得到不同于预置材料和基体材料的合金化层的技术。其处理过程具有效率高,耗能少,变形小等特点。目前,激光表面合金化的研究十分活跃,在国外军事工业上的应用非常广泛。

  瑞典国防研究局在对飞机排气口材料TIMEAL 21s钛合金的研制过程中,采用氮气气氛下用CO2激光扫描,使钛合金表面熔化,获得40μm的氮化钛合金涂层,该涂层具有很高的耐磨蚀、耐高温性能,显著提高了使用寿命。

  某钢厂粗轧辊使用寿命为15天,采用激光合金化技术对其进行表面强化,寿命提高至35天。并进一步对达到使用寿命的轧辊进行激光熔覆修复使其恢复尺寸,寿命提高至40天。该轧辊采用激光纳米合金化工艺,通过添加合金及陶瓷元素,大幅提高了轧辊表面耐磨性能,使其过钢量由原来的2.5万吨提高至5万吨。

  激光焊接技术

  激光焊接过程属于热传导焊接,高功率激光器的工业应用开辟了激光焊接新领域,获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等领域获得广泛的应用。激光焊接具有以下优点:

  ● 激光能量密度大,焊接深宽比大、材料变形小;

  ● 可焊接难熔材料和异种材料;

  ● 可进行薄壁焊、精密焊;

  ● 激光焊接对焊缝有净化效应,焊缝质量接近或高于母体;

  ● 不需要填充材料,焊接表面质量优异。

  在激光焊接方面,先后对某型发动机进气道唇口、飞机电器壳体组件、舰载飞机导线接头、飞机发动机电嘴导线、电嘴壳体等实施了焊接,并形成批量化产品,获得了极高的军事效益。

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DK28柴油机喷油嘴电磁屏蔽壳体焊接(0.3mm不锈钢)(材料:氮化钢 技术难点:氮化后焊接,耐压200Mp)

  激光技术作为一种新颖的手段在国外的应用日益广泛,在军事工业的应用已显著促进了该技术的进一步发展,目前国外激光技术已逐步应用于航空、航天、武备等的制造之中,并产生了良好的军事价值和经济效益。另外,针对军工的基础研究工作也已普遍展开,但很多研究工作仅限于实验室阶段。

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