激光淬火技術(shù)在立式真空泵上的應(yīng)用

宋彬，張勛，王翔（蘭州石化設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

朱寧寧（蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

蘭州石化公司PSA裝置立式真空泵是輸送催化尾氣的關(guān)鍵設(shè)備，共有10臺(tái)。它們的具體參數(shù)見(jiàn)表1：

立式真空泵的工作介質(zhì)為催化尾氣（由催化裂化裝置生產(chǎn)），其主要成分為乙烯和乙烷，它們是重要的化工原料。因?yàn)闅怏w純度不高，含有大量雜質(zhì)，造成真空泵故障頻發(fā)，其中活塞桿易于磨損就是其典型故障。為解決這一問(wèn)題，作者將深入討論各種硬化技術(shù)，并重點(diǎn)介紹激光淬火技術(shù)在此類(lèi)泵上的成功應(yīng)用。

2 表面硬化處理技術(shù)分析

立式真空泵活塞桿材料一般為3Cr13，為了能提高其耐磨性，通常會(huì)對(duì)其表面進(jìn)行硬化處理。常用的表面硬化處理方法有滲碳處理、氮化處理、高頻淬火、激光熔覆[1]、離子注入等，這些方法通常需要對(duì)工件進(jìn)行加熱，會(huì)造成活塞桿變形，并且硬化層不均勻，不適合立式真空泵活塞桿的表面硬化處理。

激光淬火的表面處理方法可以克服活塞桿變形和硬化層不均勻的問(wèn)題，并且最高硬度可達(dá)60HRC。激光淬火可以在瞬間讓工件表面達(dá)到極高溫度，其溫升速度為100-1500℃/S。因加熱區(qū)域?yàn)楣ぜ砻妫?dāng)激光束離開(kāi)表面后，處于冷態(tài)的工件會(huì)將表面高溫迅速傳遞給中心，其溫降速度為100-1000℃/S。這種瞬間完成的激光淬火[2]可以使工件表面獲得很高的硬度，但工件內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生任何相變硬化，保證了活塞桿內(nèi)部?jī)?yōu)良的金屬韌性；并且激光淬火得到的硬化層非常均勻，不會(huì)出現(xiàn)活塞桿彎曲變形等情況，所以激光淬火是立式真空泵活塞桿表面硬化的優(yōu)良方法，如圖1所示。

圖1 激光淬火技術(shù)處理活塞桿

3 激光淬火技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 淬火前的表面預(yù)處理

激光淬火的效率取決于工件表面對(duì)于激光能量的吸收。對(duì)于一般加工零件，因?yàn)槠浔砻娲植诙容^小，對(duì)激光的反射率較高，無(wú)法直接進(jìn)行激光淬火。為解決這一問(wèn)題，在進(jìn)行激光淬火前，首先需要對(duì)工件表面進(jìn)行黑化處理，其方法有氧化法、表面粗糙法、噴（刷）涂法、磷化法等。考慮到加工效率和成本，一般磷化法和噴（刷）涂法使用較多。其中磷化法需要借助復(fù)雜的工藝和昂貴的設(shè)備，并且對(duì)環(huán)境有一定污染，所以檢維修企業(yè)一般并不使用。而噴（刷）涂法使用簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于少量工件的處理，并且無(wú)需增加成套設(shè)備，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。根據(jù)這一優(yōu)點(diǎn)，在此次立式真空泵活塞桿改造中，檢修單位決定采用刷涂法。涂料選用青島某公司研發(fā)的炭黑溶劑，使用效果良好，保證了工件對(duì)激光的吸收率。

3.2 掃描方式的設(shè)定

激光淬火的掃描方式[3]分為軸向螺旋掃描和網(wǎng)格掃描兩種方式，它們可通過(guò)激光熱處理成套設(shè)備的數(shù)控軟件來(lái)控制。螺旋掃描得到的淬火帶和非淬火帶以螺旋線的形式緊密纏繞在工件上，網(wǎng)格掃描得到的淬火帶交織形成菱形網(wǎng)格，這種淬火紋路有利于形成均勻的油膜，并且可以避免局部磨損過(guò)大。考慮到這一優(yōu)點(diǎn)，檢修單位采用網(wǎng)格掃描的方式對(duì)活塞桿進(jìn)行激光淬火，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格掃描后的活塞桿表面

3.3 工藝參數(shù)的選定

3.3.1 技術(shù)難點(diǎn)

在對(duì)工件進(jìn)行激光淬火處理前，首先要對(duì)激光熱處理成套設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其中影響淬火效果的參數(shù)有：輸出功率、光斑直徑和掃描速度。在對(duì)工件進(jìn)行激光淬火處理時(shí)，保證淬火品質(zhì)的前提下，應(yīng)讓淬火效率達(dá)到最大。理論上，掃描速度越快、光斑直徑越大則淬火效率越高，但實(shí)際上掃描速度和光斑直徑的大小會(huì)受到輸出功率的制約，因?yàn)榧す鉄崽幚沓商自O(shè)備最大輸出功率在設(shè)備選定后已經(jīng)被確定，不能無(wú)限增大。

在輸出功率選定的情況下，掃描速度越快，則工件表面溫升時(shí)間就會(huì)越短，表面所能達(dá)到的最高溫度就會(huì)越低，造成淬火層變淺，甚至出現(xiàn)無(wú)法淬火；并且光斑直徑的大小也會(huì)影響到工件表面溫升速度的快慢。由此可知激光淬火技術(shù)的難點(diǎn)在于工件表面溫度的控制，溫度的變化由輸出功率、光斑直徑和掃描速度三個(gè)參數(shù)共同決定。此次設(shè)備改造中，檢修人員將采用“控制變量法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找到合適的激光淬火參數(shù)組合。

3.3.2 光斑直徑對(duì)表面淬火硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)中，首先在3Cr13材料制成的短軸上標(biāo)記出0.5m的直線掃描軌跡。將掃描速度定為8mm/s，激光器功率定為1.8kW。激光頭與工件表面的正常工作距離為250-300mm，改變兩者間距離可以改變光斑的直徑，使單位面積上獲得的激光能量發(fā)生改變，從而影響工件表面的溫升速度。為了研究光斑大小對(duì)表面淬火硬度的影響，將激光頭與工件表面之間的工作距離，由250mm按照步長(zhǎng)5mm逐漸增加進(jìn)行掃描。掃描完成后，使用顯微硬度計(jì)測(cè)量相關(guān)測(cè)量點(diǎn)（共11點(diǎn)）的硬度，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同工作距離下的表面淬火硬度

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得圖3：

圖3 工作距離對(duì)淬火硬度的影響

由圖3可知，改變激光頭與工件表面的距離會(huì)對(duì)工件表面的激光淬火硬度造成一定影響。當(dāng)激光頭與工件表面距離在275mm時(shí)，工件表面可以得到最大淬火硬度。

3.3.3 掃描速度對(duì)表面淬火硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)中，將激光器功率定為1.8kW，激光頭與工件表面的工作距離定為275mm。設(shè)備正常的掃描速度為7-12mm/s，將速度由7mm/s按照步長(zhǎng)0.5mm/s逐漸增加進(jìn)行掃描。掃描完成后，使用顯微硬度計(jì)測(cè)量相關(guān)點(diǎn)（共11點(diǎn)）的硬度，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同掃描速度下的表面淬火硬度

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如圖4所示曲線。由圖4可知，激光掃描速度可影響工件表面的淬火硬度。當(dāng)掃描速度控制在8mm/s時(shí)，工件表面可以得到最大淬火硬度；當(dāng)掃描速度大于9.5mm/s時(shí)，工件表面硬度迅速下降，無(wú)法正常完成淬火處理。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選定

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知激光頭與工件表面距離控制在275mm左右，掃描速度控制在8mm/s左右時(shí)，工件表面容易達(dá)到較高淬火硬度，于是可選擇附近相鄰參數(shù)進(jìn)行“組合實(shí)驗(yàn)”。之后再使用線切割將工件切成小塊，通過(guò)顯微硬度計(jì)測(cè)量淬火層厚度及表層硬度，將相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)制表，根據(jù)表格可以選出最佳的激光淬火參數(shù)，對(duì)于平時(shí)生產(chǎn)有較大指導(dǎo)意義，見(jiàn)表4。）

圖4 掃描速度對(duì)淬火硬度的影響

表4 實(shí)驗(yàn)得激光淬火掃描相關(guān)工藝參數(shù)

3.4 輔助冷卻與制造工藝

對(duì)于體積較小、降溫速度慢的工件，可以通過(guò)輔助冷卻手段提高冷卻速度，使其達(dá)到臨界冷卻速度，確保硬化層的厚度與硬度，防止高溫回火。對(duì)于精度要求高的加工件，考慮到淬火后的微小變形，可以提前預(yù)留精加工余量。在對(duì)立式真空泵活塞桿進(jìn)行淬火處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)其尺寸較大，冷卻速度可以達(dá)到要求，表面輕微變形不影響工作情況，檢修單位未進(jìn)行輔助冷卻和預(yù)留精加工余量。

4 總結(jié)

通過(guò)研究激光淬火技術(shù)在立式真空泵活塞桿上的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)激光淬火技術(shù)在工件表面硬化處理上優(yōu)于其它硬化處理方法，此方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)械維修領(lǐng)域[4]。通過(guò)大量試驗(yàn)，檢修人員積累了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為新技術(shù)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1] 金岡 (日) ．激光加工[M]．機(jī)械工業(yè)出版社, 2005．

[2] 王云山, 張興泉等. 曲軸激光淬火工藝[J]. 中國(guó)激光. 2007, (4) : 22-27．

[3] 安代明. 用激光表面淬火提高壓縮機(jī)活塞桿耐磨性能[J]. 設(shè)備管理與維修. 2012 (8) : 28-29．

[4] 王從曾. 激光淬火技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．機(jī)械工人. 2011, (6) : 13-15.