大功率低速柴油機活塞桿桿身激光淬火應用研究

胡新成，方 磊

（上海中船三井造船柴油機有限公司，上海 201306）

0 引 言

活塞桿為船用低速柴油機最重要運動部件之一，其桿身處于長時間高速往復運動工況中，因此外圓表面需要進行淬硬處理。目前國內外通常采用中頻表面淬火工藝，但此工藝占用場地大，污染環(huán)境，耗能高，生產效率低。本文結合目前船舶柴油機廠加工生產條件，對各種金屬表面處理技術進行篩選，尋求一種新的熱處理替代方法，其中金屬表面激光淬火技術成為應用研究的對象。

激光淬火是激光表面處理中技術最成熟、應用最廣泛的一種方法，它具有節(jié)能、高效、精密、高性能等獨特優(yōu)點[1]。該方法與目前采用的中頻淬火方法比較，激光淬火表面硬度比較接近，但有效硬化層深度偏低。與離子氮化方法比較，其表面硬度及有效硬化層深度比較接近，且可調整工藝參數，較少有激光淬火后零件的表面燒損，零件可在激光淬火精磨后直接使用，減少加工工序，降低生產成本。采用MAN B&W型船用大型低速柴油機S30H和S30Mn材質的活塞桿桿身作為試件，用6kW功率的激光模塊進行激光淬火試驗。

1 激光淬火

對于激光淬火來說，自然條件下為圓形光斑。設激光能量與同等能量密度的光斑面積的比例系數為γ[2]：

式中：P——激光能量；γ——激光光斑面積的比例系數；S——激光光斑面積。

由下面公式可以看出，同等能量的激光光斑，尺寸為圓形的掃描效率最低：

式中：R——激光光斑半徑；A——矩形光斑長邊；B——矩形光斑短邊。

假設A = B ，則 A =B = 1.77R ＞ R。即，圓形光斑變?yōu)檎叫喂獍?，效率將至少提?7%，而當A＞B，即變?yōu)殚L方形光斑時，長邊A將比R更大，即可相應提高光斑掃描效率。

工業(yè)上采用積分鏡，將激發(fā)的圓形光斑轉變?yōu)榫匦喂獍?，以長邊為掃描寬度，盡量提高掃描效率[3]。

2 S30H激光淬火試驗

2.1 試塊激光淬火區(qū)域

試驗采用相應積分鏡，矩形光斑尺寸為15mm×2.5mm，焦距 300mm，搭接寬度（兩條激光淬火路線間隔距離）12mm。試驗中保持這些參數不變，通過改變激光移動速度，來觀察對激光淬火性能的影響。

在一個圓環(huán)形試塊內圈，均勻分布5塊區(qū)域進行激光淬火試驗。每塊區(qū)域尺寸為80mm×36mm，見圖1。試驗不變量：矩形光斑尺寸15mm×2.5mm，焦距300mm，搭接寬度12mm。試驗變量：光斑移動速度——掃描速度。

2.2 激光淬火各淬硬區(qū)域分布

各淬硬區(qū)域分布見圖2。

圖1 圓環(huán)形試塊

圖2 激光淬火各種淬硬區(qū)域分布

2.3 激光移動速度

激光移動速度試驗結果見表1。

表1 激光移動速度對淬火性能的影響

試驗結果顯示，隨著速度減慢，硬化層厚度增加，表面不平整加劇。金相檢測顯示：熔凝區(qū)硬度約550HV0.2，完全相變區(qū)硬度為 450～600HV0.2，完全相變區(qū)邊緣為 351～450HV0.2，過渡區(qū)硬度為247～325HV0.2（基體硬度 175～190HV0.2），過渡區(qū)厚度約為相變區(qū)厚度的 40%～50%。所以硬度超過350HV0.2的區(qū)域為熔凝區(qū)和完全相變區(qū)。

2.4 搭接區(qū)

激光淬火最危險的區(qū)域為兩條淬火帶之間區(qū)域，為了研究不同的搭接寬度對搭接區(qū)（軟帶）淬火性能的影響，進行了如下3組試驗，見表2。

表2 不同搭接寬度的淬火性能

結果顯示：由于活塞桿要求淬火的面積比較大，再加上光斑限制，光斑需重復掃描才能完成活塞桿表面淬火，故掃描路徑搭接區(qū)域由于重復掃描產生自回火效應，導致搭接區(qū)域產生軟化帶。

如：位移量15mm，無搭接，兩月牙間隙硬度較低（351～247HV0.2）；位移12mm、9mm的結果顯示搭接區(qū)大小對軟帶的寬度和硬度影響不大，寬度都為1.5mm左右、極度軟點硬度：0.2mm深度、0.6mm深度都為247HV0.2、1.0mm深度為193 HV0.2（基體硬度180～190 HV0.2）。

由此可見，搭接區(qū)的表面硬度比其他區(qū)域的表面硬度低100HV左右；搭接區(qū)的有效淬硬層淺，甚至在除去表面溶化層后沒有有效淬硬層。

3 S30Mn激光淬火試驗

3.1 激光移動速度

激光移動速度試驗結果見表3。

表3 激光移動速度對淬火性能的影響

試驗結果顯示隨著移動速度減慢，硬化層厚度增加，表面不平整加劇。金相檢測顯示：

1) 激光淬火速度100mm/min的熔凝區(qū)硬度約為550HV0.2；完全相變區(qū)硬度為450～600HV0.2（距表面0.8mm區(qū)域），過渡區(qū)硬度為282.2～412.1HV0.2（距表面1.5mm區(qū)域）。

2) 激光淬火速度300mm/min的熔凝區(qū)硬度約為550HV0.2；完全相變區(qū)硬度為450～600HV0.2（距表面0.6mm區(qū)域），過渡區(qū)硬度為302.8～412.1HV0.2（距表面1.3mm區(qū)域）。

3.2 搭接區(qū)

為了研究不同的搭接寬度對搭接區(qū)（軟帶）的影響，進行了如下兩組試驗，見表4。

表4 試驗數據表

初步結果顯示：同樣由于搭接區(qū)重復掃描，產生自回火效應，導致軟帶。100mm/min激光淬火的檢測結果顯示，位移量對搭接區(qū)大小影響不大，但對硬度略有影響。位移 12mm、9mm 的“軟帶”寬度都為0.7～1.0mm，極度軟點硬度：0.2mm深度為351 HV0.2、0.6mm深度為282HV0.2（小于351 HV0.2的軟帶寬度約0.4mm）；位移12mm，極度軟點硬度：0.2mm深度為302 HV0.2（低于351 HV0.2的區(qū)域小于0.4mm）、0.6mm深度為263.7HV0.2（低于351 HV0.2的軟帶寬度約0.8mm）；位移9mm的“軟帶”寬度都為1.0mm左右，極度軟點硬度：0.2mm深度為325.6 HV0.2（低于351 HV0.2的小于0.4mm）、0.6mm深度為282HV0.2（低于351 HV0.2的軟帶寬度約0.8mm）。

4 結 語

1) 隨著激光移動速度的降低，激光淬火表面硬度、淬硬層深度和表面熔化層厚度增加，同時表面不平整度也增加。

2) 激光淬火間隔寬度對搭接區(qū)（軟帶）寬度有影響，但是影響不大。受激光設備的限制，目前無法消除軟帶區(qū)域。

3) 與S30H材料相比，S30Mn材料激光淬火性能更好，淬火硬度和淬硬層深度均有部分提高。

4) 對目前船用柴油機活塞桿兩種材質的試驗結果表明，激光淬火兩條淬火帶之間均有1mm左右區(qū)域的淬火硬度與淬硬層深度較低，淬火性能差。這是激光淬火工藝本身所致，無法從根本上消除。

5) 軸類零件激光淬火時，工件表面將產生一條連續(xù)的螺旋狀淬火軟帶區(qū)。在使用過程中，軟帶區(qū)容易磨損形成裂紋源，導致失效。因此采用桿身表面淬火，必須先解決激光淬火大面積淬火搭接區(qū)域軟帶的問題。

[1] 張遼遠. 現代加工技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 宋威廉. 激光加工技術的發(fā)展[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3] 孟永剛. 激光加工技術[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.