本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法以及高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)機(jī)刀具通常包括刀柄和刀體，刀體的刃口設(shè)有沿刃口方向延伸的凹槽，凹槽內(nèi)鑲有硬質(zhì)合金塊。該結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)機(jī)刀頭在使用過(guò)程中，在遇到隧道中的巖石層或砂礫層等密度較高的土壤時(shí)，刃口鑲嵌的硬質(zhì)合金塊損壞較快，并且由于刀體刃口的磨損量大，很容易使刀體刃口部凹槽內(nèi)的硬質(zhì)合金體脫落，使刀頭的使用壽命縮短。由于刀頭的損耗，導(dǎo)致開(kāi)倉(cāng)換刀次數(shù)增加，開(kāi)倉(cāng)可能導(dǎo)致的塌方等風(fēng)險(xiǎn)不可預(yù)計(jì)。
傳統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)刀頭的強(qiáng)化一般采用對(duì)單一金屬基材進(jìn)行熱處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但很難做到同時(shí)滿(mǎn)足刀頭韌性和耐磨性能的使用要求，長(zhǎng)期以來(lái)，盾構(gòu)刀頭廠家都在韌性和耐磨性能中尋找平衡點(diǎn)，借此延長(zhǎng)刀頭的使用壽命。但效果往往差強(qiáng)人意。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其操作簡(jiǎn)單，使用方便。能夠有效增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)刀頭的韌性和耐磨性，增加盾構(gòu)機(jī)刀頭的使用壽命。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭，其通過(guò)上述盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法強(qiáng)化得到，其具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長(zhǎng)。
本發(fā)明的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其包括：
采用功率為1300～1600w的激光在經(jīng)過(guò)除油除銹處理后的盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆合金粉末。
一種高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭，其采用上述盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法強(qiáng)化得到。
本發(fā)明實(shí)施例的有益效果是：
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用激光在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆合金粉末，從而在盾構(gòu)機(jī)刀頭表面添加高強(qiáng)度合金熔覆層，以提升刀頭性能。該方法操作簡(jiǎn)單方便，通過(guò)該方法強(qiáng)化后的盾構(gòu)機(jī)刀頭的韌性和耐磨性較強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。
本發(fā)明實(shí)施例還提供一種高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭，其通過(guò)上述盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法強(qiáng)化得到。該高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長(zhǎng)。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對(duì)范圍的限定，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所提供的盾構(gòu)機(jī)刀頭的示意圖。
圖標(biāo)：100-盾構(gòu)機(jī)刀頭；101-刃口；102-刀刃凹槽鑲塊。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。實(shí)施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過(guò)市售購(gòu)買(mǎi)獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法以及高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭進(jìn)行具體說(shuō)明。
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其包括：
采用功率為1300～1600w的激光在經(jīng)過(guò)除油除銹處理后的盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆合金粉末。
激光熔覆技術(shù)是通過(guò)金屬合金或其它類(lèi)型材料在基材上沉積，來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層和基材間的冶金結(jié)合一種技術(shù)，通過(guò)該方法可以在基材表面形成無(wú)孔、晶粒細(xì)小的顯微組織以及良好機(jī)械性能的熔覆層。在形成熔覆層的過(guò)程中，熔覆層的合金成分、光斑直徑、激光功率、掃描速度等多種工藝參數(shù)均影響著最終成型的熔覆層的微觀組織和宏觀質(zhì)量。
在本發(fā)明實(shí)施例中，合金粉末包括鎳基碳化鎢合金粉末或鎳基碳化鈦合金粉末。碳化鎢是碳和鎢反應(yīng)的生成物，而碳化鈦則是碳和鈦反應(yīng)的產(chǎn)物，它們二者均具有耐磨性強(qiáng)、硬度高而脆的特點(diǎn)。作為合金粉末中的硬質(zhì)相，還需要添加一種軟的金屬來(lái)作為粘結(jié)劑。這種用作粘合劑的金屬可以是鈷基合金、鎳基合金、鐵基合金、銅基合金中的一種。在本發(fā)明中，采用鎳基合金作為粘結(jié)劑，鎳基合金是由鎳中加入適量的硼、硅和其它元素組成的合金，具有溫度在1000℃左右的液相狀態(tài)，硬度在hrc25～hrc65之間調(diào)節(jié)。本發(fā)明中優(yōu)選采用ni60作為粘結(jié)金屬，其具有60hrc左右的硬度。通過(guò)摻入碳化鎢或碳化鈦，可以將合金粉末的整體硬度提升至≥65hrc。進(jìn)一步地，合金粉末優(yōu)選為鎳基碳化鎢合金粉末，其中，碳化鎢的含量≥50％。包括50％t-ni60a+50％wc，40％t-ni60a+60％wc和30％t-ni60a+70％wc等，采用該鎳基碳化鎢合金粉末得到的熔覆層與基材之間的結(jié)合效果好，具有較好的硬度和耐磨性能。
在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆合金粉末時(shí)，控制激光光源移動(dòng)掃描，并通過(guò)送粉噴嘴將合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。本發(fā)明實(shí)施例中，在激光增材強(qiáng)化時(shí)設(shè)置激光功率為1300～1600w，確保功率密度達(dá)到合金粉末熔融閾值。實(shí)際作業(yè)中，可采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，同時(shí)，利用機(jī)械臂控制激光光源移動(dòng)，通過(guò)送粉噴嘴將硬質(zhì)合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。盾構(gòu)機(jī)刀頭通過(guò)工裝進(jìn)行夾持，以提高刀具強(qiáng)化重復(fù)固定精度。激光在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面形成有激光光斑，激光光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡保持在刀刃凹槽鑲塊、刃口及其他工作接觸部位勻速運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明實(shí)施例中，激光光源在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面形成的激光光斑為矩形光斑，矩形光斑在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面進(jìn)行單道掃描，以保證涂覆效率以及涂覆的精度。例如，可以采用6mm*2mm的積分鏡，是激光光斑轉(zhuǎn)化為矩形光斑，激光焦距設(shè)置為200mm，離焦量為+10mm。同時(shí)，矩形光斑的橫向移動(dòng)距離小于等于矩形光斑長(zhǎng)度的50％，以保證涂覆層表面平整度。
激光涂覆過(guò)程中，激光光源的掃描速度為150～200mm/min，送粉噴嘴輸送合金粉末的流量為30～60g/min，以保證熔覆層的厚度均勻而適宜，在涂覆層不出現(xiàn)裂紋的情況下使表面硬度最大化。優(yōu)選地，合金粉末采用粒度為45～110μm的細(xì)粉。發(fā)明人經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)發(fā)現(xiàn)，采用該粒度范圍的合金粉末，在上述涂覆參數(shù)下，熔融的效率較高，與基材的結(jié)合效果較好，得到的涂覆層致密而均勻，強(qiáng)度較好。
進(jìn)一步地，合金粉末在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆的單層厚度為2～5mm。發(fā)明人經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)發(fā)現(xiàn)，涂覆層厚度在該范圍內(nèi)時(shí)，與基材的結(jié)合效果較好，無(wú)脫落，無(wú)裂痕，且擁有較好的強(qiáng)度。
盾構(gòu)機(jī)刀頭在進(jìn)行激光熔覆之前，需要對(duì)其進(jìn)行除油除銹處理，除油除銹處理可以提高基材表面硬度，減小基材與待涂覆合金粉末間硬度梯度差，使涂覆層與基材之間結(jié)合更好，防止熔覆層表面裂紋產(chǎn)生，甚至脫落的情況。優(yōu)選地，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭進(jìn)行除油除銹的具體方式為激光脈沖清洗，其中，激光脈沖的寬度為60～100ns，頻率為5～20khz，單脈沖能量為10～20mj，掃描速度為150～300mm/min。發(fā)明人經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)發(fā)現(xiàn)，在該參數(shù)條件下對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭進(jìn)行除油除銹處理的效果較佳，處理后的基材表面與合金粉末的硬度差距小，結(jié)合較好。
本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭，其采用上述盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法強(qiáng)化得到。該高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長(zhǎng)。
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特征和性能作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進(jìn)行強(qiáng)化，合金粉末的化學(xué)成分為40％t-ni60a+60％wc，合金粉末的粒度為45μm，盾構(gòu)機(jī)刀頭的形狀如圖1所示，其具體步驟如下：
s1.采用采用yag脈沖激光器對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭100的表面進(jìn)行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度60ns，頻率5khz，單脈沖能量10mj，掃描速度150mm/min。
s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機(jī)械臂控制激光光源在刃口101與刀刃凹槽鑲塊102的表面做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)送粉噴嘴將硬質(zhì)合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。
其中，工作時(shí)設(shè)置激光功率為1300w，激光掃描速度為150mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點(diǎn)光斑轉(zhuǎn)換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動(dòng)距離為光斑長(zhǎng)度的50％，合金粉末流量為60g/min。
s3.刀頭表面強(qiáng)化完成后，檢查合金厚度。并調(diào)整動(dòng)機(jī)械臂，重復(fù)步驟s2，直到熔覆層厚度達(dá)到4mm。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進(jìn)行強(qiáng)化，合金粉末的化學(xué)成分為50％t-ni60a+50％wc，合金粉末的粒度為80μm，其具體步驟如下：
s1.采用采用yag脈沖激光器對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面進(jìn)行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度100ns，頻率15khz，單脈沖能量20mj，掃描速度250mm/min。
s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機(jī)械臂控制激光光源盾構(gòu)機(jī)的表面做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)送粉噴嘴將硬質(zhì)合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。
其中，工作時(shí)設(shè)置激光功率為1300w，激光掃描速度為250mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點(diǎn)光斑轉(zhuǎn)換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動(dòng)距離為光斑長(zhǎng)度的40％，合金粉末流量為45g/min。
s3.刀頭表面強(qiáng)化完成后，檢查合金厚度。并調(diào)整動(dòng)機(jī)械臂，重復(fù)步驟s2，直到熔覆層厚度達(dá)到5mm。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進(jìn)行強(qiáng)化，合金粉末的化學(xué)成分為30％t-ni60a+70％wc，合金粉末的粒度為110μm，其具體步驟如下：
s1.采用采用yag脈沖激光器對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面進(jìn)行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度100ns，頻率20khz，單脈沖能量15mj，掃描速度300mm/min。
s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機(jī)械臂控制激光光源盾構(gòu)機(jī)的表面做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)送粉噴嘴將硬質(zhì)合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。
其中，工作時(shí)設(shè)置激光功率為1500w，激光掃描速度為300mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點(diǎn)光斑轉(zhuǎn)換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動(dòng)距離為光斑長(zhǎng)度的45％，合金粉末流量為30g/min。
s3.刀頭表面強(qiáng)化完成后，檢查合金厚度。并調(diào)整動(dòng)機(jī)械臂，重復(fù)步驟s2，直到熔覆層厚度達(dá)到2mm。
實(shí)施例4
本實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用鎳基碳化鎢合金粉末進(jìn)行強(qiáng)化，合金粉末的化學(xué)成分為40％t-ni60a+60％tic，合金粉末的粒度為80μm，其具體步驟如下：
s1.采用采用yag脈沖激光器對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面進(jìn)行除油除銹處理，其中，激光的脈沖寬度60ns，頻率20khz，單脈沖能量20mj，掃描速度200mm/min。
s2.利用工裝夾具固定刀頭，采用輸出功率為3000w的光纖激光器作為加工熱源，利用機(jī)械臂控制激光光源盾構(gòu)機(jī)的表面做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)送粉噴嘴將硬質(zhì)合金粉末送至激光焦點(diǎn)處。
其中，工作時(shí)設(shè)置激光功率為1600w，激光掃描速度為200mm/min。采用6mm*2mm積分鏡，使激光點(diǎn)光斑轉(zhuǎn)換為矩形光斑，，激光焦距為200mm，離焦量為+10mm，單道橫向移動(dòng)距離為光斑長(zhǎng)度的50％，合金粉末流量為40g/min。
s3.刀頭表面強(qiáng)化完成后，檢查合金厚度。并調(diào)整動(dòng)機(jī)械臂，重復(fù)步驟s2，直到熔覆層厚度達(dá)到4mm。
試驗(yàn)例
采用金相切割機(jī)從實(shí)施例1～4中強(qiáng)化后的盾構(gòu)機(jī)刀頭上取部分試驗(yàn)樣品，并對(duì)其硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的具體方法如下：
1.將試驗(yàn)樣品進(jìn)行打磨拋光，用無(wú)水乙醇對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行清洗并吹干。在dhv-1000z型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)下測(cè)量其硬度，在熔覆層-結(jié)合面-基材上依次選取10個(gè)點(diǎn)為一組，通過(guò)硬度計(jì)測(cè)量3組壓痕數(shù)值，計(jì)算基材、熔覆層硬度平均值，測(cè)量結(jié)果如表1所示；
2.觀察實(shí)驗(yàn)樣品表面，記錄其表面熔覆層有無(wú)脫落情況，觀察結(jié)果如表1所示；
3.采用化學(xué)探傷法，測(cè)試熔覆層有無(wú)裂痕，測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1試驗(yàn)樣品硬度測(cè)試結(jié)果
由表1可以看出，通過(guò)實(shí)施例1～4所采用的盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法進(jìn)行強(qiáng)化后，觀察其表面熔覆層無(wú)脫落情況，化學(xué)探傷后無(wú)裂紋。熔覆層顯微硬度與基材相比提高了2倍左右，用此方法加工生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)刀頭與傳統(tǒng)刀頭相比性能有很大提高。
綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法，其采用激光在盾構(gòu)機(jī)刀頭的表面熔覆合金粉末，從而在盾構(gòu)機(jī)刀頭表面添加高強(qiáng)度合金熔覆層，以提升刀頭性能。該方法操作簡(jiǎn)單方便，通過(guò)該方法強(qiáng)化后的盾構(gòu)機(jī)刀頭的韌性和耐磨性較強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。
本發(fā)明實(shí)施例還提供一種高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭，其通過(guò)上述盾構(gòu)機(jī)刀頭的強(qiáng)化方法強(qiáng)化得到。該高強(qiáng)度盾構(gòu)機(jī)刀頭具有較好的韌性和耐磨性，可以避免刀頭的頻繁更換，使用壽命更長(zhǎng)。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。