專利名稱：激光包覆用的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及一種激光包覆的方法，尤其涉及一種利用激光包覆工藝制造閥座的方法。
背景技術：
在內燃機中，鋁或鋁合金常用作許多主要發(fā)動機鑄件如汽缸蓋的材料。但是，當汽缸蓋用鋁或鋁合金制成時，汽缸蓋的某些部件卻用不同的材料制成，以提高發(fā)動機的壽命。例如，設置閥座，在該處使進氣閥或排氣閥的閥面接合汽缸蓋主體。因為重復地嚙合進氣閥或排氣閥并經受高溫，所以閥座用更硬的材料如鐵或鐵族鐵合金制成，以提高閥座壽命。
用于鋁合金發(fā)動機蓋的閥座插入件用于增強在高溫和震動下受閥連續(xù)沖擊的閥座區(qū)域已有一些時候了。這些插入件通常用鐵或鎳基金屬粉末壓制品制成，以承受在這些用途下經受的熱量、應力和沖擊負荷。這些插入件壓配合或冷縮配合在汽缸蓋座支承件的預先機加工的凹處中。雖然這些插入件增強了耐磨性能使其超過母體鋁，但它們由于限制熱量從閥流入汽缸蓋而最終流入冷卻套，因此可能限制了發(fā)動機燃燒參數(shù)。溫度的升高可能來自于兩方面。首先，在插入件和汽缸蓋的母體金屬支承件之間可能有大至50～150微米的間隙；這些間隙阻礙在燃燒期間通過汽缸蓋將熱量從閥座有效地排出，因此升高了與這些閥座接觸的閥的溫度。其次，插入件需要有顯著的厚度，以保證機械安裝期間有充分的剛性；此種厚度有助于熱阻抗，從而限制從閥產生的熱傳導。因此，常常改變發(fā)動機操作參數(shù)，以防止閥受到極端溫度，例如通過限制火花提前角度程度和/或壓縮比，由此限制可以利用的功率和轉矩。此外，閥座插入件的顯著厚度限制閥的尺寸，從而限制了有用的功率和轉矩。
激光包覆已用于減小由金屬插入物產生的熱屏障和尺寸障礙。激光包覆通常包括通過用汽缸蓋的鋁基材料稀釋而安置在閥座區(qū)中的預置的或同時進料的硬面合金的粉末或絲材。激光包覆可以降低多達150°F的閥操作溫度。其次，激光包覆允許加大發(fā)動機空氣流量因而提高峰值功率的較大直徑的閥座。
在一種已知的方法中，激光包覆用于在一鋁汽缸蓋上沉積銅基材料如銅合金粉，以形成一個其中包覆材料與母體材料混合(即稀釋)的閥座，來替代傳統(tǒng)的閥座插入件。但是，激光包覆將顯著量的熱量引入閥座支承區(qū)中，這可以顯著地改變汽缸蓋的下面的鋁合金的冶金學性能。沉積物的品質決定于激光的功率調整和為包覆工藝選擇的進料速率，以及在完成包覆后材料的冷卻。例如，當激光裝置用于包覆一閥座時，兩種材料之間稀釋的結果是不均勻的。這種不均勻性是由因存在冷卻套、火花塞孔和閥座附近的汽缸蓋的通常變化的構型而產生的閥座周圍的可變的材料厚度而引起的。閥座周圍的稀釋變化是不希望有的，它會導致過早的破裂。
更具體地說，當激光束的熱量過大時，很多鋁合金基的金屬被熔化而銅基合金粉末被稀釋，使得包層金屬變成一種又硬又脆的合金成分。當從激光束的熱輸入量缺乏時，該銅合金粉末就不會充分地熔融到鋁基金屬中。
因此，需要一種改進的方法和系統(tǒng)來利用一種激光包覆工藝制造閥座，該方法和系統(tǒng)計算出圍繞該閥座的汽缸蓋的可變材料厚度。
發(fā)明概述此處公開的是一種用于激光包覆的方法。該方法包括確定一個襯底的材料厚度的變化和根據襯底材料厚度的變化而改變激光的強度。
本發(fā)明也公開一種提供襯底上包覆的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個用于測定襯底的材料厚度變化的機構、一個用于向計算機程序提供該襯底的材料厚度變化的計算參數(shù)的機構和一個根據襯底材料厚度變化的確定而改變激光強度的機構。
本發(fā)明還公開了另一種用于在襯底上提供一種包覆的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一臺具有模擬機構的計算機，該機構對該襯底進行三維(3D)模擬，來確定襯底的第一和第二靶位置之間的材料厚度變化，該計算機包括處理機構，能預測襯底的材料厚度變化的趨勢。
上述和其它特點將通過下面的附圖和詳述而舉例示范。
附圖簡述現(xiàn)在參照作為示范實施例的附圖，圖中相同的部件用相同的標號


圖1是一種帶有四個燃燒室的發(fā)動機汽缸蓋裝置的透視圖，每個燃燒室有一進氣閥座、一排氣閥座和一其間的火花塞孔；圖2是一種與圖1的汽缸蓋頭和一臺按照一個示范實施例的計算機在操作上連通的激光包覆系統(tǒng)的示意圖；圖3是按照一個示范的實施例的包括圖2的汽缸蓋裝置的用于激光包覆的方法的流程圖；圖4是用一種模擬系統(tǒng)繪制的圖1的第二燃燒室的透視截面圖，該圖例示激光包覆的閥座附近的材料厚度變化；圖5是用該模擬系統(tǒng)繪制的圖4的燃燒室的部分放大截面圖，該圖例示按照一個示范實施例的一個用于計算一與其對應的參數(shù)的徑向部分部分；圖6是燃燒室的另一模擬系統(tǒng)圖，例示72個徑向部分或者對閥座的每5徑向度繪制一個徑向部分，用于由計算機計算其參數(shù)；圖7是一種標繪一系列接連的徑向部分中每個徑向部分的表面積相對于其徑向位置的曲線圖，用以例示相對于進氣和排氣閥座面積兩者的汽缸蓋的材料厚度變化的趨勢；以及圖8是一種標繪一系列接連的徑向部分中每個徑向部分的體積相對于其徑向位置的曲線圖，用以例示相對于進氣和排氣閥面積兩者的汽缸蓋的材料厚度變化的趨勢。
優(yōu)選實施例詳述此處使用的短語“激光包覆工藝”指粉末或金屬混合物的激光沉積工藝，其中，單獨一層或多層材料用激光熔融金屬混合物和襯底而沉積在襯底上，從而將這些材料稀釋在一起。短語“包層”指襯底上的沉積層。制造包層的工藝稱為“包覆”，當包層的厚度很小而該工藝用于以另一材料來涂敷或稀釋該襯底的表面時，也同義地稱為“涂敷”。
圖1例示一個發(fā)動機汽缸蓋裝置10，其間形成了四個燃燒室12。每個室12顯示預先機加工的凹部，用于進氣閥座14和排氣閥座16的包覆沉積，帶有一個用于可螺紋結合地裝入一火花塞(未示出)的小孔18。如圖所示，發(fā)動機汽缸蓋裝置10是一個鋁基蓋；但是，也可考慮其它金屬和合金基的材料。
如圖2中所示，按照本發(fā)明的一個示范實施例，將一束高能量密度的激光束聚焦在一個特定的金屬面積上，以便將一種粉末金屬混合物包覆在一母體材料上，使得能完成與母體材料(如燃燒室12)一體的閥座的制造。也就是，激光束被導向母體材料的閥座位置20而受控的粉末金屬混合物流受該激光束的加熱。激光的熱量使基底材料和粉末金屬混合物熔融，形成一種熔融的金屬結合物。在一示范的實施例中，該激光可以是一種連續(xù)波(CW)激光或脈沖激光束激光。
仍然參照圖2，在一種進行激光包覆的例示工藝中，供應裝置24用于儲存粉末金屬混合物并將其供應到閥座目標位置20上，而一個用于將屏蔽氣體供應到粉末金屬混合物的噴嘴(未示出)被噴射到該閥座的目標位置上。該工藝中也使用一個產生激光束28的激光束源26和一個激光束振蕩器30，后者用透鏡32將從激光束源26發(fā)射的激光束28聚焦于供應到閥座目標位置20上的總的用28表示的粉末金屬混合物上。
總的參照圖1和2，一種制造閥座的方法包括在汽缸蓋材料或金屬襯底(如燃燒室12)中預先機加工一個“凹部”，在對應于將形成閥座的汽缸蓋材料的面積上形成閥座靶位置20，除去在制成的閥座目標位置20上形成的氧化膜，并將粉末金屬混合物38噴射在閥座目標位置20上，且將激光束28引到粉末金屬混合物上。雖然在鑄件中預先機加工該凹部被描述為在其上面形成閥座靶位置的結構的來源，但該技術的普通專業(yè)人員會理解，也可以采用其它已知工藝來提供一種合適的結構或襯底。
現(xiàn)在參照圖3，一種用于按照本發(fā)明的示范實施例制造閥座的方法還包括在方框40中確定鄰近待激光包覆面積的襯底材料厚度的變化。在方框42中，在金屬混合物上照射激光束以包覆襯底上的金屬混合物。在方框44中，該激光束的強度根據方框42中襯底材料厚度變化的確定而改變。以這種方式，只要在靶位置處在金屬混合物和襯底之間均勻地稀釋，該靶位置附近的襯底材料厚度變化的確定用于調節(jié)激光強度。更確切地說，該激光被調節(jié)到按照對應于該靶位置的直接焊接部位附近的材料厚度而改變激光強度。
詳細地參照圖4，一臺可以與激光器或激光束源26操作上連通的計算機50(圖2)包括一個按三維來模擬汽缸蓋12的模擬機構，以確定每個閥座14和16附近的汽缸蓋12的材料厚度的變化。該模擬機構包括一個計算機輔助設計系統(tǒng)，后者包括描畫待制造的部件。在一個示范的實施例中，該模擬機構包括CAD/CAM軟件，其構型做成確定被照射的汽缸蓋12的面積中的材料厚度變化。計算機50包括處理機構，其構型做成預測襯底材料厚度的變化趨勢，如下面相對于圖7和8更充分地討論的。計算機50與激光器26接口(如圖2中用線52表示)，以便根據襯底材料厚度變化的確定而改變激光束的強度。計算機50可以包括一臺控制器(未示出)，用于與激光器26的這樣一種接口。其次，該控制器可以包括用于調整該激光器的電路。
圖4例示，圍繞每個預先機加工的閥座面積14和16的徑向區(qū)段或部分的材料厚度由于火花塞孔18和冷卻套56的存在而變化，同時例示燃燒室12的大體構型。例如，閥座14附近的第一區(qū)58處的截面積不同于閥座16附近的第二區(qū)60處的截面積。圖5例示進氣閥閥座區(qū)14的徑向部分70。相關技術的專業(yè)人員可以認識到，如果徑向部分或區(qū)段具有基本上相同的厚度76，那么徑向部分70包括一個用72表示的截面表面積和一個正比于面積72的相應的體積量。
現(xiàn)在參照圖6，圖中例示燃燒室12的兩個預先機加工的進氣閥座14和排氣閥座16的三維圖形。在一個示范的實施例中，計算機50包括CAD/CAM軟件，其構型做成將每個閥座14和16橫截成徑向截面70，并用徑向位置74表示每個截面，如圖5中所示?？梢哉J識到，圖5中所示的徑向截面70對應于圖6中所示的相對于預先機加工的進氣閥座14的約徑向180度的徑向位置。更確切地說，該CAD/CAM軟件或其它模擬機構將每個閥座14和16橫截為徑向區(qū)段，從而預測圍繞每個閥座14和16的材料厚度的變化趨勢。以這種方式，計算機50能夠計算一個用于每一徑向區(qū)段70的參數(shù)，該參數(shù)反映一個應當施加到每一徑向區(qū)段70上以便在該包層和基底材料之間提供均勻的稀釋的激光功率強度。圖6例示，徑向區(qū)段是按每五徑向度截取的，因此，對于每個被計算而提供在一系列限定每個閥座14和16的接連的徑向區(qū)段70中的材料厚度變化趨勢的每個閥座14、16，示出72個區(qū)段(也即360徑向度/5徑向度每區(qū)段＝72徑向區(qū)段)。相關技術的專業(yè)人員可以理解，每個閥座14和16可以用其它方式橫截，包括(例如)具有特定厚度的區(qū)段。在這種情況下，可以設想，區(qū)段70可以是約8mm～約15mm厚。
在一個參照圖6和7的例子中，在100處例示一個對于每個閥座14、16的表面積72對接連的徑向區(qū)段70的徑向位置74的曲線圖。實線102表示對應于進氣閥座14的變化厚度的表面積的一覽圖，而虛線104表示對應于排氣閥座16的變化厚度的表面積的一覽圖?？梢宰⒁獾?，鄰近零度和360度處出現(xiàn)每個閥座的較薄的區(qū)段，這對應于一個在該處預先機加工的閥座14和16之間的距離最小的位置。還應注意到，在180徑向度的徑向位置附近，每個預先機加工的閥座表面積處在其最大值，例外的是在約30和330徑向度處，后兩處對應于因閥座14和16之間空間最大而產生的汽缸蓋12的材料累積。
利用圖7中關于一系列接連的徑向區(qū)段70的計算的表面積72所反映的信息，能反映出有關每個預先機加工的閥座14、16的材料厚度的變化趨勢。因此，通過在具有對應于較厚區(qū)域的增大的表面積72的徑向區(qū)段70處增大激光強度而在具有對應于較薄區(qū)域的減小的表面積的徑向區(qū)段70處減小激光強度，就可以用該信息來調整激光強度。以這種方式，將產生兩種材料之間的均勻稀釋，從而改善一個激光包覆的閥座的強度和壽命。
在另一參照圖6和8的例子中，在200處例示一個對應于每個預先機加工的閥座14、16的體積相對于接連的徑向區(qū)段70的曲線圖。實線202表示對應于預先機加工的進氣閥座14的變化厚度的體積的一覽圖，而虛線204表示對應于排氣閥座16的變化厚度的體積的一覽圖。再一次，像在表面積72的曲線圖中一樣，可以注意到，鄰近零度和360度處出現(xiàn)每個閥座的較薄的區(qū)段，這對應于一個在該處閥座14和16之間的距離最小的位置。還應注意到，在180徑向度的徑向位置附近，每個閥座的表面積處在其最大值，例外的是在約30和330徑向度處，后兩處對應于因預先機加工的閥座14和16之間更大的空間由于其間的隔開而變成可以利用所產生的燃燒室12的材料累積。
利用圖8中關于一系列接連的徑向區(qū)段70的計算的體積所反映的信息，能反映出有關每個預先機加工的閥座14、16的材料厚度的變化趨勢。因此，通過在具有對應于較厚區(qū)域的增大的體積的徑向區(qū)段70處增大激光強度而在具有對應于較薄區(qū)域的減小的體積的徑向區(qū)段70處減小激光強度，就可以用該信息來調整激光強度。以這種方式，將產生兩種材料之間的均勻稀釋，從而改善一個激光包覆的閥座的強度和壽命。
現(xiàn)在參照圖7和8，可以注意到，對每個徑向區(qū)段70的表面積72或體積的計算的參數(shù)提供一種確定相對于每個預先機加工的閥座14、16的變化的材料厚度的數(shù)據中的相似趨勢。這些參數(shù)也能夠確定一個激光束28開始參照圖6～8的過程的最終起始點。更具體地說，在一個示范的實施例中，激光束28的功率強度可以在居于預先機加工的閥座凹部14和16之間的零徑向度位置處從低處開始。然后，當激光束圍繞進氣閥座14而行進時，激光束28的功率密度可以升高功率而在越過對應于零度位置的360度位置之前在約30、180和330徑向度位置處達到最大值。歸因于兩種閥構型，當激光束28以關于在相對于預先機加工的閥座凹部14的上述相應的徑向位置處的激光功率強度的相似方式完成用于排氣閥座16的包覆工藝時，激光束28可以以“8”字圖形行進經過汽缸蓋。
利用這樣一種激光包覆工藝來包覆該閥座靶位置20，閥座的制造就相當容易。例如，由于改善了閥座的抗磨性能，在設計期間，閥座的直徑和接觸該閥座的閥的直徑可以更自由地變化。同時，通過降低閥座的溫度，可以提高壓縮比和降低燃料消耗。其次，通過提高生產率而降低了制造費用，通過消除稀釋中的變化而減少了壽命試驗期間的過早破裂。
在利用上述本發(fā)明的激光包覆工藝制造閥座的方法和系統(tǒng)中，激光束的高能密度性能被應用于制造閥座，使得母體材料和包覆層之間的熔融強度增大，制成的閥座能夠經受高溫和高度耐磨，從而提高發(fā)動機的總壽命。但是，應當認識到，雖然已經參考一個汽缸蓋的閥座而描述了用于激光包覆的示范實施例，但上述用于激光包覆的方法和系統(tǒng)也能用于帶有任何適合于所要最終目的襯底的金屬混合物的激光包覆。
雖然已參考一個示范實施例而描述了本發(fā)明，但該技術的專業(yè)人員將會理解，可以進行各種變化和可以用等同部件替代其部件而并不偏離本發(fā)明的范圍。此外，按照本發(fā)明可以進行許多修改來適應特定的狀況或材料而并不偏離其基本范圍。因此，預期本發(fā)明不限于作為完成本發(fā)明而考慮的最好方式所公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附的權利要求書范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種激光包覆的方法，該方法包括確定襯底的材料厚度變化；以及根據該襯底材料厚度變化的確定而在激光包覆期間改變激光強度。
2.權利要求1的方法，其特征在于，該襯底材料厚度變化的確定包括計算指示第一靶位置和第二靶位置之間的相對材料厚度的參數(shù)。
3.權利要求2的方法，其特征在于，這些被計算的參數(shù)被用來調整激光強度而在金屬混合物與第一和第二靶位置處的襯底之間提供均勻的稀釋。
4.權利要求3的方法，其特征在于，這些被計算的參數(shù)被用來確定在該襯底上分別起動和結束該包覆工藝的開始點和停止點中的至少一個。
5.權利要求2的方法，其特征在于，這些計算參數(shù)包括計算對應于第一和第二靶位置中每個的表面積和體積中的至少一個。
6.權利要求5的方法，其特征在于，該計算對應于第一和第二靶位置中每個的表面積和體積的步驟包括限定對應于待包覆面積的襯底的至少一部分的一些徑向件。
7.權利要求6的方法，其特征在于，每個徑向件的面積和體積中的至少一個被標繪在一個相對于其徑向位置的線性圖上。
8.權利要求7的方法，其特征在于，能夠就待激光包覆的面積預測材料厚度變化的趨勢。
9.權利要求6的方法，其特征在于，每個徑向件包括一個對應于約5徑向度的徑向區(qū)段。
10.權利要求6的方法，其特征在于，每個徑向件包括一個具有在約8mm～約15mm之間的橫截寬度的徑向截面。
11.權利要求1的方法，其特征在于，還包括利用CAD/CAM軟件來確定待照射的襯底面積中材料厚度的變化，以幫助調整激光束的強度來提供對應于待照射的襯底面積的可變材料厚度。
12.權利要求2的方法，其特征在于，該襯底是一個發(fā)動機汽缸蓋，而該第一和第二靶位置限定一個待照射的面積，該面積包括一個與發(fā)動機汽缸蓋相關的至少一個閥座的預先機加工的凹部。
13.權利要求12的方法，其特征在于，該閥座包括每個燃燒室的兩個和多個閥座中的一個，每個燃燒室包括一個鄰近于排氣閥座和進氣閥座之一的進氣閥座。
14.權利要求12的方法，其特征在于，還包括在任何兩個相鄰閥座之間的一個點上開始照射激光而便于該激光包覆工藝期間激光束的“8”字形運動。
15.權利要求12的方法，其特征在于，該發(fā)動機汽缸蓋是用鋁或鋁合金制造的。
16.權利要求12的方法，其特征在于，這些計算參數(shù)包括計算對應于每個第一和第二靶位置的表面積和體積步驟中的至少一個。
17.權利要求16的方法，其特征在于，該計算對應于每個第一和第二靶位置的表面積和體積的步驟包括限定對應于待包覆面積的汽缸蓋的至少一部分的徑向件。
18.權利要求17的方法，其特征在于，每個徑向件的面積和體積中的至少一個被標繪在一相對于其徑向位置的線性圖上。
19.權利要求18的方法，其特征在于，可以就待激光包覆的面積預測材料厚度變化的趨勢。
20.權利要求17的方法，其特征在于，每個徑向件包括一個對應于約5徑向度和約8mm～15mm之間的橫截寬度的徑向區(qū)段。
21.一種用于在一襯底上形成包覆的系統(tǒng)，包括一個用于確定襯底的材料厚度變化的機構；一個用于對計算機程序提供該襯底的材料厚度變化的計算參數(shù)的機構；以及一個用于根據該襯底的材料厚度變化的確定而改變激光強度的機構。
22.一種用于在一襯底上形成包覆的系統(tǒng)，包括一臺具有模擬機構而以三維(3D)模擬該襯底來確定該襯底的第一和第二靶位置之間的材料厚度變化的計算機，該計算機包括處理機構，用來預測該襯底的材料厚度變化的趨勢。
全文摘要
一種用于激光包覆的方法和系統(tǒng)，包括確定一襯底的材料厚度變化和根據該襯底的材料厚度變化的確定而改變激光強度。該襯底的材料厚度變化的確定包括計算指示第一靶位置和第二靶位置之間相對材料厚度的參數(shù)。
文檔編號B23K26/34GK1804120SQ20061000513
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月13日 優(yōu)先權日2005年1月13日
發(fā)明者J·M·斯塔尼克, T·L·尼爾, C·B·桑塔納姆, K·-J·吳 申請人:通用汽車公司