1、2023.01建设机械技术与管理 41工程应用基于激光水射流热处理的盾构机刀具表面改性研究Research on Surface Modification of Shield Machine Tool Based on Laser Water Jet Heat Treatment张志恒（中煤第三建设（集团）有限责任公司，安徽 合肥 230031）摘要：本研究试验了利用激光和水射流相结合的技术对盾构机刀具材料进行表面热处理，可以做到提升材料表面硬度。此方法比较传统方法，工艺简单且热处理速度更快。如在地铁隧道施工现场，可快速完成材料及时修补和性能加强，不必长期停工等待复杂的热处理和加工等工序，进而
2、提高盾构机在地铁隧道挖掘中的效率和安全性。且经过激光水射热处理后的刀具材料可以在施工中延长刀具使用寿命，减少换刀次数。针对盾构机刀具材料的硬度提升研究，对提高盾构机挖掘性能，满足相关行业应用需求具有重要意义。关键词：激光水射流；热处理；盾构机刀具中图分类号：TU621 文献标识码：A0 引 言传统的激光加工技术因为有对工件的切割面周围产生热损伤及与熔屑微粒沾污问题，所以在坚硬材料和金属薄片精密微加工中的应用受到限制。1993 年，瑞士科学家Beruold Richerghagen 首先提出了水射流导向激光技术(waterjet-guided laser technology)，亦称水导激光技术
3、或微水刀激光技术(Laser Mierojet，LMJ)。瑞士 Synova公司 B.carron 等人与美国 Synova 公司 A.Schreiner 共同在 2011 年“国际科技大会”(Jntertech 2011 Conference)上发表论文：水射流导向激光技术切割坚硬材料(Hard material cuting using water jet-guided laser technology)，介绍了水导激光技术对不同坚硬材料的切割加工1。1 激光水射流热处理技术爱沙尼亚塔林理工大学的 Arvi Kruusing 教授在 2002年针对激光水下加工做了详细的介绍和研究。针对不同
4、加工方式，激光水下加工具有切口小，热影响面积小以及精度更高的优点。不过由于水会吸收部分激光能量，而且水对不同激光输出频率的吸收率不同，因此激光水下加工对激光器输出激光频率有一定的要求1。水射流导向激光加工方法提高了以往难以加工的高硬度材料的加工效率和材料损耗，但要取得最佳效果需要调整激光的参数和水射流的参数，使之达到最优化。根据水射流导向激光技术，将激光水射技术（Laser waterjet processing）对材料进行加工和热处理。激光水射加工技术，如图 1 所示，不同于水射流导向激光技术，应用大功率激光器加热刀具表面 300 500 微米的材料，在0.1 0.2 秒后，低压水射流覆盖在
5、同一区域使该区域的材料表面温度迅速降低到室温。这个过程产生的大量应力（热应力和相变应力等），会迫使材料沿已存在的切口断裂（厚度方向和激光移动方向），从而切开材料。激光水射技术相对于水射流导向激光技术，具有更快的加工速度和更小的材料损耗，而且在单次加工中的加工材料厚度方面也有显著的提升。不同于激光加工和传统热处理，激光水射流热处理结合激光加热和水射流淬火，迅速材料同时进行加热和淬火。在激光水射加工技术的基础上，控制激光输出功率，使材料图 1 激光水射头布局图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.00942 建设机械技术与管理 2023.01 工程应用表面在实验过程中的温度低于
6、其熔点，从而只对材料表面进行热处理而避免材料破坏。激光水射热处理系统各参数对金属材料（本文以碳化钨1为例）的热处理后硬度改善结果有显著影响，但如何准确找到最佳系统参数，使热处理后的材料硬度最大，仍然是激光水射热处理技术的重要研究内容之一，也是此次实验的难点之一。2 激光水射流实验2.1 实验过程描述此次实验针对纳秒激光水射热处理系统关键参数，以及热处理后刀具材料表面硬度做出分析。研究的关键参数有：热处理实验中的保护气体选择（压缩空气、氮气）、激光扫描速度、激光光斑（主要影响激光的能量密度）、激光扫描次数。表 1 列出了试验参数设计。其中激光能量设定范围从5W 带 10W，改变步长为 1W；激光
7、光斑大小范围为 20 微米到 50 微米，改变步长为 5 微米。激光水射流扫描速度为20 200mm/s，改变步长为 10mm/s。水射流水压保持400 KPa，距离激光 4mm。覆盖率（25%100%）扫过全部材料表面，对整个材料做热处理。由于激光能量密度控制在使材料升温的温度在其熔点以下，因此并未发生熔融或灼烧现象，仅仅是对材料表面进行热处理。经过热处理后的刀具材料，进行了硬度测试、韧性测试以及相关的材料微观结构测试。硬度测试采用 Buler 公司的维氏显微硬度仪以及努普显微硬度仪。使用了 FEI_Apreo场发射高分辨扫描电子显微镜对热处理前后的刀具材料进行微观结构的测试和分析。实验材料
8、激光光斑/mm激光能量/W扫描速度/(mm/s)水射流水压保护气体碳化钨 0.020.05 510 20200 400KPa 氮气、压缩空气表 1 主要系统参数图 2 激光水射热处理实验示意图0.91.11.3124816硬度增加率激光束功率（瓦）AirN2图 3 压缩空气和氮气作为保护气体的热处理实验结果比较图 4 氮气环境下的激光水射热处理实验材料微观结构实验用激光器为大族激光 EP-20-SHG，额定功率为 1 10W，聚焦光斑为 20 微米，最大脉冲频率为 200 KHz，激光波长 532nm，属于纳秒脉冲激光。根据需要，自制了激光水射流装置，并连接了外接气缸，可做到激光、水射流和保护
9、气体同时作用于材料表面（图 2）。实验中，首先激光以一定的速度扫描材料表面，对材料进行迅速升温，随后在不到 1 秒的时间内，高压水射流扫描同一区域，对此区域的材料进行淬火。激光以一定的扫描2.2 实验结果与分析(1)保护气体选择：如图 3 所示，以压缩空气为辅助气体的激光水射流热处理刀具材料，其表面硬度变化率大于以氮气为辅助气体的材料表面硬度变化率。在压缩空气热处理过程中，材料表面硬度提升最大可达到 30%。在氮气热处理过程中，最大硬度增加比为 8%。1一种由钨和碳组成的化合物，分子式为 WC，硬度与金刚石相近，碳化钨粉应用于硬质合金生产材料。2023.01建设机械技术与管理 43工程应用同时
10、经过试验数据分析，采用发现空气为辅助气体，材料表面硬度提升达到 30%时，激光的输出功率为 8 瓦，激光光斑为 20 微米，此时以 30mm/s 的速度对刀具材料进行热处理。此外，扫描电镜（SEM）图像显示，在氮气实验中几乎所有的激光水射流热处理区域都出现了微裂纹（图 4），而压缩空气实验中没有出现微裂纹。因此可推断，在氮气辅助气体实验中，微裂纹的产生可能是限制材料表面硬度增加的主要原因。图 5 为不同保护气体热处理后的刀具材料的横截面。在材料微观结构分析方面，对比激光水射热处理前后的刀具材料微观结构，总结了以下几点结构特征：在每一种情况下，相变和晶粒细化都发生在离材料表面一定深度的地方（30
11、 100 微米）。靠近表面的激光处理区主要由马氏体和残余奥氏体组成，而基体金属主要由珠光体和铁素体组成。可以看出，氮气作为保护气体的热处理材料，其微观组织变化区深度低，这使得样品的表面硬度相对较低，而压缩空气的材料微观组织变化区深度大，样品表面硬度相对最高。图 5 经过不同保护气体激光水射热处理实验的刀具材料微观结构图 6 激光水射热处理时的热应力和温度场有限元仿真分析结果图 7 刀具材料在热处理过程中温度梯度的变化针对材料表面热处理过程中的热响应，做了相关的有限元分析见图 6。在有限元分析中，我们观测到在激光水射热处理实验过程中，由于激光的能量分布是高斯分布，因此材料表面在激光光斑中心位置温
12、度最高，可达到 800 摄氏度以上。在水射流覆盖后此过程相当于对材料表面进行了淬火，由此产生了如图 5 所示的结构特征。图 7 为刀具材料在热处理过程中温度的变化。最接近激光光斑中心的位置温度最高超过 750 摄氏度，发生了奥氏体相变。当其距离中心达到 0.5 毫米时，其温度提升从 650摄氏度降低到了 300 摄氏度左右。在 1 秒之内，同一区域发生了水射流淬火，其表面温度迅速降低到室温，奥氏体转变为马氏体。因此可见，刀具材料在热处理过程中，其奥氏体44 建设机械技术与管理 2023.01 工程应用的相变和马氏体相变主要发生在其光斑中心区域。但由于光斑重复率较高，因此在全部材料表面均可观测到
13、此类相变。所以，宏观的测量发现，材料的表面硬度有了一定程度提升。（2）磨损性能提升理论验证：针对硬度强化后的盾构刀具材料，从理论上验证了其切削性能的提升。依据磨损系数计算公式WH=KC0.5E-0.8HK1.43 （1）式 1 中，WH为刀具磨损参数（数值越大代表刀具耐磨性越好，切削性能越好），KC是断裂韧性，E 是杨氏模量，HK是硬度。Kc=0.016(E/Hv)0.5(P/C1.5)（2）式 2 中断裂韧性测是通过压痕法来计算。试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以 2kg 负载在抛光表面用维氏硬度计的锥形金刚石压头产生一个压痕2，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹3（如图 8 所示）
14、。根据压痕载荷 P 和压痕裂纹扩展长度 C 计算出断裂韧性数值。津地铁 4 号线南段工程土建施工第 8 合同段盾构区间进行应用，提升了盾构机刀具硬度和耐磨性，全面提升盾构挖掘效率，且施工质量符合设计和验收要求，尤其在过程中遇到地下孤石、卵石等不均匀硬质地层，推进速度较以往有所提高，加快了施工进度，社会效益和经济效益明显，具有广泛的应用前景。4 结 语通过采用激光水射流热处理技术对盾构机刀具进行了表面热处理实验。热处理过程中针对系统关键参数如扫描速度、环境气体选择、激光功率以及光斑大小等做出了优化分析，以做到最大程度提升材料表面硬度和耐磨性。结果表明，合理选择功率密度和扫描速度可以控制刀具材料发
15、生快速淬火，进而产生的相变硬化提升了材料表面硬度和耐磨性。相变硬化发生在靠近表面的激光处理层，经过检测分析，发现其马氏体含量明显提升。此外，实验数据表明当较低的激光扫描速度时，以空气作为保护气体比氮气更获得更高的硬度，这是由于氮气实验过程中，材料表面易产生微裂纹，进而影响其硬度提升。参考文献1 谈 耀 麟.水 射 流 导 向 激 光 技 术 J.超 硬 材 料 工程,2013,25(03):47-50.2 李远.微波烧结高纯度氧化铝陶瓷及其增韧研究 D.武汉工程大学,2011.3 才博,丁云宏,卢拥军,王晓冬,杨振周,孙豪,吴国涛.非常规储层体积改造中岩石脆性特征的判别方法J.重庆科技学院学报
16、(自然科学版),2012,14(05):86-88.4 李春林,张健,曹宇,等.通用型激光加工工艺控制软件的领域模型设计 J.应用激光,2017,(1):118-124.收稿日期：2022-11-02作者简介：张志恒，学士，高级工程师，主要从事轨道交通建设管理方面的工作。类型KC/MPa HK/GPa E/GPaWH未经过激光水射热处理2.4467661.82经过激光水射热处理2.86607662.90表 2 刀具材料的磨损参数计算A B图 8 压痕法计算断裂韧性表 2 为磨损参数计算，表中可见经过激光水射热处理后的材料，在磨损参数上有一定的提升，因此可以在理论上得出经过激光水射热处理后的刀具材料具有更好的切削性能。刀具材料耐磨性能的提升，最直接的体现就是刀具使用寿命更长，具有更好的高速切削和挖掘效果4。因此，对我国大型隧道挖掘盾构机自主设计刀具材料提供更好更优的选择，对提升我国工程机械施工能力提升起到助推作用。3 应用实例通过采用激光水射流热处理改良后的盾构机刀具在天