激光熔覆提升熱導率和燃燒效率

豐田汽車公司開發的激光熔覆氣門座技術涉及一種直接沉積在氣缸蓋氣門座上的耐磨合金。與傳統的壓入式燒結閥座相比，這種直接沉積工藝通過提高熱導率來提高爆震阻力，并通過增加端口周圍的設計靈活性來提高燃燒效率。

這項技術已在豐田新的全球架構發動機系列中采用，并實現了創新的氣缸蓋設計，有助于以世界上最快的燃燒速度改善熱效率和功率之間的權衡關系（圖1）。

為了使這項技術得以應用，公司開發了一種具有高可靠性設備的新型節能制造工藝作為豐田發動機系列的全球標準，以便于將這項技術部署到日本以外的生產工廠。

圖1 TNGA發動機和車型（豐田凱美瑞）

TNGA engine：TNGA發動機；New Camry：新凱美瑞

激光熔覆閥座技術概述

豐田新全球架構（TNGA）是一種設計理念，旨在實現世界領先水平的熱效率和比功率（圖2）。這些目標是通過高速燃燒實現的，而高速燃燒的實現則依賴形成強烈的氣流翻滾（這是高速燃燒所必需的）和降低進氣阻力（提高比功率所必需的），兩者往往有一種折衷關系。

圖2 熱效率和比功率指標

Maximum engine specific power （kW/L）: 發動機比功率的最大值

Maximum engine thermal efficiency （%）: 發動機熱效率的最大值

Fun to drive：駕駛樂趣；Good mileage：省油；TNGA target：TNGA指標

 因此，一個創新的進氣道設計是必要的，以實現強烈的氣流翻滾和高流量系數。傳統的壓入式燒結閥座需要一定的基底厚度來固定閥座，從而對端口形狀產生限制并會帶來壓力損失。然而，激光熔覆閥座可以將進氣口設計成一個直流道，在保持高流速的同時使進氣能夠被吸入燃燒室（圖3）。該閥座有助于實現高速燃燒，達到世界領先的熱效率（40%）和比功率（60 kW/L）。

圖3 壓力裝配和激光熔覆進氣道設計及氣流對比

Press-fit：壓力裝配；Laser-clad：激光熔覆；High thermal conductivity (improved cooling capacity)：高導熱性（提高了冷卻能力）

Downsizing （improved design flexibility）：小型化（改進的設計靈活性）；Throat edge height：喉緣高度；Velocity：速度

全球推廣面臨的問題

激光熔覆技術在豐田日本工廠中被用于發動機氣門閥座的批量生產始于1997年2月。在最初的生產過程中，通過優化激光、粉末和保護氣的工藝參數以及旋轉加工工件，即缸蓋（圖4），實現了穩定的熔覆質量。在此情況下，激光熔覆設備體積非常大，并且二氧化碳（CO2）激光熱源消耗了大量的能量。CO2激光器由于轉換效率低以及介質氣體需要經常置換，運行成本高。此外，激光、粉末和氣體在傳統的激光熔覆設備中的相對定位非常復雜。

圖4 激光熔覆閥座的傳統工藝

Laser：激光；Beam oscillator：光束振蕩器；CO2 laser oscillator：CO2激光振蕩器

Powder：粉末；Shielding gas：保護氣；Workpiece （cylinder head）：工件（氣缸蓋）

TNGA系列發動機的全球生產，要求減少激光熔覆設備的尺寸、降低工藝能耗、簡化維護和控制工藝。為了解決這些問題，開發了一種創新的激光熔覆工藝，以取代傳統的工件旋轉工藝。該工藝采用多個主軸同時控制，利用工具旋轉工藝去控制加工點，并使用更為緊湊高效的半導體激光系統替代傳統的CO2激光系統。

開發熔覆設備實現新工藝

為了實現工具旋轉工藝過程從而有效控制加工點，開發人員研究了激光熔覆設備的主要部件：激光振蕩器、送粉系統和工藝元素的定位機制（圖5）。

圖5 兩種工藝加工點的對比

Conventional process：傳統工藝；New process：新工藝；Fixed：固定的；Powder：粉末

Laser（Oscillated beam）：激光（振蕩光束）；Axis of valve stem：閥桿軸線；Seat sheap：氣門座形狀

Cladding layer：熔覆層；Work rotation：工件旋轉；Rotate：旋轉；Tool rotation：工具旋轉

首先，激光振蕩器由傳統的CO2激光器轉變為緊湊高效的半導體激光器。利用該半導體激光器的波長特性（鋁基金屬對該波長具有較高的激光吸收率），在減小熔覆設備尺寸的同時，提高了激光束功率的利用效率。此外，如圖5所示，傳統工藝需要整合用于光束振蕩的光學系統，而新工藝則根據所需的熔覆形貌調整光束，不需要復雜的光學系統。因此，熱源的能量密度較低，實現了溫和的無濺射加工過程。

其次，重點開發粉末輸送系統。由于在傳統工藝中加工點是固定的，所以粉末輸送系統也是固定的，這使得粉末可以通過重力輸送到加工點。在新工藝下，工具的移動意味著用同樣的方法很難獲得穩定的粉末供應。

由于送粉器是一個極其精密的設備，若其與工具同步旋轉很可能導致設備故障。鑒于此原因，它必須與工具隔離。因此，需要一個送粉器在不改變送粉總量的前提下，在單位時間內向隔離的加工點提供恒定的送粉量。這些問題通過采用以恒定的送粉氣流量輸送粉末的送粉器來實現。這是通過將傳統的送粉器密封在一個氣密性容器中，并將送粉器到加工點形成一個封閉系統來實現的（圖6）。這種結構也有助于防止粉末污染，這是傳統工藝的另一個問題。

圖6 粉末輸送系統和噴嘴示意圖

Laser：激光；Double structure：雙重結構；Powder & shielding gas：粉末&保護氣體

Powder converging：粉末匯聚；Delivery pipe：輸送管路；Powder feeder：送粉器

最后，重點研究了工藝元素（激光、粉末和保護氣體）的定位機理。在傳統工藝中，每個工藝元素都有單獨的供應路徑和出口，并且對加工點分別進行位置調整。相比之下，新工具旋轉過程需要一個更為剛性的相對定位機構。因此，開發了一種具有雙管結構的加工噴嘴，通過同軸輸送方法將三個工藝元素提供給加工點。這會自動在加工位置將激光焦點、粉末會聚點以及氣體輸送點對齊（圖7）。

圖7 新加工方法實際圖

這些激光熔覆關鍵部件的開發使工具旋轉過程得以采用，將能耗降低到不足傳統工藝的五分之一，設備占地面積減少到不足傳統工藝的三分之一。此外，所開發的加工噴嘴允許三個工藝元素（激光、粉末和氣體）自動定位和固定，從而簡化了生產現場的維護和控制。