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1、激光加工在非接触式动压型机械密封中的应用摘要：综述了近年来非接触式机械密封中的发展概况，重点介绍了激光加工技术以及在机械密封端面改形及其表面处理的应用。机械密封通过端面改形技术，端面被加工成规则的螺旋槽形、微凹坑、人字形等形状，改善密封性能，实现密封的非接触，零泄露。激光技术的成熟与产品性能要求的提高是非接触式动压型机械密封发展的强大动力。尽管目前激光加工机械密封的研究应用还存在许多不足，但激光加工无疑是 2l 世纪机械密封发展的一大趋势。1 前言普通机械密封是依靠密封端面间的微凸体紧密接触而将流体密封，因而这种密封在运转中常常表现为混合摩擦状态，个别表现为边界摩擦状态。由于密封端面直接接触，
2、摩擦产生的热量会使密封面温度升高，密封面间介质汽化，密封环变形，密封面磨损，甚至产生热冲击和热裂等。尽管可以使用昂贵的冷却和冲洗系统等辅助设施，但对于高速、高温、低粘度等极端工况，往往不能从根本上解决问题。非接触式动压型机械密封通常是在密封端面上人为地加工一些规则的流槽，如螺旋槽、圆弧槽、直线槽等。利用流体动压效应来提高密封的承载能力，减少端面问的磨损，极大地延长密封寿命。与传统的机械加工相比，激光加工具有适用面广，工件无机械变形、无污染、速度快、重复性好、自动化程度高等特点。激光加工端面改形及表面处理是机械密封领域中一项日趋成熟的新技术。利用脉冲激光束进行切割、打孔或者热处理等，大大改良了机
3、械密封的加工精度和密封性能。2 非接触动压型机械密封非接触式机械密封经过多年的发展，并形成了基于端面改形与表面处理而提高密封综合性能的发展趋势。目前，非接触式机械密封种类很多，主要有各种槽坝型结构的上游泵送机械密封，表面微凹坑结构的非接触式机械密封等密封。2.1 上游泵送机械密封“上游泵送”机械密封的概念，最早是由 JSedy 受到螺旋槽气体润滑密封技术成功应用的启发而提出来的，他将这一技术应用于流体介质，从而开始形成了液体上游泵送密封技术。当端面外径开设流体动压槽的动环旋转时，动压槽把外径侧的高压气体在粘性剪切力的作用下“泵”入密封端面之间，使由外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而自槽径至内径处
4、气膜压力逐渐下降。当端面介质压力增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力时，迫使在静止状态下保持接触的两端面分离并处于稳定的非接触状态。由于中间高压介质所形成的气膜完全阻塞了密封介质泄漏通道，从而实现了密封介质的零泄漏或零逸出。上游泵送机械密封的端面形貌结构多种多样，归纳起来主要有多圆叶台阶型、雷列台阶型、类螺旋槽型及组合式复杂槽型等四大类，其中尤以类螺旋槽机械密封的应用最为普遍，如图 1 所示。图 1 双密封坝中间开槽机械密封2.2 端面微凹坑机械密封这个概念是由以色列教授 Etsion 最先提出来的，1994 年他提出了在端面上加工许多孔(凹坑)能够显著提高机械密封性能的观点。199
5、6年又提出了环表面带有规则微观凹坑的机械密封，其结构如图 2 所示。当两环作相对转动时，由于相对速度，流体粘度，液膜厚度变化等因素，会在凹坑及其周围区域产生流体动压力，提供了使两环分离的承载力，使两环形成非接触。1996 年，他建立了评价这种机械密封的数学模型，通过假定合理的边界条件，计算出了在不同几何形貌的凹坑下密封的性能。结果发现：根据密封工作状况，选择合适的凹坑大小和凹坑分布率，可以获得优异的密封性能，并确定了 20为凹坑的最佳分布率，同时也可以根据介质粘性、密封压力、凹坑比率等，来确定凹坑的大小。图 2 端面微观凹坑机械密封2.3 端面改形机理端面改形的机理是流体动压效应。基于流体动静
6、压润滑理论，机械密封通过在一个密封环端面加工成一定形状的流体动压槽，由这些槽产生分离两密封端面的开启力来达到非接触，零泄露。但对于非接触机械密封也存在着怎样减小泄漏量，提高流体膜刚度和工作稳定性等问题。同时，为了使加工出的流体槽最大程度的产生开启力，要求加工时保证尺寸精度和表面粗糙度，这就给加工带来了困难。近年来对不同槽型的特性进行了研究，这些槽型都具有形状复杂，结构精细而精度高、粗糙度要求严格的特点。由于加工动压槽的密封环多数是硬质材料，所以加工有相当难度，机械加工方法几乎无能为力。通过实践摸索总结了一些方法，在密封端面上开各种槽型主要有光化学腐蚀法、电火花加工、电化学加工法、激光加工法等。
7、3 激光加工技术自 1960 年美国科学家梅曼研制出第一台红宝石激光器，随着世界科技与经济发展的需要，激光技术有了迅速发展，尤其近十几年来的发展更为迅速，从而也极大地促进了激光加工技术的更广泛应用。激光具有单色性、相干性、方向性和高光强特点。激光束易于传输，其时间特性和空间特性可以分别控制，经聚焦后可得到极小的光斑，具有极高功率密度的激光光束可以熔化、气化任何材料，也可进行局部区域的精密快速加工。经过多年来的研究开发和完善，当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟，形成系列激光加工工艺。用于材料加工的激光器，主要有二氧化碳激光器、YAG 激光器、准分子激光器和半导体激光泵浦的固体激光器以及飞
8、秒激光器、光纤激光器等。激光加工主要用于切割、表面处理、焊接、打标和打孔等。激光表面处理包括激光相变硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等。激光加工技术已在众多领域得到广泛应用，随着激光加工技术、设备、工艺研究的不断深入，将具有更广阔的应用前景。由于加工过程中输入工件的热量小，热影响区和热变形小；加工效率高，易于实现自动化。波长为 1.06m 金属材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。此外在不需很高功率的半导体制造领域也有广阔的应用前景，如打标、微调、掩模修整、刻划和切割等。高输出功率的 YAG 激光器目前在工业领域已得到广泛应用。通过切割对比实验发现，用高功率 YAG 激光器可以实现
9、质量不低于二氧化碳激光器的钢板切割加工。YAG 激光器通过光纤传输控制，可以在不锈钢板上打出高深宽比的微孔。波长为 1.06m的 YAG 激光器由于波长短、金属表面的反射率低，故适用于金属材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。YAG 激光器的脉宽和波长可调，其基本波长为 1064nm，通过非线性光学元件可以获得二次谐波(532nm)、三次谐波(355nm)和四次谐波(266nm)。四次谐波的波长与 KrF 准分子激光器的波长相近，因此可用于精密的刻蚀加工。此外 YAG 高倍频激光器操作容易、输出稳定。激光加工技术有以下许多独特的优点。(1)可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆
10、性及高熔点的材料。(2)无需直接作用于工件；生产效率高，加工质量稳定可靠。(3)加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。其影响区小，工件变形小。(4)激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，形成智能化控制系统。4 激光加工机械密封的应用机械密封环所用的材料，一般是以 WC 为代表的各种硬质合金以及各种新陶瓷，如 SiC、SiN 等，它们都具有很大的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。激光加工是指利用高能量密度激光束对材料表面进行去除材料的一种特殊加工方法。到目前为止，该方法广泛应用的技术有激光切割、激光打孔、激光打标等。激光加工机械密封环表面微凹坑，实现密封的高性能运
11、行，已有一定程度的研究。由于激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此精微加工时，精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复的实验，寻找优化的工艺参数及合理辅助工艺措施，才能保证加工质量要求。对于机械密封端面改形及表面处理，普通加工方法显得严重不足。激光加工无疑是密封环端面形貌改良的最佳方法。通过研究不同的激光器，不同的激光强度，不同的辅助条件来寻找一种合适的加工设备，国内外在这方面都取得了一定的进步。Muller 在 1997 年利用激光技术加工出了“液体回流式”流体润滑机械密封的槽型，并采用有限元法分析了端面之间流体的流动，以及通过试验验证了这种槽型能产生更大的承载能力。E
12、tsion 教授也利用激光技术进行密封表面规则微凹坑的加工，刻出不同几何形状、大小和孔隙率的微凹坑如图 3 所示，并对平均孔直径为 90m，不等孔深 226m，孔隙率 25的激光纹理环进行了磨损试验。在国内，天津激光研究所利用激光打标技术在陶瓷密封环上加工出了深度不等的螺旋槽。流体动压型密封受到流体动压轴承的启示，通过在密封端面上开槽、台阶、斜面、孔等主动利用流体动、静压特性。在端面上开槽主要是开微米级的槽，深度大约 35m，略大于端面问的间隙 1m。利用激光加工而成的非接触式机械密封，其密封面问的摩擦只有流体之间的内摩擦，并且工作在流体润滑状态下，这就大大延长了机械密封的寿命。图 3 具有微
13、观凹坑的 SiC 机械密封端面5 展望与趋势基于流体动压润滑理论的非接触式机械密封，通过密封环端面改形技术来实现非接触、零泄露。由于节能、环保的要求，对密封性能要求越来越高。激光加工机械密封端面，实现各种形貌特征，必将是一个趋势。目前非接触式研究还不够成熟，激光加工的密封产品还没有成为规模，还不是非常普及。怎样选择合适的激光加工参数和辅助条件，使加工出的产品造型尺寸精确，是一个重要的课题。应用激光加工方法，加工出各种形状的端面形貌，使之具有非接触液体润滑的能力，具有巨大的实用价值。在激光加工技术方面还有很多课题需要研究，如降低加工装置成本、提高加工效率及加强复杂零件加工的适应性等，特别是在精细加工方面，如何提高光束质量、聚光性以及输出功率均是重要的研究课题。激光加工作为一种运用计算机、数控等先进技术的自动化加工方式，今后随着科学技术的进步，必将获得更大的应用和发展。采用激光处理技术可以扩大密封的使用范围，提高密封的可靠性，节省辅助设备。因此研究机械密封端面的激光加工方法及具有激光加工槽形的机械密封的性能，具有巨大的技术潜力和更大的商业价值。如有需要请联系：dke- QQ：3871739 MSN：
