CN102296291B - 采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，首先对基体进行预处理，包括清洗、探伤，确定基体无裂纹及污染物；其次在预处理后的基体上进行熔覆，熔覆功率为100W-10000W，扫描速度为100-5000mm/min，送粉率为3-80克/min，离焦量为-50-+50mm，在熔覆的过程中采用双频段超高频谐振。本发明采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，在激光熔覆过程中对工件激光熔覆部位同步施加两个不同频率的振动源。两者相互协调作用均化熔池以控制激光熔覆过程中产生的裂纹。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种激光熔覆的方法，具体涉及一种采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法。
背景技术
熔覆层裂纹是激光熔覆过程中的常见缺陷，严重制约了激光熔覆技术的应用，一些高性能材料由于熔覆会产生裂纹而无法进行激光熔覆，现有的激光熔覆裂纹的控制方法主要有，在基体与熔覆层之间增加过渡层、在熔覆粉末中添加稀土元素、激光熔覆前对基体材料预热和熔覆后退火、激光熔覆后机械锤击以及激光熔覆过程同步施加超声振动。以上方法局限性较大，控制激光熔覆层裂纹的效果均不明显。
许多关重件由于材料、使用环境或性能要求的特殊不允许增加过渡层或添加稀土元素，无法通过添加过渡层来防止裂纹；熔覆前预热、熔覆后退火工艺不易操作，特别是对于一些较大工件较难实施；而机械锤击只能改善熔覆层表面应力，在熔覆层裂纹控制上效果有限；上述三种方法都无法在激光熔覆过程中同步施加，因此无法控制激光熔覆过程中业已形成的裂纹。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，解决了现有防止裂纹的方法受材料限制，对于一些较大工件较难实施，控制效果有限的问题。
本发明所采用的技术方案是，采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对基体进行预处理，包括清洗、探伤，确定基体无裂纹及污染物；
步骤2：在步骤1得到的预处理后的基体上进行熔覆，熔覆功率为100W-10000W，扫描速度为100-5000mm/min，送粉率为3-80克/min，离焦量为-50-+50mm，在熔覆的过程中采用双频段超高频谐振。
本发明的特点还在于，
其中的步骤2中的双频段超高频谐振，具体按照以下步骤实施：
a.确定高频振动源频率和低频振动源频率，高频振动源频率P高通过正交试验确定，低频振动源频率P低为基体的共振频率；
b.将高频振动源触头与低频振动源触头放置于激光熔覆部位，使振动频率可随激光熔覆光斑移动而作用于熔覆层上，调节高频振动源频率至1/4～1/3P高，同时打开高频振动源与低频振动源，并逐渐线性缓慢升高高频振动源频率，使其在激光熔覆1/5时间时达到确定频率P高，低频振动频率P低不变，保持两种频率相互协调作用并持续激光熔覆；
c.待到激光熔覆大约4/5时间时，缓慢降低高频振动源频率，至激光熔覆结束时降低到零，低频振动频率P低不变，保持此频率继续作用至激光熔覆结束后熔覆层温度降到50℃以下后停止。
其中的步骤a中的高频振动源频率P高通过正交试验确定，具体按照以下步骤实施：正交试验过程中选取激光功率、熔覆速度、送粉率、离焦量这四个因素，正交水平参数按照实际数值范围选取3-10个水平，实验结果衡量高频振动源频率与激光熔覆工艺参数的匹配性能，结果评价原则为：在保证良好激光熔覆效果的前提下，激光熔覆层残余应力越低其评价值越高。
其中的步骤2中的熔覆，采用固体激光设备或者气体激光设备。
本发明的有益效果是，在激光熔覆过程中对工件激光熔覆部位同步施加两个不同频率的振动源。高频振动源的频率通过耦合试验确定使其与激光熔覆工艺参数相匹配，低频振动源的频率为基体的共振频率。
两个振动源通过振动台或振动触头将振动传递于熔覆层，在激光熔覆过程中相互协调作用，对激光熔池进行搅拌加速其流动性，并消除熔覆层凝固及相变时产生的残余应力；相变结束后通过低频振动源持续进行去应力作用。高频振动可以对熔池产生强烈空化作用，增大形核率，细化晶粒；均化温度场，减小应力；打碎枝晶，降低枝晶间拉应力，均化熔覆层化学成分；加速气体逸出，减少熔池含气量；而低频振动可使激光熔覆部位产生局部共振，最大限度的释放熔覆层及结合区的残余应力；上述作用的效果是提高熔覆层力学性能并有效抑制偏析、裂纹等缺陷的产生，达到控制熔覆层裂纹的目的。
同时在激光熔覆过程中施加两种不同频率的振动源，两者相互协调作用均化熔池以控制激光熔覆过程中产生的裂纹，而低频振动源可以在激光熔覆过程及熔覆层相变结束后的一段时间内持续作用于熔覆层，使熔覆层产生谐振以去除残余应力，达到在熔覆过程中和熔覆层相变完成后一段时间双重控制裂纹的目的。
附图说明
图1是本发明方法中超高频谐振作用时间图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：熔覆前对基体进行预处理，包括清洗、探伤，确定基体无裂纹及污染物。
步骤2：在基体上进行熔覆，采用固体激光设备或者气体激光设备，熔覆功率范围为100W-10000W，扫描速度范围为100-5000mm/min，送粉率为3-80克/min，离焦量为-50-+50mm，在熔覆的过程中采用双频段超高频谐振，具体按照以下步骤实施：
a.确定高频振动源和低频振动源频率，高频振动源频率P高通过正交试验确定使其与激光熔覆工艺参数相匹配；正交试验过程中选取激光功率、熔覆速度、送粉率、离焦量这四个因素，正交水平参数按照实际数值范围选取3-10个水平，实验结果衡量高频振动源频率与激光熔覆工艺参数的匹配性能，结果评价原则为：在保证良好激光熔覆效果的前提下，激光熔覆层残余应力越低其评价值越高，低频振动源频率P低为基体的共振频率。
b.将高频振动源触头与低频振动源触头放置于激光熔覆部位，使振动频率可随激光熔覆光斑移动而作用于熔覆层上，调节高频振动源频率至(1/4～1/3)P高，开始激光熔覆，同时打开高频振动源与低频振动源，并逐渐线性缓慢升高高频振动源频率，使其在大约激光熔覆1/5时间时达到确定频率P高，低频振动频率P低不变，保持此两种频率相互协调作用并持续激光熔覆。
c.待到激光熔覆大约4/5时间时，缓慢降低高频振动源频率，至激光熔覆结束时降低到零，低频振动频率P低不变，保持此频率继续作用至激光熔覆结束后熔覆层温度降到50℃以下后停止。
如图1所示，图中P高为高频频率，0～t段为激光熔覆时间段，此时间段高频谐振作用频率走势分为3段。1～2时间段内谐振频率从(1/4-1/3)P高缓慢增加到P高，其中1点频率为(1/4～1/3)P高，2点频率为P高，此段持续时间约1/5t；2～3段为超高频谐振稳定作用时间段，频率为P高，到3点时激光熔覆作用时间为大约2/3t；3～t点谐振频率缓慢降低，至激光熔覆结束时降低到零。P低为低频振动频率，激光熔覆整个过程与高频振动源都作用于激光熔覆过程，而激光熔覆结束后的降温阶段低频振动源继续作用(图中4～5时间段)，到温度降低到50℃以下停止。
本发明采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，高频谐振作用于整个激光熔覆过程，可以对激光熔池产生强烈空化、增加熔池的流动性、均化温度场、减少熔池含气量，这些作用可以有效抑制偏析，降低枝晶间拉应力，细化晶粒等；低频振动则作用于激光熔覆过程及熔覆层冷却过程，使激光熔覆部位产生局部共振，最大限度释放前期激光熔覆相变过程积存的残余应力，上述两种振动协调综合作用，可以达到降低熔覆层应力，减少或去除熔覆层裂纹的显著效果。
通过此方法得到的激光熔覆层应力及裂纹率与现有激光熔覆层控制裂纹的方法得到的相关参数进行对比，熔覆层裂纹率可以降低50％以上，熔覆层拉应力可以降低40％以上。
专利名称：《激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法》，公开日：2006年2月22日，公开号：CN1737197A，公开了一种在激光熔覆过程中同步实施超声振动起控制熔覆层裂纹的方法。其采用的方法与本发明之方法相比，有以下两方面区别，首先，《激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法》中采用单频固定频率(25000Hz)超声振动的方法控制裂纹，只能对熔覆过程中的某一单一相变和物化反应过程进行控制，无法对整个熔覆过程中材料熔化、凝固、冷却及相变进行全方位控制；而本发明采用双频段谐振且谐振频率因基体材料、质量、形状等的不同而不同，高频振动通过耦合实验确定可以对熔池产生强烈空化作用，增大形核率，细化晶粒均化温度场，减小应力，打碎枝晶，降低枝晶间拉应力，均化熔覆层化学成分，加速气体逸出，减少熔池含气量，而低频振动可使激光熔覆部位产生局部共振，最大限度的释放熔覆层及结合区的残余应力，两者协调作用达到控制熔覆层裂纹的目的；其次，《激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法》中超声振动作用位置位于基体下方，熔覆过程中振动通过基体传递于熔覆层；而本发明中双频谐振可随扫描光束移动而随动作用于熔覆通道上，将能量直接传递于熔覆层上，便于在较大工件上实施。
实施例1
在45钢基体上激光熔覆Ni60，设备采用500WYAG固体激光器，耦合实验确定高频振动频率为14000Hz，低频振动源频率为2000Hz，激光熔覆参数功率100W，扫描速率100mm/min，送粉速率为12g/min。按照上面参数进行激光熔覆，单层厚度0.2mm，熔覆层数位12层。
熔覆完成后检测熔覆层裂纹率并与常规激光熔覆层裂纹率及激光熔覆过程同步超声振动的熔覆层裂纹率进行比较，结果显示：常规激光熔覆在第3层时开裂严重，无法继续进行激光熔覆；采用激光熔覆过程同步超声振动的方法实施熔覆在第9层时开裂严重，无法继续进行激光熔覆，而采用此方法进行激光熔覆得到的熔覆层在第12层尚未见裂纹产生。
实施例2
30CrMnSi基体上激光熔覆Ni60，耦合试验确定的高频振动源频率为18000Hz，低频振动源频率为6000Hz，激光熔覆参数为功率2.6kW，扫描速率300mm/min，送粉速率为23g/min时。用此参数按照以上步骤操作进行激光熔覆，熔覆厚度2.3mm。
熔覆完成后检测熔覆层裂纹率并与常规激光熔覆层裂纹率及激光熔覆过程同步超声振动的熔覆层裂纹率进行比较，结果显示：常规激光熔覆层裂纹率为1.6条/cm2；采用激光熔覆过程同步超声振动的方法得到的熔覆层裂纹率为0.75条/cm2，而采用此方法进行激光熔覆得到的熔覆层未见裂纹产生。
实施例3
在风机主轴(基体材料：18CrMnMoV)上面激光熔覆铁基3558粉，耦合试验确定的高频振动源频率为22000Hz，低频振动源频率为8000Hz，激光熔覆参数为功率10kW，扫描速率1000mm/min，送粉速率为60g/min时。用此参数按照以上步骤操作进行激光熔覆，单层厚度1.3mm，熔覆6层。
熔覆完成后检测熔覆层裂纹率并与常规激光熔覆层裂纹率及激光熔覆过程同步超声振动的熔覆层裂纹率进行比较，结果显示：常规激光熔覆在第2层时开裂严重，无法继续进行激光熔覆；采用激光熔覆过程同步超声振动的方法实施熔覆在第4层时开裂严重，无法继续进行激光熔覆，而采用此方法进行激光熔覆得到的熔覆层在熔覆完成后仍无裂纹产生。
Claims (2)
1.采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对基体进行预处理，包括清洗、探伤，确定基体无裂纹及污染物；
步骤2：在步骤1得到的预处理后的基体上进行熔覆，熔覆功率为100W-10000W，扫描速度为100-5000mm/min，送粉率为3-80克/min，离焦量为-50-+50mm，在熔覆的过程中采用双频段超高频谐振，双频段超高频谐振具体按照以下步骤实施：
a. 确定高频振动源频率和低频振动源频率，高频振动源频率P高通过正交试验确定，低频振动源频率P低为基体的共振频率；高频振动源频率P高通过正交试验确定，具体按照以下步骤实施：正交试验过程中选取激光功率、熔覆速度、送粉率、离焦量这四个因素，正交水平参数按照实际数值范围选取3-10个水平，实验结果衡量高频振动源频率与激光熔覆工艺参数的匹配性能，结果评价原则为：在保证良好激光熔覆效果的前提下，激光熔覆层残余应力越低其评价值越高；
b. 将高频振动源触头与低频振动源触头放置于激光熔覆部位，使振动频率可随激光熔覆光斑移动而作用于熔覆层上，调节高频振动源频率至1/4～1/3P高，同时打开高频振动源与低频振动源，并逐渐线性缓慢升高高频振动源频率，使其在激光熔覆1/5时间时达到确定频率P高，低频振动频率P低不变，保持两种频率相互协调作用并持续激光熔覆；
c. 待到激光熔覆4/5时间时，缓慢降低高频振动源频率，至激光熔覆结束时降低到零，低频振动频率P低不变，保持此频率继续作用至激光熔覆结束后熔覆层温度降到50℃以下后停止。
2.根据权利要求1所述的采用双频段超高频谐振进行激光熔覆的方法，其特征在于，所述的步骤2中的熔覆，采用固体激光设备或者气体激光设备。
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