CN102560478B

CN102560478B - 激光熔覆方法

Info

Publication number: CN102560478B
Application number: CN201210050008.XA
Authority: CN
Inventors: 曾利成
Original assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN102560478A

Abstract

本发明提供了一种激光熔覆方法，包括：下料，根据待熔覆工件准备熔覆材料；激光熔覆，激光融化母体材料，将熔覆材料与母体材料熔合在母体材料上形成熔覆层。本发明的熔覆层与母材的结合方式为冶金结合，由于熔覆速度快，热影响区小，熔覆层的质量比较容易控制，不容易产生脆点或者裂纹等质量缺陷，且熔覆层与母材的结合力强。

Description

激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，更具体地，涉及一种激光熔覆方法。

背景技术

在工程机械领域，有特殊要求的零部件非常多，需要对其进行特殊的处理。

以现有的泵送系统为例，其易损件可以大致分为：砼缸、混凝土输送管、S管、眼镜板、切割环。

砼缸的现在的生产方式为：在机械加工后的内表面用电镀的方式镀一定厚度的硬铬来增强砼缸内壁的耐磨防腐蚀性。输送管的生产方式为：采取热处理强化单层/双层输送管内壁来提高混凝土输送管的内壁耐磨性，热处理方式一般为淬火。眼镜板的现有生产方式为：在基体上镶嵌硬度较高的合金环+硬质合金层或者眼镜板整体采用硬质合金制造或者用堆焊+合金环的形式来生产。切割环的生产方式与眼镜板的生产方式相似。S管也采用堆焊增强内壁耐磨性的方式来生产，也有采用耐磨材料铸造生产的方式。

以上的生产方式中，电镀硬铬成本高昂，对环境污染严重，生产效率低下，而且电镀硬铬的砼缸电镀层与母体的结合为非冶金结合，一旦电镀层局部受损，整个砼缸内壁电镀层会成块掉落，造成砼缸的报废。输送管内壁经过热处理之后硬度难以令人满意，而且由于钢管制造误差，其内孔经常为非圆形的，这样就造成管壁淬火层厚度不一，耐磨性不均匀，从而造成输送管提前报废。眼镜板与切割环由于受高压冲击，要与混凝土摩擦，使用工况十分恶劣，现有技术虽然采用了硬质合金等来延长其使用寿命，但效果依然不佳，而且眼镜板与切割环磨损后就完全报废，浪费较严重。而S管的堆焊工艺效率低下，耐磨焊条堆焊的质量难以控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种激光熔覆方法，以通用方法来制造特殊零部件，并能够提高零部件的生产效率与使用寿命。

根据本发明的激光熔覆方法，包括以下步骤：下料，根据待熔覆工件准备用于激光熔覆的熔覆材料；激光熔覆，激光融化待熔覆工件的母体材料，将熔覆材料与母体材料熔合在母体材料上形成熔覆层。

进一步地，激光熔覆过程中采用的激光工艺参数包括：激光功率P，1500W≤P≤10000W；激光扫描速度V，600mm/min≤V≤3000mm/min；光斑尺寸，其中，光斑长为L，光斑宽为W，4mm≤L≤12mm，1mm≤W≤8mm；搭接率为J，30％≤J≤70％。

进一步地，熔覆材料为粉末状态或者为丝状。

进一步地，通过调节送粉装置将粉末状态的熔覆材料送入激光融化母体材料形成的熔池中，随后激光束从熔池中移开。

进一步地，通过调节送粉装置将粉末状态的熔覆材料预先送到激光束即将经过的路径上或通过爆炸法或者胶粘法将粉末状态的熔覆材料预先放置到激光束即将经过的路径上。

进一步地，激光扫描速度为V，600mm/min≤V≤3000mm/min。

进一步地，激光熔覆过程中采用的激光工艺参数还包括：熔融层的厚度为H，其中，0.1mm≤H≤5mm；熔融层的硬度为r，其中，HRC50≤r≤HRC67。

进一步地，激光熔覆采用激光头发射激光，激光头上设置有位移传感器。

进一步地，熔覆材料为钴基合金或为镍基合金或为铁基合金，其中：熔覆材料为钴基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Co为余量；熔覆材料为镍基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Ni为余量；熔覆材料为铁基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Fe为余量。

进一步地，熔覆材料为碳化钨合金、氧化铝合金、陶瓷材料或者硬质合金材料。

进一步地，激光熔覆方法还包括在下料之后的清理步骤，清理步骤为对待熔覆工件的待熔覆表面进行除油和/或除锈处理。

进一步地，激光熔覆方法还包括在激光熔覆之后的后处理步骤，后处理步骤为对熔覆层进行热处理或者机械加工处理。

根据本发明的激光熔覆方法，熔覆层与母材的结合方式为冶金结合，由于熔覆速度快，热影响区小，熔覆层的质量比较容易控制，不容易产生脆点或者裂纹等质量缺陷，且熔覆层与母材的结合力强。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的激光熔覆方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的激光熔覆方法，包括以下步骤：下料，根据待熔覆工件准备用于激光熔覆的熔覆材料；激光熔覆，激光融化待熔覆工件的母体材料，将熔覆材料与母体材料熔合在母体材料上形成熔覆层；其中，激光熔覆过程中采用的激光工艺参数包括：激光功率P，1500W≤P≤10000W；激光扫描速度V，600mm/min≤V≤3000mm/min；光斑尺寸，其中，光斑长为L，光斑宽为W，4mm≤L≤12mm，1mm≤W≤8mm；搭接率为J，30％≤J≤70％。

下面以轴类零件的激光熔覆为例对本发明的激光熔覆方法进行说明：

下料步骤：制作激光熔覆之前的母材原料，可以为半成品，板材厚度为2mm～50mm。可以根据生产需要选择。用于激光熔覆的熔覆材料可以是粉末状态，也可以是丝状。该熔覆材料的种类与成分比例可以根据需要生产的零部件的要求进行选择与配置。

优选地，在下料过程后进行清理步骤，对需要进行激光熔覆的表面进行除油、除锈处理，还可以再用丙酮或者酒精对待熔覆表面进行进一步清理。

激光熔覆步骤：粉末类熔覆材料的熔覆可以通过调节送粉装置将粉末送入激光熔化母体材料形成的熔池中并融于熔池金属液中，激光束移开熔池后，熔池金属液迅速凝结形成母体材料与熔覆材料混合而成的熔覆层。也可以采用将粉末通过调节送粉装置精确送到激光束即将经过的路径上，或者采用爆炸法或胶粘法等其他方式预先将粉末置于激光束即将经过的路径上。在激光束照射下粉末及母材表面熔化，从而将粉末与母材混合形成熔覆层。本发明优选预先送粉的方式，这种方式的优点在于母材的熔化层较浅，对母材的成分破坏较小，同时熔覆层的成分变化较小。

优选地，为了得到更少氧化的熔覆层，可以在熔覆的过程中施加氩气、氮气、氦气、二氧化碳等保护气体对熔池进行保护。

后处理步骤：对熔覆表面有其他要求的可以进行热处理或机械加工处理。

其中，激光熔覆过程采用的相关激光工艺参数包括：

激光功率：1500W～10000W；

光斑尺寸：光斑长L*光斑宽W＝(4～12)mm*(1～8)mm；另外，也可采用圆形激光光斑进行激光熔覆，光斑直径为D，4mm≤D≤12mm；

激光扫描速率：600mm/min～3000mm/min；

搭接率：30％～70％；

熔覆层的厚度为：0.1mm～5mm，硬度大于或者等于HRC50，小于或者等于HRC67。

其中，激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度以及熔覆的搭接率是影响熔覆层要求的厚度与硬度四个不可分割、相互影响的要素。对不同种类的激光器，根据待熔覆材料对该激光的吸收率选择适当的激光功率等级。对相同激光器，根据待熔覆材料的成分、厚度以及硬度要求选择适当的激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度以及搭接率的工艺匹配范围。

其中，前述熔覆材料的种类与成分比例可以根据需要生产的零部件的要求进行选择与配置，例如：熔覆材料为钴基合金，其组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Co为余量。或者，熔覆材料为镍基合金，其组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Ni为余量。或者，熔覆材料为铁基合金，其组成成分中的以下各成分的质量百分比为：C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Fe为余量。除上述的合金材料外，熔覆材料还可为碳化钨合金、氧化铝合金、陶瓷材料或者硬质合金材料等耐磨材料。

下面以孔类零件的激光熔覆为例对本发明的激光熔覆方法进行说明，由于其步骤与轴类零件的加工方法类似，因此相同内容将不再赘述。

下料步骤：根据需要生产的零部件准备熔覆母体材料及用于激光熔覆的熔覆材料。母体材料长度0.15～7米，壁厚2～15mm，内径120～300mm，可以根据生产需要选择。用于激光熔覆的熔覆材料可以是粉末状态，也可以是丝状。该熔覆材料的种类与成分比例可以根据需要生产的零部件的要求进行选择与配置。

对于深孔或小径孔的激光熔覆，本发明采用一般的固定光路设计并进行优化、标准化设计，以保证光束质量。另外，在发射激光的激光头上加装位移传感器，当孔径在公差范围内发生变动时，激光头可以沿垂直方向上下移动，可以根据孔径的变化来微调激光头的位置，用以保证孔内熔覆层的均匀性。另外，长管(或深孔)的熔覆可以采用先熔覆一头再调头熔覆另一头的方式熔覆，小径孔则可以通过更换经标准化设计的激光头上的镜片来适应管径的变化，管径越大，焦距越大。

另外，孔类零件的激光扫描速率为600mm/min～1500mm/min。

以现有的泵送系统为例，本发明中的工程机械特殊零部件例如可以为泵送系统中的易损件，如砼缸、混凝土输送管、S管、眼镜板、切割环等。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明得到的熔覆层与母材的结合方式为冶金结合，结合力强，比镶铸结合、机械结合的形式有更强的韧性和抗冲击性能。镶铸、焊接的方式难免存在脆性点或者其他缺陷，如焊接的裂纹、气孔和夹渣，这些缺陷的存在会在大冲击力或剪切力下发生断裂失效。而激光熔覆层和母材结合为冶金结合，由于熔覆速度快，热影响区小，熔覆层的质量比较容易控制，不容易产生脆点或者裂纹等质量缺陷；

2、本发明得到的熔覆层的硬度比一般的母材或者母材经过热处理后要高，熔覆层的组织晶粒更细，更加耐磨、耐腐蚀。激光熔覆由于熔覆过程将金属迅速加热到金属的熔点或熔点以上的温度，激光移开后熔池迅速冷却凝结，过冷度极高，冷却速度快，得到的晶粒较细；

3、本发明设计的工艺无污染，易于实现自动化控制降低劳动成本和生产成本。设计的工艺均不包含对环境不友好的因素，而传统的制作方法存在焊接、热处理淬火液、六价铬等对环境极不友好的因素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

下料，根据待熔覆工件准备用于激光熔覆的熔覆材料；

激光熔覆，激光融化待熔覆工件的母体材料，将所述熔覆材料与所述母体材料熔合在所述母体材料上形成熔覆层；

所述激光熔覆采用激光头发射激光，所述激光头上设置有位移传感器当孔径在公差范围内发生变动时，所述激光头可以沿垂直方向上下移动，可以根据孔径的变化来微调所述激光头的位置，用以保证孔内所述熔覆层的均匀性。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中采用的激光工艺参数包括：

激光功率P，1500W≤P≤10000W；

激光扫描速度V，600mm/min≤V≤3000mm/min；

光斑尺寸，其中，光斑长为L，光斑宽为W，4mm≤L≤12mm，1mm≤W≤8mm；

搭接率为J，30％≤J≤70％。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆材料为粉末状态或者为丝状。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，通过调节送粉装置将粉末状态的所述熔覆材料送入激光融化母体材料形成的熔池中，随后激光束从所述熔池中移开。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，通过调节送粉装置将粉末状态的所述熔覆材料预先送到激光束即将经过的路径上或通过爆炸法或者胶粘法将粉末状态的所述熔覆材料预先放置到激光束即将经过的路径上。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，激光扫描速度为V，600mm/min≤V≤3000mm/min。

7.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中采用的激光工艺参数包括：

所述熔覆层的厚度为H，其中，0.1mm≤H≤5mm；

所述熔覆层的硬度为r，其中，HRC50≤r≤HRC67。

8.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆材料为钴基合金或为镍基合金或为铁基合金，其中：

所述熔覆材料为所述钴基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：

C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Co为余量；

所述熔覆材料为所述镍基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：

C为0.2～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Ni为余量；

所述熔覆材料为所述铁基合金时的组成成分中的以下各成分的质量百分比为：

C为0.2％～1.65％，Cr为11％～30％，Si为0.5％～1.2％，Ni为2％～4％，Mn为0.5％～1.7％，Mo为0.6％～2.8％，Cu为0.3％～0.8％，W为0.5％～6％，Fe为余量。

9.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆材料为硬质合金材料。

10.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆材料为碳化钨合金。

11.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆材料为陶瓷材料。

12.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，还包括在下料之后的清理步骤，所述清理步骤为对所述待熔覆工件的待熔覆表面进行除油和/或除锈处理。

13.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，还包括在激光熔覆之后的后处理步骤，所述后处理步骤为对所述熔覆层进行热处理或者机械加工处理。