CN103695901B - 消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法。该方法通过激光功率密度与单道熔覆层宽高比关系，确定最优单道熔覆层宽高比；根据工艺参数与单道熔覆层宽高比关系式，可以计算确定所采用的工艺参数，以及搭接间距，以消除多道激光熔覆的搭接孔洞。本发明消除多道激光熔覆搭接孔洞方法不仅可以消除熔覆层中的搭接孔洞，还可以降低熔覆层开裂敏感性，提高熔覆层寿命。

Description

消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法。

背景技术

激光熔覆技术作为一种新兴的表面改性技术，由于其绿色无污染、效率高等优点，在矿山机械、钢铁冶金等零部件修复过程被广泛采用。在具体实施过程中，激光光斑宽度有限，因此也限制了每次扫描区域的宽度。通常采用逐道激光熔覆、道与道间采用搭接的方法，完成对整个表面区域的激光熔覆。由于前一道熔覆层的影响，在熔覆层搭接位置容易形成孔洞，这些孔洞往往是涂层的裂纹源，在激光熔覆过程必须消除。

传统的消除方法是将激光束倾斜一定角度，使激光束尽可能垂直辐照到已有熔覆层表面，但是此种方法工艺分散性大。同时由于激光束的倾斜，使辐照在工件表面的光斑面积变大，导致有效功率密度减小，需要增加激光输出功率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法。

(二)技术方案

本发明消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法包括：步骤A，确定单道激光熔覆层宽高比初始值w₀／h₀，以及激光熔覆基本参数组中各个参数，包括：激光功率P、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V、激光熔覆功率密度q₀、载粉气体种类及流量；步骤B，由激光功率P和激光熔覆功率密度q₀，确定激光光斑直径d；步骤C，由单道激光熔覆层宽高比初始值w₀／h₀、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V和激光光斑直径d，确定送粉率；步骤D，利用如下参数对激光熔覆基材进行单道激光熔覆工艺试验，得到单道激光熔覆层，测量单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值：激光功率P、激光扫描速度V、激光光斑直径d、送粉率、送粉载气种类及流量；步骤E，由单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值，确定相邻两道熔覆层中心间距，即搭接间距c；以及步骤F，利用如下参数对激光熔覆基材进行激光熔覆，得到消除搭接孔洞的激光熔覆样品：激光熔覆基本参数组中各个参数、激光光斑直径d和搭接间距c。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的消除多道激光熔覆搭接孔洞方法，不仅可以消除熔覆层中的搭接孔洞，还可以降低熔覆层开裂敏感性，提高熔覆层寿命。

附图说明

图1为根据本发明实施例消除多道激光熔覆搭接孔洞方法的流程图；

图2为单道激光熔覆层宽度与高度示意图；

图3为利用本发明实施例方法获得的激光熔覆样品的截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明通过激光功率密度与单道熔覆层宽高比关系，确定最优单道熔覆层宽高比；根据工艺参数与单道熔覆层宽高比关系式，可以计算确定所采用的工艺参数，以及搭接间距，以消除多道激光熔覆的搭接孔洞。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种消除多道激光熔覆搭接孔洞方法。图1为根据本发明实施例消除多道激光熔覆搭接孔洞方法的流程图。请参照图1，本实施例消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法包括：

步骤A，确定单道激光熔覆层宽高比初始值w₀／h₀，以及激光熔覆基本参数组中各个参数，包括：激光功率P、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V、激光熔覆功率密度q₀、载粉气体种类及流量；

激光熔覆过程中，送粉方式可以采用侧向送粉和同轴送粉方式。熔覆粉末根据激光熔覆的实际需求选择，从而确定熔覆粉末密度ρ。

载粉气体可以是氮气、氩气、氦气、压缩空气，以及这些气体的组合。气体流量控制在3L／min～10L／min。

本实施例中，激光熔覆用激光器包括固态激光器、气体激光器以及半导体激光器。根据工程经验，激光熔覆时激光扫描速度在3mm／s～10mm／s之间较为适合，不会引起激光熔覆层开裂，因此，激光扫描速度在上述范围内由用户选择。

激光熔覆功率密度q₀由熔覆粉末的种类和用户实际需求决定，一般情况下，激光熔覆对功率密度在以下范围内选择：10³W／cm²～10⁵W／cm²。

经过大量工艺试验发现，当单道激光熔覆层宽度w与高度h比大于3∶1时，搭接区一般不会出现搭接孔洞，且随着单道激光熔覆层宽度w与高度h比增大，搭接孔洞的出现几率降低。但是当单道激光熔覆层宽度w与高度h比过大时(大于5：1)，所获得的激光熔覆层厚度较小，最优的单道激光熔覆层宽度w与高度h比为3∶1～5∶1之间。因此，单道激光熔覆层宽高比初始值w₀／h₀也在该范围内取值。

根据工程经验激光功率P取值范围：800W～1300W；在该激光功率条件下，单道激光熔覆层宽度与高度比值与激光工艺参数存在如下关系：

$\frac{w}{h}=0.45\×\frac{{\mathrm{\ρVd}}^2}{\stackrel{\·}{m}}+1---\left(1\right)$

其中：熔覆粉末密度ρ的单位为g/mm³；激光束扫描速度V的单位为mm／s；激光光斑直径d的单位为mm；送粉率的单位为g/min。

步骤B，依据下式，由激光功率P和激光熔覆功率密度q₀，确定激光光斑直径d：

$d=\sqrt{\frac{4P}{q_0\mathrm{\π}}}---\left(2\right)$

其中，π是圆周率，取3.14。

步骤C，依据下式，由单道激光熔覆层宽高比初始值w₀／h₀、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V和激光光斑直径d，确定送粉率；

$\stackrel{\·}{m}=\frac{0.45{\mathrm{\ρVd}}^2}{w_0/h_0-1}---\left(3\right)$

公式3由公式1变形得出，其中各参数的定义如上所示，此处不再重述。

步骤D，利用如下参数对激光熔覆基材进行单道激光熔覆工艺试验，得到单道激光熔覆层，测量单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值：激光功率P、激光扫描速度V、激光光斑直径d、送粉率、送粉载气种类及流量；

步骤E，依据下式，由单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值，确定相邻两道熔覆层中心间距，即搭接间距c：

$c=\frac{1}{h}\{\[\frac{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2+h^2}{2h}\]\mathrm{acr}\sin \[\frac{\mathrm{wh}}{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2+h^2}\]-\frac{w}{2}\·\frac{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2-h^2}{2h}\}---\left(4\right)$

式中，w、h为进行单道激光熔覆工艺试验得到的单道激光熔覆层的实测宽度与高度，单位mm，如图2所示。

步骤F，利用如下参数对激光熔覆基材进行激光熔覆，得到消除搭接孔洞的激光熔覆样品：激光熔覆基本参数组中各个参数、激光光斑直径d和搭接间距c。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体应用场景，对本发明进一步详细说明。

在应用场景下，选取激光熔覆基材为Q235碳钢，熔覆粉末为商业热喷涂粉末Fe901掺入5％CrC粉末(质量分数)。

步骤1：将Q235碳钢基材固定在工作平台上。激光器为固体激光器，输出1064nm连续波激光束，激光通过光纤传输至加工头。激光器最大输出功率为3000w，在本实施例中，激光功率选用1200w；

步骤2：调整好激光头位置，选用焦距为150mm的聚焦镜，通过离焦方式得到激光光斑直径为3.7mm。激光束功率密度为1.12×10⁴W／cm²；

步骤3.打开送粉器，本实施例采用北京航空制造所生产的DPSF-2型送粉器，送粉率连续可调。将选择好的熔覆粉末装入送粉装置，选择载气为高纯氮气，调解载气流量3L／min，将送粉管路与激光头连接好；

步骤4：选择确定单道激光熔覆层宽高比为5∶1；

步骤5：确定工艺参数：功率1200W，扫描速度5mm／s，熔覆粉末密度约7.8g／cm³，送粉量约3.6g／min；

步骤6：进行单道激光熔覆试验，测得单道激光熔覆层宽度为3.7mm，高度0.73mm，计算出搭接间距为2.54mm；

步骤7：开启激光器、机械手等设备，根据预定轨迹编制控制程序，采用上述工艺参数开始激光搭接熔覆，直到熔覆过程结束。

图3为利用本发明实施例方法获得的激光熔覆样品的截面图。由图3可知，利用本实施例提供的通过控制单道熔覆层宽高比的方法，可以使激光功率密度分布均匀化，从而消除了激光熔覆搭接孔洞。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：(1)除了Q235碳钢外，激光熔覆基材还可以为：碳钢、不锈钢、铸铁或合金钢材料；

(2)除了Fe901热喷涂粉末外，熔覆粉末还可以为：铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、CrC、WC以及上述粉末的混合粉末。

综上所述，本发明提供一种消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法。利用该方法可以消除熔覆层的搭接孔洞，降低熔覆层开裂敏感性，提高熔覆层寿命，可广泛应用于激光焊接的各个领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种消除多道激光熔覆搭接孔洞的方法，其特征在于，包括：

步骤A，确定单道激光熔覆层宽高比初始值w₀/h₀，以及激光熔覆基本参数组中各个参数，包括：激光功率P、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V、激光熔覆功率密度q_o、载粉气体种类及流量；

步骤B，由所述激光功率P和激光熔覆功率密度q_o，依据下式确定激光光斑直径d： $d=\sqrt{\frac{4P}{q_0\mathrm{\π}}};$

步骤C，由所述单道激光熔覆层宽高比初始值w₀/h₀、熔覆粉末密度ρ、激光扫描速度V和激光光斑直径d，依据下式确定送粉率 $\stackrel{\·}{m}=\frac{0.45{\mathrm{\ρVd}}^2}{w_0/h_0-1};$

步骤D，利用如下参数对激光熔覆基材进行单道激光熔覆工艺试验，得到单道激光熔覆层，测量单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值：激光功率P、激光扫描速度V、激光光斑直径d、送粉率送粉载气种类及流量；

步骤E，由单道激光熔覆层的宽度w与高度h的实验值，依据下式确定相邻两道熔覆层中心间距，即搭接间距c：

$c=\frac{1}{h}\{\[\frac{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2+h^2}{2h}\]acrsin\[\frac{wh}{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2+h^2}\]-\frac{w}{2}\·\frac{{\left(\frac{w}{2}\right)}^2-h^2}{2h}\};$ 以及

步骤F，利用如下参数对激光熔覆基材进行激光熔覆，得到消除搭接孔洞的激光熔覆样品：激光熔覆基本参数组中各个参数、激光光斑直径d和搭接间距c。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，激光功率P的取值范围为：800W～1300W。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述单道激光熔覆层宽高比初始值w₀/h₀的取值范围为：3:1～5:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述激光熔覆功率密度q_o的取值范围为：10³W/cm²～10⁵W/cm²。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，载粉气体为氮气、氩气、氦气、压缩空气或这些气体的组合，气体流量控制在3L/min～10L/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述激光熔覆的送粉方式为侧向送粉和同轴送粉；所述激光扫描速度V的取值范围：3mm/s～10mm/s。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆基材为：碳钢、不锈钢、铸铁或合金钢材料；

所述熔覆粉末为：铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、CrC、WC以及上述粉末的混合粉末。