CN103741138B - 静态磁场‑激光同轴复合熔覆方法及装置 - Google Patents

Abstract

静态磁场‑激光同轴复合熔覆方法及装置，属于激光加工技术领域。本发明涉及的静态磁场由电磁铁提供，并设计了一种装置实现磁场和激光束的同轴复合。在进行磁场‑激光同轴复合熔覆时，磁场发生装置与激光束同轴同步移动，利用此装置可完成磁场和激光所致熔池流场的双场耦合，配合预置或同轴送粉方式完成激光熔覆过程，主要实现对激光所致熔池流动的平抑作用，从而达到调控凝固组织、改善熔覆层表面形貌、优化应力分布、减少熔覆过程中的飞溅现象等目的。本发明实现了磁场与激光的同轴同步运动，具有对熔覆层的调控能力好、适用面广、装置简单、便于推广等特点。

Description

静态磁场-激光同轴复合熔覆方法及装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种静态磁场-激光同轴复合熔覆方法及装置。

背景技术

激光熔覆是一种通过在基体表面添加熔覆材料，并利用高能激光束使之与基体表面一起熔凝并形成冶金结合的技术。激光熔覆是一种先进的表面改性技术，同时也是激光三维制造和激光增量制造的基础。因此，激光熔覆层的性能将直接影响到材料表面性能和成型零件的整体性能。但激光熔覆同时也存在一些难以克服的缺点：如熔覆层中往往存在较大的残余应力，需要用后续热处理等手段进行改善；熔覆层表面容易出现不规则的起伏波纹，影响表面形貌；熔覆层中也容易残留夹杂、气孔、疏松等缺陷，成为潜在的裂纹源；如仅通过调节激光工艺参数难以有效控制熔覆层的凝固结晶过程。

针对上述激光熔覆过程中存在的各类问题，国内外学者研究了利用磁场对激光所致熔池的影响，用以消除熔覆层的缺陷，获得理想的熔覆层综合性能。经对国内外公开发表的相关文献检索发现，国外的O.Velde等学者研究了在铝合金的表面合金化过程中，静态磁场形成的洛仑兹力影响了熔池中的Marangoni对流，进而改变合金化表面的溶质分布状态。Brian H等利用p-version LSFEM仿真技术分析了熔池的流场和热场，计算了熔池凝固过程中晶粒的生长和外加磁场之间的关系，发现随着静态磁场强度的增加，熔池的流速被明显减缓，从而导致晶粒生长形式上的变化。M.Bachmann等学者研究了用永磁铁提供的静态磁场和用电磁铁提供的交变磁场对铝合金深熔焊的影响，其结果表明静态磁场可抑制熔池的对流，进而改善焊缝的截面和表面形貌，抑制焊接过程中的飞溅现象，而交变磁场影响了焊缝熔池上下表面的压强分布，可优化焊缝质量。国内的刘洪喜等学者利用交变磁场细化了激光熔覆层的凝固组织，并利用旋转磁场（交变磁场）辅助激光熔覆制备了Fe60复合改性涂层。余圣甫等学者在焊接不锈钢时将旋转磁场装置放置于焊件的背面，获得了细化的焊缝金属晶粒，消除了焊接裂纹，提高了 焊接接头的强度。以上文献所公开的磁场-激光复合方法或装置未见静态磁场用于激光熔覆技术的研究，且部分磁场发生装置虽可与激光同步运动，但只适用于平板（带）、回转体等规则形状的零件，无法同时适用于轴类、板类、曲面类零件。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种静态磁场-激光同轴复合熔覆方法及装置，其中包含了该方法的实现步骤和磁场配套装置，实现磁场和激光的同轴同步耦合，达到调控熔覆过程的目的。

本发明通过下列技术方案实现：

静态磁场-激光同轴复合熔覆的方法，按以下步骤完成：

（1）将待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，然后将其通过夹具固定在工作台的合适位置。

（2）所选励磁线圈一般为500～1000匝，通入1～5A直流电流，使励磁线圈内部的导磁铁芯上产生强度为0.2～1T的静态磁场。

（3）将导磁铁芯的端面靠近基体表面，开启保护气、送粉器、激光器，执行熔覆程序，使熔覆区同时受到静态磁场的作用，磁场方向与基体表面垂直，并与激光束平行。由于高能激光束的作用，熔池内部发生强烈对流搅动，当导电流体的运动方向不与磁场方向平行时，即会产生与熔池对流方向相反的洛伦兹力，抑制熔池的流动，从而达到调控凝固组织、改善熔覆层表面形貌、优化应力分布、减少熔覆过程中的飞溅现象等目的。

（4）所述激光熔覆的工艺为：光斑直径为4～6mm，送粉速度为0～20g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为4～20L/h，激光功率为1～3kW，扫描速度为300～600mm/min。

使用上述方法的专用装置，包括依次连接的激光发生器、激光传输通道、导磁铁芯、同轴送粉器，所述的导磁铁芯外设有励磁线圈，气体保护装置与激光传输通道相连，其中励磁线圈与导磁铁芯同轴组合，导磁铁芯与送粉器同轴组合，送粉器与激光传输通道同轴组合，激光发生器与激光传输通道可通过柔性光纤或飞行光路连接，熔覆基体置于工作台上，气体保护装置与激光传输通道相连。

应当指出的是，上述提供的外加磁场装置，在有合适的电源配套时，也可提 供一定强度的交变磁场。在应用时可以优选一种合适的磁场附加方式和装置进行复合熔覆。

本发明方法具有以下优点：

（1）区别于交变磁场，本发明利用静态磁场对激光所致熔池流动的抑制作用，实现改善熔覆层表面形貌、优化应力分布、调控凝固组织、减少熔覆过程中的飞溅现象、减少缺陷数量等目的。

（2）本发明将磁场发生装置直接附加在激光头上，实现外加磁场与激光的同轴同步运动，可同时适用于轴类、板类或曲面类零件，适用面较广。

（3）本发明调控灵活、装置简单，成本低廉，只需对原有激光器进行简单改装即可应用，无需重新设计或购买激光加工设备，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明中的磁场-激光同轴复合熔覆的装置结构图。

图2是本发明中的静态磁场-激光同轴复合熔覆的装置电磁铁部分剖面图。

图3是本发明中的附加磁场的熔覆层近基体芯部截面的金相组织图。

图4是本发明中的无磁场的熔覆层近基体芯部截面的金相组织图。

图5是本发明中的激光熔凝层表面宏观形貌图。

图6是本发明中的激光熔凝层表面轮廓高度图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明，但本发明的保护范围不限于所述内容：图中，1－激光传输通道、2－激光发生器、3－励磁线圈、4－导磁铁芯、5－熔覆基体、6－同轴送粉器。

实施例1

如图1，外加静态磁场-激光同轴复合熔覆的装置，包括依次连接的激光发生器2、激光传输通道1、导磁铁芯4、同轴送粉器6，所述的导磁铁芯4外设有励磁线圈3，气体保护装置与激光传输通道1相连，其中励磁线圈3与导磁铁芯4同轴组合，导磁铁芯4与同轴送粉器6同轴组合，同轴送粉器6与激光传输通道同轴1组合（如图2所示），激光发生器2与激光传输通道1可通过柔性光纤或飞行光路连接，熔覆基体5置于工作台上，气体保护装置与激光传输通道1相连。

先将待熔覆的低碳合金钢表面进行打磨后，用丙酮反复清洗，然后放入干燥 箱在100℃的温度下干燥30min。将经过预处理的试样放置在工作台上。将粒度为325目的Ni25合金粉末置于干燥箱内，在100℃的温度下干燥1h，冷却后加入送粉器中。在励磁线圈内通入5A直流电，控制机械臂，调整激光焦距，同时调整导磁铁芯，在不影响送粉的前提下，使导磁铁芯与基体的距离尽量接近。此时，导磁铁芯下方的基体表面所产生的磁感应强度约为1T。开启激光发生器（功率为1500W、光斑直径为6mm），气体保护装置（氩气流量为20L/h）和送粉器(送粉量为20g/min)，用600mm/min的扫描速度按照预设熔覆轨迹进行熔覆。由于熔覆区存在与基体表面垂直的静态磁场，熔池的流动将受洛伦兹力的阻碍作用，从而抑制熔池的对流运动，使熔池内的主要传热模式由热对流转为热传导。此实施例的结果表明，在静态磁场作用下，熔覆层近基体界面上有大片垂直于界面生长的柱状晶，且柱状晶的长度较长（如图3所示）。

实施例2

该例去除实施例1中的静态磁场（即线圈不通流），而其他工艺参数保持一致。此实施例的结果表明，在无静态磁场的作用下，熔覆层近基体界面只有少量垂直于界面生长的柱状晶，界面的其余部位均为均匀的等轴晶（如图4所示），结合实施例1和实施例2，证明了静态磁场可有效调控激光熔覆层的晶粒生长形式。

实施例3

静态磁场-激光同轴复合熔覆的装置与实施例1相同。

先将待熔凝的低碳合金钢表面进行打磨后，用丙酮反复清洗，然后放入干燥箱在100℃的温度下干燥30min，将经过预处理的试样放置在工作台上。在励磁线圈内通入1A直流电，控制机械臂，调整激光焦距，同时调整导磁铁芯，使导磁铁芯与基体的距离尽量接近。此时，导磁铁芯下方的基体表面所产生的磁感应强度约为200mT。开启激光发生器（功率为1800W、光斑直径为4mm），气体保护装置（氩气流量为4L/h），关闭送粉器(送粉量为0)，用300mm/min的扫描速度按照预设熔凝轨迹进行熔凝，扫描3s后切断励磁电流，继续扫描3s。结合外加磁场和无外加磁场熔凝层的表面宏观形貌（如图5所示）和表面轮廓高度（如图6所示）进行分析，其中虚线右侧为附加磁场区域，虚线左侧为无磁场区域。分析结果表明，处于磁场区域的熔凝层表面较为平滑，鱼鳞纹均匀且细密，而无 磁场区域的熔凝层表面波纹明显，鱼鳞纹粗糙且凹凸不平。该实施例证明了静态磁场对激光熔凝层表面形貌的改善效果。

Claims (1)

1.静态磁场-激光同轴复合熔覆的方法的专用装置，静态磁场-激光同轴复合熔覆的方法是：

(1)将待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，然后将其通过夹具固定在工作台的合适位置；

(2)在励磁线圈内通入1～5A直流电流，使励磁线圈内部的导磁铁芯上产生强度为0.2～1T的静态磁场；

(3)将导磁铁芯的端面靠近基体表面，开启保护气、送粉器、激光器，执行熔覆程序，使熔覆区同时受到静态磁场的作用，磁场方向与基体表面垂直，并与激光束平行；由于高能激光束的作用，熔池内部发生强烈对流搅动，当导电流体的运动方向不与磁场方向平行时，即会产生与熔池对流方向相反的洛伦兹力，抑制熔池的流动；

(4)所述激光熔覆的工艺为：光斑直径为4～6mm，送粉速度为0～20g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为4～20L/h，激光功率为1～3kW，扫描速度为300～600mm/min；

其特征在于：包括依次连接的激光发生器、激光传输通道、导磁铁芯、同轴送粉器，所述的导磁铁芯外设有励磁线圈，气体保护装置与激光传输通道相连，其中励磁线圈与导磁铁芯同轴组合，导磁铁芯与送粉器同轴组合，送粉器与激光传输通道同轴组合，激光发生器与激光传输通道可通过柔性光纤或飞行光路连接，熔覆基体置于工作台上，气体保护装置与激光传输通道相连。