CN103938208B - Q235d激光单道熔覆工艺方法 - Google Patents

Abstract

Q235D激光单道熔覆工艺方法，涉及一种熔覆工艺方法，所述方法针对Q235D零件或模具利用铁基金属粉末结合3000瓦光纤激光设备，再以KUKA机器人作为执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制等措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量、搭接率参数，利用优化的工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复；该方法利用优化的工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复，变废为宝。

Description

Q235D激光单道熔覆工艺方法

技术领域

本发明涉及一种熔覆工艺方法，特别是涉及一种Q235D激光单道熔覆工艺方法。

背景技术

目前关于金属粉末的激光熔覆成形技术尚处于实验室研究阶段，并没有广泛运用于实际工程领域，特别是Q235D基体材料的激光熔覆工艺，应用技术研究较少涉猎，为推进该技术在实际工程领域的发展，需要研究这种材料的熔覆工艺，研究工艺参数与成形质量的关系和优化成形工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Q235D激光单道熔覆工艺方法，该方法针对Q235D零件或模具，表面局部磨破损将导致整个零件或模具产品失效报废，利用优化的工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复，变废为宝。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

Q235D激光单道熔覆工艺方法，所述方法针对Q235D零件或模具利用铁基金属粉末结合3000瓦光纤激光设备，再以KUKA机器人作为执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制等措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量、搭接率参数，利用优化的工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复；

其步骤如下：

基体材料选为Q235钢板，用砂纸打磨掉钢板表面氧化层并用丙酮清洗掉表面油污及杂质，激光熔覆成形用粉末材料为铁基合金粉末，粒度为200~300目，对成形粉末进行真空烘干处理,去除粉末表面附着的水分；

配制粉末成分见表1

表1Q235D、铁基粉末成分表

送粉颗粒范围200~400目；KUKA-KR30机械手，重复定位精度小于0.06mm。

所述的Q235D激光单道熔覆工艺方法，所述工艺参数：熔覆头与基体间的距离：14mm；同轴送粉器载气流量：200L/h；保护气压（N2）：0.1MPa；送粉气压（N2）：0.3MPa；光斑直径：2mm；熔覆方式：单道熔覆；进给路径轨迹规划：直线往复。

所述的Q235D激光单道熔覆工艺方法，所述铁基合金熔覆成形的最优工艺参数为：激光功率600W，扫描速度2mm/s送粉电压10V。

本发明的优点与效果是：

1.本发明针对Q235D零件或模具，表面局部磨破损将导致整个零件或模具产品失效报废，利用一定硬度的铁基金属粉末结合3000瓦光纤激光设备，再以KUKA机器人作为执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制等措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量、搭接率等参数，利用最终优化的合理工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复，就能够变废为宝，使被修复零件或模具快速地达到再次使用性能要求，甚至能够使原本报废的零件或模具能够发挥出比之前更佳的性能。

2.本发明基于正交实验对熔覆成形工艺对熔覆层宏观及微观成形质量的影响进行了分析，确定了Fe基合金激光熔覆成形最优工艺参数为激光功率600W，扫描速度2mm/s送粉电压10V。

3.本发明对满足成形质量的熔覆层进行了金相组织分析，发现熔覆层与基体结合处出现白亮层达到了良好的冶金结合，且熔覆层组织细密，无明显气孔及裂纹产生，可以满足一般成形件的性能要求。

4.本发明对熔覆层进行了显微硬度测试，发现熔覆层显微硬度高于基体硬度，且随组织形态变化成阶梯状分布，可以保证成形件性能要求。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图；

图2为本发明图2进给路径轨迹规划图；

图3为本发明不同工艺参数下熔覆层形貌图；

图4为本发明熔覆层缺陷图；

图5为600W熔覆层截面形貌图；

图6为顶部组织图；

图7为中部组织图；

图8为底部组织图；

图9为熔覆层显微硬度分布图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详述。

实施例1：

设备包括：YLS-3000光纤激光器(德国IPG公司)；PERCITECYC52透射式激光熔覆头（德国Precitec公司）；FHPF-10同轴送粉器（飞虹激光）。

在单道熔覆成形实施中，采用正交实验作为实施方法，取影响熔覆成形质量的关键因素：激光功率、扫描速度、送粉电压作为分析目标，进行三因素四水平的正交组合，形成了具有16组参数的正交实验表，其各工艺参数取值见表所示。

表1正交实验参数

依据以上工艺参数进行单道熔覆成形实验，熔覆完成后使用钢锯将满足宏观形貌要求的单道熔覆试样切割成尺寸为8mm×30mm×8mm的金相观察试样，然后对该试样进行磨光，抛光及化学浸蚀处理，以上工作完成后，在倒置式蔡司高级金相显微镜下对熔覆试样进行金相组织分析，并使用HVS-1000型显微硬度计测试试样的显微硬度。

Q235D单道熔覆实验结果及分析

工艺参数对熔覆层宏观形貌影响分析：激光熔覆成形过程中，工艺参数的变化会不同程度的影响熔覆层宏观形貌，研究工艺参数对熔覆层宏观质量影响的目的是通过宏观质量评价，来选取工艺参数的组合范围。依据表1所列的16组正交工艺参数进行单道熔覆实验，熔覆试样的结果如图3所示，最左侧为第1组实验，从左往右依次递增。

从图可以看出，在其它工艺参数确定的条件下，激光功率、扫描速度和送粉电压这三个不同工艺参数的组合对熔覆层形貌影响明显，而且各个工艺参数对熔覆层形貌的影响存在差异性。其中扫描速度对铁基合金熔覆层宏观形貌的影响最为明显。从图片中可以看出前四组实验基体与熔覆粉末均实现了结合，且熔覆层完整。而后12组实验没有形成完整的熔覆层或熔覆层十分稀薄，比较工艺参数可以得知产生这种差异性的主要原因是扫描速度导致的。从熔池形成原理上进行分析，当其他工艺参数不变而改变扫描速度时会影响激光与材料相互作用的时间，同时会影响单位距离内进入熔池的粉末量。因此，扫描速度的变化严重影响了熔覆层宏观形貌。

同时对形成完整熔覆层的前四组熔覆试样进行比较可以看出，激光功率影响着基体与熔覆层的结合强度及熔覆层的均匀性，其原因是激光功率的改变，直接影响到单位面积上激光辐照能量的大小，从而影响成形质量。当激光功率为1000W、1800W、1400W时虽然形成了完整的熔池，但此时由于激光功率过高基体熔化的同时相邻基体表面由于温度过高出现了烧黑现象,且熔覆层表面颜色灰暗，熔覆层宏观质量不佳。而且从图4熔覆层微观形貌可以看出在激光功率过高时，由于高能量密度的激光束对基体及熔覆材料起到了快速加热和急冷的作用，使铁基合金熔覆层中产生了很大的热应力，该局部热应力超过了熔覆材料及基体的强度极限，因此在搭接处产生了微小裂纹。从图5可以看出当激光功率为600W时金属粉末熔化的同时,基体Q235表层也发生了熔化,冷却后形成了连续,均匀的熔覆层。熔覆层表面光滑，无明显的裂纹及气孔，达到了良好的冶金结合状态。

依据以上定量的实验，通过对熔覆试样宏观形貌的综合比较分析可知，在Q235作为基体的前提下，铁基合金熔覆成形的最优工艺参数可选为：激光功率600W，扫描速度2mm/s送粉电压10V。

铁基合金熔覆层金相组织分析:

图6至图8是在蔡司金相显微镜下依次拍到的熔覆层底部，中部和顶部的组织。从图中可以看出在最优工艺参数下，铁基合金熔覆层组织由直径较短的等轴晶、枝状晶、细晶及柱状晶组成,且熔覆层与基体结合界面处出现白亮层，说明在熔覆成形的过程中，结合界面处原子之间相互扩散，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。

通过对熔覆层组织进一步观察，可以看出熔覆层组织成分主要为珠光体,整个截面层组织细密,无明显气孔及裂纹。熔覆层界面组织呈现快速凝固特征，结合处组织为白亮层，底部熔覆层组织为柱状晶及细晶，熔覆层中部为相对较大的等轴晶及枝状晶，靠近表层为细小等轴晶，其组织基本沿热扩散方向生长。

从快速凝固机理进行分析，熔覆层组织形态变化的原因包括以下几点：在激光熔覆的过程中，熔池底部与大块冷金属接触，冷却速度很快，凝固开始时熔池与基体界面的液相一侧存在着极大的正温度梯度，结合处瞬时结晶速度很小，液-固界面以很慢的速度向前推进，界面稳定因子G/R(G是温度梯度，R是凝固梯度)很大，因此凝固时首先以无晶核的方式直接在基底上通过晶体外延附生的方式生长出一层平面晶（即白亮层）。随着离结合面距离的增加，G/R值迅速减小，平面界面失稳，出现柱状晶的生长，由于此处晶体的生长取向受熔体对流的作用较弱,因此柱状晶沿着熔体最易散热方向生长明显。与此同时由于熔池底部前沿区域受过冷区影响，冷却速率很快，因此熔体迅速凝固形成直径较短的细晶组织。随着G/R值进一步减小，成分过冷区变宽，金属溶液内形成大量的晶核，导致晶粒自由生长从而在熔覆层中部形成了枝状晶和少量自由分布的等轴晶组织。由图6可以看出顶部组织与中部组织相比，晶粒细小,其原因是由于边缘温度低,熔体少,且熔池边缘冷却速度比熔池中部的冷却速率大而造成的。

铁基合金熔覆层显微硬度分析:

图9是激光熔覆层顶部至基体的显微硬度变化曲线图。由该图可以看出，从熔覆层顶部到基体的显微硬度呈阶梯状分布，激光熔覆层的显微硬度因激光熔覆快速凝固的机理，晶粒得到细化，因而熔覆层硬度明显高于基体硬度。

由霍尔佩奇关系式[6]：（代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力，通常可以用显微硬度HV来表示；表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力；为与材料的种类性质相关的常数；d为平均晶粒直径）可知熔覆层显微硬度与熔覆层组织晶粒大小有着密切的关系，晶粒越细小，熔覆层的显微硬度应越大。熔覆层表层及底层组织由于快速冷却的原因晶粒要小于熔覆层中部组织晶粒，因此这两处的显微硬度略高于熔覆层中部的显微硬度。由于基体对熔覆层底部的稀释作用使得熔覆层与基体结合区域原子之间相互扩散，因而结合区域的显微硬度仅略高于基体硬度。

Claims (3)

1.Q235D激光单道熔覆工艺方法，其特征在于，所述方法针对Q235D零件或模具利用铁基金属粉末结合3000瓦光纤激光设备，再以KUKA机器人作为执行机构，采用手工编程或自动编程方式，通过轮廓控制方式进行精确的轨迹插补运动，再结合四轴同轴送粉器的精确送粉量控制措施，通过调整送粉量、进给速度、激光功率、氮保护气流量、搭接率参数，利用优化的工艺参数和方法对零件或模具各种类型的二维或三维复杂或简单的磨破损表面进行单道激光熔覆修复；

其步骤如下：

基体材料选为Q235D钢板，用砂纸打磨掉钢板表面氧化层并用丙酮清洗掉表面油污及杂质，激光熔覆成形用粉末材料为铁基合金粉末，粒度为200~300目，对成形粉末进行真空烘干处理,去除粉末表面附着的水分；

配制粉末成分为：Q235D钢板中Fe含量为94.46%、Al含量为0.03%、Cr含量为0.83%、Ni含量为0.01%、B含量为0.05%、Mn含量为0.55%、P含量为0.03%、Si含量为0.32%、Ca含量为0，铁基粉末中Fe含量为64.35%、Al含量为0.24%、Cr含量为18.34%、Ni含量为9.80%、B含量为1.21%、Mn含量为0.09%、P含量为0、Si含量为1.22%、Ca含量为0.05%；KUKA-KR30机械手，重复定位精度小于0.06mm。

2.根据权利要求1所述的Q235D激光单道熔覆工艺方法，其特征在于，所述工艺参数：熔覆头与基体间的距离：14mm；同轴送粉器载气流量：200L/h；保护气压：0.1MPa；送粉气压：0.3MPa；光斑直径：2mm；熔覆方式：单道熔覆；进给路径轨迹规划：直线往复。

3.根据权利要求1所述的Q235D激光单道熔覆工艺方法，其特征在于，所述铁基合金熔覆成形的最优工艺参数为：激光功率600W，扫描速度2mm/s送粉电压10V。