CN104195541B - 一种电‑磁复合场协同激光熔覆的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电‑磁复合场协同激光熔覆的方法及装置，在进行激光熔覆过程中，将外加电场和外加磁场同时耦合在工件中，使熔池区域的导电流体受到电‑磁复合场的协同作用，产生可控洛仑兹力，以调控激光熔覆过程中的传热传质行为，可实现熔池对流的趋向性控制，达到调控凝固组织、优化工件力学性能，调整溶质元素或外加硬质相分布、改善熔覆层表面形貌等目的。电‑磁复合场协同激光熔覆装置包括激光器、激光传输通道、送粉头、永磁铁或励磁装置、工件夹持器、导线、低压大电流电源等。本发明实现了电‑磁复合场对激光所致熔池的协同控制，具有调控能力强、调控类型灵活、适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明属于激光制造技术领域，具体涉及一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法及装置。
背景技术
激光熔覆技术是指以采用不同的溶质元素或硬质相的添加方法，在基体表面添加熔覆材料，经过激光辐照后，使熔覆材料和基体表面同时熔化产生熔池，经过快速凝固形成低稀释率且与基体呈冶金结合的表面覆层。激光熔覆技术同时也是激光组合増材制造和激光3D打印技术的基础。激光熔覆具有的主要特点是:热输入和工件变形较小；熔覆层与基体呈冶金结合；熔覆材料消耗少，具有较好的性价比；熔覆过程容易实现自动化等优点。但激光熔覆同时也存在一些共性问题：
(1)激光工艺参数的调节只能改变熔覆层熔池的外部传热边界，无法控制熔池内部流体的运动方向，因此通过单纯调节激光工艺参数难以控制凝固层组织和性能的趋向性；
(2)在激光熔覆的快速凝固条件下，熔覆层极易形成形态、大小和方向各异的不均匀凝固组织，且熔覆层内的气孔和夹杂等微观缺陷往往难以及时排出而残留在熔覆组织中，严重影响了熔覆层的质量；
(3)在激光高能束的辐照作用下，熔覆层熔池发生强烈地搅动，造成溶质元素或硬质相无序分布，在单层激光熔覆过程中难以实现其分层或梯度控制。
针对上述问题，国内外学者尝试着利用外加磁场来对激光焊接和熔覆过程进行了调控。M.Bachmann等学者研究了利用永磁铁提供的稳态磁场和用电磁铁提供的交变磁场对铝合金深熔焊过程的影响。研究结果表明稳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。国内刘洪喜等人采用附加旋转磁场的方法得到了晶粒较细化的熔覆层，并研究了旋转磁场条件下熔覆层柱状树枝晶向等轴晶转化的机理。
在单纯稳态磁场作用下，由于洛伦兹力方向始终与熔池流动方向相反，因此单纯稳态磁场只能对熔池流动起抑制作用，对熔池运动的方向性无明显作用。旋转磁场在熔池中所形成的交变洛伦兹力无法在熔池内部形成单向的体积力，无法对熔池流动产生趋向性影响，只能起到均匀化组织的作用。因此，现有的单纯磁场对激光熔覆过程的调控形式单一且调控能力有限，本发明的提出将有效解决上述问题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法及装置，通过改变外加磁场和电场的强度、方向和频率，对所形成的洛伦兹力进行有效控制，以实现对熔覆层熔池传热传质行为的有效控制，达到调控凝固组织、优化工件力学性能，调整溶质元素或外加硬质相分布、改善熔覆层表面形貌等目的。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法，包括如下步骤：
(1)对待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥进行预处理，工件夹持器安装在待熔覆基体两端，工件夹持器通过导线与低压大电流电源连接；
(2)布置永磁铁或励磁装置，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态或交变磁场；(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序；同时，开启低压大电流电源，电流大小为100～1000A，电压为2～12V；
(4)激光熔覆工艺为：光斑直径约为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。
一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、待熔覆基体和磁场发生装置，所述待熔覆基体两端安装有工件夹持器，两个工件夹持器分别通过导线与低压大电流电源连接。
作为优选，所述磁场发生装置为永磁铁，永磁铁布置在待熔覆基体两侧或底部。
作为优选，所述磁场发生装置为励磁装置，励磁装置与激光传输通道同轴装配，送粉头与激光传输通道同轴组合。
本发明由于采用了以上的技术方案，具有下述优点：
(1)克服了单一磁场作用下，无法控制熔池对流趋向性的缺陷，通过调节电-磁复合场的不同协同方式，配合合适的激光工艺参数，可实现熔覆层组织、溶质元素、硬质相和性能的选区定制强化；
(2)由于外加电场的引入，大大提高了单纯磁场对激光所致熔池的作用力和作用效率；
(3)附加电场所需的大电流的获取和控制相对强磁场来说要容易且廉价得多，而且电-磁复合场的协同可实现洛伦兹力的方向、大小、和频率的灵活调控。
附图说明
图1是实施例1的装置结构示意图；
图2是实施例3的装置结构示意图；
图3是实施例1中平行于基体表面的熔覆层表层组织金相图；
图4是实施例2中平行于基体表面的熔覆层表层组织金相图；
图5是实施例3中熔覆层表面轮廓高度图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法，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，并根据调控需求，将导线通过工件夹持器安装在基体两端，并与低压大电流电源连接。
(2)将永磁铁或励磁装置根据调控要求进行布置，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态或交变磁场。
(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序。同时，开启低压大电流电源，电流大小根据调控要求在100～1000A之间可调。此时，熔覆熔池内部受到电场和磁场的协同作用，产生方向和大小可调的电磁力(洛伦兹力)，改变熔池传热传质过程，实现对熔覆过程的有效调控。
(4)所述激光熔覆的工艺为：光斑直径约为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。
使用上述方法的专用装置，一种电-磁复合场协同激光熔覆的装置，包括：激光器、激光传输通道、送粉头、永磁铁或励磁装置、工件夹持器、导线及低压大电流电源等装置。其中永磁铁可根据要求布置在试样两侧或底部，励磁装置可与激光传输通道同轴装配，送粉头与激光传输通道同轴组合，激光器与激光传输通道可通过柔性光纤或飞行光路连接，低压大电流电源通过导线及工件夹持器与工件相连接。上述提供的励磁电源，可以提供稳态磁场，也可提供交变磁场；上述低压大电流电源可由大容量蓄电池提供，也可由大电流交流或直流发生器提供，为熔池区域提供静态或交变的电场。在应用时，可根据调控需求，优选一种合适的电场及磁场的附加方式。
实施例1：
如图1所示的一种利用励磁装置提供垂直方向稳态磁场的电-磁复合场协同激光熔覆的装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、励磁装置、工件夹持器、导线、低压大电流电源，其中激光器1与激光传输通道2可通过柔性光纤或飞行光路连接，送粉头3、激光传输通道2和励磁装置同轴配合，工件夹持器6根据要求布置在工件(待熔覆基体)5两侧，工件夹持器6通过导线7与低压大电流电源8连接。
上述装置采用的电-磁复合场协同激光熔覆方法，包括如下步骤：
(1)对待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥进行预处理，工件夹持器安装在待熔覆基体两端，工件夹持器通过导线与低压大电流电源连接；
(2)布置励磁装置，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态磁场；
(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序；同时，开启低压大电流电源，电流大小为100～1000A，电压为2～12V；
(4)激光熔覆工艺为：光斑直径约为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。
本实施例中，先将待熔覆100mm×60mm×10mm的低碳钢板基体进行打磨、除油后用无水乙醇或丙酮反复清洗然后放入干燥箱，在100℃的温度下干燥30min。将经过预处理的工件放置在工作台上。将Ni25合金粉末置于干燥箱内，在120℃的温度下干燥1h，冷却后加入送粉器中。调整激光焦距，在不影响送粉的前提下，使励磁装置与基体的距离尽量接近。在励磁装置内通入一定大小的直流电，使基体表面产生大约0.5T的稳态磁场，开启大电流电源，在基体区域通入与激光扫描方向平行的1000A直流电，使稳态磁场和电场同时作用于待熔覆区域，产生电-磁复合场协同作用。开启激光发生器(功率为1400W)、气体保护装置(氩气流量为10L/h)和送粉器(送粉量为6g/min)，用500mm/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稳态磁场，基体又存在与扫描方向相同的稳态电场，因此由该电-磁复合场所形成的洛仑兹力垂直于试样纵截面。由于定向恒稳洛仑兹力的作用，平行于基体表面的熔覆层表层凝固组织如图3所示。
实施例2：
该例去除实施例1中所附加的磁场和电场，其他工艺参数保持一致。此实施例所获得的熔覆层表层凝固组织如图4所示。对比实施例1中的图3可知，在电-磁复合场的协同作用下，熔池流体受到定向恒稳的洛伦兹力驱动，改变了熔覆层熔池中原有的流场分布，使等轴晶的生长方向出现趋向性，其中迎流侧的枝晶生长较快，背流侧的枝晶生长较慢，而未加电-磁复合场的实施例2中所观察到的熔覆层表层组织为无方向性的等轴晶。结合实施例1和实施例2，证明了电-磁复合场协同作用对激光熔覆层中的凝固组织生长方向可进行有效地趋向性调控。
实施例3：
如图2的利用永磁铁提供水平方向稳态磁场的电-磁复合场协同激光熔覆的装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、永磁铁、工件夹持器、导线、低压大电流电源，其中激光器1与激光传输通道2可通过柔性光纤或飞行光路连接，送粉头3和激光传输通道2同轴配合，永磁铁9布置在工件(待熔覆基体)5两侧，工件夹持器6布置在工件5两端，工件夹持器6通过导线7与低压大电流电源8连接。
上述装置采用的电-磁复合场协同激光熔覆方法，包括如下步骤：
(1)对待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥进行预处理，工件夹持器安装在待熔覆基体两端，工件夹持器通过导线与低压大电流电源连接；
(2)布置永磁体，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态磁场；
(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序；同时，开启低压大电流电源，电流大小为100～1000A，电压为2～12V；
(4)激光熔覆工艺为：光斑直径约为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。
本实施例中，先将待熔覆100mm×10mm×20mm的316不锈钢板基体进行熔覆表面的预处理，将经过预处理的试样放置在工作台上。将316不锈钢粉末置于干燥箱内，在120℃的温度下干燥1h，冷却后加入送粉器中。将长度为40mm的永磁铁放置于工件两侧，使工件中部约40mm的范围内存在稳态磁场，磁场强度为0.4T，磁场方向为垂直于工件纵截面。开启大电流电源，在基体区域通入与激光扫描方向平行的600A直流电，使稳态磁场和电场同时作用于待熔覆区域，产生电-磁复合场协同作用。开启激光发生器(功率为1600W)、气体保护装置(氩气流量为10L/h)和送粉器(送粉量为10g/min)，以360mm/min的扫描速度从工件表面的一个端点扫描至另一个端点。由于工件中部熔覆区存在与工件纵截面垂直的稳态磁场，同时又存在与扫描方向相同的稳态电场，因此由该电-磁复合场所形成的洛仑兹力垂直于试样上表面，作用范围为工件中部存在稳态磁场的区域。结合受到电-磁复合场协同作用和不受协同作用的熔覆层表面轮廓高度(如图5所示)进行分析，其中虚线框内为电-磁复合场作用区域，虚线框左侧为无电-磁复合场区域。在无电-磁复合场作用区，熔覆层高度约为300μm，而在电-磁复合场作用区，熔覆层高度逐渐上升，稳定在500μm左右，熔覆层高度上升了约40％。同时，可以观察到在电-磁复合场作用区，熔覆层的宽度有所减小，熔覆层形貌整体呈逐渐隆起的趋势。由于该例中形成的洛伦兹力为垂直于试样表面恒稳向上，因此熔覆层熔池中受到的是与重力方向相反的体积力，熔池所受热浮力减小，熔池内部的流场也必将被改变。该实施例证明了电-磁复合场协同作用可明显改变熔覆层的表面形貌，同时将影响熔池内部的流场分布。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥，工件夹持器安装在待熔覆基体两端，工件夹持器通过导线与低压大电流电源连接；
(2)布置永磁铁或励磁装置，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态或交变磁场；
(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序；同时，开启低压大电流电源，电流大小为100～1000A，电压为2～12V；
(4)激光熔覆工艺为：光斑直径为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。
2.一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器(1)、激光传输通道(2)、送粉头(3)、待熔覆基体(5)和磁场发生装置，其特征在于，所述待熔覆基体(5)两端安装有工件夹持器(6)，两个工件夹持器(6)分别通过导线(7)与低压大电流电源(8)连接。
3.根据权利要求2所述的一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，其特征在于，所述磁场发生装置为永磁铁(9)，永磁铁(9)布置在待熔覆基体(5)两侧或底部。
4.根据权利要求2所述的一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，其特征在于，所述磁场发生装置为励磁装置，励磁装置与激光传输通道(2)同轴装配，送粉头(3)与激光传输通道(2)同轴组合。
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