CN104651833A - 激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法及修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法及相应装置，其中，所述修复方法包括如下步骤：S1.控制基体材料的凹凸缺陷表面中凹点位于环锥形聚焦激光束的初始负离焦位置；S2.控制环锥形聚焦激光束、位于激光束内部的粉束、以及位于粉束外围的保护气同轴出射；S3.控制激光束、连同其内部的粉束、粉束外围的保护气沿凹凸缺陷表面移动；S4.激光束将粉束熔化在材料表面并凝固成一层熔道，重复移动，通过逐层熔覆的方式逐步修复凹凸缺陷。本发明的修复方法基于中空激光以及光内送粉对基体材料的凹凸缺陷表面进行修复，同时，通过合理控制激光离焦量，在凹凸缺陷表面形成平整的熔覆层，修复了熔覆堆积成形的过程中成形表面因堆积产生的凹凸不平。

Description

激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法及修复装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆立体成形技术领域，特别是涉及一种激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法及相应装置。

背景技术

激光熔覆立体成形技术是将激光束照射在加工表面，在金属材料表面形成熔池，同步将粉束送进熔池，激光将粉末熔化并在加工表面移动，熔池不断凝固形成熔道。该技术能够实现高性能金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，在航空航天、冶金、矿山、机械制造等行业中发展很快。

在熔覆堆积成形的过程中，工艺控制是一个非常重要的方面。通常在最初的几层材料堆积过程中，成形表面可能会出现波动现象。此时，若不能得到控制，若干层堆积后表面将会出现凹凸不平，进而严重影响成形质量，甚至使堆积成形过程无法继续进行。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法及相应装置，以克服现有技术中存在的不足。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法，其包括以下步骤：

S1.控制基体材料的凹凸缺陷表面中凹点位于环锥形聚焦激光束的初始负离焦位置，所述初始负离焦为2-4mm；

S2.控制环锥形聚焦激光束、位于环锥形聚焦激光束内部的粉束、以及位于粉束外围的保护气同轴出射，射向基体材料的凹凸缺陷表面；

S3.控制环锥形聚焦激光束、连同其内部的粉束、粉束外围的保护气沿凹凸缺陷表面移动，环锥形聚焦激光束自凹凸缺陷中凹点移动至凸点过程中，环锥形聚焦激光束负离焦量由小变大；

S4.环锥形聚焦激光束将粉束熔化在材料表面并凝固成一层熔道，重复移动，通过逐层熔覆的方式逐步修复凹凸缺陷。

作为本发明的激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法的改进，所述粉束位于环锥形聚焦激光束的轴心位置，粉束的直径为2mm；

作为本发明的激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法的改进，所述步骤S3中，环锥形聚焦激光束的扫描速度为4-6mm/s，粉束的供粉率为7-9g/min，保护气的载气流量为2.5-3.5L/min。

为实现上述目的，本发明还提供一种激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复装置，其包括：高功率光纤激光器系统、机器人系统、送粉器、光内送粉喷头、保护气输送系统；

所述光内送粉喷头用于出射环锥形聚焦激光束，所述光内送粉喷头与所述高功率光纤激光器系统相连接；所述送粉器和保护气输送系统与所述熔覆光头相连接，所述送粉器包括喷粉管，所述喷粉管设置于环锥形聚焦激光束的中心，并与所述环锥形聚焦激光束同轴设置，所述保护气输送系统输送的保护气形成于所述粉束的外围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法基于中空激光以及光内送粉对基体材料的凹凸缺陷表面进行修复，同时，通过合理控制激光离焦量，在凹凸缺陷表面形成平整的熔覆层，修复了熔覆堆积成形的过程中成形表面因堆积产生的凹凸不平。修复形成的熔覆层，其宽度变化小，；组织相对均匀、致密，硬度从顶部至底部呈平稳下降趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为激光的负离焦量与相应形成的熔覆层的厚度的关系曲线图；

图2为采用本发明的激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法堆积多层熔覆层后的照片；

图3为采用对比实施例中的方法堆积多层熔覆层后的照片；

图4为对图2中多层熔覆层进行切取试样获得的试样的截面图；

图5为图4中试样的内部组织中a处的扫描电镜图；

图6为图4中试样的内部组织中b处的扫描电镜图；

图7为图4中试样的内部组织中c处的扫描电镜图；

图8为针对采用本发明的方法堆积的多层熔覆层表面至靠近基体材料方向的显微硬度曲线；

图9为采用本发明的方法对薄壁墙修复后，任一薄壁墙的宽度变化曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法包括如下步骤：

S1.控制基体材料的凹凸缺陷表面中凹点位于环锥形聚焦激光束的初始负离焦位置，所述初始负离焦为2-4mm；

S2.控制环锥形聚焦激光束、位于环锥形聚焦激光束内部的粉束、以及位于粉束外围的保护气同轴出射，射向基体材料的凹凸缺陷表面；

S3.控制环锥形聚焦激光束、连同其内部的粉束、粉束外围的保护气沿凹凸缺陷表面移动，环锥形聚焦激光束自凹凸缺陷中凹点移动至凸点过程中，环锥形聚焦激光束负离焦量由小变大；

S4.环锥形聚焦激光束将粉束熔化在材料表面并凝固成一层熔道，重复移动，通过逐层熔覆的方式逐步修复凹凸缺陷。

具体地，所述步骤S1之前还包括：在对基体材料的凹凸缺陷表面进行修复之前，需要对其进行前处理。该前处理具体包括：采用砂纸对凹凸缺陷表面进行打磨，并用酒精去除油污后再用丙酮清洗，随后在200℃的烘箱内放置2h去除水分。

所述步骤S2中，环锥形聚焦激光束同保护气及粉束采取同轴出射方式，照射于的凹凸缺陷表面上，从而，粉束在激光的作用下融化沉积在相应表面上，形成熔覆层。

具体地，环锥形聚焦激光束为中空激光，此处所称中空激光是指射出的激光为环形，从而，所述光内送粉是指在环形激光的内部送入待喷射的粉体。进一步地，所述激光为环形光束，所述喷涂的粉束位于环形光束的轴心位置，所述保护气位于粉束外围，形成保护气帘。优选地，所述粉体、环形激光、以及保护气帘同轴设置。其中，喷射的粉体形成粉束，该粉束挺直，发散较小，其直径优选为2mm。

所述待喷射的粉体可以为粒径为75～106μm的Fe313合金粉末，该合金粉末，按重量百分比计，包括碳0.1％、硅2.5～3.5％、铬13.0～17.0％、硼0.5～1.5％、剩余为铁。

此外，步骤S2中，激光的扫描速度为5mm/s，供电率为8g/min，载气流量为3L/min。

所述步骤S3中，负离焦量是指负离焦的绝对值。

如图1所示，其为环锥形聚焦激光束的负离焦量与相应形成的熔覆层的厚度的关系曲线图，由图中可知，随着环锥形聚焦激光束的负离焦量不断减小，环形光斑直径逐渐增大，相应地，熔池变大，进入熔池的粉末增多，从而，单层熔覆层的厚度随之增高。当离焦量达-3mm左右时，环锥形聚焦激光束功率密度、环形光斑占空比及粉斑大小达到最佳耦合，此时单层熔覆层积厚度最高。随着环锥形聚焦激光束的负离焦量进一步减小，光斑直径逐渐大于2mm的粉斑直径，此时，熔池面积逐渐扩大，但进入熔池的粉量已不能随之增加，故单层熔覆层的厚度将会逐渐降低。

从而，基于上述分析，本发明的修复方法中，熔覆光头发出的激光在照射基体材料的凹凸缺陷表面过程中，环锥形聚焦激光束的离焦量在[-3mm,-5mm]的区间范围内逐渐减小。如此，激光照射于凹凸缺陷表面的凹处时，形成的熔覆层对其进行填充，当照射于凸起处时，由于激光的离焦量是逐渐减小的，对应形成的熔覆层的厚度也相应减小，相应地，凸起处的熔覆层的厚度相应减小。从而，堆积多层熔覆层后，即可逐渐消除凹陷和凸起之间的高度差，使得凹凸缺陷表面趋于平整。

下面结合测试实验，对本发明的激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法进行测试。

本测试实验中，在基体材料的表面设置三道凸起的栅栏状薄壁墙，三道凸起的栅栏状薄壁墙的高度为2mm，间距为10mm，以此作为凹凸缺陷表面。

按照本发明的修复方法，使得激光在照射三道凸起的栅栏状薄壁墙过程中，激光的离焦量在[-3mm,-5mm]的区间范围内逐渐减小。

如图2所示，为采用本发明的方法堆积多层熔覆层后的照片，由图2可知，随着熔覆层不断增加，形貌出现了逐渐平稳的趋势。

相类似地，在基体材料的表面另外设置三道凸起的栅栏状薄壁墙，三道凸起的栅栏状薄壁墙的高度为2mm，间距为10mm，以此作为凹凸缺陷表面。

使得激光在照射三道凸起的栅栏状薄壁墙过程中，激光的离焦量在[-0mm,-3mm]的区间范围内逐渐减小。

如图3所示，为采用对比实施例中的方法堆积多层熔覆层后的照片，由图3可知，随着堆积层数不断增加，形貌凹凸不平愈发明显，没有起到修复的效果。

针对采用本发明的方法堆积的多层熔覆层，沿垂直于激光扫描方向的横截面切取试样，镶样并打磨抛光，用扫描电镜(SEM)观察其整体轮廓及内部组织。

如图4所示，为所切取试样的截面图，可见其整体轮廓较为规则，边缘趋于平整。

如图5～7所示，分别为图4中所切取试样的内部组织a、b、c处的扫描电镜图。由图5可知，熔合界限向基体材料内部弯曲，熔覆层与基体材料之间形成了良好的冶金结合；如图6、7可知，熔覆层内部组织致密均匀，具有明显的垂直于界面的枝晶生长特征。

如图8所示，其为针对采用本发明的方法堆积的多层熔覆层表面至靠近基体材料方向的显微硬度曲线，由图可知，其硬度呈下降趋势，且硬度分布均匀，变化较为平稳。

如图9所示，其为采用本发明的方法对薄壁墙修复后，任一薄壁墙的宽度变化曲线，由图可知，随着熔覆层数的增加，薄壁墙宽度有微小的增大，这是由于每层堆积时的单层厚度与提升量的细小误差造成的，但薄壁墙整体宽度变化不大。

本发明还提供一种激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复装置，其用于实现如上所述的修复方法。具体地，所述修复装置包括：高功率光纤激光器系统、机器人系统、送粉器、光内送粉喷头、保护气输送系统；

其中，所述光内送粉喷头用于出射环锥形聚焦激光束，所述光内送粉喷头与所述高功率光纤激光器系统相连接；所述送粉器和保护气输送系统与所述熔覆光头相连接，所述送粉器包括喷粉管，所述喷粉管设置于环锥形聚焦激光束的中心，并与所述环锥形聚焦激光束同轴设置，所述保护气输送系统输送的保护气形成于所述粉束的外围。如此，可实现粉体、激光、保护气的同轴射出。

综上所示，本发明的激光熔覆工艺中凹凸缺陷的修复方法基于中空激光以及光内送粉对基体材料的凹凸缺陷表面进行修复，同时，通过合理控制激光离焦量，在凹凸缺陷表面形成平整的熔覆层，修复了熔覆堆积成形的过程中成形表面因堆积产生的凹凸不平。修复形成的熔覆层，其宽度变化小，；组织相对均匀、致密，硬度从顶部至底部呈平稳下降趋势。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法，其特征在于，所述修复方法包括以下步骤：

S1.控制基体材料的凹凸缺陷表面中凹点位于环锥形聚焦激光束的初始负离焦位置，所述初始负离焦为2-4mm；

S2.控制环锥形聚焦激光束、位于环锥形聚焦激光束内部的粉束、以及位于粉束外围的保护气同轴出射，射向基体材料的凹凸缺陷表面；

S3.控制环锥形聚焦激光束、连同其内部的粉束、粉束外围的保护气沿凹凸缺陷表面移动，环锥形聚焦激光束自凹凸缺陷中凹点移动至凸点过程中，环锥形聚焦激光束负离焦量由小变大；

S4.环锥形聚焦激光束将粉束熔化在材料表面并凝固成一层熔道，重复移动，通过逐层熔覆的方式逐步修复凹凸缺陷。

2.根据权利要求1所述的激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法，其特征在于，所述粉束位于环锥形聚焦激光束的轴心位置，粉束的直径为2mm。

3.根据权利要求1所述的激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤S3中，环锥形聚焦激光束的扫描速度为4-6mm/s，粉束的供粉率为7-9g/min，保护气的载气流量为2.5-3.5L/min。

4.一种用于实现权利要求1-3任一项激光光内送粉熔覆凹凸缺陷的修复方法的修复装置，其特征在于，所述修复装置包括：高功率光纤激光器系统、机器人系统、送粉器、光内送粉喷头、保护气输送系统；

所述光内送粉喷头用于出射环锥形聚焦激光束，所述光内送粉喷头与所述高功率光纤激光器系统相连接；所述送粉器和保护气输送系统与所述熔覆光头相连接，所述送粉器包括喷粉管，所述喷粉管设置于环锥形聚焦激光束的中心，并与所述环锥形聚焦激光束同轴设置，所述保护气输送系统输送的保护气形成于所述粉束的外围。