CN105002493B - 一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，针对损伤沟槽宽度逐渐变化的金属损伤件，先使用轮廓仪扫描损伤沟槽宽度的变化曲线，根据沟槽宽度及激光光斑直径的变化范围选择合理的激光熔覆熔道数及光斑搭接率，保持其他参数不变，通过控制激光光斑尺寸随损伤沟槽的宽度变化而变化，使得沟槽不同宽度处激光熔覆的熔道数和搭接率相同。本发明实现了不等宽损伤件的多道均匀搭接激光熔覆修复，有效改善了不等宽损伤件由于激光熔覆熔道数不同及搭接不均匀而导致的组织和性能分布不均等缺陷。

Description

一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，特别适用于修复损伤沟槽宽度不均匀的金属件。

背景技术

激光熔覆是一种优质、高效、节能、环保的表面改性技术，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

与传统的堆焊及热喷涂工艺对比，激光熔覆技术具有如下优点：(1) 激光束光斑小且能量密度高，在熔覆过程中可以将热影响区及热形变程度降至最低；(2) 熔覆层与基体的结合为冶金结合，其强度高，不易剥落；(3) 激光熔覆技术是一种环保型的新技术，其自动化程度较高，结合多道多层搭接技术可获得不同尺寸的熔覆层。

然而就现有的激光熔覆技术而言，对于尺寸较大且宽度不断变化的金属损伤沟槽，采用一般的多道多层搭接修复技术虽然可以完成损伤件的尺寸修复，但是对于不同宽度的区域采用不规则的多道搭接修复技术会导致熔覆层内部组织和性能分布不均等缺陷，甚至会产生堆积效应，严重影响熔覆质量，导致熔覆过程无法继续进行。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，针对损伤沟槽宽度逐渐变化的金属损伤件，先使用轮廓仪扫描损伤沟槽宽度的变化曲线，根据沟槽宽度及激光光斑直径的变化范围选择合理的激光熔覆熔道数及光斑搭接率，保持其他参数不变，通过控制激光光斑尺寸随损伤沟槽的宽度变化而变化，使得沟槽不同宽度处激光熔覆的熔道数和搭接率相同；本发明实现了不等宽损伤件的多道均匀搭接激光熔覆修复，有效改善了不等宽损伤件由于激光熔覆熔道数不同及搭接不均匀而导致的组织和性能分布不均等缺陷。

其具体步骤为：

(1) 使用轮廓仪扫描损伤沟槽的表面轮廓，获得损伤沟槽宽度L的变化曲线。

(2) 根据所测损伤沟槽宽度L的变化曲线及激光光斑直径D的变化范围选择合理的光斑搭接率及激光熔覆熔道数N。

本步骤中的激光光斑直径D的变化范围为0.5~5 mm，所述光斑搭接率的变化范围为20%~50%，激光熔覆熔道数N满足，N取整数。

(3) 根据步骤(1)及步骤(2)中所获得的沟槽宽度L的变化曲线、激光熔覆熔道数N及激光光斑搭接率，计算出激光光斑直径D随沟槽宽度L变化的关系曲线。

本步骤中的激光光斑直径D的变化曲线根据公式计算得到。

(4) 从损伤沟槽的任一侧开始进行第一道激光熔覆，控制激光光斑直径D按照步骤(3)所算得的关系曲线而变化。

激光熔覆参数范围如下：激光功率400~1800 W、扫描速度4~9 mm/s、保护气Ar 3~5L/min、送粉速率：8~20 g/min。

(5) 按照步骤(2)所确定的光斑搭接率，将光斑位置向沟槽另一侧偏移一段距离S，进行第二道激光熔覆，其光斑直径D的变化规律与步骤(4)相同。

本步骤中的光斑偏移距离S根据公式计算得到，第二道激光熔覆参数与步骤(4)相同。

(6) 重复步骤(5)，直至完成第N道激光熔覆，至此第一层激光熔覆完成，重复操作过程中激光熔覆参数与步骤(4)相同。

(7) 重复上述步骤(4)、(5)、(6)，直至完成多层激光熔覆修复工作，重复操作过程中激光熔覆参数与步骤(4)相同。

本发明的有益效果：采用上述方法对不等宽损伤件进行多道均匀搭接激光熔覆修复，可使不同宽度部位的激光熔覆熔道数相同，且相邻熔道之间及同一熔道不同区域的搭接率也相同；该方法有效改善了不等宽损伤件由于激光熔覆熔道数不同及搭接不均匀而导致的组织和性能分布不均等缺陷，避免了因搭接不均匀产生堆积效应，确保激光熔覆过程高效顺利的进行。

附图说明

图1为不等宽金属损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法的示意图。

图2为多道均匀搭接激光熔覆修复方法的搭接示意图。

图3为不等宽金属损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法操作步骤流程图。

图4为未采用多道均匀搭接激光熔覆修复方法进行修复的不等宽316L不锈钢损伤件熔覆层截面金相组织图，其光斑直径不变，搭接率随沟槽宽度不规则变化；激光熔覆加工参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、光斑直径3 mm、保护气Ar 5 L/min、送粉速率12 g/min、搭接率从宽处到窄处按由大到小不规则变化。

图5为按照本文所述步骤进行多道均匀搭接激光熔覆修复不等宽316L不锈钢损伤件所得熔覆层截面金相组织图；激光熔覆加工参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、保护气Ar 5 L/min、送粉速率12 g/min，光斑直径D随损伤沟槽宽度L按本文所述公式不断变化，搭接率=30%不变。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

本实施例所采用的熔覆粉末为Fe304不锈钢，试样基体材料为316L不锈钢，其几何尺寸为120 mm × 60 mm × 15 mm，在其中间部位用线切割开一道一端宽20 mm、另一端宽10 mm、深3 mm的等腰梯形沟槽。

一种使用上述加工方法修复试样的实例，其步骤为：

(1) 使用轮廓仪扫描损伤沟槽的表面轮廓，获得损伤沟槽宽度L的变化曲线，得到上底宽10 mm 下底宽20 mm的等腰梯形变化曲线。

(2) 根据沟槽宽度变化在10 mm~20 mm，光斑直径D的变化范围为0.5~5mm，选取光斑搭接率为30%，因此本实施例中选择激光熔覆熔道数可定为N=13。

(3) 根据步骤(1)及步骤(2)中所获得的沟槽宽度L的变化曲线、激光熔覆熔道数13及光斑搭接率30%，计算出激光光斑直径D随沟槽宽度L变化的关系曲线。本步骤中的激光光斑直径D的变化曲线根据公式计算得到，因此本实施例中激光光斑直径变化规律为由上底直径2 mm向下底直径4 mm逐渐增大。

(4) 从损伤沟槽的任一侧开始进行第一道激光熔覆，控制激光光斑直径D按照步骤(3)所算得的关系曲线从上底2 mm向下底4 mm逐渐增大，激光熔覆参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、保护气Ar 5 L/min、送粉速率：12 g/min。

(5) 按照步骤(2)所确定的光斑搭接率30%，将光斑位置向沟槽另一侧偏移一段距离，进行第二道激光熔覆，其光斑直径D的变化规律与步骤(4)相同，均为，第二道激光熔覆参数与步骤(4)相同：激光功率1400 W、扫描速度6 mm/s、保护气Ar 4 L/min、送粉速率：12 g/min。

(6) 重复步骤(5)，直至完成第N道激光熔覆，至此第一层激光熔覆完成；重复操作过程中激光熔覆参数与步骤(4)相同：激光功率1400 W、扫描速度6 mm/s、保护气Ar 4 L/min、送粉速率：12 g/min。

(7) 重复上述步骤(4)、(5)、(6)，直至完成多层激光熔覆修复工作，重复操作过程中激光熔覆参数与步骤(4)相同：激光功率1400 W、扫描速度6 mm/s、保护气Ar 4 L/min、送粉速率：12 g/min。

对修复完成后的试样进行线切割，取其截面做金相组织观察，并将之与一般加工方法所得到的熔覆层金相组织进行对比，所述“一般方法”即其光斑直径不变，搭接率随沟槽宽度不规则变化的加工方法，所得图片如下：

如图4所示，当采用光斑直径不变，搭接率随沟槽宽度不规则变化的加工方法修复不等宽316L不锈钢损伤件时，熔覆层在结晶过程中由于搭接的不均匀性导致结晶方向杂乱，晶粒组织分布不规律，熔覆层晶粒尺寸变化较大。

相反，如图5所示，当采用本文所述步骤进行多道均匀搭接激光熔覆修复不等宽316L不锈钢损伤件时，由于熔覆过程中沟槽宽处与窄处的熔道数保持不变，并且熔覆过程中各部位搭接率也保持不变，因此熔覆层在结晶过程中晶粒取向稳定，晶粒组织分布均匀，且晶粒尺寸变化也大大减小。

Claims (3)

1.一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，针对损伤沟槽宽度逐渐变化的金属损伤件，先使用轮廓仪扫描损伤沟槽宽度的变化曲线，根据沟槽宽度及激光光斑直径的变化范围选择合理的激光熔覆熔道数及光斑搭接率，保持其他参数不变，通过控制激光光斑尺寸随损伤沟槽的宽度变化而变化，使得沟槽不同宽度处激光熔覆的熔道数和搭接率相同，其特征在于具体步骤如下：

(1)使用轮廓仪扫描损伤沟槽的表面轮廓，获得损伤沟槽宽度L的变化曲线；

(2)根据所测损伤沟槽宽度L的变化曲线及激光光斑直径D的变化范围选择合理的光斑搭接率η及激光熔覆熔道数N；

(3)根据步骤(1)及步骤(2)中所获得的沟槽宽度L的变化曲线、激光熔覆熔道数N及激光光斑搭接率η，计算出激光光斑直径D随沟槽宽度L变化的关系曲线；

(4)从损伤沟槽的任一侧开始进行第一道激光熔覆，控制激光光斑直径D按照步骤(3)所算得的关系曲线而变化；

(5)按照步骤(2)所确定的光斑搭接率η，将光斑位置向沟槽另一侧偏移一段距离S，进行第二道激光熔覆，其光斑直径D的变化规律与步骤(4)相同；

(6)重复步骤(5)，直至完成第N道激光熔覆，至此第一层激光熔覆完成；

(7)重复上述步骤(4)、(5)、(6)，直至完成多层激光熔覆修复工作；

所述步骤(2)中的激光光斑直径D的变化范围为0.5～5mm，所述光斑搭接率η的变化范围为20％～50％，激光熔覆熔道数N满足N取整数；沟槽宽度最大值视为L_max，最小值视为L_min；所述步骤(3)中的激光光斑直径D的变化曲线根据公式计算得到。

2.如权利要求1所述的一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，其特征在于：所述步骤(5)中的光斑偏移距离S根据公式S＝η×D计算得到。

3.如权利要求1所述的一种不等宽损伤件多道均匀搭接激光熔覆修复方法，其特征在于：所述步骤(4)、(5)、(6)、(7)中的激光熔覆参数相同，具体范围如下：激光功率400～1800W、扫描速度4～9mm/s、保护气Ar 3～5L/min、送粉速率：6～15g/min。