CN106350817A - 一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置，本发明将超声振动时效直接引入到熔池微区，凭借超声波直接的空化效应、机械效应和热效应促进熔覆层应力场均匀化，细化晶粒组织，从根源上抑制裂纹的产生；且能够直接作用于熔池，在促进对温度和应力分布均匀化方面强于远离熔池的工件整体振动作用，而超声波的三大效应在搅拌作用方面也强于电磁搅拌消除法，从而该新方法相对于以往方法具有本质的区别，并具有较大优势。反复实验即可起到细化晶粒组织的作用从而制备出表面形貌良好，无裂纹的熔覆层。

Description

一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置。

背景技术

激光熔覆技术是随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，它是将合金粉末以不同的填料方式置于被熔覆基体表面，利用激光作为热源将合金粉末迅速熔化，在，体表面形成具有优良性能的涂层，从而达到对工件表面进行强化的目的。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学和冶金过程，是一种对裂纹很敏感的表面改性工艺，激光束的快速加热，使得熔覆层完全熔化，热量来不及传递开来，使得基材温度远低于熔覆层的温度，这就在熔覆层和基材材料间产生很大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中，不可能有足够多的液体来补充，形成的温度梯度差以及熔覆材料与基体材料的热膨胀系数差异造成熔覆层与基材体积收缩不一致，而且一般而言，熔覆层的收缩率大于基材材料，熔覆层受到周围环境(冷态的基材)的约束，因此在熔覆层中形成残余拉应力，应力的大小与基体材料的硬度高低有关。另外，固态金属在冷却过程中还会由于相组织转变而引起组织应力。

上述应力的叠加，当超过材料的强度极限时，就会在工件的气孔、夹渣等薄弱部位发生开裂。激光熔覆过程中产生的残余应力是熔覆层裂纹形成的根源，所以，减小或消除熔覆过程中的残余应力是抑制激光熔覆层裂纹的最主要方法。

因此，如何从调控熔覆层应力场出发，开发激光熔池微区域内高效可靠的应力均匀化技术是解决激光熔覆裂纹问题的关键所在和有效途径。

激光熔覆层开裂问题引起了国内外学者和工业界的广泛关注。该方面研究针对激光熔覆层开裂问题，开发了若干新工艺，主要包括基体预热法、机械振动消除法、超声振动消除法、电磁搅拌消除法、激光一感应复合熔覆技术、添加应力软化带等方面。陆伟等人采用基体预热法针对高速线材轧辊进行了激光熔敷，将基体分别预热到300、400、500度，分析了基体预热温度对应力状态的影响规律及母材与熔层材料的热物理性能变化规律。研究表明，基体预热处理对减少覆层残余应力有一定作用，能够降低熔覆层的塑性变形，降低熔覆层开裂的倾向；王传琦等人研究了机械振动辅助激光熔覆技术,针对45钢，进行了机械振动辅助激光熔覆加工，采用有限元数值模拟、实际测试和理论分析等方法，分析了机械振动对涂层表面、结合界面、基材热影响区等部位应力分布的影响,研究表明，机械振动能改善激光熔覆Ni60合金涂层及其周边的应力-应变分布状态,起到应力控制的作用；陈畅源等人研究了超声振动对激光熔覆过程的影响，探讨了超声振动对激光熔覆过程影响机理及作用，结果表明，超声振动使熔池各处原本复杂的温度分布均匀化，能够减少残余应力,从而减少或消除熔覆层的裂纹。

以上新工艺方面研究，虽然在激光熔覆层开裂方面有一定的抑制效果，但每种方法都存在不足，如基体预热法增加了加热工序，使生产效率降低，恶化劳动条件，对于大型零部件的激光熔覆加工尤为明显，同时零部件由于长时间加热使表面氧化，削弱了熔覆层性能，导致硬度降低，耐磨和耐腐蚀性能下降；振动消除法(机械振动、超声振动)在理论方面可行，但实际情况是，振动源施加于工件底部，使工件振动影响熔敷过程，而激光熔敷区是一微小区域，由工件传来的振动搅拌作用并不明显，从而使熔池微区的应力均匀化效果大为削弱，熔覆层止裂效果不明显。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置，本发明将超声振动时效直接引入到熔池微区，凭借超声波直接的空化效应、机械效应和热效应促进熔覆层应力场均匀化，细化晶粒组织，从根源上抑制裂纹的产生；且能够直接作用于熔池，在促进对温度和应力分布均匀化方面强于远离熔池的工件整体振动作用，而超声波的三大效应在搅拌作用方面也强于电磁搅拌消除法，从而该新方法相对于以往方法具有本质的区别，并具有较大优势。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法，将超声波直接作用于熔池微区，以辅助激光熔覆来制备无裂纹熔覆层。

一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，包括激光设备和超声振动设备，其中，所述激光设备包括激光发生器、聚焦透镜和激光头，所述激光发生器发出的激光经过聚焦透镜到达激光头，所述超声振动设备包括依次连接的超声波发生器和超声波发射头，所述超声波发射头与激光头固定连接，保证熔覆过程的同步运动，将超声波直接作用于熔覆层，通过超声波的空化效应对熔池的组织形态进行调控，细化晶粒组织，抑制裂纹的萌生，进而获得性能优异的熔覆层。

所述超声波发射头包括依次相连的换能器、变幅杆和振子，所述超声波发生器通过电缆与换能器连接，通过变幅杆来增大振幅，最后通过振子来发射超声波。

所述激光头连接有送粉器，在熔覆过程中同步送粉。

所述熔覆过程采用氮气保护。

所述激光器是光纤激光器。

所述激光发生器发出的激光，通过反射镜和聚焦透镜对激光进行传输，保证激光的有效功率及聚焦性。

所述激光头和超声波发射头用夹具固定在一起。

本发明的有益效果为：

(1)本发明区别现有的间接超声振动方法，将超声波在保证起到作用的情况下直接引入到熔池微区，来改善熔覆层温度和应力分布。

(2)本发明中的激光头和超声发射头用特制夹具固定一起，可以保证熔覆过程超声振动与激光熔覆的同步性及时效性。

(3)本发明对激光熔覆过程中的所用的基体及粉末没有限制。

(4)本发明是一种结构简单，操控灵活，环保高效的辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法，具有很强的工程应用价值。

附图说明

图1为超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层装置的示意图

图2为激光头和超声发射头固定装置二维主视图

图1中，1—激光发生器，2—送粉器，3—激光头，4—超声波发生器，5—反射镜，6—聚焦透镜，7—夹具，8—换能器，9—变幅杆，10—振子，11—熔覆层，12—基体，13—电缆。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所述的超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层装置，包括激光发生器[1]、送粉器[2]、激光头[3]、超声波发生器[4]、反射镜[5]、聚焦透镜[6]、夹具[7]、换能器[8]、变幅杆[9]、振子[10]、熔覆层[11]、基体[12]和电缆[13]。实验前将基体[12]打磨并用丙酮擦拭表面去除杂质，将送粉器[2]连接于激光发生器[1]上准备熔覆过程输送粉末，用电缆[13]将超声波发生器[4]和换能器[8]连接，同时将变幅杆[9]和振子[10]连接到换能器[8]端部组成完整的超声波发射装置，调整夹具[7]的位置来调控激光头[3]和超声波发射头的相对高度，同时调整反射镜[5]和聚焦透镜[6]这一套光路系统使激光束达到聚焦到熔覆层[11]的目的。待一切准备工作就绪后，同时开启激光发生器[1]和超声波发生器[4]进行激光熔覆实验。熔覆结束后关闭实验设备，观察基体材料的熔覆层形貌是否无裂纹产生。反复实验即可起到细化晶粒组织的作用从而制备出表面形貌良好，无裂纹的熔覆层。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法，其特征是：将超声波直接作用于熔池微区，以辅助激光熔覆来制备无裂纹熔覆层。

2.如权利要求1所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法，其特征是：熔覆过程采用氮气保护。

3.一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：包括激光设备和超声振动设备，其中，所述激光设备包括激光发生器、聚焦透镜和激光头，所述激光发生器发出的激光经过聚焦透镜到达激光头，所述超声振动设备包括依次连接的超声波发生器和超声波发射头，所述超声波发射头与激光头固定连接，保证熔覆过程的同步运动，将超声波直接作用于熔覆层，通过超声波的空化效应对熔池的组织形态进行调控，细化晶粒组织，抑制裂纹的萌生，进而获得性能优异的熔覆层。

4.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述超声波发射头包括依次相连的换能器、变幅杆和振子，所述超声波发生器通过电缆与换能器连接，通过变幅杆来增大振幅，最后通过振子来发射超声波。

5.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述激光头连接有送粉器，在熔覆过程中同步送粉。

6.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述熔覆过程采用氮气保护。

7.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述激光器是光纤激光器。

8.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述激光发生器发出的激光，通过反射镜和聚焦透镜对激光进行传输，保证激光的有效功率及聚焦性。

9.如权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的装置，其特征是：所述激光头和超声波发射头用夹具固定在一起。