CN106544669A - 三维点式连续移动感应熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维点式连续移动感应熔覆方法，在三维复杂曲面上以点式连续移动方式在铁磁类金属基体上完成感应熔覆工艺。本发明能以点状加工大多数零件表面，尤其是加工复杂曲面结构的工件表面，获得的感应熔覆层形状多样，能与基体实现良好的冶金结合，获得细化的晶粒结构、尺寸精度和力学性能优良，工艺装备要求低。

Description

三维点式连续移动感应熔覆方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种三维点式连续移动感应熔覆方法。

背景技术

许多大型复杂曲面工件在服役过程中会在零件表面发生磨损腐蚀，影响其使用性能，通常对失效的工件采用表面尺寸恢复技术以恢复或提升其性能。目前磨损面的尺寸恢复方法有：1)电弧堆焊——其缺点是不适用于精密工件，需在修复部位开槽或打坡口才能进行堆焊，其修复后组织稀释率高，热影响区大，易产生气泡、裂纹、堆焊组织不均匀和引起基体变形；2)电镀、化学镀——电镀、化学镀其基体与涂层之间仍为机械嵌合，沉积效率低、恢复层厚度薄，劳动强度大，不适用于大批量和大型工件如车身模具的修复；3)热喷涂——热喷涂的热影响较大，加工效率低，材料浪费大，涂层与基体仍为机械嵌合，涂层孔隙率高，工作环境差有粉尘和噪音；4)激光熔覆——激光熔覆制备效率低，其裂纹倾向难以控制，其设备价格也较为昂贵。

上述用于尺寸恢复的表面工程技术方法大多难以获得厚度、性能合适、加工制造成本低廉的恢复层。因此需要一种新型的表面工程技术以满足效率高、恢复层性能好、工艺要求低的尺寸恢复技术方法。感应熔覆技术采用内热源加热，加热速度快、效率高，熔覆层能够与基体实现冶金结合，且在电磁搅拌作用下可以获得细化的晶粒结构，获得的感应熔覆层可用于工件的尺寸恢复或工件的表面改性，其设备价格低廉(只有激光熔覆设备的1/8-1/10)，安装使用条件要求低，对于单件小批量铁磁类工件表面的尺寸恢复和改性具有明显的比较优势，目前在小型规则表面零件的尺寸恢复或者表面改性中被广泛应用。但是，现有的感应熔覆方法只适应于规则曲面(如圆柱面或平面等)，在熔覆过程中感应器只作直线运动，且一次性熔覆完待处理表面，熔覆层及熔覆工艺参数设计方法及过程相对简单。对于大型复杂曲面由于其空间结构限制，感应器无法做直线运动，且难以一次性完全全部表面的熔覆加工，工艺设计及实施过程十分复杂，难以适应三维空间曲面感应熔覆要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维点式连续移动感应熔覆方法，该方法通过通有电流的点式感应器相对熔覆层作三维连续运动，适用于加工具有不同几何结构特征工作表面(平面、圆柱面或者复杂三维曲面)的工件。

本发明所采用的技术方案是：

一种三维点式连续移动感应熔覆工艺方法，在三维复杂曲面上以点式连续移动方式在铁磁类金属基体上完成感应熔覆工艺。

进一步地，在基体的三维复杂表面上预置一定厚度的合金粉末熔覆层，四轴以上联动伺服驱动装置带动通有电流的点式感应器相对熔覆层作三维连续运动，通过控制感应电源的电磁学参数以及点式感应器的运动路径和移动速度依次将熔覆层加热至熔融状态并与基体实现冶金结合，从而获得预定的尺寸、形状和组织性能。

进一步地，三维点式连续移动感应熔覆工艺方法包括如下步骤：

S1.预置熔覆层——在基体表面进行预处理，并预置一定厚度的合金粉末熔覆层；

S2.熔覆——预热基体并通入保护性气体，调整点式感应器与熔覆层之间的距离后在点式感应器中通上电流，四轴以上联动伺服驱动装置带动点式感应器按照规划路径相对熔覆层作三维连续运动，与点式感应器临近的熔覆层粉末和基体表面形成相同频率的感应涡流，与点式感应器临近的熔覆层粉末与基体持续受热发生熔化并在点式感应器移走后或停止通入电流时冷却发生凝结，熔覆层粉末与基体材料形成冶金结合；

S3.重复熔覆——判断熔覆层厚度和宽度是否符合要求，如果是，则结束，如果不符合要求则重复S1至S3。

进一步地，在S1中，基体表面的预处理是去除基体表面的氧化物、疲劳层和划痕，包括以下措施——除油、除锈、打磨、清洗和干燥。

进一步地，在S1中，合金粉末先与粘结剂调和成糊状，然后置于基体表面加热烘干，重复这一过程直至熔覆层厚度达到单次熔覆厚度要求。

进一步地，在S2中，熔覆温度的确定方法是，根据合金粉末和基体的合金体系平衡相图的固溶体溶解曲线和固相线分别确定合金粉末和基体达到熔覆的理论最低加热温度，取两个理论最低加热温度的较高值作为最低加热温度，熔覆温度必须大于最低加热温度，但不超过共晶温度50℃。

进一步地，在S2中，单次熔覆层的厚度与电流频率的选择要求是，单次熔覆层的厚度必须满足同时熔化原则，同时熔化原则是熔覆层上部和下部同时达到熔化温度区间从而同时熔化，单次熔覆层的厚度小于电流的理论透入深度并且与电流的理论透入深度正相关，电流的理论透入深度与电流频率之间的关系必须满足：

式中，δ为电流的理论透入深度、ρ为电阻率、μ₀为空气磁导率，μ为被加热材料的相对磁导率，f为电流频率。

进一步地，在S2中，预热温度高于熔覆层的居里点温度但不会超过100℃。

进一步地，在S2中，点式感应器的移动速度以及点式感应器与熔覆层的间隙的选择要求是，

点式感应器的移动速度与感应器加热时间的匹配公式是，

t＝h/v (2)

式中，v为点式感应器的移动速度、h为与点式感应器相关的系数、t为加热时间，其中，加热时间t与感应熔覆过程产生的总热量的匹配公式是，

式中，Q为感应熔覆过程产生的总热量、C为比热容、m为质量、T为熔覆温度，W为某温度下单位时间热辐射热量；

点式感应器与熔覆层的间隙与感应熔覆加热比功率负相关，感应熔覆加热比功率由以下公式计算，

式中，P为感应熔覆加热比功率、Q为感应熔覆过程产生的总热量、t为加热时间、K₀决定于点式感应器和零件集合尺寸的系数、I为电流、ρ为被加热材料的电阻率、μ₀为空气磁导率、μ为被加热材料的相对磁导率、f为电流频率。

本发明的有益效果是：

点式感应器能适应不规则复杂表面，也不需针对一个工件制作一个感应器，采用一种感应器基本能满足同一曲率零件表面的加工要求；预置好熔覆层后，能连续不间断地在表面进行感应熔覆，通过连续熔覆，可以满足任意大小的曲面熔覆要求；本发明采用的熔覆材料来源广泛，制备的感应熔覆层能与基体实现良好的冶金结合，获得细化的晶粒结构、尺寸精度和力学性能优良，工艺成本低。本方法与传统涂层制备方法(如电镀、化学镀、热喷涂、气相沉积、电火花等)相比，结合力强、熔覆层孔隙率低、对基体热影响小、无氧化烧损或氧化夹杂、气泡裂纹形成倾向低，显微组织良好、熔覆层具有一定耐磨耐腐蚀耐高温性能，其尺寸精度和力学精度优良，与激光或等离子熔覆相比，工艺要求低，成本更加低廉(一般为1/8-1/10)，粉末利用率最高可达80％。普通感应熔覆(比如轴类零件的感应熔覆)，熔覆过程中可能出现流淌现象，影响最终感应熔覆层的尺寸精度，而本发明所述的三维点式连续移动感应熔覆工艺方法采用点式加热，可将加热平面始终处于水平面位置，可有效避免熔覆过程中熔池发生流淌。通有电流的点式感应器相对熔覆层作三维连续运动，多轴联动伺服驱动装置能够精准控制感应熔覆层尺寸精度和力学精度，适用于加工大型复杂曲面结构的工件，能在大多数零件表面加工感应熔覆层，而不局限于规则平面或者轴类零件表面。

附图说明

图1本发明的工作示意图。

图中：1-保护气管；2-基体；3-熔覆层；4-点式感应器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种三维点式连续移动感应熔覆工艺方法，在基体2的三维复杂表面上预置一定厚度的合金粉末熔覆层3，四轴以上联动伺服驱动装置(驱动装置需运行稳定无明显振动，能根据零件表面的形状规划感应器运动曲线，并沿着复杂曲面作相对运动)带动通有电流的点式感应器4相对熔覆层3作三维连续运动，通过控制感应电源的电磁学参数以及点式感应器4的运动路径和移动速度依次将熔覆层3加热至熔融状态并与基体2实现冶金结合，从而获得预定的尺寸、形状和组织性能。

点式感应器4能适应不规则复杂表面，也不需针对一个工件制作一个感应器，采用一种感应器基本能满足同一曲率零件表面的加工要求；预置好熔覆层3后，能连续不间断地在表面进行感应熔覆，通过连续熔覆，可以满足任意大小的曲面熔覆要求；本发明采用的熔覆材料来源广泛，制备的感应熔覆层3能与基体2实现良好的冶金结合，获得细化的晶粒结构、尺寸精度和力学性能优良，工艺成本低。本方法与传统涂层制备方法(如电镀、化学镀、热喷涂、气相沉积、电火花等)相比，结合力强、熔覆层3孔隙率低、对基体2热影响小、无氧化烧损或氧化夹杂、气泡裂纹形成倾向低，显微组织良好、熔覆层3具有一定耐磨耐腐蚀耐高温性能，与激光或等离子熔覆相比，工艺要求低，成本更加低廉(一般为1/8-1/10)，粉末利用率最高可达80％。普通感应熔覆(比如轴类零件的感应熔覆)，熔覆过程中可能出现流淌现象，影响最终感应熔覆层3的尺寸精度，而本发明所述的三维点式连续移动感应熔覆工艺方法采用点式加热，可将加热平面始终处于水平面位置，可有效避免熔覆过程中熔池发生流淌。通有电流的点式感应器4相对熔覆层3作三维连续运动，多轴联动伺服驱动装置能够精准控制感应熔覆层3尺寸精度和力学精度，适用于加工大型复杂曲面结构的工件，能在大多数零件表面加工感应熔覆层3，而不局限于规则平面或者轴类零件表面。

所述三维点式连续移动感应熔覆方法包括如下步骤：

S1.预置熔覆层3——在基体2表面进行预处理，并预置一定厚度的合金粉末熔覆层3；

S2.熔覆——预热基体2并通入保护性气体，调整点式感应器4与熔覆层3之间的距离后在点式感应器4中通上电流，四轴以上联动伺服驱动装置带动点式感应器4按照规划路径相对熔覆层3作三维连续运动，与点式感应器4临近的熔覆层3粉末和基体2表面形成相同频率的感应涡流，与点式感应器4临近的熔覆层3粉末与基体2持续受热发生熔化并在点式感应器4移走后或停止通入电流时冷却发生凝结，熔覆层3粉末与基体2材料形成冶金结合；

S3.重复熔覆——判断熔覆层3厚度和宽度是否符合要求，如果是，则结束，如果不符合要求则重复S1至S3。

在S1中，基体2表面的预处理是去除基体2表面的氧化物、疲劳层和划痕(等影响表面质量的因素，使基体2表面清洁)，包括(并不仅限于)以下措施——除油、除锈、打磨、清洗和干燥。合金粉末先与粘结剂调和成糊状，然后置于基体2表面加热烘干，重复这一过程直至熔覆层3厚度达到单次熔覆厚度要求。

在本发明中，合金粉末覆层其熔覆温度、具体合金粉末配方、粘结剂种类、单次覆层厚度、电流频率、预热温度、点式感应器4设计、点式感应器4移动速度、点式感应器4与熔覆层3间隙及路径规划等工艺参数需根据以下原则进行确定：

熔覆温度的确定方法是，根据合金粉末和基体2的合金体系平衡相图的固溶体溶解曲线和固相线分别确定合金粉末和基体2达到熔覆的理论最低加热温度，取两个理论最低加热温度的较高值作为最低加热温度，熔覆温度必须大于最低加热温度，但不超过共晶温度50℃。

2)熔覆层3合金粉末材料：合金粉末材料的选择需根据所需要的熔覆层3使用性能来确定以及选择是否采用复合材料、添加剂、助熔剂等方法。同时考虑其热膨胀系数是否与基体2相匹配，避免熔覆层3基体2受热冷却不同步而出现熔覆层3开裂。

3)熔覆层3粘结剂：熔覆层3粘结剂的选择应满足成型强度好，粘性强，耐高温，不起泡，不改变合金粉末成分，加热不飞溅等特点。

4)单次熔覆层3的厚度与电流频率的选择要求是，单次熔覆层3的厚度必须满足同时熔化原则，同时熔化原则是熔覆层3上部和下部同时达到熔化温度区间从而同时熔化，单次熔覆层3的厚度小于电流的理论透入深度并且与电流的理论透入深度正相关，电流的理论透入深度与电流频率之间的关系必须满足：

式中，δ为电流的理论透入深度、ρ为电阻率、μ₀为空气磁导率，μ为被加热材料的相对磁导率，f为电流频率。

5)预热温度：为使熔覆层3失磁，预热温度取为略高于熔覆层3居里点温度(但不会超过100℃)，可有效减小熔覆层3残余应力并改善熔覆层3微观组织；根据工件大小保温一段时间，以烘干预置粉末层中的水分。

6)点式感应器4设计：点式感应器4应满足加热范围小、相比传统感应器加热速度快温度高的特点。加热温度更高、加热速度更快，以达到感应熔覆温度和效率要求。

7)点式感应器4的移动速度以及点式感应器4与熔覆层3的间隙的选择要求是，

点式感应器4的移动速度与感应器加热时间的匹配公式是，

t＝h/v (2)

式中，v为点式感应器4的移动速度、h为与点式感应器4相关的系数、t为加热时间，其中，加热时间t与感应熔覆过程产生的总热量的匹配公式是，

式中，Q为感应熔覆过程产生的总热量、C为比热容、m为质量、T为熔覆温度，W为某温度下单位时间热辐射热量；

点式感应器4与熔覆层3的间隙与感应熔覆加热比功率负相关，感应熔覆加热比功率由以下公式计算，

式中，P为感应熔覆加热比功率、Q为感应熔覆过程产生的总热量、t为加热时间、K₀决定于点式感应器4和零件集合尺寸的系数、I为电流、ρ为被加热材料的电阻率、μ₀为空气磁导率、μ为被加热材料的相对磁导率、f为电流频率。

8)感应器移动路径：感应器的移动路径需根据所需获得的感应熔覆层3形状所确定，应覆盖拟熔覆区域，并根据曲面结构设计高效方便的移动路径。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维点式连续移动感应熔覆工艺方法，其特征在于：在三维复杂曲面上以点式连续移动方式在铁磁类金属基体上完成感应熔覆工艺。

2.如权利要求1所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在基体的三维复杂表面上预置一定厚度的合金粉末熔覆层，四轴以上联动伺服驱动装置带动通有电流的点式感应器相对熔覆层作三维连续运动，通过控制感应电源的电磁学参数以及点式感应器的运动路径和移动速度依次将熔覆层加热至熔融状态并与基体实现冶金结合，从而获得预定的尺寸、形状和组织性能。

3.如权利要求2所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1.预置熔覆层——在基体表面进行预处理，并预置一定厚度的合金粉末熔覆层；

S2.熔覆——预热基体并通入保护性气体，调整点式感应器与熔覆层之间的距离后在点式感应器中通上电流，四轴以上联动伺服驱动装置带动点式感应器按照规划路径相对熔覆层作三维连续运动，与点式感应器临近的熔覆层粉末和基体表面形成相同频率的感应涡流，与点式感应器临近的熔覆层粉末与基体持续受热发生熔化并在点式感应器移走后或停止通入电流时冷却发生凝结，熔覆层粉末与基体材料形成冶金结合；

S3.重复熔覆——判断熔覆层厚度和宽度是否符合要求，如果是，则结束，如果不符合要求则重复S1至S3。

4.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S1中，基体表面的预处理是去除基体表面的氧化物、疲劳层和划痕，包括以下措施——除油、除锈、打磨、清洗和干燥。

5.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S1中，合金粉末先与粘结剂调和成糊状，然后置于基体表面加热烘干，重复这一过程直至熔覆层厚度达到单次熔覆厚度要求。

6.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S2中，熔覆温度的确定方法是，根据合金粉末和基体的合金体系平衡相图的固溶体溶解曲线和固相线分别确定合金粉末和基体达到熔覆的理论最低加热温度，取两个理论最低加热温度的较高值作为最低加热温度，熔覆温度必须大于最低加热温度，但不超过共晶温度50℃。

7.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S2中，单次熔覆层的厚度与电流频率的选择要求是，单次熔覆层的厚度必须满足同时熔化原则，同时熔化原则是熔覆层上部和下部同时达到熔化温度区间从而同时熔化，单次熔覆层的厚度小于电流的理论透入深度并且与电流的理论透入深度正相关，电流的理论透入深度与电流频率之间的关系必须满足：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\π\μ\μ}}_{0}f}}---\left(1\right)$

式中，δ为电流的理论透入深度、ρ为电阻率、μ₀为空气磁导率，μ为被加热材料的相对磁导率，f为电流频率。

8.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S2中，预热温度高于熔覆层的居里点温度但不会超过100℃。

9.如权利要求3所述的三维点式连续移动感应熔覆方法，其特征在于：在S2中，点式感应器的移动速度以及点式感应器与熔覆层的间隙的选择要求是，

点式感应器的移动速度与感应器加热时间的匹配公式是，

t＝h/v (2)

式中，v为点式感应器的移动速度、h为与点式感应器相关的系数、t为加热时间，其中，加热时间t与感应熔覆过程产生的总热量的匹配公式是，

式中，Q为感应熔覆过程产生的总热量、C为比热容、m为质量、T为熔覆温度，W为某温度下单位时间热辐射热量；

点式感应器与熔覆层的间隙与感应熔覆加热比功率负相关，感应熔覆加热比功率由以下公式计算，

$P=Q/t=K_0{I}^2\sqrt{{\mathrm{\ρ\μ\μ}}_{0}f}---\left(4\right)$

式中，P为感应熔覆加热比功率、Q为感应熔覆过程产生的总热量、t为加热时间、K₀决定于点式感应器和零件集合尺寸的系数、I为电流、ρ为被加热材料的电阻率、μ₀为空气磁导率、μ为被加热材料的相对磁导率、f为电流频率。