CN106956079A - 一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光微熔凝修复金属表面微裂纹的方法，属于激光加工领域。使用长脉冲激光或者连续激光束扫描金属工件表面，利用激光的热效应使微裂纹区域微熔化，微熔化的金属液体发生流动，流向微裂纹区域后再凝固，从而达到弥合金属表面微细裂纹的效果。本发明所述的基于激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，不需要外加材料，工艺简单，方便操作，生产效率高，无环境污染，易于实现自动化生产，有利于工业上大规模推广。

Description

一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法

技术领域

本发明涉及激光微加工领域，尤其涉及一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法。

背景技术

金属零部件在加工或使用过程中，由于材料自身特性、加工过程或者使用过程中产生应力、腐蚀、磨损等，使工件表面产生尺寸为纳米量级或者微米量级的微裂纹。例如：硬质合金呈脆性，且自身硬度较高，在加工成刀具的过程中表面容易产生微裂纹，从而影响刀具使用寿命；汽轮机或水轮机的叶片的在工作过程中受到流体的冲击，长期运行后，叶片表面会产生疲劳裂纹。以往，这些带有微裂纹的零部件，或者被报废抛弃，或者“带伤”继续使用直至彻底无法使用后被报废抛弃，造成能源和材料的浪费。因此，对带微裂纹零部件进行裂纹修复，对节约成本、提高工件的利用率，以及节能环保都非常必要。

目前，金属表面裂纹修复的方法众多，针对不同尺度的裂纹，选择修复的方法也不同。如机械类重锤敲击技术，通过对金属表面施加高应力载荷，改变金属表面应力状态，减缓甚至消除金属表面的裂纹扩张，在一定程度上可延长工件使用寿命。电化学类的方法主要有：离子注入，电镀等。离子注入法是指在真空系统中，将经过加速的要掺杂的原子，通过离子注入法注入微裂纹区域，在微裂纹区形成一个具有特殊性质的表面层，从而修复金属工件表面的微裂纹。电镀法是利用电解原理在一些金属工件表面微裂纹镀上一薄层其它金属或合金来修复工件表面微裂纹。但是，机械类重锤敲击的方法在减缓或消除裂纹扩张的同时，会严重改变工件表面形貌甚至工件的形状，离子注入或电镀之类的方法在工业推广方面成本都比较高。

激光加工由于具有无接触、无切削力、加工柔性度高、可控性强、无污染等特点，近年来备受关注。利用激光修复金属表面微裂纹的技术得到了快速发展，如激光冲击再制造，激光熔覆等。激光冲击再制造是利用激光诱导冲击波对损伤区域进行冲击，通过注入有益残余压应力提高材料表面力学性能，从而使金属表面疲劳裂纹得以修复；激光熔覆修复金属工件表面微裂纹的方法是通过在金属工件表面微裂纹区域添加熔覆材料，并利用激光的热效应使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层从而修复金属表面微裂纹。

中国专利公开号：CN104962723A，公开了一种激光冲击修复金属裂纹的方法，先对金属器件表面裂纹采用微胶囊粘合剂填充裂纹，再用激光冲击强化的方法对金属表面裂纹进行修复，当对填充了微胶囊粘合剂的金属裂纹及周围区域进行激光冲击强化时，微胶囊粘合剂在激光冲击波压力的作用下，囊壁发生破裂，修复剂和固化剂流出、混合从而粘接裂纹，达到理想的粘接效果，修复金属表面裂纹。中国专利公开号：CN105803453A公开了一种激光熔覆修复微裂纹的方法，利用同轴喷雾式方法，先在金属微裂纹表面铺上一层粉末，再用激光对粉末区域进行烧蚀，使粉末熔化覆盖在金属裂纹表面，从而达到修复金属表面裂纹的效果。上述修复裂纹的方法对尺寸有一定的要求，微胶囊或者熔覆的粉末的颗粒在一定程度上限制了裂纹的尺寸，要求裂纹的尺寸比微胶囊的尺寸或者粉末颗粒的尺寸大，而且无论是微胶囊或是粉末颗粒与原材料可能不是同种材料，与基材结合后，存在物性不匹配问题，会影响裂纹修复的效果。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，通过利用激光束扫描金属工件表面，使微裂纹区域微熔化从而达到弥合金属表面微细裂纹的效果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，使用激光束扫描金属工件表面微裂纹区域，利用激光的热效应使金属工件表面微裂纹区域微熔化形成金属液体，所述金属液体发生流动，流入微裂纹区域后再凝固，从而达到弥合金属表面裂纹的效果。

优选地，所述激光束为长脉冲激光束或者连续激光束，以实现金属工件表面微裂纹区域微熔。

优选地，所述长脉冲激光的脉冲宽度大于百微秒。

优选地，所述激光束平均功率密度应该处于1*10^5W/cm^2～10*10^5W/cm^2，确保金属工件表面微熔化，金属工件表面形状和尺寸精度不能发生明显变化。

优选地，所述金属工件表面微裂纹尺寸在纳米或者微米量级。

本发明的有益效果：

1)本发明与现有激光冲击修复裂纹技术和激光熔覆修复裂纹技术相比，本加工方法无需外加材料，节约成本；

2)合理选择激光参数可以保证金属工件表面形状和尺寸精度无明显改变，并且该方法工艺简单，方便操作，生产效率高，无环境污染；

3)由于能量源为激光，特别易于实现自动化生产；节约资源和成本，有利于工业上大规模推广。

附图说明

图1为本发明带有裂纹的金属工件试样示意图。

图2为本发明所述激光束辐照金属工件表面微熔化示意图。

图3为本发明所述金属工件裂纹弥合示意图。

其中：1：激光束，2：金属工件，3：金属液体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法为：使用脉冲宽度大于百微秒的为长脉冲激光束或者连续激光束扫描金属工件表面的微裂纹区域，微裂纹尺寸在纳米或者微米量级，利用激光的热效应使金属工件表面微裂纹区域微熔化形成金属液体，所述金属液体发生流动，流入微裂纹区域后再凝固，从而达到弥合金属表面裂纹的效果。所述激光束的平均功率密度应该处于1*10^5W/cm^2～10*10^5W/cm^2，确保金属工件表面微熔化，金属工件表面形状和尺寸精度不能发生明显变化。

如图1所示，本实施例以304不锈钢工件2表面的疲劳裂纹为例，304不锈钢工件2表面带有许多宽度在纳米到微米量级的细纹裂纹，实验采用SPI光纤激光器，实验采用的激光1的参数为脉冲宽度500μs，激光功率20w，重复频率1KHz，激光束1通过焦距为30mm聚焦透镜聚焦到304不锈钢工件2的表面,304不锈钢工件2的表面光斑直径60μm。将上述激光束1以2.5mm/s的扫描速度横向扫描304不锈钢工件2表面的微裂纹区域，长脉冲激光的热效应使304不锈钢工件2表面的微裂纹区域发生微熔化，微熔化的304不锈钢液体流入微裂纹区域后再凝固，从而达到弥合304不锈钢工件2表面微裂纹的效果。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，其特征在于，使用激光束扫描金属工件表面微裂纹区域，利用激光的热效应使金属工件表面微裂纹区域微熔化形成金属液体，所述金属液体发生流动，流入微裂纹区域后再凝固，从而达到弥合金属表面裂纹的效果。

2.根据权利要求1所述的激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，其特征在于，所述激光束为长脉冲激光束或者连续激光束，以实现金属工件表面微裂纹区域微熔。

3.根据权利要求2所述的激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，其特征在于，所述长脉冲激光的脉冲宽度大于百微秒。

4.根据权利要求1所述的激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，其特征在于，所述激光束平均功率密度应该处于1*10^5W/cm^2～10*10^5W/cm^2，确保金属工件表面微熔化，金属工件表面形状和尺寸精度不能发生明显变化。

5.根据权利要求1所述的激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法，其特征在于，所述金属工件表面微裂纹尺寸在纳米或者微米量级。