CN107217256A - 一种激光熔覆316l不锈钢优化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，具有如下步骤：对45号钢基材的熔覆面和其与工作台的接触面进行必要预处理；对316L不锈钢粉末进行干燥处理4小时，保证粉末充分干燥；对加工轨迹进行离线编程；进行正交试验；对形状系数ζ进行极差分析；对稀释率D进行极差分析；金相组织分析。本发明着重考虑了以前没有被足够重视的保护气因素，将其作为影响不锈钢加工工艺的因素进行综合考虑，采用本发明得到的最佳工艺参数进行熔覆后，得到的316L不锈钢，能够保证在不影响其机械性能的前提下，获得较好的表面形貌，同时能够改善表面粘粉、气孔、裂纹等缺陷，为激光熔覆不锈钢零件的工艺优化提出了较具体的优化方案。

Description

一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺

技术领域

本发明涉及激光表面熔覆技术，具体地说是一种激光熔覆316L不锈钢优化 工艺。

背景技术

激光熔覆技术是将材料自下而上地逐层堆积的一种加工方式。和传统制造 方式相比，减少了零件制造的约束性，具有较高设计自由度，能制造复杂内腔 零件和微小医疗零件。减少工序，一步成形制造，提高零件稳定性和寿命。可 以制造化学成分连续变化的功能梯度材料，拓展了特殊两件的制造领域。解决 航空航天材料利用率较低，成形困难的难题，激光熔覆技术能够提高贵重金属 的利用率。成形件具有精细致密的显微组织，保证零件的机械性能。

目前，现有的激光熔覆技术中没有着重考虑保护气因素，也没有将保护气 因素作为影响不锈钢加工工艺的因素进行综合考虑。因此，一种综合保护气因 素的激光熔覆316L不锈钢优化工艺亟待研发。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺。本 发明采用的技术手段如下：

一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，具有如下步骤，

S1、对45号钢基材的熔覆面和其与工作台的接触面进行必要的机加工磨削 处理，对表面锈蚀及氧化进行初步去除，同时保证两个面高度一致，减小熔覆 误差；

S2、使用金相砂纸对熔覆面进行打磨，之后使用无水乙醇擦拭，放在通风 干燥处备用；

S3、对316L不锈钢粉末进行干燥处理4小时，保证粉末充分干燥；

S4、对加工轨迹进行离线编程，采用Robotmaster软件对所要加工的零件进 行工艺轨迹规划，之后进行离线编程，输出SRC格式的编程文件，导入Kuka 机器人的控制系统中，为加工做准备；

S5、采用载气式同轴送粉器送粉，半导体激光器照射熔覆面，激光熔覆工 艺参数为：激光熔覆头的光斑直径恒定为2mm，离焦量恒定为0mm，送粉气和 保护气都采用氩气，送粉气流量恒定为6L/h，改变激光功率、扫描速度、送粉 速率和保护气流量进行正交试验，送粉气和保护气均采用稀有气体氩气，能够 有效隔绝空气进入熔池，减少粉末氧化状况，成形较光滑表面；

S6、对形状系数ζ进行极差分析，由极差分析结果可知，扫描速度V_S、送粉 速率V_f、保护气流速G对形状系数ζ都有很显著影响，激光功率P没有显著影响， 得到形状系数同时满足ζ≥3和较大的条件的正交试验样品的工艺参数的取值；

S7、对稀释率D进行极差分析，由极差分析结果可以知道保护气流速G、激 光功率P是主要影响因素，以使稀释率D较小为参考标准，结合形状系数的取值， 得到多组满足条件的工艺参数；

S8、金相组织分析，根据步骤S7得到的多组工艺参数，制备多组样品，对 多组样本的熔池底部、熔池中部和熔覆层顶部，进行金相组织观察，选取金相 组织的柱状树枝晶组织排列规则，等轴晶树枝晶致密集中的样品的工艺参数为 最佳工艺参数。

所述316L不锈钢粉末为球形粉末，目数为100～270目，球形粉末可以提高 粉末松装密度，一方面由于粉末流动性好，有利于加强层之间的补偿以及压实 作用；一方面由于气雾化制备的粉末氧含量少，粉末之间的湿润性好，利于得 到致密的零件。少数粉末呈现出不规则形貌，其粒度分布呈现正态分布趋势。

所述Kuka机器人的型号为ZH30/60Ⅲ，可以离线编程进行6自由度的控 制，能完成复杂的运动，具有高精度轨迹逼近的衔接方式。

所述半导体激光器为YLR-500型光纤激光器，所述YLR-500型光纤激光器 的熔覆激光头采用煜宸激光的RC52同轴激光熔覆头，所述煜宸激光的RC52同 轴激光熔覆头的喷嘴为同轴型或侧向型，其中，同轴型喷嘴不会受喷嘴方向干 扰，能够保证激光束和粉末精确耦合，使粉末精确均匀地送入熔池，所述载气 式同轴送粉器采用煜宸激光RC-PGF-1单筒单孔式送粉器，所述YLR-500型光 纤激光器具有较大的表面积/体积比大的增益介质，优异的双波导限制机制，固 有的全封闭柔性光路，光路具有免维修性，寿命长等特点。

本发明与现有技术相比具有如下的有益效果：

本发明着重考虑了以前没有被足够重视的保护气因素，将其作为影响不锈 钢加工工艺的因素进行综合考虑，采用本发明得到的最佳工艺参数进行熔覆后， 得到的316L不锈钢，能够保证在不影响其机械性能的前提下，获得较好的表面 形貌，同时能够改善表面粘粉、气孔、裂纹等缺陷，为激光熔覆不锈钢零件的 工艺优化提出了较具体的优化方案。

基于上述理由本发明可在激光表面熔覆技术等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出 创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中形状系数ζ的试验效应曲线图。

图2是本发明的具体实施方式中稀释率D的试验效应曲线图。

图3是本发明的具体实施方式中样品a和样品b的熔池底部的金相组织图。

图4是本发明的具体实施方式中样品a和样品b的熔池中部的金相组织图。

图5是本发明的具体实施方式中样品a和样品b的熔覆层顶部的金相组织 图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，具有如下步骤，

S1、对45号钢基材的熔覆面和其与工作台的接触面进行必要的机加工磨削 处理，对表面锈蚀及氧化进行初步去除，同时保证两个面高度一致，减小熔覆 误差；

S2、使用金相砂纸对熔覆面进行打磨，之后使用无水乙醇擦拭，放在通风 干燥处备用；

S3、对316L不锈钢粉末进行干燥处理4小时，保证粉末充分干燥，所述316L 不锈钢粉末为球形粉末，目数为100～270目；

S4、对加工轨迹进行离线编程，采用Robotmaster软件对所要加工的零件进 行工艺轨迹规划，之后进行离线编程，输出SRC格式的编程文件，导入Kuka 机器人的控制系统中，为加工做准备，所述Kuka机器人的型号为ZH30/60Ⅲ；

S5、采用载气式同轴送粉器送粉，半导体激光器照射熔覆面，激光熔覆工 艺参数为：激光熔覆头的光斑直径恒定为2mm，离焦量恒定为0mm，送粉气和 保护气都采用氩气，送粉气流量恒定为6L/h，改变激光功率、扫描速度、送粉 速率和保护气流量进行正交试验，所述半导体激光器为YLR-500型光纤激光器， 所述YLR-500型光纤激光器的熔覆激光头采用煜宸激光的RC52同轴激光熔覆 头，所述煜宸激光的RC52同轴激光熔覆头的喷嘴为同轴型或侧向型，所述载气 式同轴送粉器采用煜宸激光RC-PGF-1单筒单孔式送粉器；

由现有技术可知激光功率P、扫描速度V_S、送粉速度V_f、保护气流速G对熔 覆层有很大的影响，为了寻找最佳工艺参数，这里不考虑各个因素间的交互作 用，采用正交表L₁₈(3⁷)来设计四因素三水平正交试验，为了减少避免事先某些 考虑不周及环境条件变化所引起的系统误差常采用实验次序随机化，本实施例 采用试验编号随机抽签的方法来进行实验。正交表如下表所示：

S6、对形状系数ζ进行极差分析，如下表所示：

其中分别代表四个不同因素下三个水平对熔覆层高度H的均值， 可以判断第列因素优水平和优组合R_ζ别偶是四个不同因素对熔覆层高度H的极 差；

可以知道对形状系数ζ影响大小的顺序依次是：扫描速度V_S、保护气流速G、 送粉速率V_f、激光功率P。

由正交实验可以观察各个因素的重要程度，同样也能得到各因素随不同水 平的变化情况，依据结论能够观察并且预测因素的趋势。

如图1为各因素针对形状系数ζ的试验效应曲线图，四个因素按顺序分别为 激光功率P、扫描速度V_S、送粉速度V_f、保护气流速G，图1-(a)～(d)关联同 一个纵坐标，横坐标分别为各因素的标量。

从图1中可以观察出得到以下结论：

(1)初期形状系数ζ随着激光功率的增加而增加。随着激光功率的增加， 使得熔覆层宽度增加，使得形状系数也就是宽高比增加，形状系数增加。

(2)初期，混熔区高度h随着扫描速度的增加而减小，后期混熔区高度h随 着扫描速度的增加而增加，且下降斜率比增长斜率小。这是因为扫描速度的增 加使得熔覆层宽度b先减小后增大，而熔覆层高度先增大后减小，形状系数先减 小后增大。

(3)初期，形状系数随着送粉速率的增加而增加，后期形状系数随着送粉 速率的增加而较少，且下降斜率比增长斜率高。这是因为初期熔覆层宽度随着 送粉速率的增加而增加，后期逐渐减少，则使得趋势趋于平缓。

(4)形状系数随着保护气流速的增加而增加。这是因为熔覆层高度随着保 护气流速的增加减小，熔覆层宽度随着保护气流速的增加而趋于缓慢，因为增 加的保护气使得粉末在进去熔池中心之前到达熔池边缘，在熔池边缘熔覆，所 以宽度增加，形状系数增加。

由极差分析结果可知，扫描速度V_S、送粉速率V_f、保护气流速G对形状系数ζ 都有很显著影响，激光功率P没有显著影响，以使形状系数ζ≥3为参考标准，形 状系数尽量大能够显著提高熔覆质量和效率。由极差分析结果可以知道扫描速 度、保护气流速是主要影响因素，应该首先考虑这两个因素的取值，得到形状 系数同时满足ζ≥3和较大的条件的正交试验样品的工艺参数的取值：

功率都满足要求、扫描速度V_S＝5.5mm/s，V_S＝6mm/s、送粉速度V_f＝0.85r/min，V_f＝0.9r/min、 保护气流速G＝15.5L/h，G＝16L/h，则满足条件的样本为1、6、7、10、14、15、16、 18。

S7、对稀释率D进行极差分析，如下表所示：

其中分别代表四个不同因素下三个水平对熔覆层高度H的均 值，可以判断第列因素优水平和优组合R_D别偶是四个不同因素对熔覆层高度H 的极差；

可以知道对稀释率D影响大小的顺序依次是：保护气流速G、激光功率P、 扫描速度V_S、送粉速率V_f。

如图2为各因素针对稀释率D的试验效应曲线图，

从图2中可以观察出得到以下结论：

(1)稀释率随着激光功率的增加而增加。因为混熔区高度随着激光功率的 增加而增加，而初期熔覆层高度随着激光功率的增大而增大，后期熔覆层高度 随着激光功率的增大而减小，使得稀释率初期增加，后期趋于平缓。

(2)初期，稀释率随着扫描速度的增加而减小，后期混熔区高度随着扫描 速度的增加而增加，且减小斜率比增加斜率小。这是因为初期随着速度增加， 基体熔化深度下降，使得稀释率减小，后期混熔区高度增加，使得稀释率增加。

(3)初期，稀释率随着送粉速率的增加而增加，后期稀释率随着送粉速率 的增加而减小，且减小斜率比增加斜率小。送粉速率增加，使得更多的粉末进 入熔池，混熔区高度和熔覆层高度都会增加，使得稀释率增加。

(4)初期，稀释率随着保护气流速的增加而增加，后期稀释率随着保护气 流速的增加而减少。因为初期保护气较少时，随着保护气增大，熔覆层高度逐 渐减小，而混熔区高度逐渐增大，使得稀释率逐渐增大。而后期保护气的增大 使得熔覆层高度偏于恒定，而混熔区内由于氧气不充足不能进行熔池内的反应， 使得混熔区高度逐渐减小，故稀释率逐渐减小。

由极差分析结果可以知道保护气流速G、激光功率P是主要影响因素，以使 稀释率D较小为参考标准，结合形状系数的取值，得到两组满足条件的工艺参 数：a：激光功率P＝350w、扫描速度V_S＝5.75mm/s、送粉速度V_f＝0.9r/min、保护气流速 G＝15L/h；b：激光功率P＝350w、扫描速度V_S＝5.75mm/s、送粉速度V_f＝0.9r/min、保护气 流速G＝16L/h；

S8、金相组织分析，根据步骤S7得到的两组工艺参数，制备样品a(激光 功率P＝350w、扫描速度V_S＝5.75mm/s、送粉速度V_f＝0.9r/min、保护气流速G＝15L/h)和 样品b(激光功率P＝350w、扫描速度V_S＝5.75mm/s、送粉速度V_f＝0.9r/min、保护气流 速G＝16L/h)，对两组样本的熔池底部、熔池中部和熔覆层顶部，进行金相组织观 察，选取金相组织的柱状树枝晶组织排列规则，等轴晶树枝晶致密集中的样品 的工艺参数为最佳工艺参数；

1、熔池底部金相组织：如图3所示，

其中，图3-(a)为样品a的熔池底部的金相组织图，图3-(b)～(d)为 为样品a的熔池底部的金相组织图的局部图；

图3-(e)为样品b的熔池底部的金相组织图，图3-(f)～(h)为为样品b 的熔池底部的金相组织图的局部图；

在样本a和样本b中都发现了气孔的存在，在样本a中的可视范围内还发现 了裂纹。熔覆层组织主要由细长的柱状晶和部分层间转向树枝晶组织组成。图 中红色虚线区域为等轴树枝晶，蓝色直线代表可视柱状树枝晶的方向和范围。

熔池的传热方向总是沿着温度梯度最大的方向进行，与熔池等温面相垂直， 所以柱状枝晶生长方向与等温面垂直，当熔池移动时，晶粒生长方向也会相应 改变，但总是指向熔池中心。熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔 池中心和边缘存在较大的温度梯度，由于过热温度高，非自发形核的原始质点 数大为减少，这也促使柱状晶的发展。

从图中可以看到，样本a的柱状数枝晶方向更加规则，指向熔池中心，但 是样本b中柱状晶交错排列，规则性不如样本a，由于柱状晶是各项异性的结构， 复杂的方向性不能保证组织的良好性能。样本a中的等轴晶更加致密集中，这 也是良好性能的体现，故样本a更加优秀。

2、熔池中部金相组织：如图4所示，

其中，图4-(a)为样品a的熔池中部的金相组织图；

图4-(b)为样品b的熔池中部的金相组织图；

熔池中部液相温度梯度减小，固相凝固速度增大，柱状树枝晶和等轴树枝 晶大范围生长，熔覆组织可分为柱状晶、等轴晶和共存组织。

随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓， 且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分 过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。界面前沿由于最 大局部过冷度大于形核过冷度，则发生柱状晶与等轴晶的转变。

从图4中可以观察到样本a、样本b都存在气孔，而样本a中还能观察到可 视的裂纹，并且有大量致密集中的等轴树枝晶组织，同时样本a中的柱状晶排 列较样本b更加规则。

3、熔覆层顶部金相组织：如图5所示，

其中，图5-(a)为样品a的熔覆层顶部的金相组织图；

图5-(b)为样品b的熔覆层顶部的金相组织图；

向上凝固后期时，生长接近熔池顶部，熔池顶部与冷气接触，热量即通过 热传导的方式传递又通过保护气以辐射方式传递，凝固速度迅速增大，细小的 等轴晶生长开始在急冷晶区生长。

从图5中可以观察到样本a、样本b都存在气孔，而样本a中还能观察到可 视的裂纹，并且在中部有大量致密集中的等轴树枝晶组织，而在顶部存在细小 的等轴晶组织，晶体组织得到明显细化。

分析样本a和样本b的金相组织可以知道，样本a的柱状树枝晶组织排列更 加规则，等轴晶树枝晶更加致密集中，性能更加优良。

得到最佳工艺参数，如下表：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，其特征在于具有如下步骤，

S1、对45号钢基材的熔覆面和其与工作台的接触面进行必要的机加工磨削处理，对表面锈蚀及氧化进行初步去除，同时保证两个面高度一致，减小熔覆误差；

S2、使用金相砂纸对熔覆面进行打磨，之后使用无水乙醇擦拭，放在通风干燥处备用；

S3、对316L不锈钢粉末进行干燥处理4小时，保证粉末充分干燥；

S4、对加工轨迹进行离线编程，采用Robotmaster软件对所要加工的零件进行工艺轨迹规划，之后进行离线编程，输出SRC格式的编程文件，导入Kuka机器人的控制系统中，为加工做准备；

S5、采用载气式同轴送粉器送粉，半导体激光器照射熔覆面，激光熔覆工艺参数为：激光熔覆头的光斑直径恒定为2mm，离焦量恒定为0mm，送粉气和保护气都采用氩气，送粉气流量恒定为6L/h，改变激光功率、扫描速度、送粉速率和保护气流量进行正交试验；

S6、对形状系数ζ进行极差分析，由极差分析结果可知，扫描速度V_S、送粉速率V_f、保护气流速G对形状系数ζ都有很显著影响，激光功率P没有显著影响，得到形状系数同时满足ζ≥3和较大的条件的正交试验样品的工艺参数的取值；

S7、对稀释率D进行极差分析，由极差分析结果可以知道保护气流速G、激光功率P是主要影响因素，以使稀释率D较小为参考标准，结合形状系数的取值，得到多组满足条件的工艺参数；

S8、金相组织分析，根据步骤S7得到的多组工艺参数，制备多组样品，对多组样本的熔池底部、熔池中部和熔覆层顶部，进行金相组织观察，选取金相组织的柱状树枝晶组织排列规则，等轴晶树枝晶致密集中的样品的工艺参数为最佳工艺参数。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，其特征在于：所述316L不锈钢粉末为球形粉末，目数为100～270目。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，其特征在于：所述Kuka机器人的型号为ZH30/60Ⅲ。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆316L不锈钢优化工艺，其特征在于：所述半导体激光器为YLR-500型光纤激光器，所述YLR-500型光纤激光器的熔覆激光头采用煜宸激光的RC52同轴激光熔覆头，所述煜宸激光的RC52同轴激光熔覆头的喷嘴为同轴型或侧向型，所述载气式同轴送粉器采用煜宸激光RC-PGF-1单筒单孔式送粉器。