CN107502890B - 一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法 - Google Patents

一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法。激光器用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器用于为激光熔覆过程提供稳定的材料输入，同轴送粉器搭载于激光器上；稳恒磁场发生器用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体置于稳恒磁场发生器的居中位置；直流电源用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源的正负极与熔覆基体相连通。本发明的方法可以在熔池内施加均匀的作用力，加大气体的上浮力，减小气孔等孔隙性缺陷。加快熔池凝固过程中的补缩速度，提高激光熔覆成型零部件的致密性。实验方案简单高效。

Description

一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法，具体地是关于一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷，提升其致密性的方法。
背景技术
激光熔覆技术是利用高能量密度激光束，使基材表面所添加的熔覆材料与基材表层材料一同经历快速熔化及凝固的过程。激光熔覆后，熔覆层与基材表面形成良好的冶金结合。相对于传统的焊接、喷涂等加工方式，激光熔覆具有热输入量小、熔覆层晶粒细小、稀释率低及结构致密等优点。利用激光熔覆技术，可以实现基材表面高耐磨、耐蚀、耐氧化等特殊性能，还可以快速修复受损零部件并实现激光3D打印及快速成型，在航空航天、模具、石油化工等工业领域取得了广泛的应用。
同时，激光熔覆过程中，熔池由熔化到凝固状态的变化过程中，经历了复杂的物理及化学冶金过程。气孔及裂纹是激光熔覆过程中常见的材料缺陷，会严重影响熔覆材料的物理性能及可靠性。因而，寻找稳定可靠的减小熔覆缺陷的方法，具有积极的意义。目前，针对此方面，除了对激光工艺参数的优化之外，还对电磁搅拌、超声波、机械振动等方面进行了探索。通过对工艺参数优化的方法很难从原理上完全消除气孔性缺陷，尤其对于特殊添加材料而言，如WC等，更容易在熔覆液态熔池中产生气孔。对于电磁搅拌、超声波、机械振动来说，可以通过改善熔池对流、促进气泡长大逸出等方式来减小熔池中的气孔缺陷。然而以上三种方法很难做到对熔池内气体施加集中作用效果，也很难完全消除气孔缺陷。激光熔覆过程中，熔池具有较快的凝固速度以及较短的冷却时间，对气孔性缺陷来说，最有效的办法是直接加大气孔在竖直方向上的上浮力，减少其脱出时间。
通电导体在磁场中会受到电磁力的作用，该作用力可以均匀且定向地分布在导体内部。在激光熔覆过程中，对熔池内部施加电磁作用力，可以改善熔池内气体的受力状态，加快气体的上浮，进而减小激光熔覆后的气孔缺陷。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法。其在激光熔覆过程中同时施加电磁作用力，改善气体的受力状态，并加速其上浮速度。
本发明的技术方案：
一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法，该方法所用的系统，包括激光器1、同轴送粉器2、稳恒磁场发生器3、直流电源4和熔覆基体5；激光器1用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器2还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器2用于为激光熔覆过程提供稳定的材料输入，同轴送粉器2搭载于激光器1上；稳恒磁场发生器3用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3的居中位置；直流电源4用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源4的正负极与熔覆基体5相连通；激光器1在熔覆基体5上进行熔覆动作的同时，同轴送粉器2为熔覆过程同步输送熔覆粉末；
具体步骤如下：
1)按照本领域常规的清洗方法清洗熔覆基体5：将熔覆基体5浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此去除熔覆基体5表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体5表面残留的丙酮溶液；
2)将熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3内，并用夹具进行固定，使其处在均匀分布的定向磁场环境中；
3)将熔覆基体5与直流电源4的正负极相连通；在激光熔覆过程中，熔池内所受电磁力的方向竖直向下，此时由左手定则判断熔覆基体5与直流电源4正负极的接通方向；
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体5的尺寸调整稳恒磁场发生器3输出的磁场强度B，调整结束后用高斯计确认磁场强度；
5)调整直流电源4的输出电流值I；因电磁力与重力均为体积力，可以用熔池内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小。K的取值与熔池流体的粘度、密度、激光功率等因素相关，可以根据不同熔覆情况来做具体的选用。K的计算方法如下：
由此可得：
I＝Kρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度大小，I熔为熔池内通过的直流电流大小，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流大小，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积。在零部件的熔覆成型过程中，可以根据S零的变化逐渐调整I值的大小。
6)设置激光器1与同轴送粉器2常用的熔覆参数，如激光功率、光斑直径、送粉量、扫描速度、保护气流量等，进行激光熔覆过程。在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用，如图2所示。此时，熔池内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g+KρV气g＝(1+K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积。未施加电磁力时，熔池内气体的上浮力仅为ρV气g，因而施加电磁力后，熔池内的气体具有更大的上浮力。因此，施加电磁力后，气体的上浮速度v2将大于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，这使得在电磁力作用下，激光熔覆成型零部件内具有更少的气孔缺陷。
此外，熔池在电磁力作用下具有更好的流动性及补缩速度，这对于减少激光熔覆成型零部件的孔隙性缺陷并提高其致密性也具有积极的意义。
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器1，稳恒磁场发生器3与直流电源4，获取激光熔覆成型零部件。
本发明的有益效果：
1、可以在熔池内施加均匀的作用力，加大气体的上浮力，减小气孔等孔隙性缺陷。
2、加快熔池凝固过程中的补缩速度，提高激光熔覆成型零部件的致密性。
3、实验方案简单高效。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2(a)是激光熔覆过程中，未施加电磁力时，熔池6在竖直方向上的受力状态，v1表示此时气体的上浮速度。
图2(b)是施加电磁力F安后，熔池6在竖直方向上的受力状态，v2表示施加电磁力后气体的上浮速度。
图中：1激光器；2同轴送粉器；3稳恒磁场发生器；4直流电源；
5熔覆基体；6熔池；N基体对熔池的支持力；G熔池所受重力。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
1)按照本领域常规的清洗方法清洗熔覆基体5：将熔覆基体5浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此去除熔覆基体5表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体5表面残留的丙酮溶液。
2)将熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3内，使其处在均匀分布的定向磁场环境中。将熔覆基体5放置好后，用夹具进行固定，以免在后续电磁力作用下发生位置移动。
3)将熔覆基体5与直流电源4的正负极相连通。在激光熔覆过程中，熔池内所受电磁力的方向竖直向下，此时可以由左手定则判断熔覆基体5与直流电源4正负极的接通方向。
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体5的尺寸调整稳恒磁场发生器3输出的磁场强度B。调整结束后用高斯计确认磁场强度。
5)调整直流电源4的输出电流值I。因电磁力与重力均为体积力，可以用熔池内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小。K的取值与熔池流体的粘度、密度、激光功率等因素相关，可以根据不同熔覆情况来做具体的选用。K的计算方法如下：
由此可得：
I＝Kρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度大小，I熔为熔池内通过的直流电流大小，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流大小，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积。在零部件的熔覆成型过程中，可以根据S零的变化逐渐调整I值的大小。
6)设置激光器1与同轴送粉器2常用的熔覆参数，如激光功率、光斑直径、送粉量、扫描速度、保护气流量等，进行激光熔覆过程。在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用，如图2所示。此时，熔池内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g+KρV气g＝(1+K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积。未施加电磁力时，熔池内气体的上浮力仅为ρV气g，因而施加电磁力后，熔池内的气体具有更大的上浮力。因此，施加电磁力后，气体的上浮速度v2将大于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，这使得在电磁力作用下，激光熔覆成型零部件内具有更少的气孔缺陷。
此外，熔池在电磁力作用下具有更好的流动性及补缩速度，这对于减少激光熔覆成型零部件的孔隙性缺陷并提高其致密性也具有积极的意义。
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器1，稳恒磁场发生器3与直流电源4，获取激光熔覆成型零部件。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种减少激光熔覆成型零部件气孔缺陷的方法，其特征在于，该方法所用的系统，包括激光器(1)、同轴送粉器(2)、稳恒磁场发生器(3)、直流电源(4)和熔覆基体(5)；激光器(1)用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器(2)还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器(2)用于为激光熔覆过程提供稳定的材料输入，同轴送粉器(2)搭载于激光器(1)上；稳恒磁场发生器(3)用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体(5)置于稳恒磁场发生器(3)的居中位置；直流电源(4)用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源(4)的正负极与熔覆基体(5)相连通；激光器(1)在熔覆基体(5)上进行熔覆动作的同时，同轴送粉器(2)为熔覆过程同步输送熔覆粉末；
具体步骤如下：
1)按照常规的清洗方法清洗熔覆基体(5)：将熔覆基体(5)浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，去除熔覆基体(5)表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体(5)表面残留的丙酮溶液；
2)将熔覆基体(5)置于稳恒磁场发生器(3)内，并用夹具进行固定，使其处在均匀分布的定向磁场环境中；
3)将熔覆基体(5)与直流电源(4)的正负极相连通，在激光熔覆过程中，熔池(6)内所受电磁力的方向竖直向下，此时由左手定则判断熔覆基体(5)与直流电源(4)正负极的接通方向；
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体(5)的尺寸，调整稳恒磁场发生器(3)输出的磁场强度B，调整结束后用高斯计确认磁场强度；
5)调整直流电源(4)的输出电流值I：电磁力与重力均为体积力，用熔池(6)内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小；K的计算方法如下：
由此得：
I＝K ρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度，I熔为熔池内通过的直流电流，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积；在零部件的熔覆成型过程中，根据S零的变化逐渐调整I值；
6)设置激光器(1)与同轴送粉器(2)的熔覆参数，在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池(6)在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用；此时，熔池(6)内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g+KρV气g＝(1+K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积；未施加电磁力时，熔池(6)内气体的上浮力仅为ρV气g；施加电磁力后，熔池(6)内的气体具有更大的上浮力；施加电磁力后，气体的上浮速度v2大于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，使得在电磁力作用下，激光熔覆成型零部件内具有更少的气孔缺陷；
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器(1)，稳恒磁场发生器(3)与直流电源(4)，获取激光熔覆成型零部件。
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