CN108950540A - 一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，涉及一种超高速激光熔覆方法。本发明是要解决现有的激光熔覆层表面粗糙度较大，有明显的搭接痕，要再经过车、磨、抛等多道工序的加工，导致材料浪费严重，有效利用率低的技术问题。本发明：一、超高速激光熔覆；二、重熔工艺。本发明方法熔覆层厚度仅25μm～300μm，工件表面光洁度达到Rz＝6μm～7μm，可大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率；激光重熔后工件表面光洁度大幅提高，熔覆后的工件不必再进行车削，可以直接进行抛光，降低成本的同时减少了废料的产生，进一步提高了生产效率，节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高速激光熔覆方法。
背景技术
激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的功能涂层，能够有效地改善和增强基体的表面特性，使零件表面硬度、耐磨性和耐蚀性等性能全面提升，具有广阔的应用前景。
圆柱形零件，例如轴类零件、液压支架、轧辊、立柱以及海洋平台管道等，对外表面或内表面均有耐磨性或耐蚀性等要求，是表面处理行业中的一个主要应用领域。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆，电镀以及热喷涂三种方式。其中，激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，该工艺无废液或其他有害物质产生，可以大幅降低对环境的污染。
传统的激光熔覆技术中，熔覆速度通常小于1m/min，熔覆层的厚度在0.5mm～3mm之间，熔覆层表面粗糙度较大(Rz>100μm)，有明显的搭接痕，因此熔覆之后往往要再经过车、磨、抛等多道工序的加工，导致材料浪费严重，有效利用率低。超高速激光熔覆技术中工件表面要以20m/min以上的速度旋转，熔覆线速度快，让激光在零件表面上方直接加热粉末，使得粉末在空间熔化后再落入零件表面上，在零件表面形成20μm～250μm厚度的薄涂层，整个加工过程热输入、涂层稀释率都大大降低。其加工效率比常规激光熔覆技术提高2-3倍，粉末的利用率可达到90％以上，目前被认为是电镀工艺的最佳替代技术而受到广泛关注。超高速激光熔覆技术因熔覆道窄、搭接率高，其熔覆层的表面光洁度可大大提高(Rz<10μm)，在后面加工工序上可以节省更多的时间与成本。
发明内容
本发明是要解决现有的激光熔覆层表面粗糙度较大，有明显的搭接痕，要再经过车、磨、抛等多道工序的加工，导致材料浪费严重，有效利用率低的技术问题，而提供一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法。
本发明的超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法是按以下步骤进行的：
一、超高速激光熔覆：采用同轴送粉方式，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，调节送粉喷嘴使粉末焦点在工件表面上方1mm～2mm；设置工件自转的线速度为25m/min～250m/min，开启激光和送粉器，沿工件的轴向方向移动激光和粉末流，光束熔化工件基体表面与填充粉末对工件表面进行熔覆；所述的工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一条直线上；
二、重熔工艺：关闭送粉器与激光，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，设置工件的自转线速度为第一步的40％～60％，然后开启激光，沿工件的轴向方向移动激光光束对工件熔覆面进行重熔；步骤二中的激光焦点的直径比步骤一中的激光焦点的直径大10％～20％；步骤二中激光的功率比步骤一中激光的功率小10％。
所述的重熔工艺在激光熔覆之后的表面上进行浅层微熔，作为激光熔覆面的粗抛工艺，其光斑直径较熔覆工艺增大，零件自转速度放慢。
步骤二中的重熔时激光移动方向与步骤一熔覆时激光移动方向相同或相反均可。
本发明方法，因为激光熔覆过程工件的旋转速度非常快，热输入可以控制到很低，实现填充材料与基体的冶金结合，所以熔覆层稀释率可低至1％，熔覆层厚度仅25μm～300μm，工件表面光洁度达到Rz＝6μm～7μm，可大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率；在重熔后，熔覆层表面形成压应力，可显著提高工件熔覆层的疲劳寿命和结合强度，可大大提高涂层质量与使用寿命，防止开裂。最重要的，激光重熔后工件表面光洁度大幅提高，熔覆后的工件不必再进行车削，可以直接进行抛光，，降低成本的同时减少了废料的产生，进一步提高了生产效率，节约能源。
附图说明
图1为本发明的超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法步骤一的示意图，1为粉末束流，2为激光光束，3为熔池，4为熔覆层，5为工件表面，上方的箭头表示熔覆过程激光移动的方向，左侧的箭头表示工件自转的方向；
图2为本发明的超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法步骤二的示意图，2为激光光束，3为熔池，4为未重熔的熔覆层，6为重熔后的熔覆层表面，上方的箭头表示激光重熔过程光束移动的方向，左侧的箭头表示工件自转的方向。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，具体是按以下步骤进行的：
一、超高速激光熔覆：采用同轴送粉方式，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，调节送粉喷嘴使粉末焦点在工件表面上方1mm～2mm；设置工件自转的线速度为25m/min～250m/min，开启激光和送粉器，沿工件的轴向方向移动激光和粉末流，光束熔化工件基体表面与填充粉末对工件表面进行熔覆；所述的工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一条直线上；
二、重熔工艺：关闭送粉器与激光，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，设置工件的自转线速度为第一步的40％～60％，然后开启激光，沿工件的轴向方向移动激光光束对工件熔覆面进行重熔；步骤二中的激光焦点的直径比步骤一中的激光焦点的直径大10％～20％；步骤二中激光的功率比步骤一中激光的功率小10％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的粉末为金属粉末。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的粉末为金属基复合材料粉末。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中设置工件自转的线速度为200m/min。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中设置工件的自转线速度为第一步的50％。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，具体是按以下步骤进行的：
一、超高速激光熔覆：采用同轴送粉方式，调节激光焦点在工件表面上方5mm，调节送粉喷嘴使粉末焦点在工件表面上方2mm；设置工件自转的线速度为200m/min，开启激光和送粉器，沿工件的轴向方向移动激光和粉末流，光束熔化工件基体表面与填充粉末对工件表面进行熔覆；所述的工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一条直线上；步骤一中所述的粉末为金属粉末；
二、重熔工艺：关闭送粉器与激光，调节激光焦点在工件表面上方5mm，设置工件的自转线速度为第一步的50％，然后开启激光，沿工件的轴向方向移动激光光束对工件熔覆面进行重熔；步骤二中的激光焦点的直径比步骤一中的激光焦点的直径大10％；步骤二中激光的功率比步骤一中激光的功率小10％。
本试验的方法，因为激光熔覆过程工件的旋转速度非常快，热输入可以控制到很低，实现填充材料与基体的冶金结合，所以熔覆层稀释率可低至1％，熔覆层厚度仅25μm～300μm，工件表面光洁度达到Rz＝6μm～7μm，可大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率；在重熔后，熔覆层表面形成压应力，可显著提高工件熔覆层的疲劳寿命和结合强度，可大大提高涂层质量与使用寿命，防止开裂。最重要的，激光重熔后工件表面光洁度大幅提高，熔覆后的工件不必再进行车削，可以直接进行抛光，，降低成本的同时减少了废料的产生，进一步提高了生产效率，节约能源。
Claims (5)
1.一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，其特征在于超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法是按以下步骤进行的：
一、超高速激光熔覆：采用同轴送粉方式，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，调节送粉喷嘴使粉末焦点在工件表面上方1mm～2mm；设置工件自转的线速度为25m/min～250m/min，开启激光和送粉器，沿工件的轴向方向移动激光和粉末流，光束熔化工件基体表面与填充粉末对工件表面进行熔覆；所述的工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一条直线上；
二、重熔工艺：关闭送粉器与激光，调节激光焦点在工件表面上方1mm～10mm，设置工件的自转线速度为步骤一的工件自转的线速度的40％～60％，然后开启激光，沿工件的轴向方向移动激光光束对工件熔覆面进行重熔；步骤二中的激光焦点的直径比步骤一中的激光焦点的直径大10％～20％；步骤二中激光的功率比步骤一中激光的功率小10％。
2.根据权利要求1所述的一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，其特征在于步骤一中所述的粉末为金属粉末。
3.根据权利要求1所述的一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，其特征在于步骤一中所述的粉末为金属基复合材料粉末。
4.根据权利要求1所述的一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，其特征在于步骤一中设置工件自转的线速度为200m/min。
5.根据权利要求1所述的一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法，其特征在于步骤二中设置工件的自转线速度为第一步的50％。
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