CN109023346A - 一种激光熔覆残余应力分段控制方法 - Google Patents

一种激光熔覆残余应力分段控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光熔覆残余应力分段控制方法，步骤如下：在熔覆前选取熔覆材料，设定激光功率为1200‑1500W、扫描速度为7‑9mm/s、送粉速度为1‑3g/min；在熔覆时，先预热，在熔覆过程中，对熔覆工件施加固有频率进行振动处理，使工件产生交变应力，与残余应力相叠加，使工件产生局部塑性变形；在熔覆后进行热处理，消除工件的残余应力；对热处理后的工件进行超声波冲击：采用18‑22kHz的高频大功率超声波，冲击工件表面，使工件表层产生压缩塑性变形,使得工件内部残余应力得到释放。本发明把激光熔覆过程分为熔覆前、熔覆时、熔覆后三个阶段，每阶段采取相应措施，最后达到整体调控激光熔覆残余应力的目的。

Description

一种激光熔覆残余应力分段控制方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆残余应力分段控制方法,对激光熔覆过程中工件产生的残余应力进行消除。
背景技术
近年来，随着我国农业机械化水平的显著提高，如何提高农机触土部件在作业过程中的耐磨性是农业机械设计生产的关键问题之一。目前国产深松铲的材质大多数为65Mn，该材料耐磨性一般，无法满足农业机具长时间，高强度的作业要求。部件一旦磨损，就要整体更换，这就造成了材料的极大浪费。为减少深松铲的消耗，可采用激光熔覆的方法在其表面熔覆一层价格低廉、耐磨性好的金属作为耐磨涂层。激光熔覆技术以高能激光束为移动热源，一方面，激光快速加热冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端的非平衡条件，使成形件具有细小、致密的组织和优异的综合性能；但另一方面，激光熔覆过程中局部热输入造成的不均匀温度场必然引起局部热效应，熔池及其附近区域在经历一个快速加热、熔化和快速冷却、凝固的过程后，必然会产生局部的热塑性变形，从而导致残余应力的产生。
由此可见，残余应力是激光熔覆的必然产物，其作为一种内应力，对深松铲的微观组织稳定性和尺寸稳定性都有极其不利的影响，容易诱发裂纹的形成，影响熔覆层的强度、疲劳寿命、抗应力腐蚀性能等，使得熔覆层的性能大大降低。因此，细化熔覆层凝固组织、消除熔覆层中残余应力，使激光熔覆层得到强化具有重要研究意义。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种深松铲激光熔覆残余应力分段控制方法，可以在熔覆前、熔覆时、熔覆后三个阶段对深松铲激光熔覆时产生的残余应力进行有效的预防和消除。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种激光熔覆残余应力分段控制方法，包括如下步骤：
S1：在熔覆前根据预熔覆的基体材料及熔覆层性能要求选取熔覆材料，设定激光功率为1200-1500W、扫描速度为7-9mm/s、送粉速度为1-3g/min的工艺参数组合；
S2：在熔覆时，先对工件进行预热，然后熔覆，在熔覆过程中，对熔覆工件施加固有频率进行振动处理，使工件产生交变应力，与残余应力相叠加，以达到工件材料的屈服强度，从而工件产生局部塑性变形；
S3：在熔覆后进行热处理，以消除工件的残余应力；
S4:对热处理后的工件进行超声波冲击：采用18-22kHz的高频大功率超声波带动冲击头冲击工件表面，使工件表层产生压缩塑性变形。
进一步地，所述熔覆材料为铁基合金粉末，粒度为100-200目，硬度为58-62HRC，所述合金粉末按重量百分比含有以下成分：C：4-4.5％、Cr：24-30％、Si：2-3％、Ni：4-6％、W：2-3％、B：1.5-2.5％、余量Fe。
进一步地，所述预热时间为30-60s，将基板预热至400℃，加热时采用接触式温度计对温度进行实时监控。
进一步地，所述预热的方式采用激光束或电加热进行，并将石棉垫置于基板之下以减少热损失。
进一步地，所述振动的频率为1-10kHz。
进一步地，所述热处理工艺：首先，将工件整体放入炉中加热至800℃，然后保温3h后随炉冷却至室温；将工件在350℃的环境下保温32h。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
现有对激光熔覆残余应力的消除方法中，通常只是单一的采用某一方法对残余应力进行控制，这样对残余应力的消除极为有限，无法彻底将其消除。本发明把激光熔覆过程分为熔覆前、熔覆时、熔覆后三个阶段，每阶段采取相应措施，最后达到整体调控激光熔覆残余应力的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：本发明一种激光熔覆残余应力分段控制方法，本例以深松铲激光熔覆为例，具体方法包括以下步骤：
S1：在熔覆前根据基体材料及熔覆层性能要求选取熔覆材料，本例考虑到深松铲的使用环境以及对激光熔覆的低成本要求，熔覆材料选择铁基自熔粉末合金。其成本低且抗磨性能好的特点非常适合用作深松铲表面耐磨涂层的制备。本发明所采用的粉末材料为铁基合金粉末，粒度为100-150目，硬度为58-62HRC，其化学成分如表1所示。
表1铁基合金粉末化学成分(质量分数/％)
设定激光功率为1500W、扫描速度为8mm/s、送粉速度为1.5g/min的工艺参数组合；工艺参数对于激光熔覆过程中产生的残余应力的大小起到了重要的影响，残余应力大小受熔池尺寸的影响，激光功率的增大导致熔池增大，使得熔池凝固后的体积收缩量变大，导致残余应力变大；扫描速度的增大，导致熔池减小，残余应力相应减小；残余应力也会随着送粉速度的增大而增大。因此，激光熔覆试验应选择合适的激光功率、扫描速度、送粉速度的工艺参数组合。
S2：在熔覆时，先对工件进行预热，然后熔覆，在熔覆过程中，对熔覆工件施加固有频率进行振动处理，所述振动的频率为1-10kHz。使工件产生交变应力，与残余应力相叠加，以达到工件材料的屈服强度，从而工件产生局部塑性变形；这种塑性变形通常先出现在残余应力最大处及应力集中处，使残余应力得到释放，达到降低和均化残余应力的效果。
其中所述预热时间为30-60s，将基板预热至400℃；所述预热的方式采用激光束或电加热进行，并将石棉垫置于基板之下减少热损失。所需的预热温度用接触式温度计检测。基材预热能改善成形过程的温度分布、降低成形过程的温度梯度和热应力，从而抑制熔覆过程试样裂缝的产生。
S3：在激光熔覆后进行热处理，以消除工件的残余应力；所述热处理工艺：首先，将工件整体放入炉中加热至800℃，然后保温3h后随炉冷却至室温；高温条件下工件的屈服强度下降，当其屈服强度低于残余应力时，工件就会发生塑性变形，工件中残余应力就会得到部分释放。在经过高温热处理后，工件内仍存有残余应力，根据蠕变理论，将工件在350℃的环境下保温32h，此时工件蠕变导致工件应力松弛，残余应力进一步释放。
S4：对热处理后的工件进行超声波冲击：由于深松铲熔覆区域较小，故可采用超声波冲击来彻底消除热处理后仍留有的少许残余应力；采用18-22kHz的高频大功率超声波对工件进行30min的高频超声冲击。以巨大的能量带动冲击头冲击工件表面，使熔覆层产生很大的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。
综上所述，本发明可以系统的预防和消除深松铲激光熔覆过程中产生的残余应力，能够显著提高熔覆后深松铲的使用性能。
实施例2：本例用于农用旋耕刀具的激光熔覆，与实施例1不同的是：本例中激光熔覆残余应力分段控制方法中，本例所采用的粉末材料为铁基合金粉末，粒度为100-200目，硬度为58-62HRC，其化学成分如表2所示。
表2铁基合金粉末化学成分(质量分数/％)
设定激光功率为1300W、扫描速度为7.5mm/s、送粉速度为1.3g/min的工艺参数组合。
本例所述预热时间为30-60s，将基板预热至400℃；熔覆时的振动频率为1-10kHz。所述热处理工艺：首先，将工件整体放入炉中加热至800℃，然后保温3h后随炉冷却至室温；高温条件下工件的屈服强度下降，当其屈服强度低于残余应力时，工件就会发生塑性变形，工件中残余应力就会得到部分释放。在经过高温热处理后，工件内仍存有残余应力，根据蠕变理论，将工件在350℃的环境下保温32h，此时工件蠕变导致工件应力松弛，残余应力进一步释放。采用20kHz的高频大功率超声波对工件进行30min的高频超声冲击。
实施例3：本例用于马铃薯挖掘铲的激光熔覆，与实施例1不同的是：本例中激光熔覆残余应力分段控制方法中，本例所采用的粉末材料为铁基合金粉末，粒度为100-200目，硬度为58-62HRC，其化学成分如表3所示。
表3铁基合金粉末化学成分(质量分数/％)
设定激光功率为1200W、扫描速度为7mm/s、送粉速度为1g/min的工艺参数组合。
本例所述预热时间为30-60s，将基板预热至350℃；熔覆时的振动频率为1-10kHz。所述热处理工艺：首先，将工件整体放入炉中加热至800℃，然后保温3h后随炉冷却至室温；高温条件下工件的屈服强度下降，当其屈服强度低于残余应力时，工件就会发生塑性变形，工件中残余应力就会得到部分释放。在经过高温热处理后，工件内仍存有残余应力，根据蠕变理论，将工件在350℃的环境下保温32h，此时工件蠕变导致工件应力松弛，残余应力进一步释放。采用18kHz的高频大功率超声波对工件进行30min的高频超声冲击。

Claims (6)

1.一种激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在熔覆前根据预熔覆的基体材料及熔覆层性能要求选取熔覆材料，设定激光功率为1200-1500W、扫描速度为7-9mm/s、送粉速度为1-3g/min的工艺参数组合；
S2：在熔覆时，先对工件进行预热，然后熔覆，在熔覆过程中，对熔覆工件施加固有频率进行振动处理，使工件产生交变应力，与残余应力相叠加，以达到工件材料的屈服强度，从而工件产生局部塑性变形；
S3：在熔覆后进行热处理，以消除工件的残余应力；
S4:对热处理后的工件进行超声波冲击：采用18-22kHz的高频大功率超声波带动冲击头冲击工件表面，使工件表层产生压缩塑性变形。
2.根据权利要求1所述激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：所述熔覆材料为铁基合金粉末，粒度为100-200目，硬度为58-62HRC，所述合金粉末按重量百分比含有以下成分：C：4-4.5％、Cr：24-30％、Si：2-3％、Ni：4-6％、W：2-3％、B：1.5-2.5％、余量Fe。
3.根据权利要求1所述激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：所述预热时间为30-60s，将基板预热至400℃，加热时采用接触式温度计对温度进行实时监控。
4.根据权利要求1或3所述激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：所述预热的方式采用激光束或电加热进行，并将石棉垫置于基板之下以减少热损失。
5.根据权利要求1或3所述激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：所述振动的频率为1-10kHz。
6.根据权利要求1或3所述激光熔覆残余应力分段控制方法，其特征在于：所述热处理工艺：首先，将工件整体放入炉中加热至800℃，然后保温3h后随炉冷却至室温；将工件在350℃的环境下保温32h。
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