CN110453216A - 一种覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法，该装置包括激光熔覆机构和脉冲电流机构，所述激光熔覆机构包括设置于工作台上方的固定座和激光头；所述脉冲电流机构包括分别设置于所述激光熔覆机构两端的可调电极组件，所述可调电极组件与所述固定座之间通过可调连接件连接。本发明通过设置脉冲电流机构，提高熔覆效率，又能细化熔覆层晶粒，降低其孔隙率，并均匀熔覆层组织，同时可以减少熔覆层残余热应力和开裂敏感性，特别是脉冲大电流密度在熔覆层裂纹尖端形成的绕流效应和焦耳热效应能够实现熔覆层裂纹的在线自愈合，能够制备高质量，高性能的激光熔覆涂层。

Description

一种覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法
技术领域
本发明属于激光加工设备技术领域，具体涉及一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法。
背景技术
激光熔覆是一个复杂的物理化学和冶金过程，由于其快速加热和凝固的工艺特点(急热急冷)，再加上熔覆层材料与基材在物理性能(如热膨胀系数，弹性模量和导热系数等)上的差异，直接导致了在熔覆层内和熔覆层与基体之间存在着残余内应力，当残余应力大于熔覆层的抗拉强度时，容易在气孔、夹杂、尖端等处产生应力集中，从而导致熔覆层开裂。
为了获得质量好、缺陷少甚至无缺陷的激光熔覆涂层，一方面应从理论上对激光熔覆技术的理论基础快速凝固理论，以及涂层界面精细结构作深入的研究，以期揭示激光熔覆过程的本质；另一方面应从工艺上对涂层的构成与质量进行控制与改进，减少激光熔覆过程中的热应力；此外建立激光熔覆工艺、涂层组织、性能一体化评价指标也是研究的一个热点。目前所采用的控制激光熔覆涂层裂纹和剥落的主要措施有：优化工艺方法和参数；合理设计涂层；调整应力状态，尽可能降低拉应力以及改变激光作用模式或能量分布及采用复合激光熔覆工艺等。
在金属凝固过程中，施加电流可以改善材料组织及性能，外加电流辅助激光加工常见于电流强化激光焊接，由于直流电流会对熔池有持续的加热作用，从而使晶粒变大，因此脉冲电流具有更好的强化效果。然而，研究脉冲电流对激光熔覆的影响研究还很少，目前有研究人员对脉冲电流对激光熔覆的影响进行了研究，发现其具有细化组织的作用。但其实验装置电极位置是固定的，考虑到在激光熔覆过程中，激光束位置与工件相对运动，如果施加电流的电极位置与工件相对不动，熔池只占导体的一小部分，大部分的电流未通过熔池，不利于电流密度的提高，这将大大降低电流的实际效果。
因此，开发和设计一种能够使电极始终位于靠近熔池的位置并和熔池相对位置保持不变、提高电流利用效率、增强激光熔覆效果、减少熔覆层裂纹的激光熔覆装置具有重要的经济、社会和现实意义。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，包括激光熔覆机构和脉冲电流机构，所述激光熔覆机构设置于工作台的上方，包括设置于工作台上方的固定座和与固定座连接的激光头；
所述脉冲电流机构包括分别设置于所述激光熔覆机构两端的可调电极组件，所述可调电极组件与所述固定座之间通过可调连接件连接，所述可调连接件包括设置于所述固定座两端底部的滑槽，所述滑槽内设置有与其相互匹配的滑动块，所述滑槽和滑动块的一侧均设置有固定孔，所述固定孔配备有与其相互配合的螺纹钉；
所述滑动块的内部为空心状，且滑动块底部设有槽孔，所述槽孔内穿设有调节杆，所述调节杆的顶端设置于所述滑动块的内部，且与所述滑动块之间通过弹性连接件连接；
所述调节杆的底端设置有电极组件，所述电极组件与调节杆之间通过若干连接板和穿设于连接板表面的连接螺栓连接，所述连接板上还设置有碳刷，所述碳刷用于与设置于固定座外部的电源输出端连接；
所述电极组件与所述连接板底端通过固定钉和盖板相互连接，所述滚动电极组件由内至外依次包括连接轴、绝缘套和滚动电极。
通过采用上述技术方案，设置随动进给式的脉冲电流机构，整个随动装置固定在激光头上，从而实现电极与激光头的随动，另外利用较近的电极距离，可以将大电流密度作用在熔覆区，以获得缺陷少、性能佳的激光熔覆层。
作为本发明的进一步优化方案，所述激光头的输入端还设置有送粉器，所述送粉器用于向基体表面输送粉末体。
通过采用上述技术方案，当进行同轴送粉激光熔覆或同步侧送粉激光熔覆时，由送粉器向激光头位置输送熔覆粉末。
作为本发明的进一步优化方案，在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器，或在预制涂层激光熔覆时，送粉器不工作。
通过采用上述技术方案，便于各种熔覆操作的进行。
作为本发明的进一步优化方案，所述连接板为水平“Z”字形连接板。
通过采用上述技术方案，Z字形连接板与滚动电极组件相连，保证在改变光斑尺寸时滚动电极仍能与工件接触良好。
作为本发明的进一步优化方案，各所述可调电极组件分别到激光熔覆机构之间的水平距离为等距或不等距。
通过采用上述技术方案，当可调电极组件以激光熔覆机构为对称轴对称设置时，其对激光熔覆的增强效果并不好，反之能够取得较好的增强激光熔覆效果。
作为本发明的进一步优化方案，所述滚动电极与所述激光熔覆机构的激光扫描方向之间的设置角度可调节。
一种如上述任一所述熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在工作台上依次放置绝缘板和待熔覆的基体，调节脉冲电流机构与激光熔覆机构及工作台的位置；
步骤S2：根据激光熔覆样品设置激光熔覆工艺参数和脉冲电流工艺参数；
步骤S3：启动电源，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得产品。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器；所述基体为导电基体、半导体基体或绝缘基体，对于非导电基体，激光熔覆前基体表面需要进行导电化处理。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中的激光熔覆工艺参数为：粉末粒度为-100-+400目，激光功率为300-5000W，激光扫描速度为1-20mm·s-1，激光光斑直径为1-6mm，所用保护气体为氩气，流量5-20L·min-1；所述脉冲电流工艺参数为：脉冲电流为矩形方波，脉冲电流均值I＝10-250A，脉冲宽度为η＝50-5000μs，脉冲频率为f＝40-4000Hz。
作为本发明的进一步优化方案，所述的激光熔覆操作选自同轴送粉激光熔覆、同步侧送粉激光熔覆、预置涂层激光熔覆中的一种。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过设置脉冲电流机构，提高熔覆效率，又能细化熔覆层晶粒，降低其孔隙率，并均匀熔覆层组织，同时可以减少熔覆层残余热应力和开裂敏感性，特别是脉冲大电流密度在熔覆层裂纹尖端形成的绕流效应和焦耳热效应能够实现熔覆层裂纹的在线自愈合，能够制备高质量，高性能的激光熔覆涂层；
2)本发明通过设置随动进给式的脉冲电流机构，整个随动装置固定在激光头上，从而实现电极与激光头的随动，另外利用较近的电极距离，可以将大电流密度作用在熔覆区，以获得缺陷少、性能佳的激光熔覆层；
3)本发明结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现。
附图说明
图1是本发明在预制涂层激光熔覆时的剖面结构示意图；
图2是本发明在同轴送粉激光熔覆时的剖面结构示意图；
图3是本发明的可调电极组件的剖面结构示意图；
图4是本发明中对比例1的组织金相图；
图5是本发明中实施例2的组织金相图；
图6是本发明中对比例1的宏观裂纹探伤图；
图7是本发明中实施例2的宏观裂纹探伤图。
图中：1、固定座；2、激光头；3、工作台；11、电源；12、滑槽；13、弹性连接件；14、滑动块；15、调节杆；16、连接板；17、连接轴；18、绝缘套；19、滚动电极；21、激光束；22、熔池；23、送粉器；31、绝缘板；32、基体；33、粉末体；34、熔覆层；141、固定螺钉；151、连接螺栓；161、盖板；162、固定钉；171、碳刷。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1-3所示，一种熔覆层34裂纹自愈合的激光熔覆装置，包括激光熔覆机构和脉冲电流机构，所述激光熔覆机构设置于工作台3的上方，包括设置于工作台3上方的固定座1和与固定座1连接的激光头2，所述激光头2用于发射激光束21，对基体32和熔覆层34进行激光熔覆，所述激光头2的输入端还设置有送粉器23，所述送粉器23用于向基体32表面输送粉末体33，以便在激光熔覆过程中同时进行熔覆层34粉末的输送和熔覆。
所述脉冲电流机构包括分别设置于所述激光熔覆机构两端的可调电极组件，所述可调电极组件与所述固定座1之间通过可调连接件连接，所述可调连接件包括设置于所述固定座1两端底部的滑槽12，所述滑槽12内设置有与其相互匹配的滑动块14，所述滑动块14可在滑槽12内水平移动，所述滑槽12和滑动块14的一侧均设置有固定孔，所述固定孔配备有与其相互配合的螺纹钉，通过固定孔和螺纹钉的配合，可在滑动块14移动到适宜位置后将其固定，以便操作时的稳定性；所述滑动块14的内部为空心状，且滑动块14底部设有槽孔，所述槽孔内穿设有调节杆15，所述调节杆15的顶端设置于所述滑动块14的内部，且与所述滑动块14之间通过弹性连接件13连接，所述弹性连接件13包括弹簧，但不限于此，通过在滑动块14与调节杆15之间设置弹性连接件13，压缩和拉伸弹性连接件13，使调节杆15可以在滑动块14的内部上下移动，进而改变调节杆15到工作台3的距离，以便找到适宜的工作位置；所述调节杆15的底端设置有电极组件，所述电极组件与调节杆15之间通过若干连接板16和穿设于连接板16表面的连接螺栓151连接，所述连接板16为水平“Z”字形连接板16，通过这种水平“Z”字形的连接板16来连接电极组件，可使两个电极组件之间的水平距离保持最小。
所述电极组件与所述连接板16底端通过固定钉162和盖板161相互连接，所述滚动电极19组件由内至外依次包括连接轴17、绝缘套18和滚动电极19，通过设置连接轴17，使得滚动电极19在与基体32接触时可在基体32表面滚动，减少电极与基体32之间的摩擦阻力；所述连接板16上还设置有碳刷171，所述碳刷171用于与设置于固定座1外部的电源11输出端连接，通过电源11向滚动电极19输电，以便滚动电极19向外输出脉冲电流。
需要说明的是，在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器23，或在预制涂层激光熔覆时，送粉器23不工作；各所述可调电极组件分别到激光熔覆机构之间的水平距离为等距或不等距，需要强调的是，当可调电极组件以激光熔覆机构为对称轴对称设置时，其对激光熔覆的增强效果并不好，反之能够取得较好的增强激光熔覆效果。
所述滚动电极19的设置方向与所述激光熔覆机构的激光扫描方向可调节，根据激光熔覆时的具体操作，可以改变混动电极与激光扫描方向的夹角，需要说明的是，由于激光熔覆时熔覆层34的裂纹垂直与激光扫描方向，因此滚动电极19平行与激光扫描方向设置时对熔覆层34裂纹的修复愈合效果最佳。
一种熔覆层34裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：在工作台3上依次放置绝缘板31和待熔覆的基体32，调节脉冲电流机构与激光熔覆机构即工作台3的位置；
步骤S2：根据激光熔覆样品设置激光熔覆工艺参数和脉冲电流工艺参数；
步骤S3：启动电源11，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得产品。
需要说明的是，所述步骤S1中，在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器23；所述基体32为导电基体32、半导体基体32或绝缘基体32，对于非导电基体32，激光熔覆前基体32表面需要进行导电化处理；所述步骤S2中的激光熔覆工艺参数为：粉末粒度为-100-+400目，激光功率为300-5000W，激光扫描速度为1-20mm·s-1，激光光斑直径为1-6mm，所用保护气体为氩气，流量5-20L·min-1；所述脉冲电流工艺参数为：脉冲电流为矩形方波，脉冲电流均值I＝10～250A，脉冲宽度为η＝50～5000μs，脉冲频率为f＝40～4000Hz。
所述的激光熔覆操作选自同轴送粉激光熔覆、同步侧送粉激光熔覆、预置涂层激光熔覆中的一种。
实施例2
本实施例为在42CrMo基体表面采用上述实施例1中的熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置制备Ni60A涂层，包括以下步骤：
步骤S1：选用德国IPG公司生产的YLS-6000大功率光纤激光器和XSL-PF-01B-2型双料仓负压式同轴送粉器，在42CrMo合金结构钢基体表面进行同轴送粉激光熔覆Ni60A涂层，在工作台上依次放置绝缘板和42CrMo合金结构钢基体，调节脉冲电流机构与激光熔覆机构及工作台的位置；
步骤S2：设置激光熔覆工艺参数为：光斑直径为5mm；激光功率为2000W；扫描速度为5mm·s-1；送粉率为25g·min-1；采用氩气对熔池进行气体保护，载气量8L·min-1。激光熔覆的同时采用SPMD-3020脉冲电源输入脉冲电流，脉冲电流工艺参数为：平均脉冲电流50A，脉冲频率为400Hz，脉宽为100μs。两个滚动电极沿激光扫描方向布置，一个滚动电极在激光束中心前端15mm，另一个滚动电极在激光束中心后端20mm处；
步骤S3:启动电源，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得激光熔覆产品。
实施例3
本实施例为在GH4169基体表面采用上述实施例1中的熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置制备MCrAlY涂层，包括以下步骤：
步骤S1：选用美国普莱克斯公司生产的3710型大气等离子喷涂系统在GH4169基体喷涂MCrAlY粘结层，按质量百分比计，MCrAlY粉末的成分为：Ni-20Co-18Cr-15Al-2Y2O3；在工作台上依次放置绝缘板和GH4169基体，调节脉冲电流机构与激光熔覆机构及工作台的位置；
步骤S2：选用SLCF-X12×25型CO2激光加工机进行激光熔覆，设置激光熔覆工艺参数为光功率为850W，光斑直径为3mm，激光扫描速度为600mm·min-1，重熔时吹氩气保护熔池，以防粘结层氧化，氩气流量为10L·min-1，激光熔覆的同时采用SPMD-3020脉冲电源输入脉冲电流，脉冲电流参数为：平均脉冲电流40A，脉冲频率为150Hz，脉宽为300μs。两个滚动电极沿激光扫描方向布置，一个滚动电极在激光束中心前端15mm，另一个滚动电极在激光束中心后端23mm处；
步骤S3：启动电源，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得激光熔覆产品。
需要说明的是，该实施例中的喷涂工艺参数，如下表1所示：
对比例1
本实施例为以常规的激光熔覆装置在42CrMo基体表面制备Ni60A涂层，即不使用上述实施例1中的熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，包括以下步骤：
步骤S1：选用德国IPG公司生产的YLS-6000大功率光纤激光器和XSL-PF-01B-2型双料仓负压式同轴送粉器，在42CrMo合金结构钢基体表面进行同轴送粉激光熔覆Ni60A涂层，在工作台上依次放置绝缘板和42CrMo合金结构钢基体，调节激光熔覆机构及工作台的位置；
步骤S2：设置激光熔覆工艺参数为：光斑直径为5mm；激光功率为2000W；扫描速度为5mm·s-1；送粉率为25g·min-1；采用氩气对熔池进行气体保护，载气量8L·min-1；
步骤S3:启动电源，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得激光熔覆产品。
取实施例2和对比例1获得的激光熔覆产品，以高倍电镜获得各产品的组织金相图，如图4和5所示，实施例2中使用熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置制备的激光熔覆产品的较对比例1的产品来说，其晶粒更细小，这是由于随动进给式的脉冲电流结构的引入使得形核时过冷度增加，增加形核率，减小了晶粒尺寸。
此外，如图6和7所示，为实施例2和对比例1的宏观裂纹探伤图，由图可知，对比例1所获得产品表面具有多条垂直于激光扫描的横向宏观裂纹，而实施例2获得产品表面没有宏观裂纹，这是由于随动进给式的脉冲电流装置大大减少熔覆层开裂敏感性，实施例2中的产品组织更均匀，孔隙率更低，晶粒尺寸更小，从而可以减少熔覆过程中残余热应力并减少开裂趋势；另外作用在熔覆层上的脉冲电流，能对生成的少量裂纹进行在线修复，在脉冲大电流密度作用下，因电流无法通过裂纹而在裂纹尖端形成绕流效应，在焦耳热效应的作用下，裂纹尖端位置温度显著升高，会形成一超过熔点的局部高温区，但高温区域的材料热膨胀会受到周边温度较低区域材料的限制，从而在裂纹尖端附近区域产生很高的局部压应力，在高温和压应力的双重作用下，裂纹尖端闭合并修复，从而使裂纹长度缩短，在新的裂纹尖端产生新的绕流效应，经过多个脉冲大电流后，整条裂纹逐渐修复。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：包括激光熔覆机构和脉冲电流机构，所述激光熔覆机构设置于工作台的上方，包括设置于工作台上方的固定座和与固定座连接的激光头；
所述脉冲电流机构包括分别设置于所述激光熔覆机构两端的可调电极组件，所述可调电极组件与所述固定座之间通过可调连接件连接，所述可调连接件包括设置于所述固定座两端底部的滑槽，所述滑槽内设置有与其相互匹配的滑动块，所述滑槽和滑动块的一侧均设置有固定孔，所述固定孔配备有与其相互配合的螺纹钉；
所述滑动块的内部为空心状，且滑动块底部设有槽孔，所述槽孔内穿设有调节杆，所述调节杆的顶端设置于所述滑动块的内部，且与所述滑动块之间通过弹性连接件连接；
所述调节杆的底端设置有电极组件，所述电极组件与调节杆之间通过若干连接板和穿设于连接板表面的连接螺栓连接，所述连接板上还设置有碳刷，所述碳刷用于与设置于固定座外部的电源输出端连接；
所述电极组件与所述连接板底端通过固定钉和盖板相互连接，所述滚动电极组件由内至外依次包括连接轴、绝缘套和滚动电极。
2.根据权利要求1所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：所述激光头的输入端还设置有送粉器，所述送粉器用于向基体表面输送粉末体。
3.根据权利要求2所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器，或在预制涂层激光熔覆时，送粉器不工作。
4.根据权利要求1所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：所述连接板为水平“Z”字形连接板。
5.根据权利要求1所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：各所述可调电极组件分别到激光熔覆机构之间的水平距离为等距或不等距。
6.根据权利要求1所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置，其特征在于：所述滚动电极与所述激光熔覆机构的激光扫描方向之间的设置角度可调节。
7.一种根据权利要求1-6任一所述熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在工作台上依次放置绝缘板和待熔覆的基体，调节脉冲电流机构与激光熔覆机构即工作台的位置；
步骤S2：根据激光熔覆样品设置激光熔覆工艺参数和脉冲电流工艺参数；
步骤S3：启动电源，对样品进行脉冲电流增强的激光熔覆操作，获得产品。
8.据权利要求7所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，其特征在于：所述步骤S1中，在预制涂层激光熔覆操作时，不需要配置送粉器；所述基体为导电基体、半导体基体或绝缘基体，对于非导电基体，激光熔覆前基体表面需要进行导电化处理。
9.据权利要求7所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，其特征在于：所述步骤S2中的激光熔覆工艺参数为：粉末粒度为-100-+400目，激光功率为300-5000W，激光扫描速度为1-20mm·s-1，激光光斑直径为1-6mm，所用保护气体为氩气，流量5-20L·min-1；所述脉冲电流工艺参数为：脉冲电流为矩形方波，脉冲电流均值I＝10-250A，脉冲宽度为η＝50-5000μs，脉冲频率为f＝40-4000Hz。
10.据权利要求7所述的一种熔覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置的加工方法，其特征在于：所述的激光熔覆操作选自同轴送粉激光熔覆、同步侧送粉激光熔覆、预置涂层激光熔覆中的一种。
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