CN111218684B - 一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到超高速激光熔覆技术，特指一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法。本发明主要通过利用机械手控制辅助激光加工头和超高速激光熔覆加工头形成一定的角度以分别提供椭圆形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行加工，旨在熔点较低的工件表面实现无裂纹优质的高熔点涂层的制备。

Description

一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法
技术领域
本发明涉及到超高速激光熔覆技术，特指一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，尤其是关于在低熔点合金表面制备高熔点高性能涂层的超高速激光熔覆技术。
背景技术
超高速激光熔覆技术是通过同步送粉方式，利用高能密度的激光束使添加材料与以高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工艺特性的工艺方法。
但是在不同的低熔点合金如铜辊、铝辊等其表面所需强化层的强度要求不同，在实际常规温度环境下应用超高速激光熔覆加工过程中不可避免的出现熔覆层开裂等制造缺陷问题，无法达到预期效果，极大限制了超高速激光熔覆技术的应用和发展。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，主要通过利用机械手控制辅助激光加工头和超高速激光熔覆加工头形成一定的角度以分别提供椭圆形和圆形两种激光光斑在工件表面协同工作进行加工，旨在熔点较低的工件表面实现无裂纹优质的高熔点涂层的制备。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的：
一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，所述方法利用机械手控制辅助激光加工头和超高速激光熔覆加工头分别提供椭圆光斑和圆形光斑在工件表面协调工作制备高熔点涂层。
所述超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线成α角，其范围为-3°～8°，辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线成β角，其范围为25°～45°。
所述辅助激光加工头产生椭圆光斑，两个焦点F1F2之间的距离为6mm；超高速激光熔覆加工头产生圆形光斑，其直径为1.2mm。
所述方法依据椭圆光斑的能量分布由中心点向四周逐渐消散的特性，通过机械手来调节α角和β角，按照熔覆方向，当圆形光斑位于椭圆光斑的左半边位置，以椭圆光斑左边焦点为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内(附图2所示的位置A)时，椭圆光斑为待熔覆区域进行预热处理；当圆形光斑位于椭圆光斑中心位置，以椭圆光斑中心位置为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内(附图2所示的位置B)时，椭圆光斑不仅为待熔覆区域进行预热处理，也为已熔覆区域进行表面重熔；当圆形光斑位于椭圆光斑右半边位置，以椭圆光斑右边焦点为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内(附图2所示的位置C)时，椭圆光斑与圆形光斑共同进行激光熔覆加工，同时椭圆光斑可为已熔覆区域进行表面重熔处理。
所述工件使用范围为包括铝合金、铜合金在内的低熔点合金件，所述工件为轴类规则回转体。
所述方法本发明所使用的粉末为铁基粉末、镍基粉末、钴基粉末及其中任意一种粉末的混合陶瓷粉末，粉末粒度为25-53μm。
所述本发明加工过程中的辅助激光加工头的辅助激光的激光功率为：2500-3500W，辅助激光功率比超高速激光熔覆加工头的加工激光功率高100-200W。
所述本发明超高速激光熔覆加工头加工过程中的加工激光的激光功率为：2400-3400W，机床转速为35-50r/min，步进速度为16.8-25.4mm/min；送粉速度为2.5-3.0r/min；保护气流量为30-40L/min；搭接率为75％。
具体的，所述方法的具体步骤如下：
(1)将待熔覆粉末混合均匀，放入真空干燥箱，干燥后装入送粉器中；
(2)将工件安装在超高速激光熔覆机床上面固定并夹紧，对工件表面打磨并使用酒精清洗擦干；
(3)打开辅助激光器和超高速激光熔覆激光器，调至输出为指导红光，调节机械手对超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线所成α角进行调节，对辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线所成β角进行调节，保持辅助激光的椭圆光斑的位置不变，按照熔覆方向，沿铜辊轴向方向移动加工光斑的位置处于椭圆光斑的左焦点位置，并与铜辊的起始加工端重合；
(4)输入加工参数：包括辅助激光的功率，超高速激光熔覆的工艺参数；设定加工程序中当加工光斑的圆心沿铜辊方向加工至椭圆光斑右焦点处时，铜辊不动，控制机械手将椭圆光斑激光沿铜辊轴向移动两个焦点F1F2之间的距离，即在工件表面每加工两个焦点F1F2之间的距离，移动一次辅助激光；椭圆光斑和圆形光斑沿铜辊轴向移动，圆形光斑是加工光斑，开启加工系统就会沿加工方向匀速移动，椭圆光斑是周期移动；
(5)打开送粉器，调节送粉参数，启动激光器和机床，按照预设程序进行超高速激光熔覆直至加工结束。
本发明通过椭圆形光斑辅助圆形加工光斑在基材表面制备高熔点的无裂纹涂层，能够在基材待熔覆表面形成预热层，满足多种材料超高速激光熔覆的预热要求，同时对已熔覆区域进行表面重熔能够消除超高速激光熔覆涂层的未熔颗粒、气孔、杂质等缺陷，进一步提高涂层的表面质量，满足工业应用的需求。
附图说明
图1为本发明辅助激光加工头和超高速激光熔覆加工头位置示意图。
图2为圆形光斑和椭圆形光斑的位置示意图。
图3为未添加辅助激光的常规加工环境下和本发明加工条件下的涂层横截面显微图对比。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明所述的技术方案，下面结合实例及附图对本发明具体实施作进一步详述，但本发明不仅限于实施例。
以一种铜辊表面制备超高速激光熔覆Ni基WC合金熔覆层为例，基材的直径为90mm，超高速激光熔覆粉末为Ni基+8％WC，粉末粒度为25-53μm，其中Ni基粉末的元素质量比为：0.52％C，15.85％Cr，4.08％Si，3.62％B，3.57％Fe，2.01％Cu，2.70％Mo，余量为Ni。
(1)将Ni基粉末和WC粉末混合均匀，放入真空干燥箱，干燥处理一小时，然后装入送粉器中；
(2)将铜辊安装在超高速激光熔覆机床上面固定并夹紧，对表面打磨并使用酒精清洗擦干；
(3)打开辅助激光器和超高速激光熔覆激光器，调至输出为指导红光，调节机械手将超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线成α角为5°，辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线成β角为30°，保持辅助激光的椭圆光斑的位置不变，沿铜辊轴向方向移动加工光斑的位置处于椭圆光斑的左焦点位置即附图2所示的位置A处，位置A处与铜辊的起始加工端重合；
(4)输入加工参数：辅助激光的功率为2800W，超高速激光熔覆的激光功率为2700W，机床转速为45r/min，步进速度为21.4mm/min，保护气流量为40L/min，搭接率为75％；设定加工程序中当加工光斑的圆心沿铜辊方向加工至椭圆光斑右焦点处时即附图2所示的位置C处，铜辊不动，控制机械手将椭圆光斑激光沿铜辊轴向移动两个焦点F1F2之间的距离即6mm，即每加工6mm，移动一次辅助激光；椭圆光斑和圆形光斑沿铜辊轴向移动，圆形光斑是加工光斑，开启加工系统就会沿加工方向匀速移动，椭圆光斑是周期移动；
(5)打开送粉器，调节送粉速度为3.0r/min，送粉载气量调至6.5L/min。启动激光器和机床，按照预设程序进行超高速激光熔覆直至加工结束。
附图3为本发明加工条件下的铜辊表面镍基WC涂层横截面显微图，与未添加辅助激光的常规加工环境下得到的横截面显微图对比，可以明显看出应用本发明提供的技术方案能够消除裂纹和未熔颗粒等缺陷。
采用本发明所述一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法在铝合金、铜合金的低熔点的合金基材表面制备铁基、镍基、钴基及其混合陶瓷粉末的涂层，能够显著消除常规环境加工下超高速激光熔覆涂层的裂纹、未熔颗粒、气孔、杂质等缺陷，使加工后的工件满足工业应用的需求。

Claims (8)

1.一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，所述方法利用机械手控制辅助激光加工头和超高速激光熔覆加工头分别提供椭圆光斑和圆形光斑在工件表面协调工作制备高熔点涂层；依据椭圆光斑的能量分布由中心点向四周逐渐消散的特性，通过机械手来调节超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线之间所成α角和辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线之间所成β角，按照熔覆方向，当圆形光斑位于椭圆光斑的左半边位置，以椭圆光斑左边焦点为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内时，椭圆光斑为待熔覆区域进行预热处理；当圆形光斑位于椭圆光斑中心位置，以椭圆光斑中心位置为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内时，椭圆光斑不仅为待熔覆区域进行预热处理，也为已熔覆区域进行表面重熔；当圆形光斑位于椭圆光斑右半边位置，以椭圆光斑右边焦点为中心，沿椭圆横轴线方向左右±1.2mm范围内时，椭圆光斑与圆形光斑共同进行激光熔覆加工，同时椭圆光斑可为已熔覆区域进行表面重熔处理。
2.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，所述超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线成α角，其范围为-3°～8°，辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线成β角，其范围为25°～45°。
3.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，所述辅助激光加工头产生椭圆光斑，两个焦点F1F2之间的距离为6mm；超高速激光熔覆加工头产生圆形光斑，其直径为1.2mm。
4.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，所述工件使用范围为低熔点合金件；所述工件为轴类规则回转体。
5.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，制备高熔点涂层所使用的粉末为铁基粉末、镍基粉末、钴基粉末及其中任意一种粉末的混合陶瓷粉末，粉末粒度为25-53μm。
6.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，加工过程中的辅助激光加工头的辅助激光的激光功率为：2500-3500W，辅助激光功率比超高速激光熔覆加工头的加工激光功率高100-200W。
7.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，超高速激光熔覆加工头加工过程中的加工激光的激光功率为：2400-3400W，机床转速为35-50r/min，步进速度为16.8-25.4mm/min；送粉速度为2.5-3.0r/min；保护气流量为30-40L/min；搭接率为75％。
8.如权利要求1所述的一种激光辅助超高速激光熔覆制备高熔点涂层的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将待熔覆粉末混合均匀，放入真空干燥箱，干燥后装入送粉器中；
(2)将工件安装在超高速激光熔覆机床上面固定并夹紧，对工件表面打磨并使用酒精清洗擦干；
(3)打开辅助激光器和超高速激光熔覆激光器，调至输出为指导红光，调节机械手对超高速激光熔覆加工头的中心线与基材表面法向线所成α角进行调节，对辅助激光加工头的中心线与基材表面法向线所成β角进行调节，保持辅助激光的椭圆光斑的位置不变，按照熔覆方向，沿铜辊轴向方向移动加工光斑的位置处于椭圆光斑的左焦点位置，并与铜辊的起始加工端重合；
(4)输入加工参数：包括辅助激光的功率，超高速激光熔覆的工艺参数；设定加工程序中当加工光斑的圆心沿铜辊方向加工至椭圆光斑右焦点处时，铜辊不动，控制机械手将椭圆光斑激光沿铜辊轴向移动两个焦点F1F2之间的距离，即在工件表面每加工两个焦点F1F2之间的距离，移动一次辅助激光；椭圆光斑和圆形光斑沿铜辊轴向移动，圆形光斑是加工光斑，开启加工系统就会沿加工方向匀速移动，椭圆光斑是周期移动；
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