CN112522698B - 一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置及方法，属于激光熔覆领域，包括支撑系统、超声振动系统和激光熔覆系统。将基板固定在超声振动工作台上。开启超声振动系统，超声振动台的四个引脚均为内置刚性弹簧的伸缩弹性结构，以及在超声振动台的两旁配重上均安装有呈张紧状态并与超声振动台平衡对称固连的链条，可以实现超声振动优质均匀地作用在基板上。再开启同步式激光熔覆系统，在振动的基板上激光熔覆钨钽铌合金。本发明在激光熔覆钨钽铌合金的过程中，同时优质均匀地施加超声振动，并且达到在激光熔覆钨钽铌合金时熔覆层成形良好且气孔、裂纹等缺陷实现有效消除和抑制，改善熔覆层质量。

Description

一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置及方法
技术领域
本发明属于激光熔覆领域，尤其涉及一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置和方法。
背景技术
激光熔覆是一种新型表面加工与成型技术，利用高能量密度激光束的辐照，实现基体材料与熔覆层材料之间良好的冶金结合，能够显著提高基体材料耐磨、耐高温等优异性能，在航空航天、化工、机械等行业得到广泛的应用。但是目前在传统激光熔覆工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括熔覆层内的气孔、粗大晶粒、裂纹等缺陷。超声振动辅助激光熔覆技术利用超声波在介质中传播时产生的空化效应、热效应和声流效应对熔池的作用，可以达到在基于激光熔覆中气孔、裂纹等缺陷的消除和抑制，改善熔覆层质量。
钨钽铌合金作为一种新型合金材料，具备钨合金高强韧性、较强的腐蚀性等优点的同时，还具备易压缩、延伸率好、较高的高温抗拉强度和抗蠕变变形等优点，在国内外航空航天和军事用材中占据重要的地位。
目前已提出的超声振动辅助激光熔覆装置还存在施加超声振动不均匀（距离超声振动发射头距离不同振动效果不一致）、及振动效果不足等方面的弊端。而激光熔覆技术研究比较多的方向主要集中在所使用的熔覆材料上，应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金等材料，激光熔覆钨钽铌合金相关的工艺还比较少，并且由于钨钽铌合金熔点较高，在进行激光熔覆时流动性较差，易出现铺展不足、高宽比较大等成形缺陷，以及气孔、裂纹等冶金缺陷。
因此，本发明提出一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置和方法。在激光熔覆钨钽铌合金的过程中，实现超声振动优质均匀的施加到熔池中，利用超声波的空化效应、热效应和声流效应消除激光熔覆中的铺展不足、气孔、裂纹等缺陷，得到高质量的均一的钨钽铌合金熔覆层的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置和方法，在激光熔覆钨钽铌合金的过程中，实现超声振动优质均匀的施加到熔池中，得到高质量的钨钽铌合金熔覆层。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，包括超声振动台、弹性伸缩长杆、超声振动装置和弹性伸缩短杆，所述超声振动台上安装有螺纹杆，所述螺纹杆与基板连接，所述基板上方设置有同步式激光熔覆系统，所述超声振动装置的圆盘形发射头紧压在超声振动台上，所述弹性伸缩长杆、弹性伸缩短杆均匀分布在超声振动装置周围辅助支撑连接超声振动台。
优选的，所述超声振动台的四个引脚为弹性伸缩引脚。
优选的，所述超声振动台右侧固连有第二链条，所述第二链条与配重相连接。
优选的，弹性伸缩长杆、超声振动装置、弹性伸缩短杆均安装在自带负重的支撑架上，自带负重的支撑架与第一链条相连，第一链条与超声振动台相连。
优选的，所述第一链条与第二链条对称布置，所述自带负重的支撑架与负重对称布置。
一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金的方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：将基板打磨、清洗和吹干，并对其进行预热；
S2：将基板安装固定在超声振动台上，打开超声振动装置开始振动；
S3：待超声振动台均匀的将超声振动传递到基板，开启同步式激光熔覆系统进行激光熔覆钨钽铌合金，直至加工完毕。
优选的，所述同步式激光熔覆系统的激光功率为800W-3000W，为了避免材料被氧化，整个过程在氩气氛围中进行，同轴保护气压力速率为5L/min；光斑直径为2mm。
优选的，超声振动装置的功率输入600W，振动频率20-80kHz。
本发明的有益效果：
（1）目前超声振动辅助激光熔覆装置存在施加超声振动不均匀、振动效果不足的弊端。而本方案所提供的超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置可以实现超声振动优质均匀的施加在激光熔覆钨钽铌合金的熔覆层制备过程中。
（2）目前激光熔覆钨钽铌合金相关的工艺还比较少，且由于钨钽铌合金熔点较高，易产生成形及冶金缺陷。而本方案所提供的超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金的方法，可以得到一种高质量的均一的钨钽铌合金熔覆层。
附图说明
图1为本发明装置的结构原理图；
图2为本发明装置中超声振动装置的结构图；
图3本发明装置的五面视图；
图4为本发明的螺纹杆与基板连接图；
图5为本发明超声振动台左、中、右侧区域位置情况图；
图6为本发明与普通装置振动情况数据对比图；
图7为本发明实施例中施加超声振动的熔覆层截面形貌图；
图8为本发明实施例中未施加超声振动的熔覆层截面形貌图。
图中：1-自带负重的支撑架；2-第一链条；3-弹性伸缩长杆；4-.弹性伸缩短杆；5-超声振动装置；6-超声振动台；7-同步式激光熔覆系统；8-基板；9-第二链条；10-配重；11-弹性伸缩引脚；12-螺纹杆。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1-3所示，一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，主要包括：自带负重的支撑架1、第一链条2、弹性伸缩长杆3、弹性伸缩短杆4、超声振动装置5、超声振动台6、同步式激光熔覆系统7、基板8、第二链条9、配重10、弹性伸缩引脚11和螺纹杆12，如图1、2所示；所述超声振动台6的四个引脚为弹性伸缩引脚11；所述超声振动装置5和弹性伸缩长杆3与弹性伸缩短杆4均安装在自带负重的支撑架1上；所述超声振动装置5的圆盘发射头紧压在所述超声振动台6上，所述弹性伸缩长杆3、弹性伸缩短杆4均匀分布在所述超声振动装置5周围辅助支撑连接所述超声振动台6；所述超声振动台6左右两侧均与第一链条2和第二链条9对称平衡相连；所述第一链条2与自带负重的支撑架1相连；所述第二链条9与配重10相连，第一链条2和第二链条9均为张紧状态；所述自带负重的支撑架1与配重10也对称分布在超声振动台6的两侧，超声振动台6的四个弹性伸缩引脚11处于微压缩的状态；所述基板8通过螺纹杆12与超声振动台6相连；打开超声振动装置5时，由于超声振动装置5的圆盘形发射头紧压在超声振动台6上，并且弹性伸缩长杆3和弹性伸缩短杆4均匀分布在所述超声振动装置5周围起到均匀缓冲连接的作用，四个引脚为弹性伸缩引脚11的超声振动台6以其独特的刚性结构整体传输，在呈张紧状态的链条2和呈张紧状态的链条9在超声振动台6两侧平衡拉紧的辅助作用下，可以实现超声振动优质均匀的施加到基板8上。
一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金的方法，先将尺寸为50mm×50mm×7mm的45钢基体用砂纸打磨后用无水乙醇超声清洗7min，并在100℃的温度下干燥25min。将干燥好的45钢基板利用螺纹杆安装固定在超声振动台上，首先打开超声振动装置功率输入600W使其产生30kHz及3μm的振动，等5min待超声振动台振动稳定之后。开启同步式激光熔覆系统同时通入氩气对熔池进行保护，进行单道激光熔覆钨钽铌熔覆层。激光熔覆工艺参数为：激光功率1300w，熔覆速度300mm/min，光斑直径2.6mm,同轴保护气压力速率为5L/min。此实施例中获得的熔覆层截面形貌图如图7所示。在该实施例中所用激光熔覆加工工艺参数保持一致的情况下不施加超声振动，所获得的熔覆层截面形貌图如图8所示。
由图7、8可以观察到，施加超声振动的熔覆层的截面形貌相比于未施加超声振动的熔覆层的截面形貌更加平整并且裂纹缺陷更少，可以得出超声振动有利于改善激光熔覆钨钽铌合金熔覆层表面形貌、减少裂纹缺陷。
先打开超声振动装置功率输入400W使其产生10kHz及3μm的振动，等5min待超声振动台振动稳定之后。在超声振动台上根据距离超声振动装置位置的远近分为左、中、右三个区域，利用便携式数字测振仪分别进行测量三个区域（如图5所示）。
在普通超声振动辅助装置中输入相应的参数使其产生10kHz及3μm的振动，利用便携式数字振动仪分别测量与上一步测量中距离振动源相同的位置，将所获得的超声振动数据进行整理，与上一步测量得到的数据进行对比，如图6所示。
与普通超声振动辅助装置相比本发明在三个区域测得的超声振动数据相差更小，经过对比观察可以发现本发明施加的超声振动更加均匀。

Claims (8)

1.一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，包括超声振动台（6）、弹性伸缩长杆（3）、超声振动装置（5）和弹性伸缩短杆（4），所述超声振动台（6）上安装有螺纹杆（12），所述螺纹杆（12）与基板（8）连接，所述基板（8）上方设置有同步式激光熔覆系统（7），所述超声振动装置（5）的圆盘形发射头紧压在超声振动台（6）上，所述弹性伸缩长杆（3）、弹性伸缩短杆（4）均匀分布在超声振动装置（5）周围辅助支撑连接超声振动台（6）。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，所述超声振动台（6）的四个引脚为弹性伸缩引脚（11）。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，所述超声振动台（6）右侧固连有第二链条（9），所述第二链条（9）与配重（10）相连接。
4.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，弹性伸缩长杆（3）、超声振动装置（5）、弹性伸缩短杆（4）均安装在自带负重的支撑架（1）上，自带负重的支撑架（1）与第一链条（2）相连，第一链条（2）与超声振动台（6）相连。
5.根据权利要求4所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，所述第一链条（2）与第二链条（9）对称布置，所述自带负重的支撑架（1）与配重（10）对称布置。
6.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，使用所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置实现的方法包含以下步骤：
S1：将基板（8）打磨、清洗和吹干，并对其进行预热；
S2：将基板（8）安装固定在超声振动台（6）上，打开超声振动装置（5）开始振动；
S3：待超声振动台（6）均匀的将超声振动传递到基板（8），开启同步式激光熔覆系统（7）进行激光熔覆钨钽铌合金，直至加工完毕。
7.根据权利要求6所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，所述同步式激光熔覆系统的激光功率为800W-3000W，为了避免材料被氧化，整个过程在氩气氛围中进行，同轴保护气压力速率为5L/min；光斑直径为2mm。
8.根据权利要求6所述的一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置，其特征在于，超声振动装置的功率输入600W，振动频率20-80kHz。
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