CN113667972A - 一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属磁记忆和超声冲击技术的熔覆层应力调控方法，属于应力无损评价/调控领域。该方法基于力磁和功率超声理论，采用单轴静载拉伸方法，采集了各超声冲击覆盖率熔覆层试样在不同应力时的磁信号，并建立了磁信号斜率与应力的关系函数，进而采用数值函数拟合得到磁信号斜率的变化率与冲击覆盖率的对应关系。基于此，以磁信号斜率的变化率为“关联参数”计算待处理熔覆层试样与允许应力值熔覆层试样间的“关联参数”差值，并带入磁信号斜率的变化率与冲击覆盖率的关系函数，进而获得所需的超声冲击覆盖率。本发明采用的技术方法均为无损技术，这也就为实现熔覆层应力的无损、快速、安全和在线调控提供了技术支撑。

Description

一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法
技术领域
本发明属于应力无损调控技术领域，具体来说，涉及的是一种通过超声冲击调节应力，并通过金属磁记忆评价应力，进而实现应力无损调控的方法。
背景技术
为了推动绿色制造的发展，构建高效、低碳、循环的绿色制造体系，许多企业已经纷纷着手进行技术转型升级，不断加大环保方面的工作力度，通过新技术新工艺的研发应用，从根本上提升制造过程的环保水平，实现智能制造、绿色制造。
因具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、应用广等特点的激光熔覆技术成为近年来工业制造领域常见的表面工程手段之一，它是在通过被加工基体材料表面形成一层致密且均匀的熔覆层，而改善或提高基材的性能。然而，由于激光熔覆快速加热和冷却的特点，使熔池及附近材料产生较大的应力，即使通过优化其熔覆工艺，该残余应力亦难以控制。因而，积极探索可实现激光熔覆层应力控制的方法就极为关键。
超声冲击是通过在表层引入残余压应力而改变材料性能的一种表面强化技术，因其高效、可控、清洁、灵活等特点而被广泛应用。然而，当前对超声冲击改变材料表层应力状态的研究仍处于经验指导的定性阶段，鲜有对超声冲击后材料表层应力状态进行定量评价的研究，这无疑为超声冲击技术的推广和应用造成阻碍。因而，开展超声冲击后材料表层应力评价技术方法的研究就亟待解决。当前，应力评价方法可分为无损法与有损法两大类。有损法是在破坏试样完整性基础上实现应力评价的一类方法，如小孔法，该类方法虽可实现应力的评价，但存在不能实现现场、快速、在线应用及评价结果为小样本抽查结果等问题。无损法是在保证试样完整性基础上实现应力的评价的一类技术，如磁学法、声学法、光学法、射线法等。对比而言，声学法对待检测试样表面质量及其形状等要求较高；光学法对检测环境要求极高；射线法的危害性程度较高，且设备价格昂贵，而金属磁记忆技术作为具有检测效率高、操作方便安全、适于现场检测、设备价格便宜且便于携带等优点，因而在应力评价领域引起众多学者的关注。
目前，金属磁记忆技术仍以单一材料的应力评价为主，而对于激光熔覆层应力评价的研究较少。分析认为，激光熔覆层组织的定向凝固特点是其关键原因。因此，在金属磁记忆评价激光熔覆层应力和超声冲击定量调节激光熔覆层应力研究基础上，如能建立一套行之有效的基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法不仅为激光熔覆层质量保障提供技术支撑，更为完善质量控制体系提供借鉴和指导。
发明内容
本发明的目的是针对当前激光熔覆层应力调控存在的问题和不足，提出了一种基于金属磁记忆技术和超声冲击技术综合实现激光熔覆层应力无损、快速、可在线实现激光熔覆层应力调控的方法。
力-磁机械效应是金属磁记忆技术评价应力的理论基础，该技术通过建立金属磁记忆信号强度梯度与应力间的关联而实现应力的无损评价。但相关研究表明，材料的组织结构是影响金属磁记忆评价应力结果的重要因素，而组织结构变化是超声冲击“引入”材料的重要特征之一，因而如何保证金属磁记忆评价激光熔覆层应力结果的精度对实现激光熔覆层应力的调控就显得极为重要。为此，本发明通过改变超声冲击参数得到不同形变的激光熔覆层试样，结合力学标定实验采集不同应力状态时激光熔覆层金属磁记忆信号，提取可表征应力的特征参量，并建立该特征参量与应力间的对应关联，最终获得超声冲击参数与信号特征参量间的对应关联，为实现激光熔覆层应力的定量调控提供支撑。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，步骤如下：
步骤一，选择厚度不小于15mm的钢板作为基材，并根据基材和待熔覆金属粉末的特性，确定激光熔覆参数，进行激光熔覆，获得厚度不大于5.0mm，面积不小于200mm×50mm，且无缺陷的激光熔覆层试样；
步骤二，选择并固定超声冲击参数，将安装有冲击针的超声冲击头固定在自由度不小于3的机械手臂上对激光熔覆层进行冲击处理，并依次改变超声冲击覆盖率，以得到覆盖率不大于700％的激光熔覆层试样；
步骤三，依据室温金属材料静载拉伸国家标准制备并加工静载拉伸试样，设计预加载程序，并将未经过步骤二超声冲击的激光熔覆层试样竖直夹持于试验机上，以不大于1.0mm/min的速率加载，待达到预定载荷后，保载且时间不小于1min，再固定信号采集参数，进而依次采集不同应力时的金属磁记忆信号，并按下式(1)计算得到各应力时金属磁记忆信号斜率k；
Figure BDA0003217376350000041
式中，k为金属磁记忆信号斜率，Δy为磁信号最大值与最小值间的差值，Δx 为两个磁信号横坐标差值；
步骤四，建立k与激光熔覆层应力间的对应关系，采用线性函数，对k与应力(该应力不大于试样的屈服强度)进行拟合，进而得到k与激光熔覆层应力间的关系函数式(2)；
k＝a·σ+b (2)
其中，a和b为拟合系数，σ为应力；
步骤五，采集经过不同超声冲击覆盖率的激光熔覆层试样表面金属磁记忆信号，按步骤三中式(1)计算不同超声冲击覆盖率金属磁记忆信号斜率k；
步骤六，采用幂函数，按下式(3)，对具有固定关系的拟合系数a和超声冲击覆盖率进行拟合，得到拟合系数与超声冲击覆盖率的关系函数；
R＝m·kn (3)
其中，m和n为拟合系数，R为超声冲击覆盖率，k为金属磁记忆信号斜率；
步骤七，采用相同工艺参数制备厚度与步骤一中厚度误差不大于±5％的激光熔覆层试样，并采用与步骤三中相同的参数采集激光熔覆层的金属磁记忆信号，代入式(1)计算其金属磁记忆信号斜率k；
步骤八，确定激光熔覆层规定需求的应力值上限，代入步骤四中金属磁记忆信号斜率k与应力的关系函数，得到与其对应的金属磁记忆信号斜率k，定义为减数，进而计算其与步骤七中金属磁记忆信号斜率k的差值；
步骤九，当步骤八中金属磁记忆信号斜率k的差值大于零时，则代入步骤六中式(3)计算所需的超声冲击覆盖率，以获得所需的应力状态；当步骤八中金属磁记忆信号斜率k的差值小于零，则无需进行超声冲击处理。
进一步优选，步骤一中所述的钢板的材质为碳钢。
进一步优选，步骤一中所述的激光熔覆参数是指激光功率为1.5-3.0kw，熔覆速度为1.5-2.5mm/s，送粉速度为10-20g/s，道间搭接率为40-60％。
进一步优选，步骤二中所述的超声冲击参数是指冲击针的数量为1-7，直径为2-6mm，冲击振幅为15-35μm，冲击频率为10-30kHz。
进一步优选，步骤二中所述的超声冲击覆盖率为100％的整数倍。
进一步优选，步骤三中所述的金属材料为铁磁性材料。
进一步优选，步骤三中所述的信号采集参数包括提离高度、采集速度，检测方向，其取值分别是：提离高度为0.5-10mm、采集速度为2.0-3.0m/min，检测方向为由上夹持端沿加载方向向下夹持端匀速移动。
附图说明
图1为本发明中不同拉应力时激光熔覆层的金属磁记忆信号图；
图2为本发明中激光熔覆层金属磁记忆信号斜率k与应力的关系曲线图；
图3为本发明中金属磁记忆信号斜率k与超声冲击覆盖率的拟合关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提进行实施，给出详细的实施方法和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例
选择低碳钢为基体材料，在其表面制备铁磁性激光熔覆层，对基于金属磁记忆和超声冲击技术综合调控激光熔覆层应力的步骤进行描述，具体如下：
步骤一，选择厚度为20mm，含碳量为0.45％的碳钢为基体材料，熔覆粉末为Fe314合金粉末，激光熔覆的主要工艺参数分别为：激光功率1.8kw，熔覆速度2.0mm/s，送粉速度15g/s，道间搭接率为45％，制备面积为200mm×50mm，且厚度为1.5mm的激光熔覆层。
步骤二，选择并固定超声冲击参数，具体为：冲击针的数量为4，直径为 4mm，冲击振幅为25μm，冲击频率为20kHz，将超声冲击头固定在自由度为3 的机械手臂上对熔覆层进行冲击处理，其冲击覆盖率分别为0、100％、200％、 300％、400％、500％和600％；
步骤三，依据GB/T2002-228金属材料室温拉伸试验方法，制备整体厚度为 3mm(其中激光熔覆层厚度为1.5mm)的未经过超声冲击的激光熔覆层静载拉伸试样，测量其力学性能，并以其屈服强度为最高加载应力，将试样竖直夹持于试验机上，以不大于1.0mm/min的速率加载，加载载荷间隔为1kN，待达到预定载荷后，保载2.0min；
步骤四，以固定参数采集各应力时激光熔覆层的金属磁记忆信号，如附图1 所示。其参数如下：提离高度为1.0mm，扫描速度为2.4m/min，由上夹持端沿加载方向向下夹持端匀速移动。然后，根据式(1)计算各应力下激光熔覆层金属磁记忆信号的斜率k，如附图2所示；
步骤五，采用式(2)对步骤四中金属磁记忆信号斜率k与应力结果进行线性拟合，得到激光熔覆层金属磁记忆信号斜率k与激光熔覆层应力间的关系函数，见式(4)；
k＝0.0209·σ-0.618 (4)
其中，k为金属磁记忆信号斜率，σ为应力。
步骤六，采集不同超声冲击覆盖率后的激光熔覆层表面金属磁记忆信号，并利用式(1)计算不同超声冲击覆盖率磁信号斜率k；
步骤七，采用式(3)幂函数对冲击覆盖率为0、100％、200％、300％、400％、 500％和600％时的金属磁记忆信号斜率与覆盖率进行拟合，如附图3所示，得到结果见式(5)；
R＝0.24816·k1.57939 (5)
其中，R为超声冲击覆盖率，k为金属磁记忆信号斜率。
步骤八，采用与步骤一中相同的激光熔覆工艺参数制备厚度为约为1.52mm 的激光熔覆层试样，并采用步骤四中相同的参数沿着熔覆方向采集其金属磁记忆信号，进而代入式(1)计算其信号斜率k，得k＝2.308×103A/m2；
步骤九，假设要求激光熔覆层应力为40MPa，则代入式(4)中冲击覆盖率为0时的公式中，得到与其对应的金属磁记忆信号斜率为0.218×103A/m2，其与步骤八信号斜率k的差值为2.09×103A/m2；
步骤十，因步骤九中差值大于零，则代入步骤七中式(5)计算得到所需冲击覆盖率为0.8，即0.8×100％。这也就表明，当冲击覆盖率为100％时即满足激光熔覆层应力的要求，从而实现了激光熔覆层应力的无损、快速调控。

Claims (7)

1.一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，选择厚度不小于15mm的钢板作为基材，并根据基材和待熔覆金属粉末的特性，确定激光熔覆参数，进行激光熔覆，获得厚度不大于5.0mm，面积不小于200mm×50mm，且无缺陷的激光熔覆层试样；
步骤二，选择并固定超声冲击参数，将安装有冲击针的超声冲击头固定在自由度不小于3的机械手臂上对激光熔覆层进行冲击处理，并依次改变超声冲击覆盖率，以得到覆盖率不大于700％的激光熔覆层试样；
步骤三，依据室温金属材料静载拉伸国家标准制备并加工静载拉伸试样，设计预加载程序，并将未经过步骤二超声冲击的激光熔覆层试样竖直夹持于试验机上，以不大于1.0mm/min的速率加载，待达到预定载荷后，保载且时间不小于1min，再固定信号采集参数，进而依次采集不同应力时的金属磁记忆信号，并按下式(1)计算得到各应力时金属磁记忆信号斜率k；
Figure FDA0003217376340000011
式中，k为金属磁记忆信号斜率，Δy为磁信号最大值与最小值间的差值，Δx为两个磁信号横坐标差值；
步骤四，建立k与激光熔覆层应力间的对应关系，采用线性函数，对k与应力进行拟合，其中所述应力不大于试样的屈服强度，进而得到k与激光熔覆层应力间的关系函数式(2)；
k＝a·σ+b (2)
其中，a和b为拟合系数，σ为应力；
步骤五，采集经过不同超声冲击覆盖率的激光熔覆层试样表面金属磁记忆信号，按步骤三中式(1)计算不同超声冲击覆盖率金属磁记忆信号斜率k；
步骤六，采用幂函数，按下式(3)，对具有固定关系的拟合系数a和超声冲击覆盖率进行拟合，得到拟合系数与超声冲击覆盖率的关系函数；
R＝m·kn (3)
其中，m和n为拟合系数，R为超声冲击覆盖率，k为金属磁记忆信号斜率；
步骤七，采用相同工艺参数制备厚度与步骤一中厚度误差不大于±5％的激光熔覆层试样，并采用与步骤三中相同的参数采集激光熔覆层的金属磁记忆信号，代入式(1)计算其金属磁记忆信号斜率k；
步骤八，确定激光熔覆层规定需求的应力值上限，代入步骤四中金属磁记忆信号斜率k与应力的关系函数，得到与其对应的金属磁记忆信号斜率k，定义为减数，进而计算其与步骤七中金属磁记忆信号斜率k的差值；
步骤九，当步骤八中金属磁记忆信号斜率k的差值大于零时，则代入步骤六中式(3)计算所需的超声冲击覆盖率，以获得所需的应力状态；当步骤八中金属磁记忆信号斜率k的差值小于零，则无需进行超声冲击处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤一中所述的钢板的材质为碳钢。
3.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤一中所述的激光熔覆参数是指激光功率为1.5-3.0kw，熔覆速度为1.5-2.5mm/s，送粉速度为10-20g/s，道间搭接率为40-60％。
4.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤二中所述的超声冲击参数是指冲击针的数量为1-7，直径为2-6mm，冲击振幅为15-35μm，冲击频率为10-30kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤二中所述的超声冲击覆盖率为100％的整数倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤三中所述的金属材料为铁磁性材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于声/磁场快速调控激光熔覆层应力的方法，其特征在于，步骤三中所述的信号采集参数包括提离高度、采集速度，检测方向，其取值分别是：提离高度为0.5-10mm，采集速度为2.0-3.0m/min，检测方向为由上夹持端沿加载方向向下夹持端匀速移动。
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