CN113943908B - 一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置及其使用方法，属于金属材料表面强化领域，该装置包括激光熔覆系统及超声滚压系统，激光熔覆系统包括机器人手臂和激光熔覆头，超声滚压系统包括超生压滚系统支架、超声振动装置和压滚等。在激光熔覆层形成的同时进行超声滚压，压滚作用在熔池边缘。施加在压滚上的超声振动能够使熔覆层晶粒细化，优化熔池内金属的流动性，使得组织分布均匀，气泡易于逸出，降低微观缺陷。压滚在作用区域的滚压不但可以对半凝固或刚刚凝固的熔覆层实现表面晶粒细化，把残余拉应力转变为残余压应力，提高熔覆层的综合性能，还能使得熔覆层表面光滑整洁，能够满足绝大多数零件的表面质量和尺寸需求。

Description

一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于金属材料表面强化领域，尤其涉及一种高频振动滚压强化激光熔覆层的方法。

背景技术

激光熔覆技术是应用高能激光束将特定性能成分的粉末与基体的表层迅速升温至熔化，光斑区域形成熔池，光斑移走后熔池迅速冷却，形成与基体呈现冶金结合且具有一定性能的表面涂层，从而改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。该技术已在材料表面改性、再制造工程及增材制造等诸多领域得到广泛应用。

由于高能激光束在工件表面形成光斑的能量分布不均，基体材料与熔覆材料的热物性相差较大，光斑移走后熔池通过自激冷以较快的速度凝固，形成较大的温度梯度，导致熔池不同部位材料的形核、长大、生长方向不一致，因此不同部位材料的收缩不一致，完全凝固后形成了含有残余拉应力的熔覆层。在工作状态下，熔覆层的残余拉应力与微观缺陷相结合，在应力集中处易形成微裂纹，随着微裂纹的生长和扩大，导致材料的开裂、变形、可靠性降低、减少服役寿命。因此，改善熔覆层中的残余拉应力，减少熔覆层的微观缺陷(裂纹、气孔)，优化熔覆层的微观组织，提高熔覆层的综合性能具有重要的研究意义。

针对激光熔覆层残余应力及熔覆层裂纹问题，已有相关学者提出了降低熔覆层残余应力和细化表层组织的方法。主要的方法有：改变熔覆粉末的成分、基体预热降低温度梯度、优化激光加工参数等。虽然这些方法对优化激光熔覆层的残余应力，降低熔覆层裂纹起到了一定的作用，但是还存在一定的局限性。例如：改变熔覆粉末成分，相应的也改变了熔覆层的预期性能，基体预热不能应用在较大的工件，激光加工参数改变受到应用设备及工艺的限制。

近些年，有一些学者把振动引入到激光熔覆加工过程中，这种方法能够使熔池在凝固过程中受到高频振动的影响，从而实现晶粒细化、减少熔覆层的缺陷、降低残余拉应力，提高熔覆层综合性能。专利CN1737197A激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法公开了在激光熔覆成形金属零件的过程中引入超声振动对熔覆层裂纹进行控制。专利号为201120422930.8的专利提出了一种能够产生高频振动装置，在该装置上安装载物台及夹具，被加工工件安装在载物台上，激光熔覆时能够使工件受到高频振动的影响。专利CN112522698A一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置及方法公开了，该装置在激光熔覆过程中引入了高频振动。专利CN112725789A一种减少激光熔覆覆层微气孔的装置及其应用，该装置同样也引入了高频振动。以上方法在激光熔覆时引入高频振动的原理相似，都是振动载物台来带动工件振动。驱动载物台的振动能量较高，但只有很少的能量影响到熔池的凝固，而且这些方法在轴类零件加工方面有一定的局限性。

为了减少和优化激光熔覆层的残余应力，学者们把高频滚压应用到了激光熔覆层的后处理工艺中。专利CN107400887A一种超声滚压强化激光熔覆层的方法，首先制备熔覆层；然后机加光整处理；对光洁的熔覆层进行超声滚压表面强化。处理后的熔覆层表面晶粒更加细化，并产生分布更加均匀的残余压应力及更低的表面粗糙度，提高熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化与抗疲劳性能，从而减少了工艺复杂性与成本。专利CN109338358A一种超声滚压强化轴类零件表面激光熔覆层的修复工艺，首先对轴类零件进行激光熔覆，然后对熔覆表面进行车削加工，最后进行超声滚压强化。超声滚压后表层晶粒细小，且形成较大的残余压应力从而提高其耐疲劳性能。高频滚压能够使激光熔覆层表面晶粒细化，残余拉应力转变为残余压应力，能够提高熔覆层的耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性能等。然而，这种方法在高频滚压之前得进行一次机械加工，由于熔覆层硬度普遍偏高，机械加工相对困难。整套工艺包括激光熔覆、机械加工、高频滚压，经济成本较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种使激光熔覆、超声振动和滚压同时作用的制造装置及应用，从而优化激光熔覆层的内应力及减少熔覆层的裂纹气孔。

为实现上述目的，本发明的一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置的具体技术方案如下：

一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，包括机器人手臂，机器人手臂与激光熔覆头机械连接，激光熔覆头上设置超声滚压系统，超声滚压系统包括与激光熔覆头固定连接的超声滚压系统支架，超声滚压系统支架上滑动设置载荷加载横向滑块和横向位置调整块；

紧固螺钉分别穿过载荷加载横向滑块和横向位置调整块与超声滚压系统支架相接触；载荷加载横向滑块上设置加压组件，横向位置调整块上滑动设置升降组件，且加压组件和升降组件的底端均与超声振动装置转动连接，载荷加载横向滑块可沿超声滚压系统支架移动，它们相对位置确定后，可用两侧紧固螺钉锁定，即不再产生相对运动；

工作时，调整加压组件和升降组件到合适位置，之后对其进行固定，使压滚与激光熔覆头产生的光斑的位置保持固定距离，即压滚与激光熔覆头在加工状态时的相对位置固定，它们能够在机器人手臂带动下进行同步移动；

在激光熔覆层形成的同时进行超声滚压，压滚作用在熔池边缘。施加在压滚上的超声振动能够就近传递到熔池，产生空化作用，使得熔池在凝固时形成的枝晶被打碎，晶粒细化，优化熔池内金属的流动性，使得组织分布均匀，气泡易于逸出，降低微观缺陷。压滚在作用区域的滚压不但可以对半凝固或刚刚凝固的熔覆层实现表面晶粒细化，把残余拉应力转变为残余压应力，而且能够使得熔覆层产生微小的塑性变形，相当于微型锻造，不但可以大大提高熔覆层的综合性能，还能使得熔覆层表面光滑整洁，形成较低的表面粗糙度，能够满足绝大多数零件的表面质量和尺寸需求，从而避免的后续的加工处理，节约加工时间，提高了经济效益。

进一步，加压组件包括设置在载荷加载横向滑块上的载荷加载壳，载荷加载壳内部螺纹连接载荷加载螺杆，中部设置压力传感器，下端设置导杆，且载荷加载螺杆与压力传感器连接，压力传感器与导杆连接，导杆与超声振动装置转动连接。

进一步，紧固螺钉穿过载荷加载横向滑块后与载荷加载螺杆相接触，旋转载荷加载螺杆至合适压力后，可用紧固螺钉锁定，即不再产生相对运动。

进一步，载荷由加载螺杆施加，可提供0-500N的压力；载荷传递到压力传感器，压力传感器可显示载荷数值，即可以精确控制施加的载荷数值，载荷由压力传感器再传递到导杆，由导杆再传递到超声振动装置，由超声振动装置传递到压滚，由压滚传递到激光熔覆层。

进一步，升降组件包括与横向位置调整块滑动连接的纵向位置调整柱，紧固螺钉穿过横向位置调整块后与纵向位置调整柱接触，纵向位置调整柱下部转动连接超声振动装置，横向位置调整块可沿超声滚压系统支架移动，它们相对位置确定后，可用两侧紧固螺钉锁定，即不再产生相对运动；纵向位置调整柱可上下移动，与横向位置调整块相对位置确定后，可用两侧紧固螺钉锁定，即不再产生相对运动。

进一步，超声振动装置内置超声波换能器，提供频率为20KHz、25KHz、28KHz和40KHz的超声振动。

进一步，超声滚压系统支架与机器人手臂和激光熔覆头连接处设置阻尼垫片。

一种使用高频振动滚压强化激光熔覆层的装置的方法，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、安装和调试超声滚压系统：

固定待加工的工件，平板类工件用压板类夹具，轴类工件用卡盘和托架固定，确定激光熔覆头的喷嘴与熔覆基体平面的距离H，即调整离焦量，并调整机器人手臂，使激光熔覆方向与超声滚压系统工作方向D一致，如图3所示，依据光斑的大小及实验数据，确定压滚与熔覆层接触处为激光熔池的边缘，即确定参数S3数值。沿超声滚压系统支架水平移动载荷加载横向滑块和横向位置调整块的位置，依据确定的参数S3数值和熔覆工件的表面形状(平面、圆柱)，调节S1、S2参数，即调节压滚相对激光熔池的位置，使得压滚能够放置在熔池边缘；在激光熔覆开始之前依据设定的试验参数数值(N、f)，调整好载荷加载装置和超声振动装置；

步骤二、准备和启动系统：

首先在机器人手臂静止不动的情况下，观察压滚的位置、施加载荷的数值、超声振动的输出是否准确平稳，如有问题及时调整。然后，依据加工轨迹，应用机器人手臂的移动带动激光熔覆头和超声滚压系统移动，观察压滚是否滚动、载荷数值、超声振动是否平稳，如有问题及时调整。

上述装置在静态和动态情况下工作稳定后，选定基体材料及熔覆材料，首先开启超声滚压系统，然后开启激光熔覆系统，即开启激光辐射和机器人手臂移动，进行激光熔覆和超声滚压共同制备熔覆层。依据一定的搭接率制备用于实验的小面积熔覆层，制备后首先关闭激光熔覆系统，然后关闭超声滚压系统。

步骤三、优化加工参数

熔覆层制备后，观察、测定、分析熔覆层的状态(熔覆层的外观形貌、表面粗超度、残余应力状态、微观缺陷、显微硬度、金相组织、晶粒大小及类型)，多次实验后，对比分析各个参数(载荷加载大小、超声振动频率、压滚与熔池边缘距离)对熔覆层的作用，找到最优参数。应用优化参数进行大面积熔覆层制备。

本发明的一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置具有以下优点：

(1)本发明可以调整压头与熔池的相对位置，依据不同加工环境可以调整压头与熔池中心的距离，还可以使得压头低于或高于熔池的水平平面，这样不但可以适应平面类零件的加工，还可以适应圆柱类零件加工，例如轴类表面熔覆。

(2)本发明可以依据不同的加工环境(不同比例的熔覆粉末、不同材质的加工零件、不同的激光功率、不同的加工参数等)，使用不同的超声振动频率(20KHz、25KHz、28KHz、40KHz)。

(3)本发明使得超声振动可直接传递到压滚，压滚与工件相连，超声振动传递路径简短，能够减少能量的损失，使低功率的超声振动更加有效的传递到熔池。

(4)本发明使得超声振动传递到熔池，能够使熔池流动性增强，使得溶质更加均匀，有效减少偏析现象及缺陷的产生。能够产生空化作用，击碎树枝晶的生长，使得晶粒更加细化，提高熔覆层的综合性能。

(5)本发明能够在熔覆过程中，使用压滚滚压熔池边缘，熔池边缘属于半凝固区域，压滚的高频滚压相当于微型锻造，能够改变熔覆层的残余应力性质，由残余拉应力转变为残余压应力，从而避免熔覆层裂纹的产生，增强熔覆层的耐磨、耐疲劳、耐腐蚀等性能。

(6)本发明使用高频压滚滚压熔池边缘，使得滚压后的熔覆层表面光洁平整，能够满足一般工件表面形貌的要求，节省二次表面加工的工序，能够提高经济效益。

附图说明

图1为本发明各实施例使用的超声滚压强化激光熔覆层的装置示意图—整体装置简图。

图2为本发明各实施例使用的超声滚压强化激光熔覆层的装置示意图—组成构件轴测简图。

图3为本发明各实施例使用的超声滚压强化激光熔覆层的装置示意图—组成构件主视简图。

图4为本发明各实施例使用的超声滚压强化激光熔覆层的装置示意图—组成构件局部简图。

图5为本发明各实施例使用的超声滚压强化激光熔覆层的装置示意图—工作参数简图。

图6为实施例一下制得的熔覆层金相图。

图7为对比例1下制得的熔覆层金相图。

图8为实施例1下制得的熔覆试样实物图。

图中标记说明：I、机器人手臂；II、超声滚压系统；

1、激光熔覆头；2、超声滚压系统支架；3、载荷加载横向滑块；4、载荷加载壳；5、载荷加载螺杆；6、压力传感器；7、导杆；8、紧固螺钉；9、横向位置调整块；10、纵向位置调整柱；11、超声振动装置；12、压滚；13、单道激光熔覆层；14、平面类熔覆基体。

H：激光熔覆头喷嘴距离熔覆基体距离，单位：mm；

N：载荷加载装置的压力数值，单位：N；

S1：载荷加载横向滑块距离激光熔覆头中心的距离，单位：mm；

S2：横向位置调整块与载荷加载横向滑块的距离，单位：mm；

S3：压滚轴心距离激光熔覆头中心的距离，单位：mm；

f：超声波换能器频率，单位：KHz；

D：激光熔覆方向、超声滚压工作方向。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置做进一步详细的描述。

实施例1

应用金相砂纸打磨并清洗熔覆试样基体，试样基体选用规格为6mm×15mm×30mm的H13钢，使用的熔覆材料为Ni60+30％Wc粉末。在熔覆设备上安装好试样，采用激光熔覆加工的参数如下：激光功率为3000W×70％；扫描速度为0.06mm/s；送粉器转速0.8rpm；保护气体应用氩气，送气速度为12L/min；离焦量为12mm；振动频率为20kHz；压滚加载力为10N；压滚与试样的切点位置距光斑中心(即参数S3)3.5mm。实验结果如附图8为本实施例制得的熔覆试样实物图；附图6为本实施例制得的覆层的金相图，从图中可以看到，Ni60+30％Wc覆层中成分分布均匀，晶粒均匀致密；无裂缝，无气孔缩孔，平均硬度可以达到800HV，最大硬度差距≤5HV。

对比例1

打磨并清洗熔覆试样基体，试样基体选用同样规格H13钢，使用的熔覆材料为Ni60+30％Wc粉末。在熔覆设备上安装好试样，采用激光熔覆加工的参数如下：激光功率为3000W×70％；扫描速度为0.06mm/s；送粉器转速0.8rpm；保护气体应用氩气，送气速度为12L/min；离焦量为12mm。本对比例制得的熔覆试样的熔覆层金相如图7所示，从图中可以看到，覆层中成分分布明显不均匀，晶粒粗大；裂缝较多，气孔缩孔多，平均硬度在400-700HV之间波动，硬度偏差较大。

通过对比例1和实施例1的实验数据对比可知：

本发明提供了一种激光熔覆加工装置，在形成的熔池边缘放置压滚，压滚跟随光斑移动。在压滚的力加载装置上增加超声振动元件，使得压滚在滚压熔池边缘时不但受到压力载荷的作用，同时受到超声振动的影响，而且能够把超声振动传递到熔池，进而优化熔覆层的微观组织。即，在激光熔覆层形成的同时进行超声滚压，压滚作用在熔池边缘。施加在压滚上的超声振动能够使熔覆层晶粒细化，优化熔池内金属的流动性，使得组织分布均匀，气泡易于逸出，降低微观缺陷。压滚在作用区域的滚压不但可以对半凝固或刚刚凝固的熔覆层实现表面晶粒细化，把残余拉应力转变为残余压应力，提高熔覆层的综合性能，还能使得熔覆层表面光滑整洁，能够满足绝大多数零件的表面质量和尺寸需求。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，包括机器人手臂(I)，机器人手臂(I)与激光熔覆头(1)机械连接，激光熔覆头(1)上设置超声滚压系统(II)，其特征在于，超声滚压系统(II)包括与激光熔覆头(1)固定连接的超声滚压系统支架(2)，超声滚压系统支架(2)上滑动设置载荷加载横向滑块(3)和横向位置调整块(9)；

紧固螺钉(8)分别穿过载荷加载横向滑块(3)和横向位置调整块(9)与超声滚压系统支架(2)相接触；载荷加载横向滑块(3)上设置加压组件，横向位置调整块(9)上滑动设置升降组件，且加压组件和升降组件的底端均与超声振动装置(11)转动连接；

超声振动装置(11)的底端转动设置压滚(12)，且压滚(12)与激光熔覆头(1)产生的光斑位置固定，即压滚(12)与激光熔覆头(1)在加工状态时的相对位置固定，它们能够在机器人手臂(I)带动下进行同步移动。

2.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，加压组件包括设置在载荷加载横向滑块(3)上的载荷加载壳(4)，载荷加载壳(4)内部螺纹连接载荷加载螺杆(5)，中部设置压力传感器(6)，下端设置导杆(7)，且载荷加载螺杆(5)与压力传感器(6)连接，压力传感器(6)与导杆(7)连接，导杆(7)与超声振动装置(11)转动连接。

3.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，紧固螺钉(8)穿过载荷加载横向滑块(3)后与载荷加载螺杆(5)相接触。

4.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，载荷由加载螺杆施加，可提供0-500N的压力。

5.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，超声滚压系统支架(2)与激光熔覆头(1)连接处设置阻尼垫片。

6.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，升降组件包括与横向位置调整块(9)滑动连接的纵向位置调整柱(10)，紧固螺钉(8)穿过横向位置调整块(9)后与纵向位置调整柱(10)接触，纵向位置调整柱(10)下部转动连接超声振动装置(11)。

7.根据权利要求1所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置，其特征在于，超声振动装置(11)内置超声波换能器，提供频率为20KHz、25KHz、28KHz和40KHz的超声振动。

8.一种使用如权利要求1-7中任意一项所述的高频振动滚压强化激光熔覆层的装置的方法，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、安装和调试超声滚压系统(II)：

固定待加工的工件，平板类工件用压板类夹具，轴类工件用卡盘和托架固定，确定激光熔覆头(1)的喷嘴与熔覆基体平面的距离H，即调整离焦量，并调整机器人手臂(I)，使激光熔覆方向与超声滚压系统(II)工作方向D一致，依据光斑的大小及实验数据，确定压滚(12)与熔覆层接触处为激光熔池的边缘，即确定参数S3数值；沿超声滚压系统支架(2)水平移动载荷加载横向滑块(3)和横向位置调整块(9)的位置，依据确定的参数S3数值和熔覆工件的表面形状，调节S1、S2参数，即调节压滚(12)相对激光熔池的位置，使得压滚(12)能够放置在熔池边缘；在激光熔覆开始之前依据设定的试验参数数值，调整好载荷加载装置和超声振动装置(11)；

步骤二、准备和启动系统：

首先在机器人手臂(I)静止不动的情况下，观察压滚(12)的位置、施加载荷的数值、超声振动的输出是否准确平稳，如有问题及时调整；然后，依据加工轨迹，应用机器人手臂(I)的移动带动激光熔覆头(1)和超声滚压系统(II)移动，观察压滚(12)是否滚动、载荷数值、超声振动是否平稳，如有问题及时调整；

上述装置在静态和动态情况下工作稳定后，选定基体材料及熔覆材料，首先开启超声滚压系统(II)，然后开启激光熔覆系统，即开启激光辐射和机器人手臂(I)移动，进行激光熔覆和超声滚压共同制备熔覆层；依据一定的搭接率制备用于实验的小面积熔覆层，制备后首先关闭激光熔覆系统，然后关闭超声滚压系统(II)；

步骤三、优化加工参数

熔覆层制备后，观察、测定、分析熔覆层的状态，多次实验后，对比分析各个参数对熔覆层的作用，找到最优参数；应用优化参数进行大面积熔覆层制备。

Images