CN115261870A - 基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，该方法包括：利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆；同时或当熔池内液态金属凝固成为新的熔覆层时，利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔；通过所述熔覆连续激光束和所述热处理连续激光束相互协同逐层堆叠熔覆材料，在所述金属工件的表面形成超高速熔覆层；在重熔后的预设时间内，利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化。本发明能够显著提高金属零件内、外部成形精度、质量并消除残余应力；而且可以大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率，并降低成本和减少废料的产生。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体地，涉及一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法。
背景技术
激光熔覆技术在现阶段主要用于在金属表面形成一层不同于基体材料的功能涂层，能够有效地改善和增强基体的表面特性，使零件表面硬度、耐磨性和耐蚀性等性能全面提升，具有广阔的应用前景。
煤机行业中的液压支架、海洋平台立柱等轴类构件长期服役于恶劣的工况环境，工件表面在腐蚀环境的作用下容易遭受腐蚀破坏，导致整个轴类构件的报废失效，极大地浪费了材料，增加了生产成本。工业生产中，为了节约成本以及提高零件的工作时间，通常采用表面改性的方式提高零件的服役性能。现有的表面处理方式主要包括激光熔覆、电镀以及热喷涂三种方式。其中激光熔覆技术相比于热喷涂技术，可以使熔覆材料和基体材料产生冶金结合，在涂层结合强度上具有较大优势。激光熔覆技术相较于电镀而言，该工艺无废液或其他有害物质产生，可以大幅降低对环境的污染。
超高速激光熔覆作为一项新兴的表面改性技术，其超高的熔覆线速度导致涂层制备过程中的冷却速度、涂层组织结构都明显区别于传统激光熔覆技术。超高速激光熔覆技术的熔覆线速度可以达到15～200m/min，远高于传统激光熔覆0.1～7m/min的熔覆线速度。在超高的熔覆线速度基础上，让激光在零件表面上方直接加热粉末，使得粉末在空间熔化后再落入零件表面上，涂层的热输入可以低至2.2J/mm，涂层的制备效率可以高达1.2m2/min以上。其加工效率比常规激光熔覆技术提高2～3倍，同时粉末的利用率大大提升，达到90％以上。由于粉末吸收了激光的大部分能量，基体获得的能量较少，在保证形成浅而薄熔池的同时，也使得超高速激光熔覆涂层的稀释率极小，仅为不到1％。因此，采用超高速激光熔覆技术可以制备超薄且质量很高的保护涂层。通过调节熔覆线速度、送粉速度等工艺参数，超高速激光熔覆涂层的厚度基本可以控制在25～200μm之间，并且涂层表面具有很好的光洁度(Rz<10)。在实际应用时，仅需要简单的磨削与抛光即可投入使用。目前，超高速激光熔覆被认为使电镀工艺的最佳替代技术而受到广泛关注。但是，目前超高速激光熔覆普遍存在如下问题：激光熔覆层表面粗糙度较大，有明显搭接痕，要再经过车、磨、抛光等多道工序的加工，导致材料浪费严重，有效利用率低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，该方法包括：
利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆；
同时或当熔池内液态金属凝固成为新的熔覆层时，利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔；通过所述熔覆连续激光束和所述热处理连续激光束相互协同逐层堆叠熔覆材料，在所述金属工件的表面形成超高速熔覆层；
在重熔后的预设时间内，利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化。
进一步地，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，其中：所述金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上；熔覆所用的金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的任意一种，所述金属粉末的粒度为20～50μm，球形度不小于90％。
进一步地，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，包括：采用同轴送粉方式，调节熔覆连续激光束的焦点在金属工件表面上方1-10mm，调节送粉喷嘴在金属工件表面上方1-2mm。
进一步地，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，包括：金属工件的自转线速度为30～300m/min，开启激光器和送粉器，沿金属工件轴向方向移动激光束和粉末流，熔覆连续激光束熔化金属工件基体表面与用于填充的金属粉末对工件表面进行熔覆。
进一步地，所述利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，其中：所述热处理连续激光束的参数被设置为能够确保成形与重熔速度相匹配。
进一步地，所述利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，其中：热处理连续激光束的激光功率比熔覆连续激光束的激光功率小5％～15％。
进一步地，在所述利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化之前，包括：利用超高速激光熔覆加工设备的数控机床对金属工件表面的超高速熔覆层进行粗加工。
进一步地，所述利用超高速激光熔覆加工设备的数控机床对金属工件表面的超高速熔覆层进行粗加工，包括：利用数控机床粗加工使超高速熔覆层的表面粗糙度Rz为6～7um，并预留0.01～0.05mm的豪克能加工区域。
进一步地，所述利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化，包括：将豪克能加工设备固定在数控机床上，豪克能加工设备的线速度35～60m/min，走刀速度为0.3～0.5mm/r。
进一步地，所述方法中的熔覆、重熔和豪克能加工形成闭环耦合控制，包括：
根据已形成的熔覆层材料的强化温度特性，建立多激光束复合加工温度场模型；
通过豪克能加工后的熔覆层性能参数，完善多激光束复合加工温度场模型，使已形成的熔覆层材料熔覆-重熔-冷却后处于最佳金属塑性成形温度区间；
利用豪克能加工技术对处于最佳金属塑性成形温度区间的熔覆金属表面进行冲击锻打。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
1、本发明通过双光束实现了短流程同步耦合加工，热处理光束提升了表面粗糙度，解决了搭接痕问题，提高了成形精度，消除了熔覆层的气孔以及熔合不良等内部缺陷。
2、本发明利用豪克能加工技术对熔覆层晶粒细化，降低了应力集中，在提高表面光洁度的同时，使熔覆层加工表面呈压应力，而且提高了熔覆层的疲劳性能，改善熔覆层性能；同时能够克服因为重熔导致的凝固过慢造成的枝晶粗大，成分偏析等缺陷。
3、本发明的双光束的短流程同步耦合加工、豪克能加工技术，二者相辅相成，显著提高了金属零件内、外部成形精度、质量并消除残余应力；而且，可以大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率，加工后可直接进行抛光，降低成本的同时减少了废料的产生，进一步提高了生产效率，节约能源。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法的示意图；
图2为本发明实施例中未进行复合加工的超高速熔覆试样的结构；(a)为表面形貌，(b)为微观组织；
图3为本发明实施例中进行复合加工的超高速熔覆试样的结构，(a)为表面形貌，(b)为微观组织。
图中：1为熔覆连续激光束，2为粉末流，3为熔池，4为超高速熔覆层，5为金属工件工作表面，6为热处理连续激光束，7为重熔熔池，8为豪克能加工设备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
为解决现有的激光熔覆层表面粗糙度较大，有明显搭接痕，要再经过车、磨、抛光等多道工序的加工，导致材料浪费严重，有效利用率低的问题，本发明实施例提供一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其中短流程指的是熔覆成形、激光热处理、豪克能强化几乎是同时进行的，而不是完成一道工序后再进行下一道工序，该方法包括：
S1、利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆；
S2、同时或当熔池内液态金属凝固成为新的熔覆层时，利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，形成重熔熔池；通过熔覆连续激光束和热处理连续激光束相互协同逐层堆叠熔覆材料，在金属工件的表面形成超高速熔覆层；
S3、在重熔后的预设时间内，利用豪克能加工技术对在强化温度即锻造温度范围内的超高速熔覆层即熔覆金属表面进行强化，其中预设时间经计算得到，计算根据为：在液态金属凝固后温度达到适宜豪克能强化的温度所需的时间。
本发明实施例中的方法，首先通过两束不同功能的激光束同时且相互协同逐层堆叠熔覆材料形成工件，双光束实现了短流程同步耦合加工，热处理光束提升了表面粗糙度，解决了搭接痕问题，提高了成形精度，消除了熔覆层的气孔以及熔合不良等内部缺陷；在超高速熔覆加工结束后的预设时间内利用豪克能加工装备对在强化温度范围内的熔覆金属表面冲击并进行车削，对在强化温度范围内的熔覆金属表面强化；豪克能加工装备对熔覆层晶粒细化，降低了应力集中。可提高表面光洁度的同时，使熔覆层加工表面呈压应力，而且提高了熔覆层的疲劳性能，改善熔覆层性能；同时解决了因为重熔导致的凝固过慢造成的枝晶粗大，成分偏析等缺陷。双光束与豪克能技术相辅相成，能够显著提高金属零件内、外部成形精度、质量并消除残余应力；并且可以大大减少后续加工量与加工工序，显著提高生产效率，加工后可直接进行抛光，降低成本的同时减少了废料的产生，进一步提高了生产效率，节约能源。
超高速激光熔覆加工设备包括四轴联动的数控机床，X轴最大工作行程为2000mm，移动速度0-10000mm/min，重复定位精度为0.025mm；C轴的主轴伺服转速0-300r/min，在一些具体的实施方式中，利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，其中：金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上，由于旋转体具有较大的线速度，可以快速、均匀的形成薄薄的熔覆层。金属工件通过卡盘固定于超高速激光熔覆加工设备上，优选地，卡盘为手动三爪卡盘，卡盘直径为Ф600mm。
在一些具体的实施方式中，利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，包括：熔覆所用的金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的任意一种，由于超高速熔覆技术对粉末特性要求很高，粒度不合适对熔覆质量有影响，球形度差易产生熔覆层气孔与夹杂，优选地，金属粉末的粒度为20～50μm，球形度不小于90％。采用同轴送粉方式，同轴送粉量由送粉器监测和控制，送粉速度决定熔覆效率和质量，输送距离决定焦点位置，也决定熔覆质量，通过调节熔覆线速度、送粉速度等工艺参数，同时影响光束间的间距与工艺参数，各光束间形成耦合控制，优选地，同轴送粉器的送粉速度为20～160g/min，输送距离1.5～6m；熔覆连续激光束的焦点和送粉喷嘴的位置决定离焦量，也决定熔覆层质量，二者与熔覆喷嘴结构相关，优选地，调节熔覆连续激光束的焦点在金属工件表面上方1-10mm，调节送粉喷嘴在金属工件表面上方1-2mm。金属工件的自转线速度为30～300m/min，以提供较高的表面移动速度，形成均匀超薄的熔覆层，开启激光器和送粉器，沿金属工件轴向方向移动熔覆连续激光束和粉末流，熔覆连续激光束熔化金属工件基体表面与用于填充的金属粉末对金属工件表面进行熔覆。
在一些具体的实施方式中，利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，其中：热处理连续激光束的参数被设置为能够确保成形与重熔速度相匹配。具体地，对于第二束重熔光束即热处理连续激光束，其参数如焦点位置、光斑形状与能量空间分布等参数由光斑分析仪、同轴CMOS、激光功率计，激光测距仪检测或控制，优选地，热处理连续激光束的激光功率比熔覆连续激光束的激光功率小5％～15％，体现出本发明实施例中方法的短流程特点，能够确保成形与重熔速度相匹配，通过重熔提升熔池表面质量和精度，并解决了气孔、熔合不良等问题。
在一些具体的实施方式中，在利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化之前，包括：利用超高速激光熔覆加工设备的数控机床对金属工件表面的超高速熔覆层进行粗加工，具体地，利用数控机床粗加工使超高速熔覆层的表面粗糙度Rz为6～7um，并预留0.01～0.05mm的豪克能加工区域即豪克能的强化影响区域。
豪克能加工技术参数根据数控机床性能设定，在一些具体的实施方式中，利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化，包括：将豪克能加工设备固定在超高速激光熔覆加工设备的机床上，豪克能加工设备的线速度35～60m/min，走刀速度为0.3～0.5mm/r，起到去除熔覆层内应力，强化熔覆层的作用。
对于超高速激光熔覆层，利用豪克能加工技术对熔覆层晶粒细化，提高了成形工件的强度、塑性以及晶粒尺寸的均匀性，降低了应力集中。豪克能加工在提高表面光洁度的同时，使熔覆层加工表面呈压应力，且提高了熔覆层的疲劳性能，改善熔覆层性能。将豪克能加工设备装夹在热处理连续激光束的激光头后，作为热处理后一道工序，可实现工件一次装夹即可加工到位。豪克能可实现对轴类、内孔熔覆层的加工，适用范围广。热处理可提高熔覆层平整度和精度，根据材料特性设置毫克能加工设备与重熔光束距离，从而能够实现短流程复合加工，有效节能。
在一些具体的实施方式中，该方法中的熔覆、重熔和豪克能加工形成闭环耦合控制，包括：根据已形成的熔覆层材料的强化温度特性，建立多激光束复合加工温度场模型；通过豪克能加工后的熔覆层性能参数，例如豪克能加工后的熔覆层的晶粒尺寸、残余应力分布和微观组织等，完善多激光束复合加工温度场模型，使已形成的熔覆层材料熔覆-重熔-冷却后处于最佳金属塑性成形温度区间；利用豪克能加工技术对处于最佳金属塑性成形温度区间的熔覆金属表面进行冲击锻打。
复合制造工艺参数实行在线检测和控制，豪克能加工技术对熔覆层进行强化，具有通过豪克能加工的线速度、走刀速度等参数精确可控可调，可处理不同结构特点的熔覆成形零件。
参照图1，在一个具体的实施例中，本发明的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法按照以下步骤实施：
(1)将待熔覆的金属工件打磨、抛光、酒精清洗、吹干备用；
(2)将熔覆的金属粉末进行筛粉、烘干处理后装入送粉器；
(3)将金属工件安装在超高速激光熔覆加工设备上，并利用卡盘和顶针夹紧；
(4)开启超高速激光熔覆加工设备，利用熔覆连续激光束1对金属工件的表面即金属工件工作表面5进行熔覆，通过数控机床控制金属工件的移动完成熔覆加工过程；
其中，加工过程中采用送气喷嘴输送氩气对熔池3保护；采用同轴送粉方式，调节熔覆连续激光束1的激光焦点在金属工件表面上方1-10mm，调节送粉喷嘴在金属工件表面上方1-2mm；金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上，设置金属工件自转线速度为30～300m/min，开启激光器和送粉器，沿金属工件轴向方向移动熔覆连续激光束1和粉末流2，熔覆连续激光束1熔化金属工件基体表面与用于填充的金属粉末，对金属工件工作表面5进行熔覆；
(5)调节热处理连续激光束6的焦点在金属工件表面上方1～10mm，设置热处理连续激光束6的激光功率比熔覆连续激光光束1小5％～15％；同时或当熔池内液态金属凝固成为新的熔覆层时，利用热处理连续激光束6对熔覆层表面进行重熔，形成重熔熔池7；通过熔覆连续激光束和热处理连续激光束相互协同逐层堆叠熔覆材料，在金属工件工作表面5形成超高速熔覆层4；
(6)通过机床粗加工超高速熔覆层4，使所加工的超高速熔覆层4的表面粗糙度Rz为6～7um，并预留0.01～0.05mm的豪克能加工区域；
(7)将豪克能加工设备8固定在机床上，豪克能加工设备的线速度35～60m/min，走刀速度为0.3～0.5mm/r，对超高速熔覆层4进行豪克能加工，以对在强化温度范围内的熔覆金属表面进行强化。
图2-3示出了未进行复合加工以及采用本发明实施例的方法进行复合加工的超高速熔覆试样的结构对比，可以看出，经过复合加工后，表面粗糙度明显降低，表面光洁度更高，晶粒尺寸更加均匀。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (10)
1.一种基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，包括：
利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆；
同时或当熔池内液态金属凝固成为新的熔覆层时，利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔；通过所述熔覆连续激光束和所述热处理连续激光束相互协同逐层堆叠熔覆材料，在所述金属工件的表面形成超高速熔覆层；
在重熔后的预设时间内，利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化。
2.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，其中：
所述金属工件为旋转体，且所有截面的圆心在同一直线上；
熔覆所用的金属粉末为铁基粉末、镍基粉末和钴基粉末中的任意一种，所述金属粉末的粒度为20～50μm，球形度不小于90％。
3.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，包括：采用同轴送粉方式，调节熔覆连续激光束的焦点在金属工件表面上方1-10mm，调节送粉喷嘴在金属工件表面上方1-2mm。
4.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用熔覆连续激光束对金属工件的表面进行熔覆，包括：金属工件的自转线速度为30～300m/min，开启激光器和送粉器，沿金属工件轴向方向移动激光束和粉末流，熔覆连续激光束熔化金属工件基体表面与用于填充的金属粉末对工件表面进行熔覆。
5.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，其中：所述热处理连续激光束的参数被设置为能够确保成形与重熔速度相匹配。
6.根据权利要求5所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用热处理连续激光束对熔覆层表面进行重熔，其中：热处理连续激光束的激光功率比熔覆连续激光束的激光功率小5％～15％。
7.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，在所述利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化之前，包括：利用超高速激光熔覆加工设备的数控机床对金属工件表面的超高速熔覆层进行粗加工。
8.根据权利要求7所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用超高速激光熔覆加工设备的数控机床对金属工件表面的超高速熔覆层进行粗加工，包括：利用数控机床粗加工使超高速熔覆层的表面粗糙度Rz为6～7um，并预留0.01～0.05mm的豪克能加工区域。
9.根据权利要求7所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述利用豪克能加工技术对在强化温度范围内的超高速熔覆层进行强化，包括：将豪克能加工设备固定在数控机床上，豪克能加工设备的线速度35～60m/min，走刀速度为0.3～0.5mm/r。
10.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的短流程复合超高速激光熔覆加工方法，其特征在于，所述方法中的熔覆、重熔和豪克能加工形成闭环耦合控制，包括：
根据已形成的熔覆层材料的强化温度特性，建立多激光束复合加工温度场模型；
通过豪克能加工后的熔覆层性能参数，完善多激光束复合加工温度场模型，使已形成的熔覆层材料熔覆-重熔-冷却后处于最佳金属塑性成形温度区间；
利用豪克能加工技术对处于最佳金属塑性成形温度区间的熔覆金属表面进行冲击锻打。
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