CN117697120A - 一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，包括如下步骤：1、对待愈合工件的裂纹表面进行打磨和清洗；2、调整激光位置并设置激光仿形路径；3、磁极两侧预应力夹持待愈合工件，待愈合工件两端放置电极；4、电极之间通入脉冲电流同时外加磁场，提供洛伦兹力；5、开启激光器，完成裂纹直接愈合。本发明的特点是：采用电磁复合场辅助激光深熔技术在激光直接作用的同时耦合脉冲电流与稳态磁场，利用脉冲电流的尖端裂纹愈合热效应、电磁复合场辅助激光深熔在熔池中产生的洛伦兹力、重力和磁极预紧力实现裂纹高效及高质量愈合。
Description
技术领域
本发明涉及激光再造相关技术领域，具体涉及一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法。
背景技术
核心零部件在使用和制造过程中产生裂纹难以避免。这将严重恶化结构的机械性能并降低其使用寿命，甚至严重时会导致部件断裂，从而造成严重的安全事故。因此，裂纹的填补已经成为再制造工程中不可缺少的部分。
目前针对裂纹的填补一般分为两大类，一类是增材修复方法，先将裂纹区域开槽去除，随后进行增材修复，最后将多余的表面去除从而实现裂纹修复；另一类是等材愈合方法。但目前在这两类方法中还存在以下难题：在裂纹增材修复中，零件裂纹修复前需要对破损部位进行机加工预处理，使得被切除区域往往远大于实际失效区域，造成修复效率降低，结合界面范围扩大，影响被修复部件的整体性能。在裂纹等材愈合中，电化学与碳氮共渗等方法只能愈合表面裂纹；脉冲电流技术对试样结构要求高，复杂构件裂纹难以愈合；涡流愈合技术设备昂贵且对裂纹深度有一定要求；热压愈合技术和高温愈合技术无法实现选区精准愈合，且工艺复杂。激光再制造技术作为一种先进的热加工制造技术，凭借其热源具有可精准选区，能量密度高，修复后热影响区小等优点等到重视。然而激光熔化技术在深熔模式中存在裂纹与气孔等缺陷且效率有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足问题，提供一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，实现裂纹高效高质量愈合。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，包括如下步骤：
步骤(1)：对待愈合工件表面用进行打磨、清洗，之后将待愈合工件预固定在工作台上并保证待愈合表面向上；
步骤(2)：将激光器移动至待愈合工件上方，激光器发射的激光束根据待愈合工件的裂纹的形状进行仿形激光扫描，激光束移动过程中光斑聚焦于待愈合工件表面；
步骤(3)：将磁铁的两个磁极分别布置在所述待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，为工件提供预应力，定义待愈合工件受预紧力的垂直方向为X轴方向，两磁极之间的连线与X轴相正交并与待愈合工件上表面平行，两个磁极构成的磁场区域布满整个激光束的扫描区域；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧的两端，且两个电极之间的连线与所述X轴方向相平行，以使电流方向与所述X轴方向相平行，使得磁场方向与电流方向相正交；
步骤(4)：在步骤(3)的两个电极之间通入脉冲电流，两个电极在待愈合工件形成电场，两个磁极在待愈合工件形成稳态磁场，通过改变通入脉冲电流方向或磁场方向进行调节电流与磁场产生的洛伦兹力的方向与重力方向相同；洛伦兹力大小通过改变电流大小与磁场强度进行调节；
步骤(5)：开启激光器，激光束在待愈合工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待填充的金属材料在激光辐照下形成熔融态，熔融态的金属在同时受到洛伦兹力、重力和磁极预紧力的作用下被迫向底部填充，激光扫码路径结束后，停止激光器、电场和磁场的作用，完成待愈合工件的裂纹愈合。
进一步的，对待愈合工件表面用砂纸进行机械打磨，使用丙酮进行超声波清洗并去除油污。
进一步的，激光器的激光扫描仿形区域覆盖裂纹延伸区域，激光扫描采用直线填充方式并与裂纹延伸方向垂直。
进一步的，激光束在待愈合工件的裂纹待愈合区域沿X轴方向进行矩形填充扫描。
进一步的，所述脉冲电流的大小为100A/mm2。
进一步的，所述磁场的磁场强度为0.4T-1.2T。
进一步的，所述激光器的激光功率为1100W-1500W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为20mm/s。
进一步的，所述待填充的金属材料为非铁磁性金属材料。
进一步的，所述待填充的金属材料为316L不锈钢。
本发明的特点是：采用电磁复合场辅助激光深熔技术在激光直接作用的同时耦合脉冲电流与稳态磁场，利用脉冲电流的尖端裂纹愈合热效应、电磁复合场辅助激光深熔在熔池中产生的洛伦兹力、重力和磁极预紧力实现裂纹高效及高质量愈合。脉冲电流的尖端裂纹愈合热效应可以提高裂纹愈合效率；洛伦兹力对熔池内部的流体压力进行调控，改变气泡或者氧化物夹杂的受力，获得加速排逸效果，解决孔隙及氧化物夹杂问题，有利于提高裂纹愈合质量。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是实施例1条件下的裂纹直接愈合横截面形貌；
图3是实施例2条件下的裂纹直接愈合横截面形貌；
图4是实施例3条件下的的裂纹直接愈合横截面形貌；
图5是实施例4条件下的的裂纹直接愈合横截面形貌；
图6是实施例5条件下的裂纹直接愈合横截面形貌；
图7是实施例6条件下的裂纹直接愈合横截面形貌。
具体实施方式
如图1所示，本发明为一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，包括如下步骤：
步骤(1)：对待愈合工件表面用砂纸进行机械打磨，使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，之后将待愈合工件预固定在工作台上并保证待愈合表面向上；
步骤(2)：将激光器移动至待愈合工件上方，激光器发射的激光束根据待愈合工件的裂纹的形状进行仿形激光扫描，激光束移动过程中光斑聚焦于待愈合工件表面，激光扫描仿形区域覆盖裂纹延伸区域，激光扫描采用直线填充方式并与裂纹延伸方向垂直；
步骤(3)：将磁铁的两个磁极分别布置在所述待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，为工件提供预应力，定义待愈合工件受预紧力的垂直方向为X轴方向，两磁极之间的连线与X轴相正交并与待愈合工件上表面平行，两个磁极构成的磁场区域布满整个激光束的扫描区域；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧的两端，且两个电极之间的连线与所述X轴方向相平行，以使电流方向与所述X轴方向相平行，使得磁场方向与电流方向相正交；
步骤(4)：在步骤(3)的两个电极之间通入脉冲直流电流，两个电极在待愈合工件形成电场，两个磁极在待愈合工件形成稳态磁场，通过改变通入脉冲直流电流方向或磁场方向进行调节电流与磁场产生的洛伦兹力的方向与重力方向相同；洛伦兹力大小通过改变电流大小与磁场强度进行调节；优选的，所述脉冲电流的大小为100A/mm2，所述磁场的磁场强度为0.4T-1.2T
步骤(5)：开启激光器，优选的，所述激光器的激光功率为1100W-1500W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为20mm/s，激光束在待愈合工件的裂纹待愈合区域沿X轴方向进行矩形填充扫描；待填充的金属材料为非铁磁性金属材料，优选为316L不锈钢，待填充的金属材料在激光辐照下形成熔融态，熔融态的金属在同时受到所述洛伦兹力、重力和磁极预紧力的作用下被迫向底部填充，激光扫码路径结束后，停止激光器、电场和磁场的作用，完成待愈合工件的裂纹愈合。
本发明采用电磁复合场辅助激光深熔技术在激光直接作用的同时耦合脉冲电流与稳态磁场，利用脉冲电流的尖端裂纹愈合热效应、电磁复合场辅助激光深熔在熔池中产生的洛伦兹力、重力和磁极预紧力实现裂纹高效及高质量愈合。脉冲电流的尖端裂纹愈合热效应可以提高裂纹愈合效率；洛伦兹力对熔池内部的流体压力进行调控，改变气泡或者氧化物夹杂的受力，获得加速排逸效果，解决孔隙及氧化物夹杂问题，有利于提高裂纹愈合质量。
本发明具有以下优点：1、采用的激光深熔裂纹直接愈合方法效率高，愈合后缺陷少，硬件成本低；2、利用外部能量场获得的脉冲电流的尖端热效应、电磁体积力、磁极预紧力增加流体压力可促进流体填充，提高愈合效率，无需反复调整激光工艺参数，简化工艺开发流程；3、可通过调节电流与磁场大小来改变洛伦兹力的大小，以适应不同深宽比的裂纹愈合。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明所述的实施例中定义所述的待愈合工件受磁极预紧力的垂直方向为X轴方向。
实施例1
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端不通入脉冲电流，即电流大小为0A,调节稳态磁场强度至0T；
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态；激光功率P为1100W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s；
在上述条件下，待愈合工件的裂纹深熔愈合效果如图2所示，熔融金属在达到裂纹底部前已完全凝固，未能达到良好裂纹愈合效果。
实施例2
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在所述待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端通入直流电流，电流大小为100A/mm2，调节稳态磁场强度至0.4T；
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态；激光功率P为1100W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s；
在激光工艺条件不变的情况下，添加电场与磁场，形成电磁体积力，裂纹深熔愈合效果如图3所示，裂纹愈合深度比实施例1有所增加，裂纹愈合区致密且无孔隙存在。
实施例3
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端通入直流电流，电流大小为100A/mm2，调节稳态磁场强度至0.8T。
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态；激光功率P为1100W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s；
在激光工艺条件不变的条件下，增大磁场强度，提高定向洛伦兹力值，裂纹深熔愈合结果如图4所示，裂纹愈合深度比实施例1有所增加，然而未能达到良好裂纹愈合效果。
实施例4
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端通入直流电流，电流大小为100A/mm2，调节稳态磁场强度至1.2T；
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态；激光功率P为1100W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s；
在激光工艺条件不变的条件下，增大磁场强度，提高定向洛伦兹力值，裂纹深熔愈合结果如图5所示，裂纹愈合深度比实施例1有所增加，然而未能达到良好裂纹愈合效果。
实施例5
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端通入脉冲电流，电流大小为100A/mm2，调节稳态磁场强度至1.2T；
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态；激光功率P为1300W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s。
在较高激光功率条件下，添加脉冲电场与磁场，形成电磁体积力，裂纹深熔愈合结果如图6所示，裂纹愈合深度比实施例4有所增加，但存在孔隙缺陷。
实施例6
待愈合工件：激光深熔裂纹直接愈合对象为316L不锈钢，采用线切割预制原裂纹深度为3mm；
愈合步骤如下：
(1)对待愈合工件表面用砂纸进行打磨并使用丙酮进行超声波清洗并去除油污，然后将待愈合工件固定在工作台上，并保证待愈合表面向上；
(2)将磁铁的两个磁极分别布置在待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，且两磁极之间的连线与X轴相相正交并与待愈合工件上表面平行；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧两端；
(3)电极两端通入直流电流，电流大小为100A/mm2，调节稳态磁场强度至1.2T；
(4)开启激光器，激光束在工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待愈合的金属材料在激光辐照下形成熔融态，激光功率P为1500W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为v为20mm/s；
在较高激光功率条件下，添加电场与磁场，形成电磁体积力，裂纹深熔愈合结果如图7所示，裂纹愈合深度比实施例1、3、4有所增加，然而未能达到良好裂纹愈合效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：对待愈合工件表面用进行打磨、清洗，之后将待愈合工件预固定在工作台上并保证待愈合表面向上；
步骤(2)：将激光器移动至待愈合工件上方，激光器发射的激光束根据待愈合工件的裂纹的形状进行仿形激光扫描，激光束移动过程中光斑聚焦于待愈合工件表面；
步骤(3)：将磁铁的两个磁极分别布置在所述待愈合工件的两侧并对待愈合工件进行夹紧，为工件提供预应力，定义待愈合工件受预紧力的垂直方向为X轴方向，两磁极之间的连线与X轴相正交并与待愈合工件上表面平行，两个磁极构成的磁场区域布满整个激光束的扫描区域；将电极的正负两极分别设置在待愈合工件不同于磁极侧的两端，且两个电极之间的连线与所述X轴方向相平行，以使电流方向与所述X轴方向相平行，使得磁场方向与电流方向相正交；
步骤(4)：在步骤(3)的两个电极之间通入脉冲电流，两个电极在待愈合工件形成电场，两个磁极在待愈合工件形成稳态磁场，通过改变通入脉冲电流方向或磁场方向进行调节电流与磁场产生的洛伦兹力的方向与重力方向相同；洛伦兹力大小通过改变电流大小与磁场强度进行调节；
步骤(5)：开启激光器，激光束在待愈合工件的裂纹待愈合区域进行仿形填充扫描；待填充的金属材料在激光辐照下形成熔融态，熔融态的金属在同时受到洛伦兹力、重力和磁极预紧力的作用下被迫向底部填充，激光扫码路径结束后，停止激光器、电场和磁场的作用，完成待愈合工件的裂纹愈合。
2.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：对待愈合工件表面用砂纸进行机械打磨，使用丙酮进行超声波清洗并去除油污。
3.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：激光器的激光扫描仿形区域覆盖裂纹延伸区域，激光扫描采用直线填充方式并与裂纹延伸方向垂直。
4.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：激光束在待愈合工件的裂纹待愈合区域沿X轴方向进行矩形填充扫描。
5.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：所述脉冲电流的大小为100A/mm2。
6.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：所述磁场的磁场强度为0.4T-1.2T。
7.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：所述激光器的激光功率为1100W-1500W，光斑大小为0.175mm，振镜扫描速度为20mm/s。
8.如权利要求1所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：所述待填充的金属材料为非铁磁性金属材料。
9.如权利要求8所述的一种电磁场辅助激光深熔裂纹直接愈合方法，其特征在于：所述待填充的金属材料为316L不锈钢。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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