CN117867498A - 一种管材内壁快速激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种管材内壁快速激光熔覆方法，所述熔覆方法包括：对熔覆粉末进行预处理以使得熔覆粉末的粒径在53μm‑150μm范围内呈正态分布，熔覆粉末松装密度为4.55g/cm3‑4.75 g/cm3，熔覆粉末的霍尔流速为14.5s/50g‑15.5s/50g；以100mm/s‑150mm/s的激光扫描速度将预处理后的熔覆粉末激光熔覆在基材上，在基材的表面获得厚度为0.8mm‑1.2mm的熔覆层。本发明实现了更高的激光熔覆效率，且获得一层均匀平整且厚度不低于0.8mm的熔覆层，对熔覆层进行精磨抛光，熔覆层表面粗糙度达到Ra6.3要求，基材表面熔覆层厚度不低于0.5mm。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种管材内壁快速激光熔覆方法。
背景技术
随着科学技术的发展，为了提高金属材料的耐磨和耐腐蚀等功能，现有技术中，研究学者在金属材料的表面通过激光熔覆的方法，在金属材料的表面制作一层具有耐腐耐磨的熔覆层。
常规的激光熔覆方法的激光扫描速度在6mm/s-30mm/s，低效率的激光扫描速度无法满足现有的生产需求。虽然在德国学者与激光器制造企业Laseline公司合作于2017年推出了超高速激光熔覆，其扫描速度大于333mm/s，但是超高速激光熔覆层的厚度大多在0.01mm-0.25mm。超高速激光熔覆形成的熔覆层较薄，无法满足对耐磨和耐腐蚀激光熔覆层厚度的要求，且现有激光头不适于孔径在350mm以下的管材内壁进行激光熔覆。
目前工业上迫切需要激光熔覆层厚度大于0.5mm的大面积、高效率激光熔覆工艺，而这是现有技术所缺少的。如何改善激光熔覆工艺，达到生产效率和激光熔覆层厚度的平衡，是目前急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种管材内壁快速激光熔覆方法，可实现较高的激光熔覆效率且可满足熔覆后熔覆层厚度的要求。在提升激光熔覆的效率的基础上，还能在金属材料的表面形成一层均匀且厚度不低于0.5mm的激光熔覆层。
本发明提供了一种管材内壁快速激光熔覆方法，所述熔覆方法包括：对熔覆粉末进行预处理以使得熔覆粉末的粒径在53μm-150μm范围内呈正态分布，熔覆粉末松装密度为4.55g/cm3-4.75g/cm3，熔覆粉末的霍尔流速为14.5s/50g-15.5s/50g；
以100mm/s-150mm/s的激光扫描速度将预处理后的熔覆粉末激光熔覆在基材上，在基材的表面获得厚度为0.8mm-1.2mm的熔覆层。
进一步的，所述激光熔覆包括：控制熔覆粉末的送粉交汇点与被熔覆基体的表面距离为1mm-4mm。
进一步的，所述激光熔覆的激光束的光斑直径在3.5mm-4.5mm。
进一步的，所述激光熔覆的功率为4.5 kW-5.4kW。
进一步的，所述激光熔覆时输出载气，所述载气的压强在0.1bar-0.5bar，载气的流量为6L/min-30L/min，所述载气包括氩气。
进一步的，在进行激光熔覆时，熔覆粉末的送粉量为25g/min-80g/min。
进一步的，所述熔覆粉末为熔点在1250℃-1400℃的镍基合金球形粉末。
本发明还提供了所述激光熔覆方法在制作复合管材中的应用。
进一步的，激光熔覆前对基材的内壁进行磨削，磨削后清洗去除油污，随后将基材干燥，并保持基材的内壁的清洁干燥；在对基材的内壁激光熔覆后，对熔覆层表面进行精磨,基材的熔覆层的表面达到粗糙度Ra6.3的要求，并且基材表面的熔覆层的厚度不低于0.5mm。
本发明实施例具有以下技术效果：
1.在本发明的激光熔覆实现过程中，通过控制熔覆粉末的粒径、粒径分布、送装密度和霍尔流速，并进一步根据熔覆粉末的选择设计了激光熔覆过程中各参数（激光束的光斑、激光束功率、送粉载气的压强、载气的流量和熔覆粉末的送粉量）。最终本发明的激光熔覆的工艺不仅实现了更高的激光熔覆效率，而且获得一层均匀平整且激光熔覆层的厚度不低于0.8mm的熔覆层，在经熔覆层表面进行精磨抛光，熔覆层的表面粗糙度达到Ra6.3的要求，并且基材表面的熔覆层的厚度不低于0.5mm。
2.本发明的方法简单、容易实现，有利于形成进行工业化生产。
3.通过本发明方法获得的激光熔覆层具有较小的熔合区、低的稀释率和热影响区深度，熔覆层与基材之间不仅具有良好的冶金结合；而且经内壁快速激光熔覆后的基材的力学性能仍达到原要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例中同轴送粉激光头与工件表面间距示意图。
图2为本发明方法获得产品的管材内壁激光熔覆层表面形貌。
图3为本发明方法中熔覆用粉末的形貌图。
图4为本发明方法获得管材内壁激光熔覆产品的熔覆层的主要化学含量分析。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
第一方面，本发明一些实施例方式中提供了一种管材内壁快速激光熔覆方法，所述熔覆方法包括对熔覆粉末进行预处理以使得熔覆粉末的粒径在53μm-150μm范围内呈正态分布，熔覆粉末松装密度为4.55g/cm3-4.75g/cm3，熔覆粉末的霍尔流速为14.5s/50g-15.5s/50g；
以100mm/s-150mm/s的激光扫描速度将预处理后的熔覆粉末激光熔覆在基材上，在基材的表面获得厚度为0.8mm-1.2mm的熔覆层。
在本发明的激光熔覆方法中，通过将熔覆粉末处理为53μm-150μm范围且呈正态分布，熔覆粉末松装密度为4.55g/cm3-4.75g/cm3，熔覆粉末的霍尔流速为14.5s/50g-15.5s/50g，不仅有利于熔覆粉末的流动，并有利于在激光熔覆过程中连续且匀速的提供熔覆粉末，而且还有利于在激光熔覆过程中形成均匀的激光熔 覆层。典型非限制性的，例如，熔覆粉末的粒径为53μm-73μm、53μm-93μm、53μm-113μm、53μm-133μm、73μm-93μm、73μm-113μm、73μm-133μm、73μm-150μm、93μm-113μm、93μm-133μm、93μm-150μm、113μm-133μm、113μm-150μm、133μm-150μm。
一些实施例方式中，激光熔覆的处理包括控制熔覆粉末的送粉交汇点与被熔覆基体的表面距离为1mm-4mm；
激光熔覆的激光束的光斑直径在3.5mm-4.5mm。
在本发明中，控制熔覆粉末的送粉交汇点与被熔覆基体的表面距离和激光束的光斑直径有利于激光头提供合适的能量密度和能量分布，提高激光熔覆的效率。典型非限制性的，例如，熔覆粉末的送粉交汇点与被熔覆基体的表面距离为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm。典型非限制性的，例如，激光束的光斑直径为3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm。
一些实施例方式中，激光熔覆的功率为4.5 kW-5.4kW；激光熔覆的处理时输出载气，所述载气的压强在0.1bar-0.5bar，载气的流量为6L/min-30L/min，所述载气包括氩气；熔覆粉末在进行激光熔覆处理时，熔覆粉末量为25g/min-80g/min。
在本发明中的方法中，激光熔覆过程中的激光熔覆功率、载气压强、载气流量、熔覆粉末量的设计，有利于熔覆粉末输送量和熔覆功率的平衡，从而有利于实现在100mm/s-150mm/s的激光扫描速度下，形成均匀熔覆层的基础上，实现熔覆层的厚度不低于0.8mm。典型非限制性的，例如，激光熔覆的功率为4.5 kW、4.6 kW、4.7 kW、4.8 kW、4.9 kW、5.0 kW、5.1 kW、5.2 kW、5.3 kW、5.4 kW。典型非限制性的，例如，载气的压强为0.1bar、0.2bar、0.3bar、0.4bar、0.5bar。典型非限制性的，例如，载气的流量为6L/min、10L/min、14L/min、18L/min、22L/min、24L/min、28L/min、30L/min。典型非限制性的，例如，熔覆粉末量为25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min、50 g/min、55 g/min、60g/min、65 g/min、70g/min、75 g/min、80 g/min。
一些实施例方式中，熔覆粉末为熔点为1250℃-1400℃的镍基合金球形粉末。
在本发明中，激光熔覆粉末的颗粒形状为球形，从而有利于熔覆粉末均匀的熔覆在基材表面上，并且还有利于激光熔覆粉末的流动性，从而有利于熔覆粉末从激光头的流出。激光熔覆粉末的熔点范围为1250℃-1400℃，有利于激光熔覆粉末能在本发明的方法之下能快速且均匀的被熔覆在基材表面。
第二方面，本发明一些实施例方式提供了激光熔覆方法在制作复合管材中的应用。
一些实施例方式中，激光熔覆前对基材的内壁进行磨削，磨削后清洗去除油污，随后将基材干燥，并保持基材的内壁的清洁干燥；在对基材的内壁激光熔覆后，对熔覆层表面进行精磨,基材的熔覆层的表面达到粗糙度Ra6.3的要求，并且基材表面的熔覆层的厚度不低于0.5mm。
在本发明中，对需要加工的基材表面进行磨削能够使待加工基材的表面平整，从而有利于在激光熔覆后的熔覆层的均匀和平整性。对磨削后清洗去除油污，随后将基材干燥，并保持基材的干燥，有利于提高激光熔覆的质量。对具有熔覆层的基材进行精磨，有利于获得产品的内壁更加光滑，从而有利于产品在应用过程中减少流体输送时的阻力，使得流体更加顺畅的流动。
下面结合具体实施例进一步说明。
实施例1：
S1激光熔覆前对基材的处理：将待加工基材的内壁进行磨削，磨削后清除磨削并清洗去除油污，随后将管材干燥，并对管材的两端进行封堵以保持管材内壁的清洁干燥。在本实施例中，熔覆的基体选用339.7mm×12.19mm的N80油管。
S2激光熔覆粉末的处理：熔覆粉末选定熔点为1250℃-1400℃镍基合金球形粉末，熔覆粉末粒径在53μm-150μm范围内，其中粒径小于53μm的熔覆粉末量在熔覆粉末中小于3%，粒径大于150μm的熔覆粉末量在熔覆粉末中小于3%，粉末的粒径在选定的粒径范围内呈正态分布；粉末的松装密度在4.55g/cm3-4.75g/cm3范围，熔覆粉末的霍尔流速在14.5s/50g-15.5s/50g范围，且所用镍基合金球形粉末的含氧量应低于0.01%。
S3激光熔覆处理：将基材安装于转台，转台能够驱动基材即339.7mm×12.19mm的N80油管绕自身轴线转动。在安装完成后，将339.7mm×12.19mm的N80油管一端的封口打开，以供激光头能够伸入339.7mm×12.19mm的N80油管内。激光扫描速度为130mm/s。
将激光头对准基材，送粉交汇点距离被熔覆的基材的距离h为3mm，如图1所示。激光头到基材的表面的距离H为19mm(H表示的是激光头与工件之间的垂直距离)，激光的功率为5.4kW。在本实施例中，激光头为内聚焦-反射输出同轴送粉激光头，且激光的光斑直径为3.5mm-4.5mm。送粉器为转盘定量-载气动力输送送粉器，载气压强为0.1 bar -0.5bar，载气流量为6L/min -30L/min，熔覆粉末的送粉量为25 g/min -80g/min。
S4精磨：对N80油管内壁获得的熔覆层表面进行表面磨削-抛光，达到表面粗糙度Ra6.3，且精磨抛光后激光熔覆合金层厚度不低于0.5mm。
在本发明中，实施例在制备过程中，在同一参数的设置下同时制备了3组产品。
在本发明中，还将本发明激光熔覆方法获得产品进行了性能测试：
（1）产品的压扁测试：按照SY/T6623标准对已完成内壁快速激光熔覆的339.7mm×12.19mm的N80油管进行压扁测试，以检测按本发明所设定的工艺参数进行的快速激光熔覆所形成的镍基熔覆层与钢管基材的结合是否合格。
压扁试验分为两步：
第一步是延性试验：要求将已完成快速激光熔覆处理的339.7mm×12.19mm的N80油管压扁至内壁两面间距小于规定尺寸B（B=1.09t/（0.09+t/D），式中t是管的壁厚，D是管的外径），对于339.7mm×12.19mm的N80油管，B=109mm，其中B表示的是工件上表面和下表面之间的垂直距离。
第二步是完整性试验：要求继续压扁已完成快速激光熔覆处理的339.7mm×12.19mm的N80油管至断裂或管材的内壁相贴合。
结果分析
表1产品的力学性能测试结果
在本发明中，通过本发明的制备方法在339.7mm×12.19mm的N80油管的内壁，通过激光熔覆的方法，获得一层厚度不低于0.8mm并均匀平整的熔覆层，如图2所示，可以从图2中发现，本发明方法获得产品的熔覆层的表面光滑平整。且本发明方法获得具有熔覆层的基材，还依然具有较好的力学性能，如表1所示。
在本发明中采用的镍基合金球形粉末，并且将本发明方法获得的产品进行了主要化学含量分析，如图3-图4所示。可以从图4中看出，自激光熔覆的熔覆层表面至熔覆层深度到0.5mm处的范围内，熔覆层中Ni的含量在55%-60%的范围内略有波动；Cr的含量在20%-21%的范围内波动；Mo的含量在8%±0.5%的范围内略有波动。在自表面深度大于0.5mm以后，Ni、Cr、Mo的含量陡降，至自表面0.6mm深度，Ni、Cr、Mo的含量趋近于0，表明已到钢管基体。这一测试结果表明激光熔覆层精磨后激光熔覆层的厚度不低于0.5mm。
延性测试结果：压扁试样的内表面、外表面和边缘没有出现裂纹、断裂和熔覆层剥离。压扁后内壁间距达80mm(按SY/T6623要求为B=109mm)，说明按本发明所设定的工艺参数进行的快速激光熔覆所形成的镍基熔覆层与钢管基体间有很好的冶金结合。
完整性测试结果：已完成快速激光熔覆处理的339.7mm×12.19mm的N80油管在压扁至管的内壁贴合的过程中，没有发生激光熔覆熔覆层与基体钢管的剥离现象。进一步说明按本发明所设定的工艺参数进行的快速激光熔覆所形成的镍基熔覆层与钢管基体间有很好的冶金结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
Claims (9)
1. 一种管材内壁快速激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆方法包括：对熔覆粉末进行预处理以使得熔覆粉末的粒径在53μm -150μm范围内呈正态分布，熔覆粉末松装密度为4.55g/cm3-4.75 g/cm3，熔覆粉末的霍尔流速为14.5s/50g-15.5s/50g；
以100mm/s-150mm/s的激光扫描速度将预处理后的熔覆粉末激光熔覆在基材上，在基材的表面获得厚度为0.8mm-1.2mm的熔覆层。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆包括：控制熔覆粉末的送粉交汇点与被熔覆基体的表面距离为1mm-4mm。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光束的光斑直径在3.5mm-4.5mm。
4. 根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆的功率为4.5 kW-5.4kW。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆时输出载气，所述载气的压强在0.1bar-0.5bar，载气的流量为6L/min-30L/min，所述载气包括氩气。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，熔覆粉末的送粉量为25g/min-80g/min。
7.根据权利要求1所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述熔覆粉末为熔点为1250℃-1400℃的镍基合金球形粉末。
8.权利要求1-权利要求7任一项所述的激光熔覆方法在制作复合管材中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，激光熔覆前对基材的内壁进行磨削，磨削后清洗去除油污，随后将基材干燥，并保持基材的内壁的清洁干燥；在对基材的内壁激光熔覆后，对熔覆层表面进行精磨,基材的熔覆层的表面达到粗糙度Ra6.3的要求，并且基材表面的熔覆层的厚度不低于0.5mm。
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| CN (1) | CN117867498A (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070003416A1 (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-04 | General Electric Company | Niobium silicide-based turbine components, and related methods for laser deposition |
| CN114262889A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-04-01 | 中南大学 | 一种铜合金表面激光熔覆Ni-Cu-Mo-Si-W覆层及其制备方法 |
-
2024
- 2024-03-11 CN CN202410268844.8A patent/CN117867498A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070003416A1 (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-04 | General Electric Company | Niobium silicide-based turbine components, and related methods for laser deposition |
| CN114262889A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-04-01 | 中南大学 | 一种铜合金表面激光熔覆Ni-Cu-Mo-Si-W覆层及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 叶建斌: "《激光切割技术》", 31 July 2012, 上海科学技术出版社, pages: 16 - 17 * |
| 姚建华等: "《多能场激光复合表面改性技术及其应用》", 30 November 2021, 机械工业出版社, pages: 325 * |
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