CN1737197A - 激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光材料加工技术领域的激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法，通过对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制和/或在成形过程中引入超声振动对激光熔覆成形裂纹进行控制，所述对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制，具体为：将熔化区发射的热辐射作为测量对象，采用光学成像系统和PID控制器对熔池温度进行闭环反馈控制，调节激光器的功率使熔池的温度与工件高度和几何形状无关，减少残余热应力，控制成形裂纹；所述在成形过程中引入超声振动，具体为：激光熔覆成形时，在工件基体下方引入超声振动，通过超声振动改善熔覆成形组织，减少残余拉应力，减少和消除裂纹。本发明适用于金属零件的激光熔覆成形及修复、以及激光熔覆表面强化等相关技术领域。

Description

激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工技术领域的方法，具体是一种激光熔覆成形过程裂纹的控制方法。
背景技术
激光熔覆成形技术是近年来发展起来的集计算机技术、数控技术、激光技术和材料加工技术于一体的新型的先进制造技术。该技术将快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将送粉装置和喷嘴输送到熔池的金属粉末熔化，快速凝固后熔覆层与基体形成冶金结合。通过逐层堆积金属粉末，实现三维近终形全密度金属零件的快速制造。激光熔覆成形技术由于其优点在复杂零件制造、航空航天、国防和零件修复等领域具有广阔的应用前景。经过十多年的发展，激光熔覆成形技术已经获得了长足的进步，积累了很多成功的经验。但是，激光熔覆成形技术目前尚不成熟，仍有诸多关键问题亟待解决，如残余应力和变形、裂纹等成形缺陷的消除和抑制、成形精度和表面质量等。其中，裂纹问题至关重要，裂纹一旦产生，便会向后续熔覆层扩展，熔覆过程将被迫停止，甚至造成整个零件报废，激光熔覆成形裂纹已成为制约该技术进一步走向工业化的瓶颈。
经对现有技术的文献检索发现，常见的减少和消除裂纹的方法有调整熔覆粉末成分、基体预热和缓冷以及调整工艺参数等。祝柏林等在《金属热处理》2000，7：1-4上发表的“激光熔覆层开裂问题的研究现状”，但是该方法通用性较差，粉末成分的调整会对熔覆层性能产生一定的影响，合适的工艺参数需通过大量的试验来获得。在进一步的检索中，尚未发现通过熔池温度的闭环控制和引入超声振动来对激光熔覆成形裂纹进行控制的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法，使其抑制和消除激光熔覆成形裂纹，扩大激光熔覆成形技术的使用范围。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明通过对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制和/或在成形过程中引入超声振动对激光熔覆成形裂纹进行控制，所述的对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制，具体为：将熔化区发射的热辐射作为测量对象，采用光学成像系统和PID控制器对熔池温度进行闭环反馈控制，调节激光器的功率使熔池的温度与工件高度和几何形状无关，减少残余热应力，控制成形裂纹；所述的在成形过程中引入超声振动，具体为：激光熔覆成形时，在工件基体下方引入超声振动，通过超声振动改善熔覆成形组织，减少残余拉应力，减少和消除裂纹。
1、对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制
随着激光熔覆成形过程的进行，激光熔池中的温度逐渐累积上升，过高的熔池温度不仅会影响成形零件的精度和表面质量，还会引起熔覆层裂纹的产生和扩展。因此必须对激光熔覆过程中的熔池温度进行闭环控制，使熔池温度按要求的规律变化，从而减少和消除激光熔覆成形过程裂纹。
本发明将熔化区发射的热辐射作为测量对象，借助成像光学系统将热辐射引导到光电二极管，光电二极管检测光学信号并输出一个模拟电压信号，这个电压信号作为实时值加到一个PID控制器上，由它调节激光器的功率。在三维工件成形时，采用双色反射镜进行检测以达到同轴于激光束的目的。通过使用PID控制器，使熔化区的温度与工件高度和几何形状无关，保持不变，大大减少了由残余热应力引起的裂纹，从而达到控制激光熔覆成形裂纹的目的。
2、在成形过程中引入超声振动
本发明将激光熔覆成形基体固定在超声振动器上，在成形过程中调节超声振动器的输出功率，超声波通过基体传递给熔池。激光熔覆成形过程中引入超声振动，改善了熔池液态金属的流动性，使气泡快速逸出，组织分布更加均匀，在超声振动的作用下，正在长大的枝晶网被打碎并分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，液体更容易向树枝状结晶间的孔隙补充，有利于减少缩孔，部分消除拉应力产生的根源，从而减少和消除熔覆层裂纹。超声波在熔池中的空化及搅拌作用能使熔池各处温度均匀化，可以改善熔池的凝固状态，减少残余热应力和开裂敏感性。
本发明通过对激光熔覆成形熔池温度进行闭环检测和控制以及在熔覆成形过程中引入超声振动对激光熔覆成形金属零件中的裂纹进行控制，通过光学成像系统和PID控制器对熔池温度的闭环反馈控制以及超声振动功率的调节，减少和消除残余应力和裂纹源，控制激光熔覆成形裂纹。本发明方法适用于金属零件的激光熔覆成形及修复、以及激光熔覆表面强化等相关技术领域。
具体实施方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例：以下实施例在3KW横流CO2激光器上进行，选取45钢为基体材料，镍基合金粉末Ni60为熔覆成形材料进行送粉激光熔覆成形试验，光斑直径4mm，激光功率为100-240mm/min，单层熔覆厚度0.3-0.5mm，基体采用激光快速扫描预热，氩气保护。采用渗透着色法在显微镜下观察熔覆层裂纹。具体实施过程和结果如下：
实施例1：
对镍基合金进行8层激光熔覆成形试验，激光功率1.5KW，扫描速度100mm/min，未采用温度闭环控制的情况下，熔覆到4至5层时，可以听到清脆的爆裂声；熔覆成形轮廓封闭零件时，熔覆层搭接处严重过热而坍塌，成形零件翘曲变形，与基体结合处出现大量的微裂纹甚至宏观裂纹；当采用PID对熔池温度进行闭环控制后，熔覆层温度分布均匀，表面精度提高，熔覆层裂纹几乎全部消失。
实施例2：
对镍基合金进行8层激光熔覆成形试验，激光功率1.5KW，扫描速度120mm/min，成形过程中引入超声振动装置，振动频率25KHz，并在150-500W范围内调节输出功率，观察超声振动对组织和裂纹的影响。当超声振动器功率为150W时，激光熔覆成形镍基合金组织形态类似于未施加超声振动时的组织，由外延生长的粗大树枝晶组成，显微镜下观察100mm范围内裂纹条数为10条；当振动功率增加至250W时，原来发达的枝晶被打碎，变得短小，晶粒明显细化，100mm范围内裂纹条数减至6条；随着振动功率提高至500W，熔覆层组织形态发生了明显变化，枝晶分枝欠发达，大部分为胞状树枝晶，枝晶间硬脆的析出相减少，组织分布更加均匀，方向趋于一致，100mm范围内裂纹条数为1条。
实施例3：
对镍基合金粉末进行8层激光熔覆成形试验，激光功率1.5KW，扫描速度120mm/min，成形过程中引入超声振动并采用PID对熔池温度进行闭环控制，振动频率25KHz，振动功率500W，成形试件表面平整、无裂纹产生。

Claims (5)

1.一种激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法，其特征在于，通过对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制和/或在成形过程中引入超声振动对激光熔覆成形裂纹进行控制，所述的对激光熔覆成形熔池温度的闭环控制，具体为：将熔化区发射的热辐射作为测量对象，采用光学成像系统和PID控制器对熔池温度进行闭环反馈控制，调节激光器的功率使熔池的温度与工件高度和几何形状无关，减少残余热应力，控制成形裂纹；所述的在成形过程中引入超声振动，具体为：激光熔覆成形时，在工件基体下方引入超声振动，通过超声振动改善熔覆成形组织，减少残余拉应力，减少和消除裂纹。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆成形裂纹的控制方法，其特征是，所述的对熔池温度进行闭环反馈控制，将熔化区发射的热辐射作为测量对象，采用成像光学系统将热辐射引导到光电二极管，光电二极管检测光学信号并输出一个模拟电压信号，这个电压信号作为实时值加到一个PID控制器上，由它调节激光器的功率，双色反射镜与激光束同轴。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆成形裂纹的控制方法，其特征是，所述的在成形过程中引入超声振动，将激光熔覆成形基体固定在超声振动器上，在成形过程中调节超声振动器的输出功率，超声波通过基体传递给熔池，通过施加超声振动，改善熔池液态金属的流动性，使气泡快速逸出，均匀化组织，减少缩孔，部分消除拉应力产生的根源，从而减少和消除熔覆层裂纹。
4.根据权利要求1或者3所述的激光熔覆成形裂纹的控制方法，其特征是，所述的超声振动，振动频率25KHz。
5.根据权利要求1或者3所述的激光熔覆成形裂纹的控制方法，其特征是，所述的超声振动，振动功率为150-500W。
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