一種超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的方法和裝置與流程

本發明涉及一種超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的方法和裝置。

背景技術：

激光熔覆技術是隨著大功率激光器的發展而興起的一種新的表面改性技術，它是將合金粉末以不同的填料方式置于被熔覆基體表面，利用激光作為熱源將合金粉末迅速熔化，在，體表面形成具有優良性能的涂層，從而達到對工件表面進行強化的目的。

激光熔覆是一個復雜的物理、化學和冶金過程，是一種對裂紋很敏感的表面改性工藝，激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化，熱量來不及傳遞開來，使得基材溫度遠低于熔覆層的溫度，這就在熔覆層和基材材料間產生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過程中，不可能有足夠多的液體來補充，形成的溫度梯度差以及熔覆材料與基體材料的熱膨脹系數差異造成熔覆層與基材體積收縮不一致，而且一般而言，熔覆層的收縮率大于基材材料，熔覆層受到周圍環境(冷態的基材)的約束，因此在熔覆層中形成殘余拉應力，應力的大小與基體材料的硬度高低有關。另外，固態金屬在冷卻過程中還會由于相組織轉變而引起組織應力。

上述應力的疊加，當超過材料的強度極限時，就會在工件的氣孔、夾渣等薄弱部位發生開裂。激光熔覆過程中產生的殘余應力是熔覆層裂紋形成的根源，所以，減小或消除熔覆過程中的殘余應力是抑制激光熔覆層裂紋的最主要方法。

因此，如何從調控熔覆層應力場出發，開發激光熔池微區域內高效可靠的應力均勻化技術是解決激光熔覆裂紋問題的關鍵所在和有效途徑。

激光熔覆層開裂問題引起了國內外學者和工業界的廣泛關注。該方面研究針對激光熔覆層開裂問題，開發了若干新工藝，主要包括基體預熱法、機械振動消除法、超聲振動消除法、電磁攪拌消除法、激光一感應復合熔覆技術、添加應力軟化帶等方面。陸偉等人采用基體預熱法針對高速線材軋輥進行了激光熔敷，將基體分別預熱到300、400、500度，分析了基體預熱溫度對應力狀態的影響規律及母材與熔層材料的熱物理性能變化規律。研究表明，基體預熱處理對減少覆層殘余應力有一定作用，能夠降低熔覆層的塑性變形，降低熔覆層開裂的傾向；王傳琦等人研究了機械振動輔助激光熔覆技術,針對45鋼，進行了機械振動輔助激光熔覆加工，采用有限元數值模擬、實際測試和理論分析等方法，分析了機械振動對涂層表面、結合界面、基材熱影響區等部位應力分布的影響,研究表明，機械振動能改善激光熔覆Ni60合金涂層及其周邊的應力-應變分布狀態,起到應力控制的作用；陳暢源等人研究了超聲振動對激光熔覆過程的影響，探討了超聲振動對激光熔覆過程影響機理及作用，結果表明，超聲振動使熔池各處原本復雜的溫度分布均勻化，能夠減少殘余應力,從而減少或消除熔覆層的裂紋。

以上新工藝方面研究，雖然在激光熔覆層開裂方面有一定的抑制效果，但每種方法都存在不足，如基體預熱法增加了加熱工序，使生產效率降低，惡化勞動條件，對于大型零部件的激光熔覆加工尤為明顯，同時零部件由于長時間加熱使表面氧化，削弱了熔覆層性能，導致硬度降低，耐磨和耐腐蝕性能下降；振動消除法(機械振動、超聲振動)在理論方面可行，但實際情況是，振動源施加于工件底部，使工件振動影響熔敷過程，而激光熔敷區是一微小區域，由工件傳來的振動攪拌作用并不明顯，從而使熔池微區的應力均勻化效果大為削弱，熔覆層止裂效果不明顯。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的方法和裝置，本發明將超聲振動時效直接引入到熔池微區，憑借超聲波直接的空化效應、機械效應和熱效應促進熔覆層應力場均勻化，細化晶粒組織，從根源上抑制裂紋的產生；且能夠直接作用于熔池，在促進對溫度和應力分布均勻化方面強于遠離熔池的工件整體振動作用，而超聲波的三大效應在攪拌作用方面也強于電磁攪拌消除法，從而該新方法相對于以往方法具有本質的區別，并具有較大優勢。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的方法，將超聲波直接作用于熔池微區，以輔助激光熔覆來制備無裂紋熔覆層。

一種超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的裝置，包括激光設備和超聲振動設備，其中，所述激光設備包括激光發生器、聚焦透鏡和激光頭，所述激光發生器發出的激光經過聚焦透鏡到達激光頭，所述超聲振動設備包括依次連接的超聲波發生器和超聲波發射頭，所述超聲波發射頭與激光頭固定連接，保證熔覆過程的同步運動，將超聲波直接作用于熔覆層，通過超聲波的空化效應對熔池的組織形態進行調控，細化晶粒組織，抑制裂紋的萌生，進而獲得性能優異的熔覆層。

所述超聲波發射頭包括依次相連的換能器、變幅桿和振子，所述超聲波發生器通過電纜與換能器連接，通過變幅桿來增大振幅，最后通過振子來發射超聲波。

所述激光頭連接有送粉器，在熔覆過程中同步送粉。

所述熔覆過程采用氮氣保護。

所述激光器是光纖激光器。

所述激光發生器發出的激光，通過反射鏡和聚焦透鏡對激光進行傳輸，保證激光的有效功率及聚焦性。

所述激光頭和超聲波發射頭用夾具固定在一起。

本發明的有益效果為：

(1)本發明區別現有的間接超聲振動方法，將超聲波在保證起到作用的情況下直接引入到熔池微區，來改善熔覆層溫度和應力分布。

(2)本發明中的激光頭和超聲發射頭用特制夾具固定一起，可以保證熔覆過程超聲振動與激光熔覆的同步性及時效性。

(3)本發明對激光熔覆過程中的所用的基體及粉末沒有限制。

(4)本發明是一種結構簡單，操控靈活，環保高效的輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層的方法，具有很強的工程應用價值。

附圖說明

圖1為超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層裝置的示意圖

圖2為激光頭和超聲發射頭固定裝置二維主視圖

圖1中，1—激光發生器，2—送粉器，3—激光頭，4—超聲波發生器，5—反射鏡，6—聚焦透鏡，7—夾具，8—換能器，9—變幅桿，10—振子，11—熔覆層，12—基體，13—電纜。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1和圖2所示，本發明所述的超聲振動輔助激光熔覆制備無裂紋熔覆層裝置，包括激光發生器[1]、送粉器[2]、激光頭[3]、超聲波發生器[4]、反射鏡[5]、聚焦透鏡[6]、夾具[7]、換能器[8]、變幅桿[9]、振子[10]、熔覆層[11]、基體[12]和電纜[13]。實驗前將基體[12]打磨并用丙酮擦拭表面去除雜質，將送粉器[2]連接于激光發生器[1]上準備熔覆過程輸送粉末，用電纜[13]將超聲波發生器[4]和換能器[8]連接，同時將變幅桿[9]和振子[10]連接到換能器[8]端部組成完整的超聲波發射裝置，調整夾具[7]的位置來調控激光頭[3]和超聲波發射頭的相對高度，同時調整反射鏡[5]和聚焦透鏡[6]這一套光路系統使激光束達到聚焦到熔覆層[11]的目的。待一切準備工作就緒后，同時開啟激光發生器[1]和超聲波發生器[4]進行激光熔覆實驗。熔覆結束后關閉實驗設備，觀察基體材料的熔覆層形貌是否無裂紋產生。反復實驗即可起到細化晶粒組織的作用從而制備出表面形貌良好，無裂紋的熔覆層。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。