CN105714284B - 超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声振动‑电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置，其特征是所述的装置主要包括激光器、超声波振动设备和交流励磁装置等。本装置在激光熔覆过程中同时施加超声场和电磁场，使激光融化区域受到超声振动‑电磁搅拌的协同作用，从而对熔池中的组织形态进行调控，晶粒尺寸进行控制，宏观表面形貌进行改善，进而获得优异的熔覆层性能。该装置有效解决了在单一施加超声场中超声处理作用范围小的不足，以及单一施加电磁场中组织细化效果不明显的缺点。本发明实现了超声振动‑电磁搅拌复合能场对激光熔覆层组织性能的调控，可获得无裂纹孔洞、组织细化、性能优异的熔覆层，具有结构简单、操作方便、成本低廉、适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术，尤其是一种利用激光熔覆技术对材料表面进行激光熔覆处理的方法和装置，具体地说是一种利用超声振动和电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。
背景技术
激光熔覆技术以其热源可控和快速凝固、以及具有结合强度高和组织细化等特点，在航空航天、化工、模具、机械、钢铁等行业得到广泛的应用。但激光熔覆工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括熔覆层内的气孔、裂纹、粗大柱状晶粒等缺陷以及由于激光熔覆过程中急热骤冷而产生的较大残余应力。目前对于这些缺陷的解决主要包括通过添加某些特殊合金元素或稀土氧化物，或通过优化激光熔覆工艺及预热和后热等措施来减轻这些问题，但以上措施对消除激光熔覆层裂纹、孔隙及残余应力没有突破性进展。
针对上述的问题，目前国内外已有学者通过外加物理场来改善金属凝固组织，减少内部缺陷，降低残余应力来提高熔覆层力学性能，其中主要方法有超声振动及电磁搅拌等手段。王维（参见王维，郭鹏飞，张建中等. 中国激光，2013,40（8）：0803004）通过在钛合金基体上添加频率为19.56kHz 的超声振动，进行激光熔覆实验。结果表明，功率的超声振动使得熔覆层的表面平整性良好，内部组织气孔率下降到0.75%，熔覆层晶粒尺寸减小了约42%，片层长度减小了23.9%，但沉积生长方向的堆垛效率降低了36.7%。Wu Dongjiang（Dongjiang Wu ,Minhai Guo, Guangyi Ma etal. Materials Letters, 2015(141):207–209）采用超声辅助激光熔覆YSZ 热障涂层并对其显微组织及稀释率进行了研究，发现在激光熔覆中施加超声振动可以改变涂层截面形貌，细化组织，同时由于超声非线性的影响使得基体与粉末完全混合从而可对稀释率进行控制。但是由于超声声压振幅主要集中在超声探头附近，并且随着距离的增大，超声强度也会随之明显降低；另一方面，超声产生的声流效应可以在熔体中产生对流，但是效果较弱，不能充分搅拌熔体。故在激光熔覆过程中施加单一的超声场并不能取得非常理想的组织调控效果。电磁搅拌是借助电磁力促使金属熔体运动从而改变熔池中熔体的流动，热传导，打碎枝晶，进而细化晶粒，改善微观组织。余小斌（余小斌，刘奋成，林鑫，等.应用激光，2014，34(6)：513-517.）研究了不同磁场强度下旋转磁场辅助激光立体成形镍基高温合金，发现电磁搅拌激光立体成形镍基高温合金仍具有外延连续生长粗大柱状晶特征，但组织致密，无冶金缺陷。由于在激光熔覆过程中电磁搅拌只对液态熔池进行搅拌，而熔覆过程中液态熔池存在的时间非常的短暂，即对熔池的搅拌时间很短，所以对熔覆层的组织细化效果不是非常显著。故在进行超声振动的同时施加电磁搅拌可以有效改善超声处理的作用范围小的不足，促进添加的增强颗粒均匀分布到熔覆层中，改善熔覆层组织成分偏析的现象，同时在电磁搅拌过程中引入超声振动可以弥补电磁搅拌细化效果不明显的缺点。
因此，本发明提出一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。在激光熔覆过程中施加超声振动与电磁搅拌，利用复合能场的协同效应来细化和均匀激光熔覆层组织，改善成份偏析和松弛残余应力、改善熔覆层的裂纹、气孔等缺陷，提高激光熔覆层性能目的。
通过对国内外文献进行检索，当前更多的研究者主要集中于单一的电磁搅拌或超声振动对熔覆层组织性能的影响，而将两者结合在激光熔覆中的应用甚少，本发明为首次提出该方法及装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有的激光熔覆辅助技术功能单一，效果不理想的问题，发明一种结合了超声振动和电磁搅拌复合能场来辅助激光熔覆的方法，同时提供一种相应的装置，它通过超声振动-电磁搅拌的协同作用对熔覆层的显微组织进行有效调控，进而改善熔覆层的缺陷，提高熔覆层的综合性能。
本发明的技术方案之一是：
一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法，其特征在于它包括如下步骤：
（1） 采用预置法将所需粉末预先铺在熔覆基体上，并将其置于真空干燥箱里烘干；
（2） 将干燥好的带有预置粉末的熔覆基体通过螺纹杆与超声振动装置进行相连，并将其水平放置于两励磁线圈同轴线的中心处；
（3） 调节超声波电源的频率和功率，使带有预置粉末的熔覆基体产生高频振动，同时对电子调压器进行自动调压使回路中的交流电流可调，以便在熔覆区内产生交变磁场；
（4） 开启激光器，通过工控机的控制完成熔覆加工，在加工过程中同时开启氩气气瓶，通过送气喷嘴对熔池进行保护；
（5） 激光熔覆参数为：激光功率1000-1800W，扫描速度400-1200mm/min，光斑直径1-4mm，保护气体氩气的流速10-25L/h。
所述的超声电源使带有预置粉末的熔覆基体产生的最大为振幅50μm，振动频率为20-80kHz。
所述的电子调压器施加的最大电流为20A，在熔覆区内产生的是大交变磁场65.7mT。
所用的预置粉末法包括添加粘结剂、预置粉末压片和超音速喷涂。
用于预置的粉末须首先在真空干燥箱中100℃干燥20min，且将预置好粉末的熔覆基体再在真空干燥箱中100℃干燥2h。
本发明的技术方案之二是：
一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的装置，其特征在于它主要包括激光器1、励磁线圈4、超声振动装置6、氩气气瓶14和送气喷嘴17，所述激光器1和氩气气瓶14均受控于工控机2；在激光熔覆过程中使熔覆试样3产生高频振动的超声波振动装置6与可调超声波电源10相连，超声波电源10能调节超声波振动装置6前端振动子的振幅和振动频率，所述熔覆试样3安装在螺纹杆18上，螺纹杆18安装在超声波振动装置6上；励磁线圈4安装在熔覆试样3的两侧以便在激光熔覆过程中对熔覆试样3产生交变磁场；所述氩气气瓶14与送气喷嘴17相连，送气喷嘴17用于在激光熔覆过程中进行送气保护。
所述的励磁线圈4与电子调压器11相连，电子调压器11通过伺服电机13进行自动无极调压，调压范围0~250v；电子调压器11和超声波电源10受控于单片机8，单片机8受控于工控机2。
所述的电子调压器11通过伺服电机13经过减速器12对其进行调压，电子调压器11与励磁线圈4组成闭合回路。
所述电子调压器11连接有能扩大其调压范围的可调电阻器9。
所述的熔覆试样3水平放置于两励磁线圈4的同轴线中心位置处。
本发明的有益效果为：
（1）针对单一外加超声场对熔池作用范围小与单一施加电磁场对熔池作用效果不是很明显的缺点，将两种物理场结合在一起，通过调节该复合能场的多种参数，达到一种对熔覆层组织协同调控的效果，发挥各自能场的优势，使熔覆层的性能较在单一外加能场作用情况下进一步提高。
（2）本装置中超声振动装置与电磁搅拌装置的安装位置，可使作用的熔池受到左右和上下的搅动，使得熔池搅拌更加充分，获得的晶粒更加细小，组织更加致密。
（3）本装置相比于单一的磁场需要较大的磁场强度和单一的超声场需要较高的振幅，该复合能场可实现在较低的磁场强度和较小的振幅能量下达到协同调控作用，使得在低能量输入条件下熔覆层质量即可得到较大提高，是一种高效节能的环保装置。
（4）本发明是一种结构简单、调控灵活、经济通用的细化与提高激光与物质的热效应作用过程中熔池组织性能的方法，具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1 是本发明的超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的装置示意图。
图2 是本发明的螺纹杆与试样连接图。
图3 是本发明实施例中施加超声振动-电磁搅拌复合能场的熔覆层截面组织金相图。
图4是本发明实施例中施加超声振动场的熔覆层截面组织金相图。
图5是本发明实施例中施加电磁场的熔覆层截面组织金相图。
图6是本发明实施例中未施加超声振动--电磁搅拌复合能场的熔覆层截面组织金相图。
图中：1.激光器（Nd:YAG）；2. 工控机；3. 试样；4. 励磁线圈；5. 支撑架；6. 超声波振动装置；7. 工作平台；8. 单片机 ；9. 可调电阻器；10. 超声波电源；11.电子调压器；12. 减速器；13. 伺服电机；14. 氩气气瓶；15. 反射镜；16. 聚焦透镜；17. 送气喷嘴；18.螺纹杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-2所示。
一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的装置，主要包括Nd:YAG激光器1、工控机2、励磁线圈4、超声振动装置6、可调电阻器9、单片机8、电子调压器11、超声波电源10、氩气气瓶14和送气喷嘴17，如图1所示；所述Nd:YAG激光器1、单片机8和氩气气瓶14均与所述工控机2相连；所述单片机8分别对电子调压器11和超声波电源10进行控制；所述电子调压器11通过伺服电机13经过减速器12对其进行自动无极调压，电子调压器11与励磁线圈4和可调电阻器9串联组成闭合回路，所述可调电阻器9用于扩大电子调压器11的调压范围；所述超声波电源10与超声波振动装置6相连，超声波电源10用于调节超声波振动装置6前端振动子的振幅和振动频率；所述熔覆试样3通过螺纹杆18与超声波振动装置6相连（图2）；所述熔覆试样3水平放置于两励磁线圈4的同轴线中心位置处；所述氩气气瓶14与送气喷嘴17相连，打开激光器开始熔覆处理的同时，超声振动装置使熔覆试样3产生高频振动，振幅为0.1-50μm，可调，振动频率为20-80kHz，可调，与此同时，励磁线圈4通电对熔覆试样3产生交变磁场，电子调压器11施加的最大电流为20A，在熔覆区内产生的是大交变磁场为65.7mT。送气喷嘴17用于在激光熔覆过程中进行送气保护。
实施例二。
一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆方法，它包括如下步骤：
（1） 采用预置法将所需粉末通过粘结剂或粉末压片的方式预先铺在熔覆基体上，并将其置于真空干燥箱里烘干；
（2） 将干燥好的带有预置粉末的熔覆基体通过螺纹杆与超声振动装置进行相连，并将其水平放置于两励磁线圈同轴线的中心处；
（3） 调节超声波电源的频率和功率，使带有预置粉末的熔覆基体产生0.1-50μm的振幅，振动频率20-80kHz，同时对电子调压器进行自动调压使回路中的电流在3-20A可调，则在熔覆区内产生9.7-65.7mT的交变磁场；
（4） 开启激光器，通过工控机的控制完成熔覆加工，在加工过程中同时开启氩气气瓶，通过送气喷嘴对熔池进行保护；
（5） 激光熔覆参数为：激光功率1000-1800w，扫描速度400-1200mm/min，光斑直径1-4mm，保护气体氩气的流速10-25L/h。
应用实例一。
先将尺寸为50mm×50mm×10mm的AZ91D镁合金基体用砂纸打磨后并用无水乙醇超声清洗5min，并在100℃的温度下干燥20min。激光熔覆粉末为Ni60合金粉末，粒度75-135μm，将粉末与无水乙醇混合制成膏状涂覆在镁合金基体上，并将其放置于真空干燥箱中100℃干燥2h，将干燥好的试样放置于超声波振动装置前端用于连接试样的螺纹杆上，通过工控机打开电子调压器和超声波电源使其在试样上产生32.7mT和20kHz及3μm的振动，打开激光器同时通入氩气对熔池进行保护，进行单道激光扫描获得激光熔覆层。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500w，扫描速度400mm/min，光斑直径2.5mm，保护气体氩气的流速15L/h。此实施例中获得的熔覆层显微组织如图3所示。在该实施例中所用激光熔覆加工工艺参数保持一致的情况下只添加一种超声场和电磁场，所获得的涂层显微组织分别如图4和5所示。该实施例中在所有激光熔覆加工工艺参数保持一致的情况下去除所附加的超声场和电磁场，进行AZ91D镁合金激光熔覆Ni60合金涂层的显微组织如图6所示。
结合图3和图6，可以发现超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆可以有效的将枝晶打碎，对显微组织进行细化调控。对比图3、图4和图5，可以发现超声振动-电磁搅拌复合能场较单一的超声场和电磁场具有更加明显的晶粒细化，均匀组织效果。
应用实例二。
本应用实例与应用实例一的区别是电子调压器和超声波电源使其在试样上产生65.7mT和80kHz及50μm的振动，打开激光器同时通入氩气对熔池进行保护，进行单道激光扫描获得激光熔覆层。激光熔覆工艺参数为：激光功率1800W，扫描速度1000mm/min，光斑直径1mm，保护气体氩气的流速25L/h。
应用实例三。
本应用实例与应用实例一的区别是电子调压器和超声波电源使其在试样上产生9.7mT和20kHz及10μm的振动，打开激光器同时通入氩气对熔池进行保护，进行单道激光扫描获得激光熔覆层。激光熔覆工艺参数为：激光功率1000W，扫描速度1200mm/min，光斑直径4mm，保护气体氩气的流速10L/h。
实际熔覆层的金相组织与图3-6相近似。
以上仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不脱离本发明原理的前提下所作出的相关改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分与现技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法，其特征是它包括如下步骤：
（1） 采用预置法将所需粉末预先铺在熔覆基体上，并将其置于真空干燥箱里烘干；
（2） 将干燥好的带有预置粉末的熔覆基体通过螺纹杆与超声波振动装置进行相连，并将其水平放置于两励磁线圈同轴线的中心处；
（3） 调节超声波电源的频率和功率，使带有预置粉末的熔覆基体产生高频振动，最大振幅为50μm，振动频率为20-80kHz；同时对电子调压器进行自动调压使回路中的交流电流可调，以便在熔覆区内产生交变磁场；所述的电子调压器施加的最大电流为20A，在熔覆区内产生的是大交变磁场65.7mT；
（4） 开启激光器，通过工控机的控制完成熔覆加工，在加工过程中同时开启氩气气瓶，通过送气喷嘴对熔池进行保护；
（5）激光熔覆参数为：激光功率1000-1800W，扫描速度400-1200mm/min，光斑直径1-4mm，保护气体氩气的流速10-25L/h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的预置法包括添加粘结剂、预置粉末压片和超音速喷涂。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的预置粉末须首先在真空干燥箱中100℃干燥20min，且将预置好粉末的熔覆基体再在真空干燥箱中100℃干燥2h。
4.一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的装置，其特征是它主要包括激光器（1）、励磁线圈（4）、超声波振动装置（6）、氩气气瓶（14）和送气喷嘴（17），所述激光器（1）和氩气气瓶（14）均受控于工控机（2）；在激光熔覆过程中使熔覆试样（3）产生高频振动的超声波振动装置（6）与可调超声波电源（10）相连，超声波电源（10）能调节超声波振动装置（6）前端振动子的振幅和振动频率，所述熔覆试样（3）安装在螺纹杆（18）上，螺纹杆（18）安装在超声波振动装置（6）上；励磁线圈（4）安装在熔覆试样（3）的两侧以便在激光熔覆过程中对熔覆试样（3）产生交变磁场；所述氩气气瓶（14）与送气喷嘴（17）相连，送气喷嘴（17）用于在激光熔覆过程中进行送气保护；电子调压器（11）通过伺服电机（13）进行自动无极调压，调压范围0~250V；电子调压器（11）和超声波电源（10）受控于单片机（8），单片机（8）受控于工控机（2）；所述的励磁线圈（4）与电子调压器（11）相连，电子调压器（11）通过伺服电机（13）经过减速器（12）对其进行调压，电子调压器（11）与励磁线圈（4）组成闭合回路。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的电子调压器（11）连接有能扩大其调压范围的可调电阻器（9）。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的熔覆试样（3）水平放置于两励磁线圈（4）的同轴线中心位置处。
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