激光熔覆.docx

第五章激光延寿技术

2、熔覆层的气孔和裂纹问题
熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层(或粉)中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时,金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H。
同时,涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。
这些H溶入过热的激光熔覆的熔池中,随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡,这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高,熔池的体积又很小,因此熔池的冷却结晶速度极快,不利于气泡的上浮逸出。
从冶金原理知道,对于一般熔覆火花,为防止产生气孔,可以从两方向着手:第一,限制氢溶入焊接熔池,或者减少氢的来源,或者减少氢与熔池的作用时间。第二,尽量促使氢从熔池析出,即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法:减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分,并加强对熔池的保护;减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间,其中焊接速度是主要参数;对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料,使熔覆层内的残余应力降低;优化激光熔覆技术的工艺方法和参数;合理设计熔覆层等。图2(a,b)是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5%,10%合金。
图2 掺杂5%,10%合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测
3、激光熔覆工艺参数与优化
脉冲激光可调参数较多,包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等,这些参数并不是孤立存在的,它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂,因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量,以获得满意的处理效果。

对工件表面进行激光溶覆处理后,表面粗糙度通常较大,因此在实际使用之前,往往需对工件表面进行磨抛处理,这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究,例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al2O3,采用单道熔覆。

脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。脉冲频率与激光扫描
速度联合可以确定各个脉冲之间的重叠程度,将此定义为光斑重叠率。光斑重叠率示意图如图1所示,计算公式如式(1)。
overlap=(1-)×100% (1)
式中,v为激光扫描速度,D为光斑直径,f为脉冲频率。由此可见,光斑重叠率能综合体现光斑尺寸、扫描速度与脉冲频率对培覆层表面质量的影响。
图1 光斑重叠率示意图


由于激光熔覆典型的快速加热并急速冷却特性,如果熔覆层材料的选择与加工工艺参数的设定不当,则将在零件中形成裂