雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法
2023-06-01 22:08:56
專利名稱：雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射加工技術領域的方法，具體是一種雷射熔覆成形過程裂紋的控制方法。
背景技術：
雷射熔覆成形技術是近年來發展起來的集計算機技術、數控技術、雷射技術和材料加工技術於一體的新型的先進位造技術。該技術將快速原型製造技術和雷射熔覆表面強化技術相結合，利用高能雷射束在金屬基體上形成熔池，將送粉裝置和噴嘴輸送到熔池的金屬粉末熔化，快速凝固後熔覆層與基體形成冶金結合。通過逐層堆積金屬粉末，實現三維近終形全密度金屬零件的快速製造。雷射熔覆成形技術由於其優點在複雜零件製造、航空航天、國防和零件修復等領域具有廣闊的應用前景。經過十多年的發展，雷射熔覆成形技術已經獲得了長足的進步，積累了很多成功的經驗。但是，雷射熔覆成形技術目前尚不成熟，仍有諸多關鍵問題亟待解決，如殘餘應力和變形、裂紋等成形缺陷的消除和抑制、成形精度和表面質量等。其中，裂紋問題至關重要，裂紋一旦產生，便會向後續熔覆層擴展，熔覆過程將被迫停止，甚至造成整個零件報廢，雷射熔覆成形裂紋已成為制約該技術進一步走向工業化的瓶頸。
經對現有技術的文獻檢索發現，常見的減少和消除裂紋的方法有調整熔覆粉末成分、基體預熱和緩冷以及調整工藝參數等。祝柏林等在《金屬熱處理》2000，71-4上發表的「雷射熔覆層開裂問題的研究現狀」，但是該方法通用性較差，粉末成分的調整會對熔覆層性能產生一定的影響，合適的工藝參數需通過大量的試驗來獲得。在進一步的檢索中，尚未發現通過熔池溫度的閉環控制和引入超聲振動來對雷射熔覆成形裂紋進行控制的方法。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法，使其抑制和消除雷射熔覆成形裂紋，擴大雷射熔覆成形技術的使用範圍。
本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明通過對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制和/或在成形過程中引入超聲振動對雷射熔覆成形裂紋進行控制，所述的對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制，具體為將熔化區發射的熱輻射作為測量對象，採用光學成像系統和PID控制器對熔池溫度進行閉環反饋控制，調節雷射器的功率使熔池的溫度與工件高度和幾何形狀無關，減少殘餘熱應力，控制成形裂紋；所述的在成形過程中引入超聲振動，具體為雷射熔覆成形時，在工件基體下方引入超聲振動，通過超聲振動改善熔覆成形組織，減少殘餘拉應力，減少和消除裂紋。
1、對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制隨著雷射熔覆成形過程的進行，雷射熔池中的溫度逐漸累積上升，過高的熔池溫度不僅會影響成形零件的精度和表面質量，還會引起熔覆層裂紋的產生和擴展。因此必須對雷射熔覆過程中的熔池溫度進行閉環控制，使熔池溫度按要求的規律變化，從而減少和消除雷射熔覆成形過程裂紋。
本發明將熔化區發射的熱輻射作為測量對象，藉助成像光學系統將熱輻射引導到光電二極體，光電二極體檢測光學信號並輸出一個模擬電壓信號，這個電壓信號作為實時值加到一個PID控制器上，由它調節雷射器的功率。在三維工件成形時，採用雙色反射鏡進行檢測以達到同軸於雷射束的目的。通過使用PID控制器，使熔化區的溫度與工件高度和幾何形狀無關，保持不變，大大減少了由殘餘熱應力引起的裂紋，從而達到控制雷射熔覆成形裂紋的目的。
2、在成形過程中引入超聲振動本發明將雷射熔覆成形基體固定在超聲振動器上，在成形過程中調節超聲振動器的輸出功率，超聲波通過基體傳遞給熔池。雷射熔覆成形過程中引入超聲振動，改善了熔池液態金屬的流動性，使氣泡快速逸出，組織分布更加均勻，在超聲振動的作用下，正在長大的枝晶網被打碎並分散到熔體的各個部位形成均勻分布的小晶核，液體更容易向樹枝狀結晶間的孔隙補充，有利於減少縮孔，部分消除拉應力產生的根源，從而減少和消除熔覆層裂紋。超聲波在熔池中的空化及攪拌作用能使熔池各處溫度均勻化，可以改善熔池的凝固狀態，減少殘餘熱應力和開裂敏感性。
本發明通過對雷射熔覆成形熔池溫度進行閉環檢測和控制以及在熔覆成形過程中引入超聲振動對雷射熔覆成形金屬零件中的裂紋進行控制，通過光學成像系統和PID控制器對熔池溫度的閉環反饋控制以及超聲振動功率的調節，減少和消除殘餘應力和裂紋源，控制雷射熔覆成形裂紋。本發明方法適用於金屬零件的雷射熔覆成形及修復、以及雷射熔覆表面強化等相關技術領域。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供以下實施例以下實施例在3KW橫流CO2雷射器上進行，選取45鋼為基體材料，鎳基合金粉末Ni60為熔覆成形材料進行送粉雷射熔覆成形試驗，光斑直徑4mm，雷射功率為100-240mm/min，單層熔覆厚度0.3-0.5mm，基體採用雷射快速掃描預熱，氬氣保護。採用滲透著色法在顯微鏡下觀察熔覆層裂紋。具體實施過程和結果如下實施例1對鎳基合金進行8層雷射熔覆成形試驗，雷射功率1.5KW，掃描速度100mm/min，未採用溫度閉環控制的情況下，熔覆到4至5層時，可以聽到清脆的爆裂聲；熔覆成形輪廓封閉零件時，熔覆層搭接處嚴重過熱而坍塌，成形零件翹曲變形，與基體結合處出現大量的微裂紋甚至宏觀裂紋；當採用PID對熔池溫度進行閉環控制後，熔覆層溫度分布均勻，表面精度提高，熔覆層裂紋幾乎全部消失。
實施例2對鎳基合金進行8層雷射熔覆成形試驗，雷射功率1.5KW，掃描速度120mm/min，成形過程中引入超聲振動裝置，振動頻率25KHz，並在150-500W範圍內調節輸出功率，觀察超聲振動對組織和裂紋的影響。當超聲振動器功率為150W時，雷射熔覆成形鎳基合金組織形態類似於未施加超聲振動時的組織，由外延生長的粗大樹枝晶組成，顯微鏡下觀察100mm範圍內裂紋條數為10條；當振動功率增加至250W時，原來發達的枝晶被打碎，變得短小，晶粒明顯細化，100mm範圍內裂紋條數減至6條；隨著振動功率提高至500W，熔覆層組織形態發生了明顯變化，枝晶分枝欠發達，大部分為胞狀樹枝晶，枝晶間硬脆的析出相減少，組織分布更加均勻，方向趨於一致，100mm範圍內裂紋條數為1條。
實施例3對鎳基合金粉末進行8層雷射熔覆成形試驗，雷射功率1.5KW，掃描速度120mm/min，成形過程中引入超聲振動並採用PID對熔池溫度進行閉環控制，振動頻率25KHz，振動功率500W，成形試件表面平整、無裂紋產生。
權利要求
1.一種雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法，其特徵在於，通過對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制和/或在成形過程中引入超聲振動對雷射熔覆成形裂紋進行控制，所述的對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制，具體為將熔化區發射的熱輻射作為測量對象，採用光學成像系統和PID控制器對熔池溫度進行閉環反饋控制，調節雷射器的功率使熔池的溫度與工件高度和幾何形狀無關，減少殘餘熱應力，控制成形裂紋；所述的在成形過程中引入超聲振動，具體為雷射熔覆成形時，在工件基體下方引入超聲振動，通過超聲振動改善熔覆成形組織，減少殘餘拉應力，減少和消除裂紋。
2.根據權利要求1所述的雷射熔覆成形裂紋的控制方法，其特徵是，所述的對熔池溫度進行閉環反饋控制，將熔化區發射的熱輻射作為測量對象，採用成像光學系統將熱輻射引導到光電二極體，光電二極體檢測光學信號並輸出一個模擬電壓信號，這個電壓信號作為實時值加到一個PID控制器上，由它調節雷射器的功率，雙色反射鏡與雷射束同軸。
3.根據權利要求1所述的雷射熔覆成形裂紋的控制方法，其特徵是，所述的在成形過程中引入超聲振動，將雷射熔覆成形基體固定在超聲振動器上，在成形過程中調節超聲振動器的輸出功率，超聲波通過基體傳遞給熔池，通過施加超聲振動，改善熔池液態金屬的流動性，使氣泡快速逸出，均勻化組織，減少縮孔，部分消除拉應力產生的根源，從而減少和消除熔覆層裂紋。
4.根據權利要求1或者3所述的雷射熔覆成形裂紋的控制方法，其特徵是，所述的超聲振動，振動頻率25KHz。
5.根據權利要求1或者3所述的雷射熔覆成形裂紋的控制方法，其特徵是，所述的超聲振動，振動功率為150-500W。
全文摘要
一種雷射材料加工技術領域的雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法，通過對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制和/或在成形過程中引入超聲振動對雷射熔覆成形裂紋進行控制，所述對雷射熔覆成形熔池溫度的閉環控制，具體為將熔化區發射的熱輻射作為測量對象，採用光學成像系統和PID控制器對熔池溫度進行閉環反饋控制，調節雷射器的功率使熔池的溫度與工件高度和幾何形狀無關，減少殘餘熱應力，控制成形裂紋；所述在成形過程中引入超聲振動，具體為雷射熔覆成形時，在工件基體下方引入超聲振動，通過超聲振動改善熔覆成形組織，減少殘餘拉應力，減少和消除裂紋。本發明適用於金屬零件的雷射熔覆成形及修復、以及雷射熔覆表面強化等相關技術領域。
文檔編號B23K26/00GK1737197SQ20051002930
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月1日 優先權日2005年9月1日
發明者鄧琦林, 宋建麗, 陳暢源, 胡德金 申請人:上海交通大學