採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法
2023-05-08 19:38:56
專利名稱：採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法
技術領域：
本發明屬於表面工程技術領域，涉及一種雷射熔覆的方法，具體涉及一種採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法。
背景技術：
熔覆層裂紋是雷射熔覆過程中的常見缺陷，嚴重製約了雷射熔覆技術的應用，一些高性能材料由於熔覆會產生裂紋而無法進行雷射熔覆，現有的雷射熔覆裂紋的控制方法主要有，在基體與熔覆層之間增加過渡層、在熔覆粉末中添加稀土元素、雷射熔覆前對基體材料預熱和熔覆後退火、雷射熔覆後機械錘擊以及雷射熔覆過程同步施加超聲振動。以上方法局限性較大，控制雷射熔覆層裂紋的效果均不明顯。許多關重件由於材料、使用環境或性能要求的特殊不允許增加過渡層或添加稀土元素，無法通過添加過渡層來防止裂紋；熔覆前預熱、熔覆後退火工藝不易操作，特別是對於一些較大工件較難實施；而機械錘擊只能改善熔覆層表面應力，在熔覆層裂紋控制上效果有限；上述三種方法都無法在雷射熔覆過程中同步施加，因此無法控制雷射熔覆過程中業已形成的裂紋。
發明內容
本發明的目的是提供一種採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法，解決了現有防止裂紋的方法受材料限制，對於一些較大工件較難實施，控制效果有限的問題。本發明所採用的技術方案是，採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法，具體按照以下步驟實施步驟1 對基體進行預處理，包括清洗、探傷，確定基體無裂紋及汙染物；步驟2 在步驟1得到的預處理後的基體上進行熔覆，熔覆功率為100W-10000W，掃描速度為100-5000mm/min，送粉率為3_80克/min，離焦量為-50_+50mm，在熔覆的過程中採用雙頻段超高頻諧振。本發明的特點還在於，其中的步驟2中的雙頻段超高頻諧振，具體按照以下步驟實施a.確定高頻振動源頻率和低頻振動源頻率，高頻振動源頻率卩^通過正交試驗確定，低頻振動源頻率Pte為基體的共振頻率；b.將高頻振動源觸頭與低頻振動源觸頭放置於雷射熔覆部位，使振動頻率可隨雷射熔覆光斑移動而作用於熔覆層上，調節高頻振動源頻率至1/4 1/3PS，同時打開高頻振動源與低頻振動源，並逐漸線性緩慢升高高頻振動源頻率，使其在雷射熔覆1/5時間時達到確定頻率Ps，低頻振動頻率Pte不變，保持兩種頻率相互協調作用並持續雷射熔覆；c.待到雷射熔覆大約4/5時間時，緩慢降低高頻振動源頻率，至雷射熔覆結束時降低到零，低頻振動頻率Pis不變，保持此頻率繼續作用至雷射熔覆結束後熔覆層溫度降到 50°C以下後停止。
其中的步驟a中的高頻振動源頻率Ps通過正交試驗確定，具體按照以下步驟實施正交試驗過程中選取雷射功率、熔覆速度、送粉率、離焦量這四個因素，正交水平參數按照實際數值範圍選取3-10個水平，實驗結果衡量高頻振動源頻率與雷射熔覆工藝參數的匹配性能，結果評價原則為在保證良好雷射熔覆效果的前提下，雷射熔覆層殘餘應力越低其評價值越高。其中的步驟2中的熔覆，採用固體雷射設備或者氣體雷射設備。本發明的有益效果是，在雷射熔覆過程中對工件雷射熔覆部位同步施加兩個不同頻率的振動源。高頻振動源的頻率通過耦合試驗確定使其與雷射熔覆工藝參數相匹配，低頻振動源的頻率為基體的共振頻率。兩個振動源通過振動臺或振動觸頭將振動傳遞於熔覆層，在雷射熔覆過程中相互協調作用，對雷射熔池進行攪拌加速其流動性，並消除熔覆層凝固及相變時產生的殘餘應力；相變結束後通過低頻振動源持續進行去應力作用。高頻振動可以對熔池產生強烈空化作用，增大形核率，細化晶粒；均化溫度場，減小應力；打碎枝晶，降低枝晶間拉應力，均化熔覆層化學成分；加速氣體逸出，減少熔池含氣量；而低頻振動可使雷射熔覆部位產生局部共振，最大限度的釋放熔覆層及結合區的殘餘應力；上述作用的效果是提高熔覆層力學性能並有效抑制偏析、裂紋等缺陷的產生，達到控制熔覆層裂紋的目的。同時在雷射熔覆過程中施加兩種不同頻率的振動源，兩者相互協調作用均化熔池以控制雷射熔覆過程中產生的裂紋，而低頻振動源可以在雷射熔覆過程及熔覆層相變結束後的一段時間內持續作用於熔覆層，使熔覆層產生諧振以去除殘餘應力，達到在熔覆過程中和熔覆層相變完成後一段時間雙重控制裂紋的目的。
圖1是本發明方法中超高頻諧振作用時間圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。本發明採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法，具體按照以下步驟實施步驟1 熔覆前對基體進行預處理，包括清洗、探傷，確定基體無裂紋及汙染物。步驟2 在基體上進行熔覆，採用固體雷射設備或者氣體雷射設備，熔覆功率範圍為100W-10000W，掃描速度範圍為100-5000mm/min，送粉率為3-80克/min，離焦量為-50-+50mm，在熔覆的過程中採用雙頻段超高頻諧振，具體按照以下步驟實施a.確定高頻振動源和低頻振動源頻率，高頻振動源頻率Ps通過正交試驗確定使其與雷射熔覆工藝參數相匹配；正交試驗過程中選取雷射功率、熔覆速度、送粉率、離焦量這四個因素，正交水平參數按照實際數值範圍選取3-10個水平，實驗結果衡量高頻振動源頻率與雷射熔覆工藝參數的匹配性能，結果評價原則為在保證良好雷射熔覆效果的前提下，雷射熔覆層殘餘應力越低其評價值越高，低頻振動源頻率Pte為基體的共振頻率。b.將高頻振動源觸頭與低頻振動源觸頭放置於雷射熔覆部位，使振動頻率可隨雷射熔覆光斑移動而作用於熔覆層上，調節高頻振動源頻率至(1/4 1/ Ps，開始雷射熔覆，同時打開高頻振動源與低頻振動源，並逐漸線性緩慢升高高頻振動源頻率，使其在大約雷射熔覆1/5時間時達到確定頻率Ps，低頻振動頻率Pte不變，保持此兩種頻率相互協調作用並持續雷射熔覆。c.待到雷射熔覆大約4/5時間時，緩慢降低高頻振動源頻率，至雷射熔覆結束時降低到零，低頻振動頻率Pis不變，保持此頻率繼續作用至雷射熔覆結束後熔覆層溫度降到 50°C以下後停止。如圖1所示，圖中Ps為高頻頻率，0 t段為雷射熔覆時間段，此時間段高頻諧振作用頻率走勢分為3段。1 2時間段內諧振頻率從(l/4-l/3)Ps緩慢增加到Ps，其中1 點頻率為(1/4 1/3)PS，2點頻率為Ps，此段持續時間約l/5t ；2 3段為超高頻諧振穩定作用時間段，頻率為Ps，到3點時雷射熔覆作用時間為大約2/3t ；3 t點諧振頻率緩慢降低，至雷射熔覆結束時降低到零。Pis為低頻振動頻率，雷射熔覆整個過程與高頻振動源都作用於雷射熔覆過程，而雷射熔覆結束後的降溫階段低頻振動源繼續作用(圖中4 5時間段)，到溫度降低到50°C以下停止。本發明採用雙頻段超高頻諧振進行雷射熔覆的方法，高頻諧振作用於整個雷射熔覆過程，可以對雷射熔池產生強烈空化、增加熔池的流動性、均化溫度場、減少熔池含氣量， 這些作用可以有效抑制偏析，降低枝晶間拉應力，細化晶粒等；低頻振動則作用於雷射熔覆過程及熔覆層冷卻過程，使雷射熔覆部位產生局部共振，最大限度釋放前期雷射熔覆相變過程積存的殘餘應力，上述兩種振動協調綜合作用，可以達到降低熔覆層應力，減少或去除熔覆層裂紋的顯著效果。通過此方法得到的雷射熔覆層應力及裂紋率與現有雷射熔覆層控制裂紋的方法得到的相關參數進行對比，熔覆層裂紋率可以降低50%以上，熔覆層拉應力可以降低40 % 以上。專利名稱《雷射熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法》，
公開日2006年2月22日，
發明者孫長濤, 張鏡斌, 李延安, 陳喜鋒, 雷其林, 魏剛 申請人:中國船舶重工集團公司第十二研究所