一種雷射微熔凝彌合金屬表面微裂紋的方法與流程

2023-10-18 08:18:04 2

本發明涉及雷射微加工領域，尤其涉及一種雷射微熔凝彌合金屬表面微裂紋的方法。

背景技術：

金屬零部件在加工或使用過程中，由於材料自身特性、加工過程或者使用過程中產生應力、腐蝕、磨損等，使工件表面產生尺寸為納米量級或者微米量級的微裂紋。例如：硬質合金呈脆性，且自身硬度較高，在加工成刀具的過程中表面容易產生微裂紋，從而影響刀具使用壽命；汽輪機或水輪機的葉片的在工作過程中受到流體的衝擊，長期運行後，葉片表面會產生疲勞裂紋。以往，這些帶有微裂紋的零部件，或者被報廢拋棄，或者「帶傷」繼續使用直至徹底無法使用後被報廢拋棄，造成能源和材料的浪費。因此，對帶微裂紋零部件進行裂紋修復，對節約成本、提高工件的利用率，以及節能環保都非常必要。

目前，金屬表面裂紋修復的方法眾多，針對不同尺度的裂紋，選擇修復的方法也不同。如機械類重錘敲擊技術，通過對金屬表面施加高應力載荷，改變金屬表面應力狀態，減緩甚至消除金屬表面的裂紋擴張，在一定程度上可延長工件使用壽命。電化學類的方法主要有：離子注入，電鍍等。離子注入法是指在真空系統中，將經過加速的要摻雜的原子，通過離子注入法注入微裂紋區域，在微裂紋區形成一個具有特殊性質的表面層，從而修復金屬工件表面的微裂紋。電鍍法是利用電解原理在一些金屬工件表面微裂紋鍍上一薄層其它金屬或合金來修復工件表面微裂紋。但是，機械類重錘敲擊的方法在減緩或消除裂紋擴張的同時，會嚴重改變工件表面形貌甚至工件的形狀，離子注入或電鍍之類的方法在工業推廣方面成本都比較高。

雷射加工由於具有無接觸、無切削力、加工柔性度高、可控性強、無汙染等特點，近年來備受關注。利用雷射修復金屬表面微裂紋的技術得到了快速發展，如雷射衝擊再製造，雷射熔覆等。雷射衝擊再製造是利用雷射誘導衝擊波對損傷區域進行衝擊，通過注入有益殘餘壓應力提高材料表面力學性能，從而使金屬表面疲勞裂紋得以修復；雷射熔覆修復金屬工件表面微裂紋的方法是通過在金屬工件表面微裂紋區域添加熔覆材料，並利用雷射的熱效應使之與基材表面薄層一起熔凝，在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層從而修復金屬表面微裂紋。

中國專利公開號：cn104962723a，公開了一種雷射衝擊修復金屬裂紋的方法，先對金屬器件表面裂紋採用微膠囊粘合劑填充裂紋，再用雷射衝擊強化的方法對金屬表面裂紋進行修復，當對填充了微膠囊粘合劑的金屬裂紋及周圍區域進行雷射衝擊強化時，微膠囊粘合劑在雷射衝擊波壓力的作用下，囊壁發生破裂，修復劑和固化劑流出、混合從而粘接裂紋，達到理想的粘接效果，修復金屬表面裂紋。中國專利公開號：cn105803453a公開了一種雷射熔覆修復微裂紋的方法，利用同軸噴霧式方法，先在金屬微裂紋表面鋪上一層粉末，再用雷射對粉末區域進行燒蝕，使粉末熔化覆蓋在金屬裂紋表面，從而達到修復金屬表面裂紋的效果。上述修復裂紋的方法對尺寸有一定的要求，微膠囊或者熔覆的粉末的顆粒在一定程度上限制了裂紋的尺寸，要求裂紋的尺寸比微膠囊的尺寸或者粉末顆粒的尺寸大，而且無論是微膠囊或是粉末顆粒與原材料可能不是同種材料，與基材結合後，存在物性不匹配問題，會影響裂紋修復的效果。

技術實現要素：

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種雷射微熔凝彌合金屬表面微裂紋的方法，通過利用雷射束掃描金屬工件表面，使微裂紋區域微熔化從而達到彌合金屬表面微細裂紋的效果。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種雷射微熔凝彌合金屬表面微裂紋的方法，使用雷射束掃描金屬工件表面微裂紋區域，利用雷射的熱效應使金屬工件表面微裂紋區域微熔化形成金屬液體，所述金屬液體發生流動，流入微裂紋區域後再凝固，從而達到彌合金屬表面裂紋的效果。

優選地，所述雷射束為長脈衝雷射束或者連續雷射束，以實現金屬工件表面微裂紋區域微熔。

優選地，所述長脈衝雷射的脈衝寬度大於百微秒。

優選地，所述雷射束平均功率密度應該處於1*10^5w/cm^2～10*10^5w/cm^2，確保金屬工件表面微熔化，金屬工件表面形狀和尺寸精度不能發生明顯變化。

優選地，所述金屬工件表面微裂紋尺寸在納米或者微米量級。

本發明的有益效果：

1)本發明與現有雷射衝擊修復裂紋技術和雷射熔覆修復裂紋技術相比，本加工方法無需外加材料，節約成本；

2)合理選擇雷射參數可以保證金屬工件表面形狀和尺寸精度無明顯改變，並且該方法工藝簡單，方便操作，生產效率高，無環境汙染；

3)由於能量源為雷射，特別易於實現自動化生產；節約資源和成本，有利於工業上大規模推廣。

附圖說明

圖1為本發明帶有裂紋的金屬工件試樣示意圖。

圖2為本發明所述雷射束輻照金屬工件表面微熔化示意圖。

圖3為本發明所述金屬工件裂紋彌合示意圖。

其中：1：雷射束，2：金屬工件，3：金屬液體。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。

本發明所述的一種雷射微熔凝彌合金屬表面微裂紋的方法為：使用脈衝寬度大於百微秒的為長脈衝雷射束或者連續雷射束掃描金屬工件表面的微裂紋區域，微裂紋尺寸在納米或者微米量級，利用雷射的熱效應使金屬工件表面微裂紋區域微熔化形成金屬液體，所述金屬液體發生流動，流入微裂紋區域後再凝固，從而達到彌合金屬表面裂紋的效果。所述雷射束的平均功率密度應該處於1*10^5w/cm^2～10*10^5w/cm^2，確保金屬工件表面微熔化，金屬工件表面形狀和尺寸精度不能發生明顯變化。

如圖1所示，本實施例以304不鏽鋼工件2表面的疲勞裂紋為例，304不鏽鋼工件2表面帶有許多寬度在納米到微米量級的細紋裂紋，實驗採用spi光纖雷射器，實驗採用的雷射1的參數為脈衝寬度500μs，雷射功率20w，重複頻率1khz，雷射束1通過焦距為30mm聚焦透鏡聚焦到304不鏽鋼工件2的表面,304不鏽鋼工件2的表面光斑直徑60μm。將上述雷射束1以2.5mm/s的掃描速度橫向掃描304不鏽鋼工件2表面的微裂紋區域，長脈衝雷射的熱效應使304不鏽鋼工件2表面的微裂紋區域發生微熔化，微熔化的304不鏽鋼液體流入微裂紋區域後再凝固，從而達到彌合304不鏽鋼工件2表面微裂紋的效果。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。