第38卷 第9期中 国 激 光
V ol.38,N o.92011年9月
CHINESE JO URNAL OF LASERS
September,2011
同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用
靳绍巍 何秀丽 武 扬 宁伟健 虞 钢
*
(中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室,北京100190)
摘要 为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。关键词 激光技术;激光熔覆;粉末浓度;能量衰减
中图分类号 T G665;T N249 文献标识码 A do i :10.3788/CJL 201138.0903005
Laser Powe r Attenuation by Powde r Flow in Coaxial Lase r Cladding
Jin Shaowei He Xiuli Wu Yang Ning Weijian Yu Gang
(Key La bor a tor y of Mecha n ics in Adva n ced Ma nu fa ctur ing ,Instit ut e of Mechan ics ,
Chin ese Aca dem y of Scien ces ,Beijing 100190,Chin a )
Abstract The laser power attenuation by powder flow in coaxial laser cladding is investigated numeric ally and experimenta lly.A steady model of powder concentration distribution is developed,considering the effect of substrate on gas -flow and rebound of powder particles.The relationship between powder conc entration and attenuation of laser power is ana lyzed.The effects of melt pool size and powder flow rate on a top hat la ser beam attenuation are investigated.Results indicate that power attenuation by powder flow with the effect of substrate c an be twice more than that without substrate.The attenuation is proportional to the powder flow rate and dec reases with the inc rease of melt pool size when the pool size is small.
Key wo rds la ser technique;la ser cladding;powder c oncentration;power attenuation OCIS co des 140.3390;350.3390;350.3850
收稿日期:2011-03-28;收到修改稿日期:2011-04-22
基金项目:国家自然科学基金重点项目(10832011)和面上项目(10972222)资助课题。
作者简介:靳绍巍(1984)),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆工艺力学与数值模拟方面的研究。E -mail:jsw10000@https://www.doczj.com/doc/11358180.html,
导师简介:何秀丽(1973)),女,副研究员,主要从事激光先进制造传输现象及工艺力学等方面的研究。E -mail:xlhe@https://www.doczj.com/doc/11358180.html,
*通信联系人。E -mail:gy u@https://www.doczj.com/doc/11358180.html,
1 引 言
激光熔覆技术是现有的重要表面改性技术之一,因其在材料性能、经济效益、环境效益等方面的优秀表现而日益受到重视。同轴送粉激光熔覆是激光熔覆技术的重要组成部分,具有稀释率低、合金混合性能好等优点[1]。在常见的载气式同轴送粉激光熔覆中,金属粉末由气体输运,并由外侧气流约束粉末流形状,使其投入到由激光照射基底表面而产生的熔池当中,粉末经快速的熔化及冷却后与基底冶
金结合,形成熔覆层。
这种同心圆或轴对称形式的喷嘴出口可以摆脱
对加工方向的依赖,但由于其结构所限,很难获得理想的聚焦粉末,所以熔覆效率较侧向送粉差[2]。而且在粉末到达熔池之前一定距离内存在粉末流、气流和激光束之间的相互作用[3~8]
,对于激光熔覆效率及熔覆质量有重要影响,其中粉末对激光的衰减率(或激光的透射率)是既重要但又难以获得的参数之一
[9]
。现有的数值或解析模型均没有考虑存在基
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中 国 激 光
底以及粉末受基底反弹后的浓度分布情况,而是通过调整吸收率等参数模拟实际加工状况,这不利于对整个过程的正确认识。鉴于此,本文建立了同轴送粉激光熔覆中粉末浓度分布的三维(3D)模型,模拟了稳态下存在基底及熔池时的粉末浓度分布,并通过粉末浓度与激光能量衰减率的关系,考察了不同熔池尺寸及送粉率条件下粉末浓度分布对激光衰减率的影响。
2 同轴送粉模型的建立
2.1 物理模型
激光同轴送粉熔覆过程中,激光器发出的光经过光纤传送至送粉头,经准直、扩束、聚焦等一系列过程从送粉头中间内环的空腔射出,送粉器输送要
熔覆的金属粉末从送粉头的中环喷出,同时在送粉头外环喷出惰性气体,兼有防止氧化和约束粉末流形状的作用。其基本原理如图1所示。影响最终熔覆质量的因素很多,为了建立适合本文研究对象的数学模型,采取如下假设
:
图1同轴送粉激光熔覆示意F ig.1Schemat ic of coax ial laser cladding
1)送粉通路足够长,载粉气和粉末在进入送粉头入口时速度相同,且方向垂直于入口平面。
2)忽略粉末之间的遮挡,即认为激光照射空间内所有的粉末均被照射,下层粉末不会处于上层粉末的阴影遮挡之下。
3)只考虑粉末的重力、浮力以及拽力,忽略粉末颗粒间的碰撞、压力、粘性等作用,忽略其他受力。4)认为粉末颗粒为球形,且激光束穿过粉末流时,不发生散射、衍射等作用。当粉末颗粒直径在80L m 左右时,Nd ,YAG 激光(波长1.06L m )照射到球形颗粒时散射角小于3b ,衍射作用可以忽略[10]。
5)不考虑激光能量对气、粉的作用。
6)不考虑激光束与基底的相对运动,认为熔池上表面在基底的投影是圆形,忽略熔覆道及熔池高
度对基底表面形状的影响。
经以上假设后,在垂直于激光传播方向的任一平面内,在任意位置处粉末对于激光能量的衰减(遮挡)系数可以表达为粉末云的横截面积与光束照射面积之比,即
A (x ,y,z )=
d S P
d S L
,(1)
式中d S L 表示激光照射面积微元,d S P 表示在d S L 内的粉末云的截面积,可表示为
d S P =d n P P d P
2
2
,(2)
式中d P 为粉末颗粒的平均直径,d n P 为在纵向d z 长度内d S L 截面内的粉末颗粒个数,可表示为d n P (z )=c(x ,y ,z )d x d y d z Q P @4
3
P (d P /2)3,(3)
式中Q P 为粉末颗粒密度,c(x ,y ,z )为粉末浓度。
在直角坐标系中,有
d S L =d x d y.(4)
由(1)~(4)式可得
A =
3c
2Q P d P
d z.(5)则总衰减率B 可表示为
B =
m 8
A I (x ,y ,z )d x d y d z Q
z
P 0d z ,
(6)
式中I (x ,y ,z )为激光束的能量密度,8为激光束的传播空间,P 0为激光束的初始功率。2.2 数值模型
2.2.1 计算区域选取
金属粉末经送入口进入送粉头后,在中环通道内经多次反射后从中环喷口喷出,最终落入熔池或被基底反弹而飞走。为了完整地考察这一过程,所建数值模型计算区域包含整个送粉头内部以及送粉头出口至基底的空间。根据送粉头尺寸建立了流场模拟计算区域如图2所示,以送粉头出口中心为原点,各坐标轴取向如图。由于其对称性,取实际部分的1/2计算即可。另外,在气流速度不大(远低于当地音速)时,内环空腔内的锥形壁面对内部气流的影响很小[11],故内环只取出口附近的一小段圆柱形壁面计算。
在模型中,按照激光束传播的形状划分了部分体积用于后处理,其形状可按双曲方程描述为
w (z )=w 01+
z -z 0
z R
2
,(7)
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靳绍巍等:同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量
的衰减作用
图23D计算区域示意
Fig.2Schematic o f3D computation domain
式中w0为光束的束腰半径,w为光束半宽,z R为光束的瑞利长度,z0为光束焦点位置。
2.2.2连续介质模型
对于连续介质,可由质量和动量守恒方程来描述。质量守恒方程为
5
5x i(Q u i)=0,(8)式中Q为气体密度,向量x i和u i分别代表位置和速度。惯性坐标系中的动量守恒方程为
5
5x j(Q u i u j)=-5P
5x i+
5S ij
5x j+Q g i+S i,(9)
式中P为静压,g i为重力矢量,S i为源项,S ij为应力张量,
S ij=
(L+L t)5u i5x
j
+
5u j
5x i-
2
3
L t5u i5x
i
D ij,
(10)
式中L为动力粘度;D ij为狄拉克算子,当i=j时D ij=1,当i X j时D ij=0;L t为湍流粘度,可定义为
L t=Q C L k2
E,(11)式中C L为经验常量,对于空气取0.09;k为湍流脉动动能,E为湍流脉动动能的耗散率,均由湍流模型中的标准k-E模型定义。
2.2.3固态相模型
对于固态颗粒项,因其体积分数小于总体积的10%,可以使用基于欧拉-拉格朗日模拟方法的离散相模型描述。离散相颗粒轨迹的拉式坐标系下的受力平衡微分方程为
d u P
i d t =F D(u i-u P
i
)+
g i(Q P-Q)
Q P+F i,(12)
式中u P
i
为颗粒速度,Q P为颗粒密度,F i为附加力,
F D(u i-u P
i
)为颗粒的单位质量拽力,可表示为[12]
F D=18L
Q P d2P C D Re
24
,(13)
式中d P为颗粒直径,Re为相对雷诺数(颗粒雷诺
数),其定义为
Re=
Q d P|u P-u|
L.(14)拽力系数C D采用的表达式为
C D=a1+
a2
Re
+
a3
Re
.(15)对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,(15)式中的a1、a2、a3为常数。
采用随机游走模型来计算由于流体湍流引起的颗粒扩散。考虑颗粒与流体的离散涡之间的相互作用,对湍流标准k-E模型,流涡团中流体脉动速度u c、v c、w c(假定其满足高斯概率密度分布)采样,有
(u c)2=(v c)2=(w c)2=2k/3,(16)式中带根号的量为当地速度脉动的雷诺应力。此时,流场中每一处的湍流动能都是已知量。涡团的特征生存时间可定义为常量
S e=2C L k/E,(17)对于标准k-E模型,由实验得经验值C L U0.15。
3计算结果与验证
3.1计算主要参数
计算的主要参数如表1所示,其中粉末为镍基碳化钨粉末,内环保护气和外环束粉气流均为空气,载粉气为氧气。
表1主要计算参数
T able1V alues of the input data
Q P/
(kg/m3)
Po wder
size/
L m
Shielding&
shaping g as
flo w/(L/min)
Carr ying
gas flow/
(L/min)
Po wder
flow/
(g/min) 1125740~1201054
对于粉末粒径的分布的表达,由Rosin-Ram mler分布拟合,表达式为
Y d=exp[-(d p/d m)n],(18)式中Y d为粉末样本中大于直径d p的颗粒的浓度,
d m为中位径,n为分布指数,本研究取d m=
101L m,n=5.47。
3.2衰减率计算结果及分析
3.2.1基底及其反弹作用的影响
在实际加工过程中,为了达到最大熔覆效率,基底位置一般在粉末焦点处,在本例中为送粉头下方10m m处。图3为无基底存在和有基底存在时过入粉口中心纵截面的粉末浓度分布结果。两种情况下光束传播空间内粉末浓度分布趋势大体相同,都是由上到下依次增加,并在焦点处达到最高,且在送0903005-3
中 国 激 光
粉头下方横截面内的粉末浓度均可划分为3种类型的区域,由上到下依次为环状浓度分布区、过渡区、高斯型浓度分布区[13]
,但两者在每一部分区域内的浓度数值有所差别,且越靠近焦点的位置相差越大,在焦点位置附近时相差可达2倍以上。还可以看出,两者在环状浓度分布区内浓度变化均不大,浓度在从环状区过渡到过渡区时迅速增加,说明由中环
送粉口喷出的粉末在此处开始汇聚。
图3无/有基底时入粉口中心纵截面粉末浓度分布F ig.3Po wder concent ratio n distr ibut ion alo ng the long itudinal cross -sect ion w ithout and w ith substrate
定义粉末浓度大于最大值的1-1/e U 63%质量分数时的浓度区域为粉末的高浓度区域。则有基底存在时,粉末的高浓度区域较无基底存在时径向直径以及轴向长度均增大2倍左右。这是由于有基底存在时,基底对气流的阻挡使基底附近的气压增大,气体流动减缓,粉末加速度减小,数量增加,从而使得粉末高浓度区域较无基底时变宽。而且靠近中心轴的粉末颗粒由于在垂直于中心轴方向的速度较小,故被基底反弹后大部分仍将经过基底上方中心轴附近的空间,甚至会多次落回碰撞基底,使得有基底存在时粉末的高浓度分布空间会比无基底存在时增加。粉末颗粒受反弹后,速度方向将会与气流方向相反,粉末受气流的减速作用,低速区的粉末颗粒个数也将会增加。综上所述,有基底存在时粉末的高浓度区域较无基底存在时范围和数值均有所增加。
本文中所取的激光光束截面能量分布为平顶形,激光的能量密度I 的分布只随z 变化。由(6)式计算可得无基底存在时,沿送粉头至粉末焦点处的总衰减率B = 2.81%(图3左)。有基底存在时,沿送粉头至粉末焦点处的总衰减率B =14.03%(图3右)。后者比前者高出约4倍,这是激光能量分布与粉末浓度分布共同作用的结果。3.2.2 熔池直径的影响
取3.2.1节有基底存在的模型,设在光束正下
方的基底处存在熔池,熔池表面中心与光束中心重合,到达熔池范围的粉末将不再参与浓度计算。改变熔池直径的大小得到熔池直径与激光衰减率之间的关系如图4所示,直径为零表示无熔池存在。由图4可见,在熔池直径不太大(小于2.5mm)时,衰减率与熔池直径成反比关系。这是因为反弹粉末的多少与熔池面积有关,其数量显然与熔池面积成反比。之后当熔池直径与粉末高浓度区域尺寸接近时(参见图3),二者之间的变化趋于平缓。这是因为大多数反弹后可能经过激光照射范围的粉末已被熔池吸收,外围粉末的反弹对光束传播空间内的浓度影响已经非常微弱。同时还可以看到,即使在熔池很大、被反弹的粉末不再对衰减率有所影响时,激光衰减率仍在6%左右,仍然大于不考虑基底的2.81%的两倍,这是由于上文提到的基底对气流场的改变使得粉末的浓度分布发生变化造成的。3.2.3 送粉率
选取3.2.2节中基底上有直径为1.5mm 的熔池粉末浓度模型,其他条件不变,改变送粉率得到送粉率与激光衰减率之间的关系,也在图4中给出。可以看到,激光能量的衰减率与送粉率近似成线性正比关系,即单位时间内进入送粉头的粉末颗粒越多,存在于激光束传播空间内的粉末颗粒也将越多。但是鉴于2.1节中假设3),本文所采取的模型对于载气式同轴送粉(送粉率一般较小)或大熔池尺寸的
情况吻合程度较好。
图4熔池直径及送粉率与激光衰减率之间的关系F ig.4Effect s o f melt poo l diameter and po wder flow on
laser po wer attenuation
4 激光衰减率的实验验证
首先对模型的有效性进行验证。由于考虑基底
反弹作用时的粉末流形状难于观测,本文只对无基底时的粉末流形状与模拟结果进行了对比,结果如
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靳绍巍等: 同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用
图5所示(彩图请见网络电子版)。左边为采用侧向白炽灯光照射下粉末流形状的照片,其中的红色部分为对应的激光光束范围,右边为对应参数下粉末流浓度及形状示意图。可以看出,模拟值与实验值的粉末流外观基本一致,粉末焦点位置基本相同,焦点以上的倒锥形浓度区域以及下方的快速分叉形浓度区域形状基本对应,
吻合情况良好。
图5无基底时粉末流照片与模拟结果对比Fig.5Co mparison betw een the experimental and simulated
results of pow der distr ibution without
substrate
图6无/有气流穿透熔池区域时速度分布示意Fig.6Velocit y distributio n w ithout/with melt
poo l ex istence
因为现有条件下无法直接测量有熔池存在时粉末对激光的衰减率,所以对有基底和熔池存在时的衰减率的实验采用模拟方法。选取3.2.2节中基底上有直径为1.5mm 的熔池的粉末浓度模型,将熔池所在区域的边界条件设为压力出口,则有熔池对气流阻挡和无熔池对气流阻挡两种情况下速度场的分布如图6所示,两者的速度场仅在左下角即熔池上方很小的范围内有所差别,说明在熔池尺寸比较小的情况下,两者的速度场近似相同。而空间中的粉末浓度分布主要受重力场和气流场的影响,可以预见两者的浓度分布差别也会很小。由(6)式可得后者的总衰减率B =8.18%,模型中从孔中穿出的粉末总质量浓度为2.55kg /m 3,假设这些粉末均经过孔下方11.5mm 长度内的激光束传播空间(与实
验相对应),按其体积取均值可得补偿的衰减率B c =0.84%,则新的总衰减率为9.02%。
对激光衰减率的验证实验采用Nd ,YA G 连续激光器,其波长为1.06L m 。验证对比实验设计如图7所示。在同轴送粉装置正下方与送粉头喷嘴距离10m m 粉末焦点处放置一带有1.5m m 直径圆孔的不锈钢平板,板厚1.5mm,孔中心与激光光束中心重合,在板下方10mm 处由一侧吹气体喷嘴将粉末颗粒从侧向吹走,在送粉头正下方合适位置放置激光功率计,其读数与出光功率相比较即可得粉末对激光的衰减率。侧吹气体喷嘴出口为细长形,出口很薄,侧吹气流量为55L/min,可以形成厚度小于1mm 的质量较好的气帘。为了防止器材损坏并满足忽略激光热作用对粉末和气流影响的条件,出光功率为50W 。为了修正功率读数偏移,激光初始功率以无送粉时的激光功率计读数为准。另外,作为对比在同轴送粉装置正下方与送粉头喷嘴距离21.5mm 处放置一侧吹气体喷嘴直接将粉末颗粒从侧向吹走,
其余过程相同。
图7有/无反弹作用衰减率实验示意
F ig.7Schematic of laser pow er attenuation experiment
w ith and w ithout pow der rebo und
实验结果如表2所示,其中的读数为多次长时间(大于60s)测量的平均结果。P 0表示无粉末时的功率计读数,P p 表示有粉末时功率计读数,B 表示实验衰减率,B 表示模拟衰减率。由结果可见实验值与模拟值吻合良好,在做了一定的修正假设后,两者的相对误差在5%左右,证明了所建模型的有效性。
表2粉末反弹实验对比结果
T able 2Ex per imental result o f laser pow er at tenuatio n
w ith/witho ut po wder r ebound
P 0/W
P p /W B B W ith po wder rebound 49.2144.609.359.02W ithout po wder
rebound
49.22
47.22
3.45
3.67
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中国激光
5结论
研究了同轴送粉激光熔覆中粉末浓度分布与粉末对激光能量衰减率之间的关系,建立了可适用于任意激光光强、光束形状及粉末流形状的激光衰减率模型。利用数值模拟方法得到了沿激光束传播空间的粉末浓度分布,计算了不同送粉率及熔池直径下的激光能量衰减率。主要结论如下:
1)有基底存在时,气流场分布会发生改变,粉末会受到基底的反弹作用,使得粉末浓度增大,粉末对激光束能量的衰减率增加。
2)有基底存在时,粉末浓度在激光束传播空间内的分布趋势与无基底时相似,都存在同轴送粉浓度分布的3种特征区域,但越接近粉末焦点,区域的数值相差越大,最大可达4倍。
3)当熔池尺寸小于粉末高浓度区域尺寸时,熔池面积与衰减率成反比关系;当熔池尺寸与粉末高浓度区域尺寸接近时,熔池继续增大将不再对衰减率产生明显影响。
4)当粉末的浓度较小、粉末间的相互作用可忽略时,送粉率与衰减率近似成线性正比关系。
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2125~2134
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第38卷 第9期中 国 激 光 V ol.38,N o.92011年9月 CHINESE JO URNAL OF LASERS September,2011 同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用 靳绍巍 何秀丽 武 扬 宁伟健 虞 钢 * (中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室,北京100190) 摘要 为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。关键词 激光技术;激光熔覆;粉末浓度;能量衰减 中图分类号 T G665;T N249 文献标识码 A do i :10.3788/CJL 201138.0903005 Laser Powe r Attenuation by Powde r Flow in Coaxial Lase r Cladding Jin Shaowei He Xiuli Wu Yang Ning Weijian Yu Gang (Key La bor a tor y of Mecha n ics in Adva n ced Ma nu fa ctur ing ,Instit ut e of Mechan ics , Chin ese Aca dem y of Scien ces ,Beijing 100190,Chin a ) Abstract The laser power attenuation by powder flow in coaxial laser cladding is investigated numeric ally and experimenta lly.A steady model of powder concentration distribution is developed,considering the effect of substrate on gas -flow and rebound of powder particles.The relationship between powder conc entration and attenuation of laser power is ana lyzed.The effects of melt pool size and powder flow rate on a top hat la ser beam attenuation are investigated.Results indicate that power attenuation by powder flow with the effect of substrate c an be twice more than that without substrate.The attenuation is proportional to the powder flow rate and dec reases with the inc rease of melt pool size when the pool size is small. Key wo rds la ser technique;la ser cladding;powder c oncentration;power attenuation OCIS co des 140.3390;350.3390;350.3850 收稿日期:2011-03-28;收到修改稿日期:2011-04-22 基金项目:国家自然科学基金重点项目(10832011)和面上项目(10972222)资助课题。 作者简介:靳绍巍(1984)),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆工艺力学与数值模拟方面的研究。E -mail:jsw10000@https://www.doczj.com/doc/11358180.html, 导师简介:何秀丽(1973)),女,副研究员,主要从事激光先进制造传输现象及工艺力学等方面的研究。E -mail:xlhe@https://www.doczj.com/doc/11358180.html, *通信联系人。E -mail:gy u@https://www.doczj.com/doc/11358180.html, 1 引 言 激光熔覆技术是现有的重要表面改性技术之一,因其在材料性能、经济效益、环境效益等方面的优秀表现而日益受到重视。同轴送粉激光熔覆是激光熔覆技术的重要组成部分,具有稀释率低、合金混合性能好等优点[1]。在常见的载气式同轴送粉激光熔覆中,金属粉末由气体输运,并由外侧气流约束粉末流形状,使其投入到由激光照射基底表面而产生的熔池当中,粉末经快速的熔化及冷却后与基底冶 金结合,形成熔覆层。 这种同心圆或轴对称形式的喷嘴出口可以摆脱 对加工方向的依赖,但由于其结构所限,很难获得理想的聚焦粉末,所以熔覆效率较侧向送粉差[2]。而且在粉末到达熔池之前一定距离内存在粉末流、气流和激光束之间的相互作用[3~8] ,对于激光熔覆效率及熔覆质量有重要影响,其中粉末对激光的衰减率(或激光的透射率)是既重要但又难以获得的参数之一 [9] 。现有的数值或解析模型均没有考虑存在基 0903005-1
实验12 激光熔覆 一、实验目的 1、熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法； 2、了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴； 3、用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良 好的熔覆层； 4、测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。 二、实验原理 激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。工艺设备原理 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---
预热---激光熔化---后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。 三、实验设备 YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。 四、实验步骤 1.预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用； 2.在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置； 在送粉器中加入适量的NiCrSiB合金粉末； 3.将试样平放在工作太平面上； 4.启动数控机床，移动激光工作头至试样上面，调节Z轴高度使喷嘴离试样距 离约为1.5mm； 5.启动激光器； 6.改变激光功率1000-2000W，改变扫描速度2-7mm/s，改变送粉速度6-13g/s， 进行送粉激光熔覆实验，得到不同结果的激光熔覆层；观察实验过程中的实验现象； 7.关闭激光器，关闭水冷机组，关闭数控机床；清理送粉器中的残留粉末；关 闭送粉器电源； 8.待试样冷却后用游标卡尺测量各种熔覆层的高度和宽度，观察记录熔覆层的 外观形貌； 9.观察描画相近工艺参数处理的试样快熔覆层的显微组织。 五、实验数据处理及分析 1.功率对熔覆层外观形貌的影响
激光熔覆粉喷涂机 本实用新型为解决目前在激光表面处理之前需对工件喷涂熔覆粉而缺少相应的设备，提供一种能进行编程的、全方位的、涂层均匀的激光熔覆粉喷涂机。 采用的技术方案是： 激光熔覆粉喷涂机包括机座、传动装置、喷涂装置、气路控制机构，其结构要点是： 所述的喷涂装置包括喷具小车、旋转环、喷枪立壁，喷具小车底座的下部四角固定连接有四个滑块，四个滑块设置在上导轨座的轨面上；在喷具小车的底座上面装设一固定环，在固定环上面连接一旋转环，在固定环与旋转环之间活动连接一锁紧压板，在旋转环的上面固定连接一喷枪立壁，喷枪立壁的顶端与横臂的一端通过销轴活动连接，在喷枪立壁的中部装设一气缸座，气缸活塞杆的顶端铰接在横臂的中部。横臂的前端装设一调角器，调角器上紧固连接一喷枪固定架，喷枪固定架上装设有双轴气缸及喷枪，双轴气缸的双活塞杆的顶端同时与喷枪勾机铰接。 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化的涂料本发明的目的在于提供一种高功率CO2激光器快速扫描在冶金热轧辊表面获得高性能合金化层的涂料。 采用的技术方案是： 本发明为一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化的涂料，其特征在于该涂料是由碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬混合均匀配制而
成，其各成份的重量百分比为：碳化硼40—70%、碳化钨15—30%、碳化钛0—15%、碳化铬5—20%。 上述纳米碳化物陶瓷材料碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬的尺度为30—200纳米。 本发明选用的陶瓷材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和的化学稳定特性，以及高温下优良的力学性能。而且，陶瓷材料在激光的照射下几乎能吸收激光的全部光能。 碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬都是具有许多优良性能的重要的陶瓷。 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高功率CO2激光器快速扫描在冶金热轧辊表面获得高性能合金化层工艺。该工艺不仅可以大大提高轧辊表面的硬度，减少轧辊使用的磨损量，而且还可以带来较大的经济效益。 采用的技术方案是： 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺，其要点在于它包括以下工艺过程： -1- （1）首先机加工轧辊去掉表面疲劳层，得到所需尺寸和形状。然后对激光将要辐照处理的一面进行研磨，去油污和适当的清洗。 （2）用酚醛树脂粘接剂将纳米碳化物陶瓷涂料混合均匀，然后均匀地涂在预处理后的轧辊表面，预涂厚度为0.01～0.05mm，然后
激光熔覆实验报告 1.实验目的 1)熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法； 2)了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴； 3)用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良好的熔 覆层； 4)测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。 2．实验原理 激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。 工艺设备原理 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。 3．实验设备 YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。 4．实验步骤 1)预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用； 2)在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置；在送粉 器中加入适量的NiCrSiB合金粉末；
Applied Physics 应用物理, 2018, 8(7), 331-335 Published Online July 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/11358180.html,/journal/app https://https://www.doczj.com/doc/11358180.html,/10.12677/app.2018.87042 The Study and Application in Roller Surface Repaired of Laser Cladding Technology Rui Zhou Rizhao Company in Shandong Iron and Steel Group, Rizhao Shandong Received: Jul. 3rd, 2018; accepted: Jul. 16th, 2018; published: Jul. 23rd, 2018 Abstract Laser cladding technology is a new type of surface engineering technology. The research status of the laser cladding is summarized, and the existing problems and solution of the technology are re-viewed. Finally, the development trend and industrial application prospect of the technology in the future are put forward. Keywords Laser Cladding, Coating Properties, Powder Particles, Lasers 激光表面熔覆技术的研究及其在轧辊表面修复中的应用 周瑞 山东钢铁集团日照有限公司，山东日照 收稿日期：2018年7月3日；录用日期：2018年7月16日；发布日期：2018年7月23日 摘要 激光熔覆技术是一种新型的表面工程技术。本文介绍了激光表面熔覆技术的研究现状，提出了激光表面熔覆技术领域存在的主要问题及解决途径，展望了激光表面熔覆技术的发展趋势及工业应用前景。 关键词 激光熔覆，熔覆层性能，粉末材料，激光器
目录 1 绪论 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。 1.1 前言 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2 课题背景的与现状................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.1 国外研究情况............................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 国内研究情况............................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 送粉技术现状及存在的问题................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.1 送粉方式....................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.2 目前送粉技术存在的问题........................................................... 错误！未定义书签。 2 计算流体学的基本原理....................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1 流体力学基本方程................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.1 质量守恒定律............................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.2 动量守恒方程............................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.3 能量守恒方程............................................................................... 错误！未定义书签。3FLUENT软件介绍 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1FLUENT软件概述 .................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1.1 网格划分技术............................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2 软件的灵活设置........................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.3 软件的基本构成........................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.4 计算类型及应用领域................................................................... 错误！未定义书签。 4 同轴送粉喷嘴模型的建立................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1 同轴送粉喷嘴模型................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 同轴送粉模拟计算前处理....................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.1 同轴送粉喷嘴建模....................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 划分网格....................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.3 设定边界类型............................................................................... 错误！未定义书签。 4.3 同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤............................................................... 错误！未定义书签。 5 汇聚过程的计算结果与分析 (17) 5.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析 (17) 5.2粉气同角时汇聚特性数值模拟 (17) 5.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响 (17) 5.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响 (21) 5.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟 (24) 5.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响 (24) 5.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较 (27) 致谢 .......................................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。附录 .......................................................................................................................... 错误！未定义书签。
1．目的和意义 在激光再制造技术中，激光熔敷是其基础。激光熔敷是利用高能密度的激光束所产生的快速冷凝过程，在基材表面形成与基材相互融合的且具有完全不同成分与性能的合金熔敷层。激光打在基体表面，高温使基体局部融化形成熔池，合金粉末落入熔池被融化，同时又快速冷却与基体一起形成熔敷层。影响熔敷层质量的好坏，不仅取决于材质特性和激光工艺参数，而且与落入熔池内的粉末均匀性密切相关。 送粉器的功能是按照工艺要求向加工部位均匀、准确地输送粉末，因此送粉器的性能将直接影响着熔敷层的质量。不好的送粉性能可以导致熔敷层厚薄不均匀、结合强度不高等。随着激光熔敷越来越多的应用，对送粉器的性能提出越来越高的要求。尤其是超细粉末的大量使用，要求送粉器能均匀连续的输送超细粉末以及超细粉与普通粉组成的混合粉末，并能远距离送粉，因此开发新型的适合此要求的送粉器是十分必要的。 针对现有技术的不足之处，设计了激光再制造双料斗送粉器,解决了超细送粉和混合送粉的难题，成功实现超细粉末的连续均匀送粉。同时利用双料斗贮存不同粉末，当需要混合送粉时两斗同时送粉，在气流作用下均匀混合，实现稳定的混合送粉及远距离送粉。 该系统可以大量应用于冶金、石油、铁路、航空行业中大型、重要零部件的激光修复，如大型柴油机曲轴、冶金轧辊、发动机叶片等，具有非常广阔的市场前景。 2．送粉器的研制现状及其性能比较 送粉器是激光再制造技术中的一项关键技术。而对于送粉器的研究，其历史不是很久，现在国内外已研制出几种类型的激光熔敷送粉器。根据送粉方式的不同，目前主要采用的送粉器主要有以下几种：螺杆式、刮板式、鼓轮式、流化式和雾化式送粉器。 2.1 螺杆式送粉器 螺杆式送粉器是根据机械力学原理工作的。图2-1是其原理图，由螺旋杆、料斗、粉桶、混合器和振动器组成。螺旋杆由电机驱动旋转，带动粉末沿着粉桶内壁螺旋槽运动，并输送到混合器中。混合器中的载流气体将粉末以流体的形式
激光熔覆技术 激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。 激光熔覆技术 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时,各参数之间也相互影响,是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。 随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护, 如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作,国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平,国内在控制方面的研究还处在起步阶段,控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道,对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。 激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快，应用领域广范。
激光熔覆技术在行业中的应用 1、涡轮动力设备修复和改造 在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备，例如：汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、高炉透平发电TRT、烟气轮机、发电机、往复式压缩机、飞机发动机、地面燃机、水轮机、制氧机、水泵、柴油机、工业透平、增速机等等。特别是70年代末以来引进的大量进口涡轮转动设备（机组），经过长周期各种工况条件下服役，因腐蚀、磨损和疲劳等因素，所有设备（机组）均存在着使用中的损伤失效，有的则处在报废或即将报废状态。而常规的技术和工艺方法不能，也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备（机组），稍有失误将造成设备（机组）失效和破坏，从而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。 在钢铁冶金行业，涡轮转动设备（机组）是提供能源和动力的载体。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机（风机），单级、多级离心鼓风机、引风机、除尘风机、H型氧压机、氮压机、螺杆压缩机、自备电厂的各种型号汽轮机、高炉能量回收使用的单级、双级透平发电TRT机组、各种发电及电动机、大型水泵等涡轮动力设备。再制造工程技术为这些重大关键设备（机组）提供了安全可靠，质量保障，性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用，又使再制造工程技术得到发展。例如，2007年11月份，天津大族烨峤激光公司应用再制造工程技术和激光熔覆仿形技术修复津西钢铁公司AV40-12型轴流压缩机的动、静叶片；2008年3月份，修复津西钢铁公司2MPG4.5-175/145型高炉透平“一拖二”式TRT机组的动、静叶片并进行两台机组的拆装、调试和检测的全方位“交钥匙”工程。现在，经修复的两台机组已经投入生产服役，运行良好，平稳可靠。而且，采用激光熔覆仿形技术修复后的两台机组的所有动、静叶片都可比原设计制造的新叶片提高使用寿命50-100%，仅此两台设备可为津西厂节省约500多万元维修资金。 近两年来，采用再造应用工程技术和激光熔覆技术及快速成形技术等高新技术为宝钢、鞍钢、本钢、首钢、武钢、唐钢、太钢、攀钢、包钢等全国近95%钢铁企业修复和改造大量的涡轮转动设备（机组），特别是各种进口的关键机组（设备）。为各企业保障设备的正常有效运转，提高了设备的使用寿命，延长了其服役周期。同时，也为钢铁行业各企业节约了大量维修费用，创造了可观的经济效益。 2、高载荷、低转速、高精度、高合金零部件的修复和强化 钢铁企业炼钢、各种热轧、冷轧生产线、镀锌线等生产过程中使用着大数量的高载荷、低转速、高精度、高合金的承载设备，其零部件在生产工况环境下服役，产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废。而这些大量的设备零部件在钢铁生产中形成了最大的生产消耗，占据着非常大的生产成本和资源浪费。据初步估算，全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件，甚至因零部件无法使用报废或者更换整机，必须储备大量的备件，占用巨额的资金和资源。同时，损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理，如此连锁叠加造成的资源和资金浪费非常惊人。 激光熔覆技术、激光快速成形制造技术、激光纳米合金化和表面强化技术等高科技技术的有效应用，为这类设备和零部件的修复再造开辟了一条崭新的途径。既能使失效或报废设备及零部件“起死回生”，又可以使新品延长使用寿命，甚至可以达到多寿命周期的效果。例如：在冷、热轧钢各种生产线上使用的传动接轴、叉头、中间轴、传动齿轮、万向节、扁头套、轧辊轴、飞剪、辊端轴套、卷取机弹簧座箱，减速机齿轮轴和壳体等等大量易磨损和疲劳零部件，经过激光仿形熔覆技术和快速成形技术修复后，使用性能恢复了原有新件的技术指标。
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120261205 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟 董辰辉1,2 姚建华1,2 胡晓冬1,2 陈智君1,2 1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,浙江杭州310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心,浙江杭州310014 摘要 根据Navier 2Stokes 方程,采用COMSOL Multiphysics 软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数值模拟。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小、压强增大、相应的气流流量减小,并得到了气流汇聚点距喷嘴的距离。 关键词 激光技术;同轴送粉;三维流场;数值模拟;Navier 2Stokes 方程;喷嘴 中图分类号 TN249;TF124 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0261 Th ree Di me ns i o n al N u me rical Si m ul a t i on of Coa xi al P ow de r Feedi n g Fl ow wi t h Ca r r yi n g Gas Dong Chenhui 1,2 Y ao J ianhua 1,2 Hu Xiaodong 1,2 Chen Zhijun 1,2 1 Key L abor a tor y of Mecha nical Ma n uf act u re a n d Autom a tion ,M u nist r y of Ed ucation ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou ,Zheji a ng 310014,Chi n a 2 Resea rch Cen ter of L aser Processi ng Tech nology a n d Engi neeri ng ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou , Zheji a ng 310014,Chi n a Abs t r act The three 2dimensional incomp ressible Navier 2Stokes application mode of COMSOL Multiphysics software is used for modeling and simulating the coaxial powder feeding flow with carrying gas in this article.The dist ributing of velocity field and p ressure of flow is studied.Numerical simulations show the cladding layer results in the decrease of velocity and flow of gas ,and the increase of p ressure.The distance between the powder head and the convergent point of gas is calculated. Key w or ds laser technique ;coaxial powder feeding ;three dimensional flow ;numerical simulation ;Navier 2Stokes equation ;nozzle 收稿日期:2009203223;收到修改稿日期:2009204203 基金项目:科技部国际合作项目(J G 2JD 22008001),浙江省自然科学基金(Y107489)和浙江工业大学教改项目资助课题。 作者简介:董辰辉(1983—),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模拟方面的研究。E 2mail :dch_1209@https://www.doczj.com/doc/11358180.html, 导师简介:姚建华(1965— ),男,博士,教授,主要从事激光先进制造与加工技术等方面的研究。E 2mail :laser @https://www.doczj.com/doc/11358180.html, 1 引 言 激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺。载气式同轴送粉是实现激光熔覆的关键技术之一,它主要依靠载气的动能把粉末均匀、稳定地输送出去,辅之以气体动力分散和运输,使粉末分散均匀、运输流畅,且能够重点解决立体送粉和合金粉末的长距离输送问题。同轴送粉中粉末流与激光束同轴输出,能够将粉末均匀分散成环形,再汇聚后送入聚焦的激光光束中,并很好地适应扫 描方向的变化,具有激光熔覆技术所需要的各向同性的功能。在载气式同轴送粉系统中,金属粉末流 存在能量、动量和质量输送物理过程,它们直接决定熔覆层的尺寸、精度和性能,因此需要对其粉末流场进行深入的研究。 工业应用中有许多与载气式同轴送粉激光熔覆相似的工艺,如冷喷涂等,对这些类似的工艺过程中的两相流动,人们从理论到实践进行了研究[1]。此外,J ehnming [2]研究了雷诺数为2000时,同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动,计算和分析粉末流浓度的
第五章 激光延寿技术 5.1激光熔覆表面处理技术 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。 HO H O H +→)(2汽2 CO M C O M y x +→+
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。 1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响 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Al 2O 3,采用单道熔覆。 1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响 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)%(560)(323C O B WO Ni a +++) %(1060)(323C O B WO Ni b +++
激光熔覆技术的研究现状及应用 陈宝洲 （南华大学机械工程学院湖南衡阳邮编：421001） 摘要：本文逐次介绍了激光熔覆技术的原理、特点、材料体系、激光熔覆存在的问题、激 光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施，阐述了其工业应用，最后分析了其发展趋势。 关键词：激光熔覆；材料体系；应用 Laser cladding technology research and Application Chen Baozhou (College of Mechanical Engineering, University of South China, Heng Yang, 421001, China) Abstract: This paper introduces the technology of laser cladding by the principle, characteristics, material system, the problems of laser cladding, laser cladding crack causes and prevention measures, and expounds its application in industry, finally analyzes its development trend. Key words: laser cladding; material system; application 1 引言 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热 影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化 等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨 性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以 用于废品件的处理，大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件，所 需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、 军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的 质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、 送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙 度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一 个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允 许的范围内。 随着控制技术以及计算机技术的发展，激光熔覆技术越来越向智能化、自动 化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆，经过X 和Y两个方向同时运动的二维熔覆，到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔 覆构造金属零件发展。如今，已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路 系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程 参数检测系统，集成构筑了闭环控制系统，直接制造出金属零件。标志着激光熔 覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专 利的形式进行保护，如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。 国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单