CN101869986A - 一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置及方法 - Google Patents

一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置及方法，该装置的振动台上设有弹簧片，弹簧片下方固定有温控加热带，温控加热带与温度控制仪连接；振动发生器通过振动臂和振动头与弹簧片连接；弹簧片为平板状，待熔敷金属板固定在弹簧片上。该方法将所需粉末涂覆在待熔敷金属板上，将待熔敷金属板置于振动工作台，在待熔敷工件下方布置温控加热带，使整个工件处于80-420℃范围内，启动振动装置驱动工件振动，振动频率为20-200Hz，使用CO2激光器扫描，进行振动条件下的激光熔敷。本发明有效的抑制了现有激光熔敷技术中气孔和裂纹的形成，并且可以改善熔敷层及界面组织，提高熔敷层的耐磨损、耐腐蚀、耐高温等性能。

Description

一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光表面改性方法。
技术背景
现代工业应用对金属材料的综合性能要求越来越高，同时要最大程度的降低生产成本。激光熔敷可以在廉价合金表面生成具有所期望成分和性能的表面层，从而提高材料的表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化、耐热性等，使廉价合金得到更广泛应用，降低制造成本。激光熔敷是将具有特殊性能(如耐磨、耐蚀等)的粉末涂在金属表面或在激光照射时同步送粉，使其在激光束的作用下迅速熔化、扩展及快速凝固，形成一层薄的具有特定性能的涂覆材料。
但目前的激光熔敷工艺所制备的熔敷层普遍存在气孔和裂纹的问题，气孔的存在使得熔敷层性能不均匀，硬度、耐磨性、耐腐蚀性下降。裂纹的存在则会成为材料使用过程中失效的隐患。气孔的存在是由于熔池冷却太快，待熔敷粉末中的气体来不及逸出而形成的。裂纹的存在是由于熔敷层材料与基体材料的热膨胀系数、热导率差异较大，同时冷却速度很快，热应力得不到释放而形成的。
发明内容
本发明的目的是减少或消除现有激光熔敷技术中熔敷层存在气孔和裂纹的问题，提供了一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置及方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置，包括振动台、待熔敷金属板、温控加热带、弹簧片、温度控制仪、振动头和振动发生器；振动台上设有弹簧片，弹簧片下方固定有温控加热带，温控加热带与温度控制仪连接；振动发生器通过振动臂和振动头与弹簧片连接；弹簧片为平板状，待熔敷金属板固定在弹簧片上；振动发生器为电磁振动装置。
应用上述装置的整体保温条件下的激光振动熔敷方法，包括如下步骤：
步骤一、将粒度为100-200目的金属粉末和松香酒精溶液混合后涂覆在待熔敷金属板上；待熔敷金属板为钢板；所述的待熔敷金属板为镁板或镁合金，松香酒精溶液为每50ml酒精加5-10g松香，每10g金属粉末加1-3ml松香酒精溶液；所述的金属粉末为镍粉、铝粉或铜粉；
步骤二、将待熔敷金属板置于振动工作台上；
步骤三、在待熔敷金属板下方布置温控加热带，通过温度控制***使整个待熔敷金属板处于80～420℃范围内；
步骤四、启动振动发生器，通过振动头驱动待熔敷金属板振动，振动频率为20-200Hz；
步骤五、启动使用1000-5000W的CO2激光器以500-3000mm/min速度扫描，氩气保护，搭接率为10％-50％，进行振动条件下的激光熔敷；
步骤六、对熔敷层进行打磨修整，使表面光洁平整美观。
为进一步实现本发明目的，所述金属粉末粒度为200目。
所述金属粉末为铝粉，松香酒精溶液为每50ml酒精加5g松香，每10g铝粉加3ml松香酒精溶液。
所述金属粉末为镍粉，松香酒精溶液为每50ml酒精加5g松香，每10g镍粉加1ml松香酒精溶液。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
一、熔池中的气泡在外加振动的作用下更容易逸出，所以熔敷层中的气孔明显减少，通过检测，熔敷层的横截面测得熔敷层中的平均气孔数量由传统工艺的5-7个/cm，减少到1个/cm；
二、通过保温来降低冷却速度延长了熔敷层的液态停留时间，使气体有充分的时间逸出；
三、通过保温减缓冷却速度，进而减小热应力集中，阻碍裂纹的形成，其中熔敷层中的裂纹总长度显著减少，如熔敷层中的裂纹总长度由3mm/cm减少到0.5mm/cm，或由5mm/cm减少到0.8mm/cm，由2.6mm/cm减少到0.3mm/cm。
四、外加振动有效破坏了裂纹的形成条件；
五、在合适的振动频率下，可以使熔敷层及界面处的晶粒细化，从而提高熔敷层性能，在50Hz频率的工艺。
附图说明
图1是熔敷装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。
如图1所示，整体保温条件下的激光振动熔敷装置包括振动台1、待熔敷金属板2、温控加热带4、弹簧片5、温度控制仪6、振动头7和振动发生器8。振动台1上设有弹簧片5，弹簧片5下方固定有温控加热带4，温控加热带4与温度控制仪6连接；振动发生器8通过振动臂9和振动头7与弹簧片5紧密接触；弹簧片5为平板状，待熔敷金属板2固定在弹簧片5上；温控加热带4可选用玻璃纤维电热带(RDG-2型，东台市正龙电热电器厂生产)，温度控制仪6可选用XMTD数显调节仪(型号XMTD-2001)；待熔敷金属板2可选用AZ31B镁合金板(洛阳鑫友镁业有限公司生产)，如AZ31B镁合金板的尺寸可选用为：长150mm宽70mm厚10mm。弹簧片5可选用0.2mm厚的不锈钢片，用螺钉将AZ31B镁合金板固定在弹簧片上，同时用螺钉将弹簧片5固定在振动台1上，振动发生器8可选用电磁振动装置，利用电磁铁对振动臂9的间隙性吸附作用，带动振动臂往复振动，振动臂带动振动头敲击待熔敷的AZ31B镁合金板，驱使其振动。
实施例1
应用上述装置进行整体保温条件下的激光振动熔敷的方法，包括如下步骤：
步骤一、将粒度为200目的铝粉和松香酒精溶液混合，松香酒精溶液是每50ml酒精加5g松香，其中每10g铝粉加3ml松香酒精溶液；将该混合物均匀涂抹在AZ31B镁合金板表面并烘干；涂抹约2mm厚，形成待熔敷粉末3。AZ31B镁合金板的尺寸可选用为：长150mm，宽70mm，厚10mm。
步骤二、将涂覆好待熔敷粉末3的AZ31B镁合金板装夹在振动工作台上；
步骤三、在AZ31B镁合金板下方布置温控加热带4，通过温度控制仪6使整个工件处于100℃±20℃温度范围内；
步骤四、启动振动发生器8通过振动头7驱动AZ31B镁合金板振动，振动频率为50Hz；
步骤五、使用5000W的CO2激光器以1000mm/min速度扫描，氩气保护，搭接率(每次扫描都有一定的宽度，搭接率就是两次扫描的重叠量)为50％，进行振动条件下的激光熔敷扫描；
步骤六、对熔敷层进行打磨修整，使表面光洁平整美观。
熔敷粉末3经上述步骤处理后与AZ31B镁合金板结合在一起形成熔敷层，经检测，熔敷后的试样的横截面上，沿激光扫描方向平均气孔数量由传统工艺的5个/cm，减少到1个/cm；熔敷层中的裂纹总长度由3mm/cm减少到0.5mm/cm。
熔敷层中的气孔和裂纹都是缺陷，气孔和裂纹就相当于(***工程中)混凝土里加的土块。熔敷层中气孔数量减少，熔敷层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性提高。如果熔敷层存在裂纹，在外加载荷的作用下，板材可能会从已有的裂纹部位开裂。总之，裂纹和气孔的减少有利于熔敷板力学性能的提高。
实施例2
步骤一、将粒度为100目的镍粉和松香酒精溶液(50ml酒精加5g松香混合，每10g镍粉加1ml松香酒精溶液；将该混合物均匀涂抹在45号钢钢板表面并烘干；涂抹约2mm厚；45号钢钢板的尺寸大小选用长150mm，宽70mm，厚10mm。
步骤二、将涂覆好镍粉和松香酒精溶液的混合物的45号钢钢板装夹在振动工作台上；
步骤三、在45号钢钢板下方布置温控加热带，通过温度控制***使整个工件处于300℃±20℃范围内；
步骤四、启动振动发生器通过振动头驱动工件振动，振动频率为50Hz；
步骤五、使用5000W的CO2激光器以1200mm/min速度扫描，氩气保护，搭接率为50％，进行振动条件下的激光熔敷扫描；
步骤六、对熔敷层进行打磨修整，使表面光洁平整美观。
熔敷粉末3经上述步骤处理后与45号钢钢板结合在一起形成熔敷层，经检测，熔敷后的试样的横截面上，沿激光扫描方向平均气孔数量由传统工艺的7个/cm，减少到1个/cm；熔敷层中的裂纹总长度由5mm/cm减少到0.8mm/cm。熔敷层中气孔数量减少，熔敷层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性提高。裂纹数量减少，熔敷板的承载能力、抗脆断性能、抗疲劳性能均提高。总之，裂纹和气孔的减少有利于熔敷板力学性能的提高。
实施例3
步骤一、将粒度为200目的铜粉和松香酒精溶液(50ml酒精加5g松香)混合，其中每5g铜粉加1ml松香酒精溶液；将该混合物均匀涂抹在45号钢钢板表面并烘干；涂抹约2mm厚；45号钢钢板的尺寸大小选用长150mm，宽70mm，厚10mm。
步骤二、将涂覆好铜粉和松香酒精溶液的混合物的45号钢钢板装夹在振动工作台上；
步骤三、在45号钢钢板下方布置温控加热带，通过温度控制***使整个工件处于400℃±20℃范围内；
步骤四、启动振动发生器通过振动头驱动工件振动，振动频率为50Hz；
步骤五、使用5000W的CO2激光器以900mm/min速度扫描，氩气保护，搭接率为40％，进行振动条件下的激光熔敷扫描；
步骤六、对熔敷层进行打磨修整，使表面光洁平整美观。
熔敷粉末3经上述步骤处理后与45号钢钢板结合在一起形成熔敷层，经检测，熔敷后的试样的横截面上，沿激光扫描方向平均气孔数量由传统工艺的6个/cm，减少到1个/cm；熔敷层中的裂纹总长度由2.6mm/cm减少到0.3mm/cm。熔敷层中气孔数量减少，熔敷层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性提高。裂纹数量减少，熔敷板的承载能力、抗脆断性能、抗疲劳性能均提高。总之，裂纹和气孔的减少有利于熔敷板力学性能的提高。

Claims (5)

1.一种整体保温条件下的激光振动熔敷装置，其特征在于包括振动台、待熔敷金属板、温控加热带、弹簧片、温度控制仪、振动头和振动发生器；振动台上设有弹簧片，弹簧片下方固定有温控加热带，温控加热带与温度控制仪连接；振动发生器通过振动臂和振动头与弹簧片连接；弹簧片为平板状，待熔敷金属板固定在弹簧片上；振动发生器为电磁振动装置。
2.一种应用权利要求1所述装置的整体保温条件下的激光振动熔敷方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将粒度为100-200目的金属粉末和松香酒精溶液混合后涂覆在待熔敷金属板上；待熔敷金属板为钢板；所述的待熔敷金属板为镁板或镁合金，松香酒精溶液为每50ml酒精加5-10g松香，每10g金属粉末加1-3ml松香酒精溶液；所述的金属粉末为镍粉、铝粉或铜粉；
步骤二、将待熔敷金属板置于振动工作台上；
步骤三、在待熔敷金属板下方布置温控加热带，通过温度控制***使整个待熔敷金属板处于80～420℃范围内；
步骤四、启动振动发生器，通过振动头驱动待熔敷金属板振动，振动频率为20-200Hz；
步骤五、启动使用1000-5000W的CO2激光器以500-3000mm/min速度扫描，氩气保护，搭接率为10％-50％，进行振动条件下的激光熔敷；
步骤六、对熔敷层进行打磨修整，使表面光洁平整美观。
3.根据权利要求2所述的整体保温条件下的激光振动熔敷方法，其特征在于：所述金属粉末粒度为200目。
4.根据权利要求2所述的整体保温条件下的激光振动熔敷方法，其特征在于：所述金属粉末为铝粉，松香酒精溶液为每50ml酒精加5g松香，每10g铝粉加3ml松香酒精溶液。
5.根据权利要求2所述的整体保温条件下的激光振动熔敷方法，其特征在于：所述金属粉末为镍粉，松香酒精溶液为每50ml酒精加5g松香，每10g镍粉加1ml松香酒精溶液。
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