CN109434286A - 一种高效率的丝材激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种丝材激光熔覆方法，包括：将丝材加热装置的一极连接工件，另一极连接导电嘴，将丝材穿过导电嘴后与工件表面接触，并使激光束和丝材分别与工件表面呈一定角度，开启丝材加热装置，将丝材预加热到一定温度，开启激光器，激光器产生的激光束聚焦于与工件表面丝材上，丝材吸收激光能量后在工件表面瞬间形成熔池，按预先设立路径和速度控制熔池在工件表面进行移动，完成激光熔覆。本发明通过提高丝材初始温度和熔覆线速度，使丝材进入激光束之前，其温度已经升高至接近熔点，只需要较小激光能量和较短激光束照射时间就能使丝材熔化并在工件表面上形成熔池，丝材熔覆效率和质量都得到明显提升，具有广阔的推广应用前景。

Description

一种高效率的丝材激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种丝材激光熔覆方法，尤其是一种提高丝材初始温度和熔覆线速度的丝材激光熔覆方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

激光熔覆技术作为一种高精度、高性能、低热影响区以及低稀释率特点的先进制造技术，被广泛应用于金属零件表面制备改性覆层、表面缺陷修复以及金属增材制造等用途。

激光熔覆技术根据熔覆材料的状态可分为金属粉材激光熔覆和金属丝材激光熔覆两大类。金属丝材激光熔覆是以金属丝材作为熔覆材料，采用高能量的激光束作为能量源，按照预定的加工路径，将金属丝材与工件基材同时熔化、凝固与沉积，从而实现在金属零件表面制备合金覆层、修补缺陷或者进行金属零件的增材制造。

相比金属粉材激光熔覆，金属丝材激光熔覆由于材料利用率高、成本低，熔覆层致密度好、缺陷少，越来越受到激光熔覆行业的重视。但是由于现有金属丝材熔覆时，丝材初始温度较低（丝材初始温度指丝材在进入激光束照射区之前的温度），其温度小于50℃，而丝材要跟基体融合为一体的话，温度需要升高到摄氏度1300℃以上，这个过程需要消耗较多的激光能量去加热丝材，并且丝材对激光的反射率高，激光能量利用率低，因此造成金属丝材的熔覆效率低，以2千瓦的激光功率为例，传统丝材熔覆1mm厚度的效率为0.06-0.08㎡/h。另一方面，行业内为了提高激光熔覆效率，普遍采用大功率激光器来提高激光束能量，从而提高熔覆效率，但采用大功率激光器会大大增加设备成本。所以这两方面的原因限制了金属丝材激光熔覆的大规模产业化应用。

如何在不增加激光功率的情况下实现高效率的金属丝材激光熔覆是当前需要解决的一个难点，因此需要一种提高金属丝材初始温度和激光能量利用率的解决方法，本发明基于此提出。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高效率金属丝材激光熔覆方法，通过提高丝材初始温度和提高熔覆线速度，使丝材进入激光束之前，其温度已经升高至接近熔点，因此只需要较小的激光能量和较短的激光束照射时间就能使丝材熔化并在工件表面上形成熔池，从而在同样的激光功率下在单位时间内可以尽可能多的熔化丝材，使丝材熔覆效率得到明显提升，同时提高丝材初始温度还可以提高丝材对激光的吸收率，从而进一步提高熔覆效率，此外较高的熔覆线速度可明显降低熔覆层的稀释率和工件热影响区，有利于熔覆层质量的提升。因此本发明有效解决了传统金属丝材激光熔覆技术存在的激光能量利用率低、熔覆效率低等问题，具有广阔的推广应用前景。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种丝材激光熔覆方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、引入丝材加热装置和导电嘴，并将所述丝材加热装置的第一电极连接于待处理工件，将所述丝材加热装置的第二电极连接于所述导电嘴；

步骤二、将丝材的前端穿过所述导电嘴后与待处理工件的表面接触，并调节激光器输出激光束的位置和角度，使得激光束的聚焦光斑位于丝材与待处理工件表面的接触点位置附近，并使激光束和丝材分别与待处理工件的表面呈一定的角度；

步骤三、开启丝材加热装置，将丝材预加热到一定温度；

步骤四、开启激光器，激光器产生的激光束聚焦于与待处理工件表面接触的丝材上，丝材吸收大量激光能量后在待处理工件表面瞬间形成熔池；

步骤五、按预先设立的路径和速度控制所述熔池在待处理工件的表面进行移动，从而在待处理工件表面形成激光熔覆层。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中步骤一中，所述的丝材加热装置为一台电压可在10V~90V之间调节的交流或直流电源，电源的第一电极连接所述待处理工件，电源的第二电极连接所述导电嘴；所述导电嘴的中间具有可供丝材穿过的通孔结构，并在丝材穿过时与丝材形成电性接触。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中所述导电嘴采用纯铜材质或者铜合金材质制作，由后部圆筒和前部圆锥一体形成，前部圆锥的顶端形成开口，丝材从后部圆筒的内部伸入，并经前部圆锥的顶端开口伸出；所述待处理工件为可利用激光熔覆技术进行加工处理的工件，包括但不限于进行表面制备合金覆层的金属零件、进行表面缺陷修补的金属零件或者进行增材制造的金属件，工件的表面为平面或曲面。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中步骤二中所述激光束与待处理工件表面的法线之间的角度根据不同熔覆工艺要求在0°~15°范围内可调，所述丝材与待处理工件表面的法线之间的角度根据不同熔覆工艺要求在10°~90°范围内可调，所述激光束的聚焦光斑的边缘距离所述丝材与待处理工件表面的接触点0-2mm，优选的为0.5-2mm。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中所述丝材与待处理工件表面的法线之间的角度为导电嘴与待处理工件表面之间的丝材送丝段与待处理工件表面的法线之间的夹角，所述导电嘴与待处理工件表面之间的丝材送丝段与熔覆方向的夹角为0°~45°。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中步骤三中，所述丝材加热装置的输出电流值在50A~1000A间可调，所述丝材加热装置的电压值在10V~90V间可调，所述丝材被所述丝材加热装置预加热到200℃~3000℃。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中步骤四中，所述激光器输出的激光束的功率为300W~10000W，所述激光束的聚焦光斑直径或最大宽度为2mm~30mm，所述激光束的功率密度为100W/mm²~2000W/mm²，所述激光束的中心波长处于500nm~1100nm。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中所述丝材为截面尺寸范围在0.8mm~20mm的金属丝材，优选的所述丝材为直径为φ1.0mm~φ1.6mm的实心金属丝或者粉芯金属丝；所述激光束的聚焦光斑直径比所述丝材的直径大0.1mm~5mm。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中步骤五中，所述熔池在待处理工件表面的移动速度为20mm/s~200mm/s；所述熔池在待处理工件表面的移动路径为直线路径或者螺旋路径；当所述熔池在待处理工件表面的移动路径为螺旋路径时，螺旋路径搭接率为50-70%。

进一步的根据本发明所述的丝材激光熔覆方法，其中所述激光器输出的激光束的功率为2000W，所述激光熔覆层的厚度为0.8-1.2mm，激光熔覆效率为0.20~0.40㎡/h，所述丝材激光熔覆层的最小稀释率为5%，热影响区为0.3mm。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：

1）本发明利用金属材料温度与激光能量吸收率成正比的特性，创新利用丝材自身电阻对其进行初始电加热，使丝材进入激光束照射之前，其温度已经升高至接近熔点，因此只需要较小的激光能量和较短的激光束照射时间就能使丝材熔化并在工件表面上形成熔池，从而在同样的激光功率下在单位时间内可以尽可能多的熔化丝材，使丝材熔覆效率得到明显提升。

2）本发明所述方案在提升熔覆效率的同时，能够使得丝材的熔覆线速度得到提升，从而降低了工件表面熔池的存在时间，可以显著的降低丝材熔覆的稀释率和热影响区，稀释率由现有丝材激光熔覆技术的最小10%降低至本发明的最小5%，热影响区由现有丝材激光熔覆技术的最小0.8mm降低至本发明的最小0.3mm，大大提升了熔覆层质量。

3）综上所述，本发明所述方法采用提高丝材的初始温度和提高熔覆线速度，从而节省昂贵的激光能量，并提高了激光熔覆线速度和激光能量利用率，使2kW的丝材激光熔覆设备，在熔覆层厚度为1mm的情况下，使其效率达到0.2~0.4㎡/h，是现有丝材激光熔覆效率的2~5倍，具体的现有丝材激光熔覆技术与本发明所述高效率丝材激光熔覆技术的主要性能对比如下表所示：

。

4）因此本发明所述丝材激光熔覆技术可广泛的应用于金属零件表面制备改性覆层、表面缺陷修复以及金属增材制造等用途，具有熔覆效率高、熔覆成本低、熔覆层稀释率低、工件热影响区小以及可实现大批量熔覆的优势。

附图说明

附图1为本发明所述丝材激光熔覆方法的主体设备与操作工艺示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1.工件，2.熔覆层，3.激光束，4.熔池，5.丝材，6.导电嘴，7.丝材加热装置，8.送丝机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围

本发明提出一种丝材激光熔覆方法，所述方法具体包括以下主要步骤：

步骤一、如附图1所示，引入丝材加热装置和导电嘴，并将所述丝材加热装置的一极连接待处理的工件，另一极连接导电嘴；

其中所述丝材加热装置为一台电压可在10V~90V之间调节的交流或直流电源，电源的第一电极连接待处理的工件1，第二电极连接导电嘴6，为了方便第一电极与工件1的接线，可直接将丝材加热装置7的第一电极与夹持或者放置工件1的机床连接（图中未示机床），因为机床和工件之间的导电连接的；

其中所述的导电嘴优选的结构可以是任何可约束丝材5传送方向的丝材引导结构，优选的中间具有可供丝材穿过的通孔结构，并在引导丝材穿过时与丝材形成电性接触，且所述导电嘴6的材质可以是任何可导电的材质，但优先选用纯铜材质或者铜合金材质；进一步优选的所述的导电嘴由后部圆筒和前部圆锥一体形成，前部圆锥的顶端形成开口，丝材从后部圆筒的内部穿入，并经前部圆锥的顶端开口伸出。

其中所述待处理的工件1包括表面制备合金覆层的金属零件、进行表面缺陷修补的金属零件或者进行增材制造的金属件等各类可利用激光熔覆技术进行加工处理的工件，工件1的表面可以是平面也可以是曲面；

步骤二、如附图1所示，将来自送丝机8的丝材5的前端穿过所述导电嘴6后与待处理的工件表面接触，并调节激光器输出激光束3的位置和角度，使得激光束3的输出光斑可聚焦于丝材与待处理工件表面的接触点位置附近，并使激光束3和丝材5分别与待处理的工件1表面呈一定的角度；

其中激光束3和丝材5分别以与工件表面法线方向呈一定的角度同时作用于工件1表面，进一步所述激光束3的输出方向相对于工件表面法线的角度（也就是激光束与工件表面法线之间的夹角）根据不同熔覆工艺要求在0°~15°范围内可调，优选的激光束与工件表面法线之间的夹角在0°~10°之间；所述丝材5相对于工件表面法线的角度（也就是丝材与工件表面法线之间的夹角）根据不同熔覆工艺要求在10°~90°范围内可调，优选的丝材5与工件表面法线之间的夹角在30°~60°之间；进一步优选的可同时控制丝材5与熔覆方向的夹角为0°~45°；其中所述丝材5相对于工件表面法线的角度优选的为导电嘴和工件表面之间的丝材送丝段与工件表面法线的角度，角度控制优选的以同时满足为最佳，所述各角度是经过长期的创新试验总结得到的能够大幅提高激光熔覆效率的创新技术成果。

步骤三、开启丝材加热装置7，对丝材5进行电加热。由于丝材加热装置的第一电极连接待处理的工件，第二电极连接导电嘴，因此在丝材穿过导电嘴与工件接触后，在丝材加热装置7的第一电极、待处理工件、丝材及导电嘴和丝材加热装置7的第二电极之间形成电流回路，通过丝材加热装置提供的电流对丝材进行电加热，并且可通过调节丝材加热装置7的输出电流值（电流值调节范围是50A~1000A）与选择电压值（电压值范围为10V~90V），可控制工件表面的丝材5在激光束3照射之前的温度，优选的丝材5的加热温度控制范围为200℃~3000℃。所述丝材加热装置加热丝材的原理是由于丝材与工件接触形成电流回路，整个电流回路中导电嘴与工件表面之间这段丝材的电阻值最大，因此产生大量的热量以加热丝材本身，能够使工件表面的丝材在接受激光束照射前被加热到200℃~3000℃。

步骤四、开启激光器，使得激光器产生的激光束3的聚焦光斑位于已加热丝材与待处理工件表面的接触点附近，优选的控制丝材与工件的接触点距离激光束光斑边缘0-2mm，丝材吸收大量的激光能量后在工件表面光斑位置瞬间形成熔池。

其中所述激光器产生的激光束3的功率为300w~10000w可选，尤其是可以为本领域的低功率激光器，激光束输出光斑大小在2mm~30mm可选，激光束的功率密度优选的为100W/mm²~2000W/mm²，激光束的输出波长在500nm~1100nm可选，激光束3的上述各参数根据具体的熔覆需要进行选择；

其中所述丝材优选的为金属丝材，其材质采用金属材质，截面形状可以是圆形也可以是矩形和其他形状，金属丝材截面尺寸（直径或最大宽度）范围为0.8mm~20mm，优选的所述丝材为直径φ1.0mm~φ1.6mm的实心金属丝或者粉芯金属丝。所述丝材缠绕于所述送丝机8上。

其中优选的控制所述激光束3的聚焦光斑尺寸比丝材5的直径大0.1mm~5mm，优选的控制丝材与工件的接触点距离激光束聚焦光斑的边缘为0.5-2mm，更优选的为1-1.5mm，可达到最为理想的熔覆效果。

步骤五、按预先设立的路径和速度控制送丝熔池在待处理工件的表面进行移动，从而在工件表面形成金属丝材的激光熔覆层，实现了丝材在工件表面的高效率激光熔覆；

其中所述熔池在工件表面的移动速度（即熔覆线速度）为20mm/s~200mm/s，可通过固定激光束3的光斑聚焦位置而移动工件或者通过固定工件而移动激光器和送丝装置来实现所述熔池在工件表面的移动。

其中所述熔池在工件表面的移动路径为直线路径或者螺旋路径，当为螺旋路径时，螺旋路径搭接率在50%以上，优选的为50-70%，更优选的为65%。

本发明创新的采用电流通过丝材时产生的电阻热加热丝材，使丝材进入激光束照射之前，初始温度可达到200℃~3000℃，这相比于现有丝材激光熔覆技术中丝材接受激光束照射前初始温度小于50℃的情况，大幅提升了丝材熔覆前的初始温度，进而使得激光束只需要在非常短的时间内照射丝材即可使其熔化并形成熔池，因此可使熔覆线速度大大提高，可由现有丝材激光熔覆的5~15mm/s提高至本发明的20~200mm/s，进而使熔覆效率整体得到大幅提高，以2kW激光器熔覆1mm厚熔覆层为例，熔覆效率由原来的0.06-0.08㎡/h提高至本发明的0.2~0.4㎡/h。而且由于熔池具有较高的激光反射率，熔覆线速度的提高可使激光束照射熔池的时间减少，从而可提高激光能量的利用率，解决了普通丝材激光熔覆线速度低、激光能量利用率、熔覆效率低的缺点；此外对激光器的输出功率要求也有所降低，有效节约了设备成本。

实施例

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。

1、本实施例为煤矿液压支架油缸活塞杆（后称活塞杆）的表面激光熔覆，活塞杆直径70mm，熔覆区域长度1000mm，材质为27SiMn；

2、本实施例中活塞杆的高效率金属丝材激光熔覆方案采用德国Laserline公司的4kW半导体光纤输出激光器，调节激光束在活塞杆表面形成的光斑尺寸为φ3mm，激光波长为1064nm；

3、选用材质为316L实心不锈钢的金属丝材，丝材截面形状为圆形，直径为φ1.2mm；

4、选用导电嘴为紫铜材质，丝材从导电嘴的中心孔穿过，中心孔直径为1.21mm；

5、本实施例中丝材加热装置采用30V直流电源，电源的正极接导电嘴，负极接活塞杆，调节电源的电压至20V；

6、调节激光束，使激光束与活塞杆的外圆表面法线之间的夹角为0°。调节导电嘴的位置和方向，使丝材与激光束之间的夹角为40°，丝材与工件的接触点距离光斑边缘1mm；

7、启动丝材加热装置，对丝材预热后启动激光器，具体的丝材熔覆工艺参数控制为：激光功率2Kw，送丝速度5mm/s，丝材加热装置电流150A，丝材初始加热温度为800±30℃，熔覆线速度60mm/s，熔覆路径为自左向右螺旋熔覆，螺旋路径搭接65%；

8、熔覆进行60min后该活塞杆表面丝材激光熔覆完成。

通过本实施例方案，在该活塞杆上得到的熔覆层厚度为0.9mm，熔覆效率为0.216㎡/h，是传统丝材激光熔覆的2.7~3.6倍，通过熔覆层成分测定及取样观察微观组织，测得熔覆层稀释率为6%，热影响区为0.4mm。并且得到的熔覆层平整、光滑，熔覆层内部致密无缺陷，熔覆层与基体结合良好，完全满足液压支架油缸活塞杆表面激光熔覆的要求。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种丝材激光熔覆方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、引入丝材加热装置和导电嘴，并将所述丝材加热装置的第一电极连接于待处理工件，将所述丝材加热装置的第二电极连接于所述导电嘴；

步骤二、将丝材的前端穿过所述导电嘴后与待处理工件的表面接触，并调节激光器输出激光束的位置和角度，使得激光束的聚焦光斑位于丝材与待处理工件表面的接触点位置附近，并使激光束和丝材分别与待处理工件的表面呈一定的角度；

步骤三、开启丝材加热装置，将丝材预加热到一定温度；

步骤四、开启激光器，激光器产生的激光束聚焦于与待处理工件表面接触的丝材上，丝材吸收大量激光能量后在待处理工件表面瞬间形成熔池；

步骤五、按预先设立的路径和速度控制所述熔池在待处理工件的表面进行移动，从而在待处理工件表面形成激光熔覆层。

2.根据权利要求1所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤一中，所述的丝材加热装置为一台电压可在10V~90V之间调节的交流或直流电源，电源的第一电极连接所述待处理工件，电源的第二电极连接所述导电嘴；所述导电嘴的中间具有可供丝材穿过的通孔结构，并在丝材穿过时与丝材形成电性接触。

3.根据权利要求2所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，所述导电嘴采用纯铜材质或者铜合金材质制作，由后部圆筒和前部圆锥一体形成，前部圆锥的顶端形成开口，丝材从后部圆筒的内部伸入，并经前部圆锥的顶端开口伸出；所述待处理工件为可利用激光熔覆技术进行加工处理的工件，包括但不限于进行表面制备合金覆层的金属零件、进行表面缺陷修补的金属零件或者进行增材制造的金属件，工件的表面为平面或曲面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤二中所述激光束与待处理工件表面的法线之间的角度根据不同熔覆工艺要求在0°~15°范围内可调，所述丝材与待处理工件表面的法线之间的角度根据不同熔覆工艺要求在10°~90°范围内可调，所述激光束的聚焦光斑的边缘距离所述丝材与待处理工件表面的接触点0-10mm，优选的为0.5-2mm。

5.根据权利要求4所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中所述丝材与待处理工件表面的法线之间的角度为导电嘴与待处理工件表面之间的丝材送丝段与待处理工件表面的法线之间的夹角，所述导电嘴与待处理工件表面之间的丝材送丝段与熔覆方向的夹角为0°~45°。

6.根据权利要求1-5任一项所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤三中，所述丝材加热装置的输出电流值在50A~1000A间可调，所述丝材加热装置的电压值在10V~90V间可调，所述丝材被所述丝材加热装置预加热到200℃~3000℃。

7.根据权利要求1-6任一项所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤四中，所述激光器输出的激光束的功率为300W~10000W，所述激光束的聚焦光斑直径或最大宽度为2mm~30mm，所述激光束的功率密度为100W/mm²~2000W/mm²，所述激光束的中心波长处于500nm~1100nm。

8.根据权利要求7所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中所述丝材为截面尺寸范围在0.8mm~20mm的金属丝材，优选的所述丝材为直径为φ1.0mm~φ1.6mm的实心金属丝或者粉芯金属丝；所述激光束的聚焦光斑直径比所述丝材的直径大0.1mm~5mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤五中，所述熔池在待处理工件表面的移动速度为20mm/s~200mm/s；所述熔池在待处理工件表面的移动路径为直线路径或者螺旋路径；当所述熔池在待处理工件表面的移动路径为螺旋路径时，螺旋路径搭接率为50-70%。

10.根据权利要求1-9任一项所述的丝材激光熔覆方法，其特征在于，所述激光器输出的激光束的功率为2000W，所述激光熔覆层的厚度为0.8-1.2mm，激光熔覆效率为0.20~0.40㎡/h，所述丝材激光熔覆层的最小稀释率为5%，热影响区为0.3mm。