CN111687407A - 一种磷铜工件激光熔覆用铜粉及熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种磷铜工件激光熔覆用铜粉及熔覆方法，铜粉包括如下组分：Sn 2.5‑9％、P 0.05‑0.6％、Pb 0.01‑0.05％、Ce 0‑0.5％、Y 0‑1％、Sm 0‑0.2％，其余为Cu和不可避免的杂质。方法包括如下步骤：工件表面预处理；工件表面镀锡；制作熔覆过程工件冷却支撑座；配制磷铜工件激光熔覆用铜粉，将铜粉烘干；将工件固定在冷却支撑座上方，熔覆过程进行冷却，激光器照射工件表面熔覆位置，利用同步送粉机向工件表面熔覆位置送铜粉，进行工件表面激光熔覆；熔覆位置表面喷砂；工件加工成型。本发明熔覆层与工件基材呈现冶金结合，组织结构致密，无气孔，无裂纹。经硬度、耐磨、防腐实验，结果皆表明熔覆层与工件基材过渡自然，性能相近，曲线平稳。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种磷铜工件激光熔覆用铜粉及熔覆方法。
背景技术
现有磷铜堆焊修复技术中，能够在热输入量特别小的前提下达到冶金结合效果并进行批量加工的，只有激光熔覆技术。但是在实际生产过程中，因为铜合金材质对常见半导体激光的高反射率以及材料特性，使熔覆存在以下难题：
1)熔覆前，为了增加基材吸光率而涂敷的粘接剂或吸光剂进入熔池，造成不利影响；
2)熔覆前，表面使用镍基材质预处理，改变了结合区以及增材部分的综合性能，使部件的后期使用性能失去线性；
3)熔覆开始时，为了降低激光能量密度的过大需求，使用铝基掺料改变了熔覆层的综合性能，并使熔覆焊道效果难以控制；
4)熔覆成型时，因冷却过速，焊道易开裂；
5)熔覆搭接时，因为多次搭接，造成过量热堆积，薄壁基体易变形；
6)熔覆完成后，熔覆层与基材材质差异过大，进而造成最终工件硬度、耐磨、防腐、电导、热传导及其机械综合性能产生过大的梯度结果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种磷铜工件激光熔覆用铜粉，按质量百分比计，包括如下组分：
Sm 0-0.2％，其余为Cu和不可避免的杂质。
本发明还提供一种利用上述的磷铜工件激光熔覆用铜粉进行磷铜工件激光熔覆的方法，包括如下步骤：
1)工件表面预处理；
2)工件表面镀锡；
3)制作熔覆过程工件冷却支撑座；
4)按照权利要求1的配方配制磷铜工件激光熔覆用铜粉，将铜粉烘干；
5)将工件固定在冷却支撑座上方，熔覆过程进行冷却，激光器照射工件表面熔覆位置，利用同步送粉机向工件表面熔覆位置送铜粉，进行工件表面激光熔覆；
6)熔覆位置表面喷砂，去除表面氧化物结渣和其它杂质；
7)工件加工成型。
优选的，步骤1)中，工件表面预处理包括如下步骤：
101)利用丙酮洗除工件熔覆表面的大面积油渍，水洗；
102)超声波除工件孔隙油渍，水洗；
103)利用8-13％浓度的稀盐酸洗除工件表面氧化物，水洗；
104)抛光，两次水洗；
105)利用微蚀液对工件表面微蚀，进行表面活化处理，两次水洗，立即投入镀锡液中。
优选的，步骤2)中，工件表面镀锡厚度为0.05-0.1mm，之后进行三次水洗，然后干燥。
优选的，步骤3)中，依照工件形状制作对应的冷却支撑座，冷却支撑座贴合在工件下表面，并且在内部设有冷却介质通路，熔覆时，冷却介质的制冷量等于熔覆过程的热输入量，启动平衡点设置在170℃。
优选的，所述冷却介质为丙二醇冷却液。
优选的，步骤4)中，配制好铜粉后，放置于平托盘中，厚度小于10mm，90℃烘干1h。
优选的，步骤5)中，选用半导体光纤激光器，光斑直径3mm，功率2000-4000w，轴线倾斜30-45°，行进速度0.01-0.04m/s，搭接率35-40％，氩气保护气流量15-20l/min，氩气送粉载气流量3-5l/min，120度三束同轴送粉，输送量1000-2100g/h，具体的熔覆参数控制为：
起始阶段0-20mm：激光器输出功率由100％逐步降低至80％，行进速度由50％逐步提高至60％，粉末输送量由30％逐步提高至50％，泵流量维持10％低位；
爬坡阶段20mm-50mm：激光器输出功率由80％逐步降低至50％，行进速度由60％逐步提高至100％，粉末输送量由50％逐步提高至100％，泵流量由10％逐步提高至30％；
运行阶段：激光器功率维持在50％，行进速度及粉末输送量维持在100％，泵流量依照基体尺寸与散热器散热能力的平衡维持在30％-100％之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
熔覆层与工件基材呈现冶金结合，组织结构致密，无气孔，无裂纹。经硬度、耐磨、防腐实验，结果皆表明熔覆层与工件基材过渡自然，性能相近，曲线平稳。
附图说明
图1为熔覆过程工件、冷却支撑座、同步送粉机、激光束位置关系图；
图2为熔覆过程各参数熔覆控制曲线图；
图3为利用本发明提供的方法对磷铜工件处理不同过程图；
图4为图3工件的侧面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例、
参考图3和图4，选用一块磷铜工件的基材，在基材上划三条槽，一条槽作为对照，不做处理(图3和图4的编号A位置)，另外两条凹槽(图3和图4的编号B、C位置)利用本发明的方法进行激光熔覆，熔覆步骤为：
1)表面预处理，包括如下处理工序：
101)利用丙酮洗除工件熔覆表面的大面积油渍，水洗；
102)超声波除工件孔隙油渍，水洗；
103)利用8-13％浓度的稀盐酸洗除工件表面氧化物，水洗；
104)抛光，两次水洗；
105)利用微蚀液对工件表面微蚀，进行表面活化处理，两次水洗，立即投入镀锡液中。
2)工件表面镀锡，工件表面镀锡厚度为0.05-0.1mm，之后进行三次水洗，然后干燥。
3)制作熔覆过程工件冷却支撑座：
依照工件形状制作对应的冷却支撑座，冷却支撑座贴合在工件下表面，并且在内部设有冷却介质(丙二醇冷却液)通路，熔覆时，冷却介质的制冷量等于熔覆过程的热输入量，启动平衡点设置在170℃。
4)按照权利要求1的配方配制磷铜工件激光熔覆用铜粉，将铜粉放置于平托盘中，厚度小于10mm，90℃烘干1h；铜粉按质量百分比计，包括如下组分：
Sm 0-0.2％，其余为Cu和不可避免的杂质。
5)参考图1，将工件1固定在冷却支撑座2上方，熔覆过程进行冷却，激光器照射工件表面熔覆位置，利用同步送粉机3向工件表面熔覆位置送铜粉，进行工件表面激光熔覆；
选用半导体光纤激光器，光斑直径3mm，功率2000-4000w，轴线倾斜30-45°，行进速度0.01-0.04m/s，搭接率35-40％，氩气保护气流量15-20l/min，氩气送粉载气流量3-5l/min，120度三束同轴送粉，输送量1000-2100g/h，参考图2(线条a代表激光器输出功率，线条b代表光斑行进速度，线条c代表粉末输送量，线条d代表泵流量)，具体的熔覆参数控制为：
起始阶段0-20mm：激光器输出功率由100％逐步降低至80％，行进速度由50％逐步提高至60％，粉末输送量由30％逐步提高至50％，泵流量维持10％低位；
爬坡阶段20mm-50mm：激光器输出功率由80％逐步降低至50％，行进速度由60％逐步提高至100％，粉末输送量由50％逐步提高至100％，泵流量由10％逐步提高至30％；
运行阶段：激光器功率维持在50％，行进速度及粉末输送量维持在100％，泵流量依照基体尺寸与散热器散热能力的平衡维持在30％-100％之间。
每个阶段可以像本实施例中的直线匀速变化，也可以为曲线变化。
参考图3和图4的位置C，即为此状态下的工件状态。
6)熔覆位置表面喷砂，去除表面氧化物结渣和其它杂质；
7)工件加工成型，参考图3和图4的位置B，即为此步骤结束后的状态。
Claims (8)
1.一种磷铜工件激光熔覆用铜粉，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：
Sm 0-0.2％，其余为Cu和不可避免的杂质。
2.利用权利要求1所述的磷铜工件激光熔覆用铜粉进行磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)工件表面预处理；
2)工件表面镀锡；
3)制作熔覆过程工件冷却支撑座；
4)按照权利要求1的配方配制磷铜工件激光熔覆用铜粉，将铜粉烘干；
5)将工件固定在冷却支撑座上方，熔覆过程进行冷却，激光器照射工件表面熔覆位置，利用同步送粉机向工件表面熔覆位置送铜粉，进行工件表面激光熔覆；
6)熔覆位置表面喷砂，去除表面氧化物结渣和其它杂质；
7)工件加工成型。
3.如权利要求2所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，步骤1)中，工件表面预处理包括如下步骤：
101)利用丙酮洗除工件熔覆表面的大面积油渍，水洗；
102)超声波除工件孔隙油渍，水洗；
103)利用8-13％浓度的稀盐酸洗除工件表面氧化物，水洗；
104)抛光，两次水洗；
105)利用微蚀液对工件表面微蚀，进行表面活化处理，两次水洗，立即投入镀锡液中。
4.如权利要求2所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，步骤2)中，工件表面镀锡厚度为0.05-0.1mm，之后进行三次水洗，然后干燥。
5.如权利要求2所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，步骤3)中，依照工件形状制作对应的冷却支撑座，冷却支撑座贴合在工件下表面，并且在内部设有冷却介质通路，熔覆时，冷却介质的制冷量等于熔覆过程的热输入量，启动平衡点设置在170℃。
6.如权利要求5所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，所述冷却介质为丙二醇冷却液。
7.如权利要求2所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，步骤4)中，配制好铜粉后，放置于平托盘中，厚度小于10mm，90℃烘干1h。
8.如权利要求2所述的磷铜工件激光熔覆的方法，其特征在于，步骤5)中，选用半导体光纤激光器，光斑直径3mm，功率2000-4000w，轴线倾斜30-45°，行进速度0.01-0.04m/s，搭接率35-40％，氩气保护气流量15-20l/min，氩气送粉载气流量3-5l/min，120度三束同轴送粉，输送量1000-2100g/h，具体的熔覆参数控制为：
起始阶段0-20mm：激光器输出功率由100％逐步降低至80％，行进速度由50％逐步提高至60％，粉末输送量由30％逐步提高至50％，泵流量维持10％低位；
爬坡阶段20mm-50mm：激光器输出功率由80％逐步降低至50％，行进速度由60％逐步提高至100％，粉末输送量由50％逐步提高至100％，泵流量由10％逐步提高至30％；
运行阶段：激光器功率维持在50％，行进速度及粉末输送量维持在100％，泵流量依照基体尺寸与散热器散热能力的平衡维持在30％-100％之间。
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