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第3章 激光熔覆工艺的的研究
激光熔覆工艺的研究
激光熔覆层实验
实验设备及材料
本实验是在德国TRUMPF公司TLF6000t配TLC105型光束五轴联动激光加工机上进行的。五轴联动激光加工系统主要包括大功率CO2激光器,飞行光学导光系统和激光加工机床三部分。图3-1为此实验的装置示意图,激光器为6000Wturbo型射频激励快速轴流CO2激光器,圆形光斑,同轴吹氮气保护。激光加工系统采用飞行光学系统作为导光系统。它充分体现了激光加工的灵活性。飞行光学导光系统包括:光学望远镜系统,偏振器,5个反射镜以及调焦系统组成。各部分作用为:光束望远镜将原始激光束进行扩束,扩束率大约为2倍;偏振器将线偏振光转换为圆偏振光;5个反射镜用于实现五轴联动;调焦系统将焦距调至同一水平。大功率CO2激光聚焦焦点的检测采用的是德国Prometec公司生产的Laserscope UFF100大功率激光光束光斑诊断仪。
采用SF2型同步自动送粉器同步侧向送粉,能量利用率高,工艺灵活性强。测试一分钟内送粉速率和送粉电压的关系如图3-2所示,送粉速率用Vf表示。送粉喷头使粉末未流在保护气流的作用下具有自汇聚束的特殊作用,工作原理为双层结构,内层为合金粉末及其载气通道,外层为同轴保护气,保护气则经由进气口并通过一个环形气路到达工作头的头部,穿过环绕送粉管的多孔道保护气孔喷出工作头。当围绕粉末束流的多孔道保护气流以一定的流速喷出时,所形成的环形气幕对围绕其中的粉末束流具有向心的压缩作用,从而大大减少粉末束流的发散度,使粉末束流具有很好的挺直度(图3-3)。对送粉系统的工作头还设计了可以相对于激光头的中心轴线作两者轴线之间夹角及X、Y、Z三维的调节装置,调节支架在X,Y,Z方向移动调节精度达到0.1mm,喷头可调,精度为2度以内,可通过改变粉末束流相对于激光辐射区的落点位置,保证在任意方向送粉时粉末落点精确对准激光熔池,提高粉末利用率。
粉末材料选用自制钴基合金粉末No.9,其化学成分见表3-1。基体材料选用A3钢, A3钢的试样尺寸:120mm(100mm(10mm,热处理状态都为热轧态,经铣削加工,丙酮清洗吹干,然后进行熔覆实验。
表 3-1 钴基合金粉末的化学成分(重量百分比)
化学成分 Cr W Ni Fe B Si Mo C Co Wt-% 20~25 3~6 2~5 3 2.4 1.6 0.2~0.8 0.1 bal
实验工艺
表3-2 熔覆实验工艺参数
主要工艺参数 激光功率/w 离焦量/mm 扫描速度/m/min 送粉速率/g/min 预热温度/℃ 搭接率/ % 最小值 4200 85 0.2 13.9 20 20 最大值 5400 105 0.5 22.7 500 80 熔覆实验采用的主要工艺参数如表3-2所示,其余参数:焦距为200mm,送粉气流量为200L/h,保护气流量为7L/min。大面积熔覆采用多道、多层搭接后热处理的温度为550℃。
熔覆层质量检测
裂纹是激光熔覆常见的一种缺陷,熔覆层的开裂倾向用裂纹率来表示,单道时用单位长度的裂纹数来计算。熔覆层形状与熔覆层的界面结合质量和搭接质量密切相关,沿熔覆层横截面切开,用金相显微镜分别测量熔覆层形状参数。熔覆层的横截面结构示意图见图3-4。熔覆层的形状系数n用公式(3-1)计算,稀释率η用公式(3-2)计算。
n = (3-1)
η= (3-2)
其中 h=h2× + h1×(1–) (3-3)
式中:H — 熔池宽度;
b — 熔池宽度;
h — 熔池深度,
熔覆试样切割、打磨、抛光侵蚀后制成试样,在PMG-3金相显微镜下观测熔覆层的组织形貌。HXD-1000型显微硬度计测量硬度,负荷为0.2kg,加载时间15s。用高度尺测量加工试板的变形,表面残余应力用日本理学MSF-2MX射线应力测定仪测定,采用铬靶发射X射线,照射面积:4×4mm2,应力测定原理可参考文献[41]。
工艺对熔覆层质量的影响
大功率CO2激光聚焦焦点的检测采用的是德国Prometec公司生产的Laserscope UFF100大功率激光光束光斑诊断仪,测得的焦点位置的光斑半径为0.245mm,根据如下公式:
= (3-4)
= (3-5)
D = 2 (3-6)
式中:— 高斯光束基模腰斑半径,=0.245mm;
z — 离束腰距离;
— 焦深;
— z处的光斑半径;
D —z处的光斑直径
可计算出离束腰任意处的光斑直径D,有关光学原理参照文献[42],不同离焦量下的光斑直径如图3-5所示
激光熔覆工艺参数中的激光功率,光斑尺寸和扫描速度是决定合金熔覆层吸收能
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