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【工艺】细数八项高速激光熔覆加工技术参数
关键词:高速激光熔覆
2020-08-15

高速是一种快速激光表面处理技术,主要涉及技术参数分为两个方面,一是过程中,设备的调试设置参数,称为加工参数;二是熔覆完成后,对熔覆效果质量的测评衡量参数,称为检测参数。

加工参数主要包括激光功率、光斑形状、光斑尺寸、加工距离、搭接率、熔覆速度、送粉方式、保护气气压共8项关键参数。

(1)激光功率,激光器单位时间内输出的能量。高速激光熔覆一般用kw级激光器,如zkzm-2kw和zkzm-4kw在市场上推广应用较多,可满足大部分的领域使用需求。

(2)光斑形状,常见的光斑形状分圆形和矩形两种,用户根据加工对象特点选择使用。

(3)光斑尺寸,光斑尺寸主要影响光功率密度,即单位面积的光能量大小,同等功率条件下,光斑尺寸越小,光功率密度越大,高功率密度光斑适宜熔覆高熔点的金属粉末。

(4)加工距离,指激光出光口距基体表面的距离。加工距离过远,金属粉末容易发散,粉末利用率低;加工距离近,激光熔覆头受激光辐射表面温度过高,严重造成粉末堵塞。

(5)搭接率,搭接率是影响熔覆层表面粗糙度的主要因素,搭接率提高,熔覆层表面粗糙度降低。但搭接部分的均匀性很难得到保证。每道熔覆层之间相互搭接区域的深度与每道熔覆层正中的深度有所不同,从而影响了整个熔覆层。高速熔覆的搭接率高达70%-80%(普通熔覆的搭接率为30%-50%)。

(6)熔覆速度,熔覆线速度和熔覆面积速率均可表示熔覆速度大小。中科中美高速激光熔覆实测线速度为30m/min-100m/min,在熔覆厚度0.2-0.5mm时,熔覆效率每小时0.7-1.2平方米。

(7)送粉方式,高速激光熔覆送粉方式主要有环形送粉和中心送粉两种方式,中心送粉较环形送粉粉末利用率高,但设计难度较大,光束需呈环形围绕送粉管一周,目前市场上环形送粉应用较多。

(8)保护气气压,保护气压力大小加工时可调。保护气一般使用氮气或氩气,主要用于送粉以及在激光熔覆熔池周围形成保护区域,减少氧化。


检测参数是在高速熔覆完成后,对熔覆层质量好坏的衡量参数,主要包括孔隙率、硬度、结合强度、稀释率、冷热疲劳性能、表面粗糙度等。

(1)孔隙率,高速激光熔覆在熔覆过程中不可避免存在着孔隙,孔隙度的大小与金属粉末温度和速度以及粉末运动角度有关,一般来说粉末运动速度慢熔覆层的孔隙率会大。

(2)硬度,由于高速激光熔覆层在形成时的激冷和高速撞击,熔覆层晶粒细化以及晶格产生畸变,使涂层得到强化,因此,激光熔覆层的硬度比一般材料的硬度要高。

(3)结合强度,高速激光熔覆层与基体为冶金结合,即熔覆层和基体的界面间原子相互扩散而形成结合,这种结合是在激光作用基体和金属粉末产生高温以及粉末高速运动的状态下形成的。中科中美高速激光熔覆层与基体结合强度可高达360mpa。

(4)稀释率,指熔敷金属被稀释的程度,用基材在熔覆层中所占的百分比来表示。稀释率对熔覆层性能有较大的影响,高速熔覆工艺中,可通过金属粉末流量、光功率密度、熔覆速率调节来控制稀释大小。中科中美高速激光熔覆的稀释率极低,约为1%左右。

(5)冷热疲劳性能,是指熔覆层的抗冷热疲劳或热震性能。熔覆层的抗热震性能不好,会在使用中开裂形成裂纹。熔覆层的抗热震性能的好坏主要取决于金属粉末与基体的热膨胀系数差异的大小和熔覆层与基体结合强度。

(6)表面粗糙度,熔覆层表面的平整程度,工艺测试中,激光光能量密度、送粉量大小和载气流压力均会影响表面粗燥度,三者都存在一个最佳参数值区间,数值设置过高或过低均会导致表面平整程度降低。


实际对基材进行高速激光熔覆加工时,需根据粉末基材特性,进行合适的加工参数设置从而使各项检测参数达标,满足应用需求。




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