旁軸送粉式激光掃描熔覆工藝研究

賈亞洲 肖 珺 陳樹君 王立偉

(北京工業(yè)大學 汽車結(jié)構(gòu)部件先進制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124)

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旁軸送粉式激光掃描熔覆工藝研究

賈亞洲 肖 珺 陳樹君 王立偉

(北京工業(yè)大學 汽車結(jié)構(gòu)部件先進制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124)

以Q235鋼為基板，采用IPGYLS-4000型光纖激光器以及旁軸送粉器，搭建旁軸同步送粉式激光掃描熔覆工藝試驗平臺，在基板上進行熔覆試驗。研究了激光功率、掃描速度和掃描寬度對熔覆層成形尺寸和對熔覆層組織的影響，結(jié)果表明:隨著激光功率增大，鐵基合金粉末熔化量提高，單層金屬熔覆層的余高增加；掃描速度對熔覆層熔寬和余高的影響均較大，隨著掃描速度的降低，金屬熔覆層熔寬余高均增加，裂紋數(shù)量增多。約束應(yīng)力是導致熔覆層出現(xiàn)裂紋的主要原因，通過優(yōu)選工藝參數(shù)可以獲得工藝良好無裂紋熔覆層，為下一步研究激光掃描多層熔覆無(小)變形焊接技術(shù)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

旁軸同步送粉 激光掃描熔覆 裂紋 熔覆層

0 序 言

激光熔覆技術(shù)通過金屬合金或其它材料在基材上沉積，實現(xiàn)涂層與基層材料間的冶金結(jié)合，獲得無孔、晶粒細小的顯微組織以及良好力學性能的熔覆層。激光熔覆的工藝方法主要有同步送粉法和預置粉末法兩種[1]。同步送粉法是將粉末直接噴在激光輻射所形成的移動熔池上，涂層一次性成型，熔覆層質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高[2]；預置粉末法是將粉末通過噴涂或粘接等方法預置在基材表面，然后經(jīng)激光輻射進行重熔，工藝簡單，操作靈活，但不易控制基體熔深，稀釋度大[3]。評價熔覆層質(zhì)量的好壞，主要從兩方面來考慮：一是宏觀焊道形狀、表面平整度、裂紋等[4]；二是微觀觀察是否能形成良好的組織，能否提供所需要的性能[5]。熔覆層的裂紋是激光熔覆中最棘手的問題，消除裂紋的方法較少,這對激光熔覆在工業(yè)上更深層次的應(yīng)用帶來很大的限制[6]。激光熔覆工藝參數(shù)對激光熔覆層質(zhì)量尤其是對熔覆層的稀釋率、裂紋有著很大影響[7-8]?；诩す鈷呙枞鄹补に嚲哂袩醾鲗У汀嵊绊憛^(qū)小、基體變形小的優(yōu)點[9]，文中試驗對Q235鋼進行激光掃描熔覆工藝研究，分析激光熔覆工藝的影響因素來剖析產(chǎn)生激光熔覆裂紋的原因，研究得到成型良好無裂紋的熔覆層。期待為該工藝在Q235鋼結(jié)構(gòu)件無(小)變形多層熔覆焊接上的應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗基材選用300 mm×100 mm×3 mm的Q235鋼板，激光熔覆合金為武漢材料保護研究所研發(fā)的WF372高鉻鐵基合金粉末，平均粒度為100 nm，純度為99%，其化學成分如表1所示。

表1 熔覆材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

試驗采用旁軸送粉方式進行激光熔覆，激光器最大輸出功率為4 kW，焦距300 mm，激光器離焦量為+25 mm，得到的光斑直徑d為2 mm，送粉頭與基板夾角為45°，噴嘴與基體的距離為10 mm。熔覆過程中的保護氣體包括：載粉氣氬氣，同軸保護氣氬氣以及激光器鏡片保護氣氮氣。

如圖1所示，采用KUKA機器人對激光掃描路線進行編程，使激光器和送粉器在同一平面內(nèi)以鋸齒形進行掃描移動，激光掃描熔覆試驗平臺與鋸齒形掃描路線形式。每個鋸齒形周期步進長度為1 mm，試驗工藝參數(shù)見表2。試驗后，采用線切割沿熔覆方向的橫截面和縱截面切割成塊狀試樣，經(jīng)過鑲嵌、砂布粗磨、砂紙細磨、機械拋光，用Olympus光學顯微鏡進行金相觀察。

圖1 激光掃描熔覆試驗示意圖與掃描路線

表2 激光掃描熔覆試驗工藝參數(shù)

2 工藝參數(shù)對熔覆層成形的影響

2.1 激光功率對熔覆層成形的影響

激光功率P是影響熔覆質(zhì)量的重要因素。在其它工藝參數(shù)恒定的情況下，激光功率過小時，由于熱輸入不足，粉末材料和母材金屬在較小能量密度的激光束作用下無法充分熔合，粉末與母材結(jié)合力較小，最終形成氣孔和裂紋,裂紋容易出現(xiàn)在最后凝固的熔覆層中心區(qū)域并且很容易橫向貫穿熔覆層，一部分裂紋出現(xiàn)在熔覆層底部。所有裂紋未向基體穿透，終止于熔覆層與基體交界區(qū)域；當激光功率過大時，由于熔覆過程很快，熔池溫度過高，掃描激光束離開后，被掃描區(qū)域迅速冷卻，熔覆區(qū)域因材料的整體性不能自由收縮產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。母材金屬熔化量過多，容易出現(xiàn)燒蝕、形變、裂紋等缺陷。激光功率主要影響熔覆層的高度，對寬度影響較小。由圖2可知在掃描速度為0.02 m/min，掃描寬度為7.5 mm時，隨著激光功率的增大，粉末熔化量增多，熔覆層高度增加。此外，功率過高時鐵基合金粉末發(fā)生燒損，變成黑色。因此試驗中激光功率一般不超過2 000 W。

2.2 掃描速度對熔覆層成形的影響

掃描速度對熔覆層的高度和寬度都有影響。由圖3可知，在其他參數(shù)一定時，激光功率為1 200 W，掃描寬度為7.5 mm，掃描速度也存在最佳范圍值0.05～0.07 m/s-1，從而獲得最佳熔覆質(zhì)量。當掃描速度過小時，覆層材料燒損，表面粗糙度增大；隨著掃描速度的增大，熔覆層的高度和寬度都下降，單位時間內(nèi)粉末熔化量減小，因而高度減少，同時由于能量密度的降低，在基體上形成的熔池減小，因而熔覆寬度也減少；掃描速度較大時，金屬粉末與母材無法得到足夠的熱量，粉末與基體熔合不良，熔覆層表面粗糙，結(jié)晶速度快，氣孔不能及時逸出，導致氣孔數(shù)量增多。

圖2 不同功率對熔覆成形尺寸的影響

圖3 不同掃描速度對熔覆成形尺寸的影響

2.3 掃描寬度對熔覆層成形的影響

掃描寬度主要影響熔覆高度。圖4為當激光功率為1 200 W，掃描速度為0.03 m/s時可知隨著掃描寬度的增大，熔覆層高度呈明顯降低趨勢。

圖4 不同掃描寬度對熔覆成形尺寸的影響

如圖5所示，激光熔覆層和基材形成了牢固的冶金結(jié)合，熱影響區(qū)較小，稀釋率較低。因為在激光熔覆時，高能激光束掃描基材使熔覆層合金瞬間充分熔化，而基材表面只有很薄的一層熔化，這樣既能保證優(yōu)良的牢固冶金結(jié)合，又不會過多稀釋而改變合金成分。

圖5 熔覆層顯微組織橫、縱截面

3 熔覆層裂紋產(chǎn)生機理分析

激光熔覆過程中裂紋的產(chǎn)生一般是在熔覆層熔覆完成后，冷卻凝固這一極短時間內(nèi)產(chǎn)生的[10]。約束應(yīng)力導致熔覆層出現(xiàn)裂紋的主要原因，由于熔覆過程很快，熔池溫度過高，熔池中已熔化的部分材料受熱膨脹，受到周圍材料壓應(yīng)力作用，當掃描激光束離開后，被掃描區(qū)域迅速冷卻，而熔覆區(qū)域因材料的整體性不能自由收縮產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。圖6是在激光功率為1 200 W，離焦量為25 mm，掃描速度為0.02 m/s，掃描寬度為5 mm，載粉氣流量2 L/min，氬氣保護量10 L/min的工藝參數(shù)下得到的熔覆層，熔覆層余高為2.1 mm，熔寬4.82 mm。表面可以明顯看到橫向裂紋。圖7為在激光功率為2 000 W，離焦量為25 mm，掃描速度為0.06 m/s，掃描寬度為7.5 mm，載粉氣流量2 L/min，氬氣保護量10 L/min的工藝參數(shù)下得到的熔覆層余高為0.8 mm，熔寬5.5 mm，熔覆層表面無裂紋，縱截面金相組織觀察到微裂紋。

由工藝試驗得到，當激光功率較小，掃描速度較快，熔覆層高度較低時，熔覆過程很快，但激光功率小，熔池溫度不會過熱，因材料受熱膨脹而受到的壓應(yīng)力減少，同時激光器掃描熔覆，掃描光束離開后，被掃描區(qū)域不會迅速冷卻，因此熔覆區(qū)域因材料的整體性不能自由收縮導致的拉應(yīng)力作用減小，得到的熔覆層表面和金相組織均無裂紋。當激光功率過大時，熔覆過程中熱輸入量急劇增加，母材金屬熔化量過多，并出現(xiàn)燒蝕、形變、裂紋等缺陷；掃描速度較慢時熱輸入過大，熔池溫度較高，余高增大，易出現(xiàn)裂紋。通過控制熱輸入和掃描速度得到的熔覆層橫截面形貌如圖8所示，結(jié)合面處未出現(xiàn)裂紋等缺陷，宏觀形貌如圖9所示，表面也未出現(xiàn)裂紋。

圖6 熔覆層橫向裂紋

圖7 熔覆層表面無裂紋，縱截面微裂紋

圖8 不同工藝參數(shù)觀察過渡區(qū)無裂紋熔覆層

圖9 不同工藝參數(shù)得到表面無裂紋熔覆層

4 結(jié) 論

(1)激光功率主要影響熔覆層的高度，對寬度影響較小，隨著激光功率的增大，粉末熔化量增多，熔覆層高度增加；掃描速度對熔覆層的高度和寬度都有影響，隨著掃描速度的增大，熔覆層的高度和寬度都下降；掃描寬度主要影響熔覆高度，隨著掃描寬度的增大，熔覆層高度呈明顯降低趨勢。

(2)熔覆層裂紋主要由熱應(yīng)力和約束應(yīng)力引起，當激光功率較小，掃描速度較快，熔覆層高度較低時，得到的熔覆層表面和金相組織均無裂紋。當激光功率為1 500 W，掃描速度0.06 m/s，掃描寬度為7.5 mm時得到表面平整度良好、無裂紋的熔覆層，此時的熔覆高度為0.7 mm。

(3)激光熔覆層和基材形成了牢固的冶金結(jié)合熱影響區(qū)較小，稀釋率較低，為下一步研究激光掃描多層熔覆無(小)變形焊接技術(shù)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

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2017-02-21

TG456.7

賈亞洲，1990年出生，博士研究生。主要從事激光焊接與激光MIG復合焊接工藝研究。