激光熔覆熱損傷磁記憶檢測試驗研究

華 亮,田 威

(1.南京鐵道職業(yè)技術學院機車車輛學院,江蘇 南京 210031；2.南京航空航天大學機電學院,江蘇 南京 210016)

1 引 言

激光熔覆技術現(xiàn)已廣泛應用于航空、機械、化工、汽車等領域。雖對激光熔覆技術進行了大量研究,但研究目標多集中于熔覆層幾何形貌[1-3]、激光熔覆參數(shù)對熔覆質量的影響[4-6]等方面。對激光熔覆過程中由于熔覆材料的快速熔化及快速冷卻而導致的熱影響區(qū)的應力分布及組織結構相對原基體材料而言發(fā)生的改變,即熔覆熱影響區(qū)相對于基體產(chǎn)生的熱損傷的研究很少?；w熱影響區(qū)的熱損傷勢必引起激光熔覆構件機械性能的改變[7-8],進而影響激光熔覆構件的使用壽命。為評估基體熱損傷對構件壽命的影響,非常有必要對熱損傷程度進行檢測與度量。

金屬磁記憶檢測技術作為一種新興的無損檢測技術,利用鐵磁材料在地磁場作用下產(chǎn)生磁疇組織的定向不可逆變化特性,根據(jù)零件表面漏磁場法向分量Hp(y)在應力集中或損傷區(qū)域改變符號且具有零值點來判斷金屬零件內(nèi)有無應力集中或損傷[9],能夠對金屬零件的應力集中及隱性損傷進行早期檢測及診斷,因此受到了很多研究者的青睞[10-12]。激光熔覆過程中的基體熱損傷是由于熱影響區(qū)材料的應力分布及組織結構變化引起的,因此可以嘗試用金屬磁記憶檢測技術檢測熔覆熱影響區(qū)的應力分布情況,進而建立磁記憶信號與激光熔覆熱損傷程度之間的關系模型,并最終用磁記憶信號來表征及度量激光熔覆熱損傷。

本文檢測了不同激光熔覆工藝參數(shù)下的激光熔覆試件的磁記憶信號,采用漏磁場法向分量Hp(y)水平方向平均值梯度Kave作為磁記憶檢測的特征參量,以研究不同激光熔覆參數(shù)引起的熔覆熱損傷對磁記憶信號的影響規(guī)律,探討利用磁記憶信號特征參量表征及度量熔覆熱損傷的方法及判據(jù),分析不同激光熔覆工藝參數(shù)對熱損傷的影響規(guī)律。

2 實驗試件及方法

2.1 試件

激光熔覆試件所用基體材料為Q235鋼,首先在Q235鋼板材(板材長寬厚尺寸:212 mm×200 mm×4mm)寬度方向中心機加工一半徑為0.5 mm的半圓型槽,半圓型槽利用CO2激光器采用預置粉末(Ni基合金)的方式進行激光熔覆,激光熔覆參數(shù)及試件編號如表1所示。為改善熔覆質量,熔覆前板材預熱至50 ℃,熔覆完成后將板材線切割成試驗所需形狀。試件形狀及尺寸如圖1所示,圖中陰影部分為激光熔覆區(qū)域。試件長厚4 mm,中間檢測部分長60 mm,寬15 mm,為減少試驗誤差,檢測部分沿試件長度方向布置有三條檢測線,每條檢測線在試件寬度方向間隔4.5 mm,如圖1中虛線所示。

表1 激光熔覆參數(shù)

圖1 試件形狀及尺寸

2.2 實驗方法

磁記憶檢測試驗在室溫、大地磁場環(huán)境下進行。檢測時所有試件均放于試驗臺的同一位置,試驗采用三維移動滑臺驅動愛德森公司研制的EMS-2003金屬磁記憶檢測儀探頭以12 mm/s的移動速度,1 mm的提離高度沿圖1中虛線所示的檢測路徑檢測激光熔覆試件的磁記憶信號:漏磁場法向分量Hp(y)。每條檢測路徑內(nèi)每間隔5 mm采集一次磁記憶信號。磁記憶檢測試驗完成后,對部分試件進行了金相顯微分析,以說明熔覆熱影響區(qū)的損傷情況,并驗證磁記憶檢測結果的有效性。

3 試驗結果及分析

3.1 磁記憶信號特征及熱損傷判定

試驗檢測了四種激光熔覆參數(shù)組合,共計32根激光熔覆試件的表面漏磁場法向分量Hp(y),發(fā)現(xiàn)部分試件的漏磁場法向分量Hp(y)過零點,但其零值點一般不在熔覆區(qū)域,而大部分試件的漏磁場法向分量Hp(y)不過零點,如圖2所示。因此按照金屬磁記憶檢測技術基本原理,采用熔覆區(qū)域漏磁場法向分量Hp(y)過零點作為判據(jù)來判斷熔覆區(qū)域有無熱損傷是不準確的,需要選擇其他特征參量來表征熱損傷。

圖2 試件磁記憶信號分布

進一步對試驗數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)試件同一檢測位置三條檢測路徑上三個檢測點法向分量Hp(y)平均值在水平方向的梯度Kave在熔覆區(qū)域表現(xiàn)出了較明顯的特征:檢測點均值梯度Kave曲線在激光熔覆區(qū)域會發(fā)生突變,如圖3所示。均值梯度Kave曲線發(fā)生突變說明熔覆區(qū)域存在應力集中或組織變化,即存在熱損傷,因此可以用檢測點均值梯度Kave曲線的突變位置來指示激光熔覆熱損傷的位置,即可以用金屬磁記憶技術檢測激光熔覆熱損傷。

檢測點水平方向均值梯度Kave按下式定義:

Kave=ΔHp(y)ave/Δx

(1)

式中,ΔHp(y)ave表示相鄰檢測位置三條檢測線上漏磁場法向分量Hp(y)均值的差;Δx表示相鄰檢測點之間的距離,本次試驗Δx為5 mm。

圖3 試件1-3均值梯度變化曲線

熔覆試件顯微組織結構變化情況如圖4所示,由基體材料的鐵素體圖4(a)為主,逐漸過度到熔覆熱影響區(qū)的奧氏體圖4(b)、馬氏體圖4(c)為主,其顯微組織結構發(fā)生了明顯的變化,說明熱影響區(qū)確實存一定程度的損傷,正是這種損傷引起磁記憶信號均值梯度Kave曲線發(fā)生突變。

圖4 熔覆試件顯微組織結構

3.2 熱損傷定量評估方法

目前利用金屬磁記憶檢測技術判定構件損傷程度最常用的特征參量有漏磁場法向分量Hp(y)[10]、漏磁場法向分量Hp(y)的梯度[11]、漏磁場切向分量Hp(x)[12]等。為減小試驗誤差,本試驗采用漏磁場法向分量Hp(y)水平方向均值梯度作為磁記憶檢測的特征參量。

對32根激光熔覆試件檢測結果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),均值梯度Kave曲線在激光熔覆區(qū)域均會發(fā)生突變,但其突變峰值的取值并沒有明顯規(guī)律。為定量評估激光熔覆熱損傷的程度,需對磁記憶信號特征參量漏磁場法向分量Hp(y)均值梯度Kave作進一步處理。首先將試件所有檢測位置的均值梯度Kave取平均,并用KL表示。再將熔覆區(qū)域均值梯度Kave突變峰值和KL比較,得其比值R:

R=Kave/KL

(2)

式中,R值表示熔覆區(qū)域均值梯度Kave突變峰值較KL的偏離程度,其絕對值數(shù)值越大,說明Kave偏離KL的程度越大,亦即熱損傷越嚴重。

按照式(2)對32根激光熔覆試件的試驗數(shù)據(jù)進行處理,結果如表2所示。

表2 激光熔覆熱損傷定量評估結果

2.3 激光熔覆參數(shù)對熱損傷的影響

用∣R∣ave表示各熔覆參數(shù)造成熱損傷的嚴重程度,∣R∣ave表示同一組熔覆參數(shù)下的八根試件的R值絕對值的算術平均值,四組熔覆參數(shù)的∣R∣ave值如表2所示。對比四組熔覆參數(shù)下的∣R∣ave,可以看出第二組熔覆參數(shù)造成的熱損傷最大,第一組熔覆參數(shù)造成的熱損傷最小。比較第一組熔覆參數(shù)和第二組熔覆參數(shù)可知,光斑直徑及掃描速度相同的情況下,激光功率增加,熱損傷增加,說明激光功率越大,熱損傷越大；比較第三組熔覆參數(shù)和第二組熔覆參數(shù)可知,掃描速度相同的情況下,激光功率增加,光斑直徑增加,熱損傷程度減輕,說明光斑直徑越大,熱損傷越小；比較第四組熔覆參數(shù)和第二組熔覆參數(shù)可知,光斑直徑相同的情況下,激光功率增加,掃描速度增加,熱損傷程度減輕,說明掃描速度越快,熱損傷越??；比較第三組熔覆參數(shù)和第一組熔覆參數(shù)可知,掃描速度相同的情況下,激光功率增加,光斑直徑增大,熱損傷增大,說明在本試驗參數(shù)下,激光功率相較于光斑直徑對熱損傷造成更大的影響；比較第四組熔覆參數(shù)和第一組熔覆參數(shù)可知,光斑直徑相同的情況下,激光功率增大,掃描速度增加,熱損傷增大,說明在本試驗參數(shù)下,激光功率相較于掃描速度對熱損傷造成更大的影響。

4 結 論

利用金屬磁記憶檢測技術可以檢測激光熔覆熱損傷,根據(jù)磁記憶信號均值梯度Kave曲線突變位置可指示激光熔覆熱損傷的位置。熔覆區(qū)域均值梯度Kave突變峰值和所有檢測點均值梯度的平均值KL的比值R可用來定量表示熱損傷程度,R絕對值越大,說明Kave偏離KL的程度越大,亦即熱損傷越嚴重。分析發(fā)現(xiàn),增加激光功率、減小光斑直徑、降低掃描速度,都會使激光熔覆熱損傷的程度增加。

[1] Chen Jianmin, Guo Chun,Zhou JianSong.Microstructure and tribological properties of laser cladding Fe-based coating on pure Ti substrate[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(9):2171-2178.

[2] Gao Xuesong, Tian Zongjun,Liu Zhidong,et al.Interface characteristics of Al2O-13% TiO2ceramic coatings prepared by laser cladding[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(10),2498-2503.

[3] ZHENG Min, FAN Ding,LI Xiukun,et al.Preparation and interface research of bioceramic coating by laser cladoping on the surface of titanium alloy substrate[J].Rare Metal Material and Engineering,2009,38(11):2004-2007.(in Chinese)

鄭敏,樊丁,李秀坤,等.激光熔覆鈦基生物陶瓷涂層的制備及其界面研究[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(11):2004-2007.

[4] ZHANG Qingmao,ZHOGN Minlin,YANG Sen,et al.The relationship between the processing parameters and the qualities of the coatings formed by powder feeding laser cladding[J].Transactions of the China Welding Institution,2001,22(4):51-54.(in Chinese)

張慶茂,鐘敏霖,楊森,等.送粉式激光熔覆層質量與工藝參數(shù)之間的關系[J].焊接學報,2001,22(4):51-54.

[5] QIU Xingwu, LI Gang,REN Xin,et al.Influence of scanning speed on microstructure and properties of Ni based laser cladding coating[J].Rare Metal Material and Engineering,2009,38:325-328.(in Chinese)

邱星武,李剛,任鑫,等.掃描速度對激光熔覆 Ni基涂層組織性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2009,38:325-328.

[6] Huang Yanlu, Li Jianguo,Liang Gongying,et al.Effect of powder feeding rate on interaction between laser beam and powder stream in laser cladding process[J].Rare Metal Material and Engineering,2005,34(10):1520-1523.

[7] LUO Yongchi. Nonlinear finite element analysis of residual stresses and thermoharm in direct welded Kjoint of steel tubular members[J].Transactions of the China Welding Institution,2007,28(3):65-68.(in Chinese)

羅永赤.鋼管相貫節(jié)點焊接殘余應力與熱損傷的非線性有限元分析[J].焊接學報,2007,28(3):65-68.

[8] TANG Zhenjie. The testing technology for heat damage of the secondary load-carrying on aircraft[D].Wuhan:HuaZhong University of Science and Technology,2005.(in Chinese)

唐振杰.飛機次承力結構熱損傷檢測技術研究[D].武漢:華中科技大學,2005.

[9] DOUBOV A A. Diagnostics of metal and equipment by means of metal magnetic memory[C].Proceedings of Conference on DNT and International Research Symposium,Shantou,1999:181-187.

[10] LIU Changkui, CHEN Xing,ZHANG Bing,et al.Test research on low-cycle fatigue damage of parts by metal magnetic memory methods[J].Journal of Aeronautical Materials,2010,30(1):72-77.(in Chinese)

劉昌奎,陳星,張兵,等.構件低周疲勞損傷的金屬磁記憶檢測試驗研究[J].航空材料學報,2010,30(1):72-77.

[11] JIAN Xingliang,ZHOU Keyin.Magnetic memory experiment based on magnetic gradient measurement[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(4):15-21.(in Chinese)

蹇興亮,周克印.基于磁場梯度測量的磁記憶試驗[J].機械工程學報,2010,46(4):15-21.

[12] WANG Xiang,CHEN Ming,XU Binshi.Change of magnetic memory signals during the tension compression fatigue of 48 MnV steel[J].China Mechanical Engineering,2007,18(15):1862-1864.(in Chinese)

王翔,陳銘,徐濱士.48 MnV鋼拉壓疲勞過程中的磁記憶信號變化[J].中國機械工程,2007,18(15):1862-1864.