激光修复（共6篇）
激光修复 篇1
摘要：采用激光熔覆技术对齿面进行单道、多层、多道搭接烧结实验, 获得了表面平整、外形规则并形成冶金结合的修复层。分析了熔覆层中产生的裂纹、气孔、齿顶塌陷、表面粗糙等缺陷的原因, 并提出了解决方法。
关键词：激光熔覆,齿面,修复,工艺,缺陷
传统齿轮齿面的修复法有电镀法、热喷涂法和堆焊法。电镀法的镀层结合强度低且耐磨性差, 热喷涂法变形大, 而堆焊法工艺较复杂, 都不太适合形状复杂齿面修复的工业应用。激光熔覆修复是以激光作为热源, 通过在损坏齿面添加粉末材料, 利用激光束的高能量密度使之与齿面薄层熔凝并形成冶金结合, 从而恢复齿廓形貌。激光加工可进行局部及有选择性的修复处理, 具有工艺性灵活、修复层与齿面结合牢固、热影响小、组织致密、稀释率低等优点, 非常适合齿轮的齿面修复应用。
一、齿面激光熔覆
1. 试验装置和材料
试验设备:TJ-HL-T5000型恒流电激励连续CO2激光器, PMAC五轴联动数控机床, JKF-6型激光宽带涂敷送粉器。
试验材料:45钢斜齿轮轴整体结构, 齿数25, 螺旋角15°28′34″, 法面模数4mm, 法面压力角20°;粉末材料为Ni60粉末, 化学组分为:C0.6%~0.8%, Cr15.0%~16.5%, Si4.4%~5.0%, B2.5%~3.5%, Fe≤5.0%。
试验方案:采用侧向送粉方式, 送粉喷嘴的位置在激光束的一侧, 粉末和激光束相交于一点, 单向送粉单向扫描, 如图1所示。齿轮熔覆采用轴向分齿跳齿扫描法, 光束不动, 齿轮沿轴线方向作直线运动, 齿轮同步旋转。
2. 试验过程
本研究采用的齿面激光熔覆修复的工艺过程如下。
(1) 采用无损探伤法对损坏齿轮进行检测, 判断是否具有修复价值。
(2) 根据失效齿轮的几何参数与变化规律, 确定最佳扫描方法。
(3) 在平面样块上实验, 得到激光熔覆最佳工艺参数组合。
(4) 根据损坏齿面情况设计激光扫描轨迹, 编制相应计算机控制程序。
(5) 清洗齿面, 去除损坏处氧化膜和污垢, 以便熔融金属粉末能润湿齿轮基体。
(6) 在齿轮表面单道熔覆成形, 使覆层与基体形成冶金结合。
(7) 对面积较大损坏, 在第一道的基础上熔覆第二道, 使第二道与第一道搭接平整。
(8) 对齿面损坏较深处, 在第一层的基础上熔覆第二层, 使第二层与第一层形成冶金结合。
(9) 重复以上过程, 直到将整个损坏齿轮修复完为止。
(10) 对修复后齿面进行适当后续机加工, 恢复原有渐开线齿廓形状, 并进行质量检测。
3. 熔覆工艺
(1) 单道熔覆。
齿面轮廓复杂, 为了获得理想的激光熔覆工艺参数, 先在大量探索性实验基础上确定一个工艺参数范围。根据正交法原理, 以激光功率P、送粉量G、扫描速度V为因子安排L9 (34) 正交实验, 通过评价覆层外观、外形及稀释率, 最后确定P=1.8k W、G=80r/min、V=3.8mm/s, 试验结果为熔覆层表面光滑、外形规则并形成冶金结合, 如图2所示。
(2) 多层熔覆。
因单道熔覆层厚度有限, 对损坏较严重齿面还需进行多层修复。因多层熔覆时基体已不再是平面而是弧形, 通过多次试验, 发现影响覆层高度的因素很复杂, 没有实时闭环监测是无法精确控制的。最终将预先测得初始五层烧结高度的平均值作为分层基准, 实践证明效果较好。在多层熔覆试样上用显微硬度计测量硬度值, 发现宽度方向上硬度相差很小, 深度方向上的硬度如图3所示, 硬度分布比较均匀, 且大大超过了粉末的硬度, 能够强化修复齿面, 提高其耐磨性。
(3) 多道搭接。
在齿轮修复中, 不仅有各个磨损部位个别修复的要求, 有时还需要对一个齿面进行整体修复。但由于光斑尺寸小, 单道烧结的宽度十分有限, 对大模数齿面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小将直接影响到齿面修复层的表面平整和修复效果。若搭接率太小, 两道之间会有一条明显的凹陷区, 若搭接率太大, 整个涂层表面呈现一斜坡。根据搭接系数确定的理论依据和实验验证, 当搭接系数为20%时修复层表面平整。
二、熔覆层缺陷控制
1. 修复精度和表面质量
大面积的齿面修复层表面虽较平整, 但很粗糙, 精度较低, 必须经过后续切削加工才能重新投入使用。究其原因, 一是因为粉末输送的不均匀和激光功率等工艺参数的不稳定, 造成单道厚度、宽度发生变化;二是采用侧向同步送粉沿齿面扫描时, 渐开面上各点的粉末运动方向与激光束扫描速度方向的夹角不一致, 导致各点的粉末堆积形状发生变化;三是熔池中凝固组织在高温状态下发生氧化, 在修复层外表面形成了氧化皮外壳。通过实验发现, 采用反复逐层机械修整的方法可以大大提高修复精度和表面质量。
2. 裂纹和气孔
对齿面进行多道多层激光熔覆后, 修复层表面会产生明显的裂纹和气孔。气孔主要是由于粉末熔化过程中产生的气体在快速凝固时来不及逃逸出表面所致。在实验前对Ni60粉末烘干, 并适当调整工艺参数, 减缓熔池冷却结晶速度有利于气体的逃逸。
激光熔覆过程修复层经受一个极为不均匀的快热快冷作用, 熔池在快速凝固及随后的快速冷却中将产生内应力, 这是导致齿面修复层开裂的主要原因。另外, Ni60粉末中B、Si元素的存在, 使得熔覆层中会产生硅化物和硼化物等脆硬相, 降低了修复层的延展性, 增加了开裂倾向。轮齿修复前对齿面进行一定温度的预热、修复后再进行一定的后处理, 可降低温度梯度从而降低开裂可能。
3. 齿顶塌陷
齿轮传动时, 主动齿轮齿顶将推动从动齿轮齿根运动。齿面激光熔覆时齿顶会发生塌陷现象, 将影响传动平稳性。齿顶塌陷主要是由于激光照射时热量向齿面边缘扩散, 位于边缘的齿顶横向剖面积小, 热集聚效应明显。此外, 齿轮齿廓曲线为渐开线, 熔融液体从高处向低处流, 齿顶熔池里的熔液向两侧流动造成齿顶材料的流失而塌陷。
在激光功率、光斑尺寸不变的情况下, 通过增加送粉量或减小扫描速度, 使齿顶基体尽量少熔化可减缓塌陷。另外, 通过实验验证, 齿顶采用预置粉末法, 先用较低的激光功率扫描, 使小部分粉末熔化或微熔, 依靠这部分粉末使大量的粉末粘结成团附着在齿顶表面, 再进行正式的激光熔覆, 基本能解决齿顶塌陷问题。
三、结语
(1) 利用激光熔覆技术对失效齿面进行了激光熔覆修复。通过优化工艺参数, 得到了表面平整、稀释率低、具有良好冶金结合且硬度较高的修复层。
(2) 通过采用反复逐层机械修整的方法提高了齿面修复精度和表面质量, 对轮齿修复前的预热和修复后的后处理降低了开裂的可能, 对熔覆粉末烘干并适当调整工艺参数解决了气孔问题, 采用粉末预置二次扫描基本解决了齿顶塌陷问题。
参考文献
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[5]徐家乐, 李忠国.激光熔覆层裂纹缺陷的研究进展[J].热加工工艺, 2013, 42 (8) :6-9.
修复体创伤性溃疡的激光治疗 篇2
1材料和方法
1.1激光及参数设定
实验组采用Nd:YAG脉冲式口腔激光治疗仪 (合肥泓博医学科技有限公司) 治疗, 波长:1064nm;能量:80m J/脉冲;频率:20Hz, 每次使用总能量视患者个体能忍受的差异而定, 大约在12~20W之间, 治疗时术者手持光纤头在溃疡表面点状照射, 直至溃疡表面变得干燥粗糙为止。对照组选用复方氯已定含漱液 (江苏晨牌药业有限公司提供;国药准字H20058018, 规格:500ml/瓶) , 一次10~15ml, 早晚刷牙后含漱, 5~10日为一疗程。
1.2试验对象
选择2013年1月~2014年11月来我院口腔科就诊并确诊为不良修复体伴发创伤性口腔溃疡患者86例, 随机分为2组, 实验组即激光治疗组43例, 其中男20例, 平均年龄67.0岁, 女23例, 平均年龄65.8岁;对照组即药物治疗组43例, 其中男19例.平均年龄66.4岁, 女24例, 平均年龄67.2岁。开始治疗规定为第ld, 第4d复诊, 药物治疗组用药时间10d, 第10d复诊观察疗效。
1.3纳入及排除标准
纳入标准:1年龄50岁~85岁, 男女不限;2治疗前所有患者必须先拆除不良修复体;3无系统性疾病, 未服用其他药物;4所有患者均自愿参加, 并严格服从治疗方案, 按期复诊。签署知情同意书。 (2) 排除标准:1 24h内使用抗生素、止痛药及其他治疗手段者;2三个月内用过激素或免疫抑制剂者;3全身系统性疾病者;4精神及智力障碍者;6既往有药物过敏史者。
1.4疗效评价标准
愈合:溃疡面积缩小, 深度明显减轻, 变浅至愈合, 有白色黏膜生成, 口腔黏膜无继续破溃及渗出。
疼痛指数:采用视觉类比量表 (VAS值) 记录每天疼痛分值。
显效:3d内溃疡愈合, 无疼痛等主观症状;有效:4~5d内溃疡愈合, 疼痛缓解;无效:7d以上溃疡未愈合。疼痛持续存在。
1.5统计分析
采用SPSS 17.0软件进行统计学分析, 组间比较采用方差分析。
2结果
2.1治疗效果
实验组有效率71%、显效率13%、无效率16%, 有效率和显效率和为84%;对照组有效率24%, 无效率69%, 显效率为0%, 有效率和显效率的和为24%, 组间差异具有统计学意义 (P<0.05) 。
2.2愈合期比较
本实验结果发现, 实验组平均溃疡愈合时间明显少于对照组, 组间比较P<0.05。
2.3疼痛指数比较
两组创伤性溃疡患者在治疗前疼痛程度无统计学差异 (P > 0.05) , 但经过治疗后疼痛程度均缓解, 但对照组减少程度远小于实验组 (P<0.05) 。
2.4总体疗效评价
根据组织学特点, 创伤性溃疡的自然病程是7~10d。实验组平均愈合时间缩短 (P<0.05) , 且疼痛程度明显减少 (P<0.05) , 疗效明显好于对照组。
3讨论
一定持续时间, 一定波长和释放能量的激光照射对治疗修复体创伤性溃疡有良好疗效。近年来, Nd:YAG激光已逐步应用到口腔黏膜病的治疗中。激光作用于创伤性溃疡表面, 促使局部血液循环加速, 清除炎症细胞, 加速上皮和成纤维细胞增殖, 加速溃疡愈合。其次, 激光的瞬间热效应使病损表面坏死组织汽化、凝固, 破坏病损区神经末梢, 达到消炎止痛目的。本研究发现:试验组愈合率明显快于对照组, 疼痛指数明显降低, 治疗时间短, 次数少, 不仅给患者节省了就诊费用且大大减少了痛苦, 值得在临床中推广。
参考文献
[1]李秉琦.口腔黏膜病学 (第2版) [M].北京:人民卫生出版社, 2003.
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[3]胡朝英, 陈耀宗.复发性阿弗他溃疡药物治疗现状[J].现代口腔医学杂志, 2013, 27 (1) :48-51.
激光修复 篇3
轧辊是轧机上的主要消耗部件，应用广泛。但是轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态，轧辊主要有剥落、断裂、裂纹等失效形式，任何一种失效形式都会直接导致轧辊使用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式，找出延长轧辊使用寿命的有效途径。
激光表面强化技术是在保证材料整体强度的基础上，赋予材料表面以各种优异的性能，成倍的延长使用寿命。而冶金轧辊激光表面强化技术是最具市场前景的激光技术，它采用先进的激光表面处理技术，可以在冶金轧辊表面形成一层厚度1.5～2mm超细化、高强韧性、高耐磨的合金层，典型的金相组织为超细化、过饱和的马氏体和高度弥散、均匀分布的碳化物强化相颗粒，使冶金热轧辊寿命显著提高。所以研究中镍铬合金铸铁材料表面的激光熔覆是有重要意义的。
本文以激光熔覆在冶金轧辊上的应用为背景，研究了激光表面熔覆镍基合金熔覆层组织与显微硬度以及耐腐蚀等性能。研究结果为激光表面熔覆技术在冶金工业领域的应用提供了实例。
2 试验材料及方法
2.1 试验材料
选择中镍铬合金铸铁作为试验的基材，成分见表1，选择的自熔性合金粉末是Ni20A合金粉末，其成分如表2，实验设备如下：
(1)DL—HL—T5000型高功率横流CO2激光器;
(2)数控线切割机;
(3)XZ-3金相显微摄影仪;
(4)金相预磨机;
(5)L2003A高倍金相显微镜;
(6)HVS-1000数显显微硬度计。
2.2 实验方案
选用镍基合金粉末，对中镍铬合金铸铁材料进行窄带(圆形光斑)扫描方式激光熔覆修复试验研究，选定送粉速度为60mg/s，搭接率为10%，最后以激光功率、光斑形状和尺寸、光束输出模式和熔覆层叠加层数4个参数制定的正交实验表L9(34)作为实验的初步方案，如表3。
2.3 最优参数组的选择
通过研究时观察各组激光熔覆后的表面状态(图1),较好表面的两组参数分别为参数组4、6，做后续的实验。
3 实验结果分析
3.1 熔覆实验结果与分析
从表4观测结果来看，Ni20A粉末激光熔覆层表面无裂纹，熔覆层表面比较平整有极少数不熔和小的凹坑，熔覆层搭接部分表面较为平整，搭接部分在整层的过渡好。
3.2 显微组织分析
本实验用柳州化学纤维厂报废轧辊为试验材料，材质为中镍铬无限冷硬铸铁，规格尺寸为320×520，辊面硬度HSD65-75，抗拉强度≥300MPa,抗弯强度500-700MPa,金相组织为珠光体+贝氏体+马氏体(图2)。
可以看出当采用不同的参数组时得到的组织并不完全相同，但是得到的熔覆层比较接近，较过渡层的组织明显细化。从上图4和图6中可以看到:镍基的熔覆层的组织主要为柱晶状枝晶，排列非常规则,组织均匀。从上图3和图5中可以看出:过渡区的放大组织为沿着散热的方向生长的树枝状组织,晶粒明显缩小,气孔率也明显下降,说明熔覆层和基体层之间结合属于冶金结合,结合强度高,从而稳定且有效地提高了轧辊的寿命。
由图7可知，在熔覆层与基材之间形成了扩散，它是通过基材表层的微量熔解和熔覆层材料向基材扩散而形成的冶金结合。在结合区的细密等柱晶像楔子一样的插入基材中，使基材与熔覆层形成了牢固而紧密的冶金结合，这样的结合界面具有较高的强度。
3.3 熔覆层的显微硬度
中镍铬合金铸铁激光熔覆后表面分成三个区：熔覆区，结合区(过渡区)，基体区。从图8可知：从熔覆层表层到结合界面，熔覆层的显微硬度变化不大,过渡层显微硬度比熔覆层大,从过渡层过渡到基体层，显微硬度发生了很大转折,主要是因为:(1)冶金轧辊是采用离心复合浇注工艺生产,最外层的温度较高,冷却后,越往芯部温度就越低,所以最外层的硬度较大。(2)激光熔覆过程中的温度达到了1000℃以上,相当于表面已经进行了激光淬火,三个区的组织会相互渗透，所以过渡层中可能既含有熔覆层组织,又含有基体层组织,因此过渡层显微硬度大于熔覆层,还有基体的组织不均匀是可能的.(3)由于本次实验测的是显微硬度,范围很小.所以硬度的波动较大,而宏观上轧辊的硬度是比较均匀的。
3.4 激光熔覆层耐腐蚀性能
基体层用5%的硝酸酒精涂敷2-3秒，基体表面即刻变黑，即已经达到腐蚀的效果。Ni20A合金的激光熔覆层开始用5%的硝酸酒精进行腐蚀实验，再用10%的硝酸酒精进行二次腐蚀，发现基体层腐蚀过度，过渡层组织清晰可见，熔覆层的组织没有任何变化。然后再用逆王水进行腐蚀，只见过渡层已经腐蚀过度，熔覆层还是保持抛光时的表面，再用王水(盐酸与硝酸体积比3:1)进行腐蚀，通过观察，熔覆层显微组织清晰可见，基体层则腐蚀过度。不同的是熔覆层组织是细小的晶粒，熔覆层与基体层的界面清晰。
可见，在中镍铬合金铸铁的表面熔覆Ni20A合金粉末可以大大提高轧辊的耐腐蚀性。
4 总结
应用Ni20A粉末在中镍铬合金铸铁材料表面进行激光熔覆，在熔覆层与基体之间的冶金结合带平直清晰，内部无气孔。由于镍基合金优良的热加工性能，镍具有提高熔覆层的抗裂纹能力，所以无裂纹出现，而且基体和熔覆层结合紧密，耐腐蚀性好(激光功率=2500～3500W、光斑直径=Φ2～Φ6mm、扫描速度=200～800mm/min)。显微硬度平均为360Hv左右，比原始的低，但是具有良好的韧性和强度，达到了预期的实验目的并进行尺寸修复。这说明中镍铬合金铸铁激光表面熔覆Ni20A粉末可以成为一种工业上实用化的工艺。
参考文献
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激光修复 篇4
2010年3月, 某钢厂的一离心式空压机在运行中振动增大, 停车后, 检修人员发现有异物进入旋转叶轮中, 与叶轮碰撞, 导致整个叶轮出气边叶片受损, 使机组无法继续运行。
该离心空压机的设计流量为60m3/min, 介质为空气, 转数为4 950r/min, 转子材料为17-4PH不锈钢, 工作温度200℃, 该叶轮为第三级叶轮。
由于离心式空压机转速高, 因此若仍采用传统的叶片磨损修复措施, 则难以满足工作要求。而且传统的修复手段存在修理周期长、成本高及材料性能变化大等缺陷。通过调研, 拟采用激光熔覆堆焊方式进行修复。激光熔覆技术是用激光束将已制备的合金粉末涂层熔化, 成为熔覆层的主体合金, 同时基体金属有一薄层熔化, 与之构成冶金结合的一种表面处理技术。
一、试验与结果
1.试验方法
选用与叶片材质成分非常相近的激光熔覆粉末, 材料成分见表1。使用激光熔覆方法堆焊成图1形状的试验样板, 并按国家标准制作各种测试试样。
%
使用HXS-1000A和SANSCMTS-305进行硬度和拉伸性能测试, 使用OLYMPUS BX51M进行显微组织观察。
2.试验结果
(1) 显微组织
激光熔覆的金相组织致密、无缺陷。焊材与基体结合良好且热影响区非常小。
(2) 力学性能
从图2基体与激光熔覆区域硬度对比图, 可以看出激光熔覆部位、熔覆热影响区的硬度与基体基本相同。
从图2基体与激光熔覆区域拉伸性能对比图, 经拉伸试验发现, 其性能与基体性能基本相同, 更为重要的是断裂在基体上, 不在焊缝和热影响区。
(3) 试验结果分析
激光熔覆技术有着传统焊接技术无法比拟的优越性, 由于激光不仅具有近似绝热的快速加热熔化过程, 而且具有非常快速的冷却过程, 类似于快速淬火, 使晶粒组织细化、化学元素成分分布均匀, 从而使堆焊部位获得非常好的性能。
此外, 通过工艺优化控制激光的输入能量, 可以将基体材料的稀释降到较低的程度。
因此, 从上述分析可以看出, 激光熔覆后热影响区、激光熔覆区域的HV、σb、σ0.2保持优良的性能, 基本与基体保持一致。
二、激光熔覆的施工工艺
针对风机叶轮的损坏情况, 基于上述的试验结果, 决定采用激光熔覆技术进行修复。施工工艺流程图如图4所示。
1.检测、清洗
叶轮出气边的八个叶片均有不同程度的缺损, 其中最大缺损面的长约35mm、宽约30mm、叶片厚2mm。对工件表面进行清污除锈处理, 检测外形尺寸等, 并进行无损探伤。
2.原型线测量
选择相对完整的叶轮型线进行测量, 并与在新转子上采取的型线样板和测量的原始数据进行对比。最终确认叶轮型线样板。叶轮型线对压缩机的性能有重大影响, 决定了压缩机的性能好坏。
3.叶轮表面预处理
叶轮本体表面腐蚀疲劳层、型面及端面磨损和损伤部分进行清理打磨处理, 主要去除表面的氧化层。全面无损探伤检查及熔覆前的表面洁净处理。
4.激光熔覆专用材料配置
由于叶轮对硬度、耐磨性要求较高, 经分析比较, 采用高强度不锈钢金属粉料作为激光熔覆金属的粉料。该合金粉料与叶轮原材料相比, 不仅具有有自我脱氧和造渣的性能, 而且具有优异的耐蚀和耐磨性, 熔覆后具有满足工件使用要求的机械性能, 与基体材料有较好的结合强度和理想的金相组织。
5.激光熔覆工艺参数确定及熔覆加工
根据上述确定的叶轮待加工尺寸、专用的激光熔覆金属粉料, 制定熔覆工艺参数。每层熔覆厚度为0.6mm, 扫描速度12mm/s, 熔覆到要求尺寸并留有足够的后续机械加工余量。
6.机加工
对照已绘制好的叶轮型线样板, 对叶轮表面进行磨削加工, 保证叶轮外形恢复到其原来的设计尺寸。在此过程中还需要进行多次着色探伤, 对此过程中发现的裂纹进行打磨和再熔覆处理。最终对处理好的叶轮进行精修, 确保其修复后尺寸精度。
7.叶轮检测
叶轮加工完成后, 再次对转子进行几何尺寸、形位公差、无损探伤检测。在型面检测完成后对叶轮表面进行抛光处理。
8.低速动平衡
进行低速动平衡试验, 保证叶轮重新校验到标准动平衡精度G2.5级。试验过程中要注意部件的润滑, 防止旋转摩擦部位磨损, 影响动平衡试验精度。
三、应用效果
激光修复 篇5
1.1 表面修复再制造技术
表面修复再造技术广泛应用于机械制造中, 其是再造技术的重要内容, 将机械上因氧化、腐蚀、刮伤、磨损、变形等因素而失去原有性能的零部件, 采用先进的修复再造技术对其修复再制造, 进而降低机械制造中的投入成本。通常来说, 对失效的零部件进行表面修复再制造具有诸多优点和好处, 比如减少原材料及新备件的消耗、对零部件性能的优化和提高、解决无备件问题等。
在实际修复再制造中, 并非所有零部件均适用于此, 可用于表面修复再制造的零部件需满足以下条件: (1) 对零部件的表面修复再制造成本要明显低于更换新部件的成本; (2) 修复后的零部件在性能的各参数上满足实际需求; (3) 修复再制造后的零部件寿命周期要满足生产需求; (4) 修复再制造的过程要满足环保要求, 真正实现绿色制造。修复方案的选择需要结合机械零部件的实际情况, 通常要考虑以下几个因素: (1) 修复再制造技术工艺对零部件材质的适应性; (2) 可修复的厚度; (3) 修复覆层与基体结合强度; (4) 修复层的耐磨性。
1.2 表面修复再制造技术在机床修复中的应用
表面修复再制造技术的诸多优点使其在机床修复中被广泛应用, 而应用的范围通常包括机床导轨、变速箱轴承孔、油泵柱塞轴、主轴轴承、滑动配合面等磨损。衡量机床表面磨损失效且需修复再制造的标准通常包括: (1) 机床虽能正常工作, 但部件性能损坏超过规定标准; (2) 机床零件严重失损且无法正常工作; (3) 机床零部件完全不能工作。从表面修复再制造技术在机床修复中的实际应用来看, 表面损伤失效主要包括磨损失效与腐蚀失效两种因素。对机床表面修复再制造的原则需兼顾性能原则与经济性原则, 其技术路线如下: (1) 机床修复再制造可行性评估报告; (2) 机床修复再制造目标确定; (3) 机床修复再制造技术的设计; (4) 机床修复再制造的工艺设计; (5) 机床修复再制造的质量控制与检验; (6技术培训及配套服务。
2 激光熔覆修复技术
激光熔覆是实现表面修复再制造的重要技术之一, 用于零部件表面修复中具有突出的优点, 能够使零部件获得性能更优的熔覆层, 使其更加耐磨、耐腐蚀、耐高温等。激光具有其独特之处, 可使其能够通过一系列光学系统作用聚焦成极细的光束, 进而使其在光斑附近产生极大的能量密度, 可在短时间内将物质熔化和气化, 最终达到加工目的。激光熔覆正是基于激光这一特性而发展出来的一种先进的表面修复再制造技术, 利用高能激光束本身的高能特性将零部件表面快速熔化而凝固成一层具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性、高耐热、高强度的覆层, 进而达到零部件表面修复的目的。按照激光熔覆合金材料的供应方式, 激光熔覆修复技术可以分为两种, 即预置式激光熔覆与同步式激光熔覆。
3 机床导轨表面激光熔覆修复技术
3.1 常用的机床导轨表面修复技术
机床导轨作为机床的基准部件, 为机床各类功能的顺利实现提供了牢靠的基础, 在机床加工中, 切削负荷所产生的往复叠加力往往会对导轨表面造成磨损、划伤等缺陷, 进而影响零件加工的精度和尺寸, 因此这就需要进行机床导轨表面修复再制造。在机床导轨表面修复的实际运用中, 喷焊、电刷镀修复、电弧焊是常用技术, 但其对铸铁导轨表面有一定的局限性, 容易产生咬边、裂纹、变形等问题, 而激光熔覆修复技术则可以成功地避免这些问题, 使熔覆层与基体结合更牢固, 而且在修复后的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、抗高温性能等方面具有优化提升效果, 进而使其使用寿命得以延长。
3.2 机床导轨激光熔覆修复方案
对于机床导轨表面激光熔覆修复, 可采用激光熔覆修复的一般工艺步骤, 即粉末材料选择、设备选择与工艺规程制定。在激光熔覆粉末材料的选择上, 对比铁钴镍基合金粉末特性得知, 钴基与镍基的自熔性好, 铁基自熔性与抗氧化性差, 但成本低, 镍基不耐高温, 但耐腐蚀、耐磨性强, 韧性好且抗氧化, 钴基成本较高, 但耐热震、抗蠕变、耐磨耐腐蚀。针对文章的机床导轨表面修复, 选择含Ni、Cr、Si、B等元素的镍基自熔性粉末作为激光熔覆材料, 可获得无裂纹、组织致密、无气孔夹杂塌陷、硬度高且耐磨耐腐蚀的镍基涂层。在材料选择确定之后, 结合实际实验目的和需求, 文中选择德国IPG公司生产的光纤激光器配备日本川崎激光加工机器人等其他辅助设备组成光纤激光修复成套设备。机床导轨激光熔覆工艺规程为:工况分析→工艺准备与检验→工艺实施→熔覆层检验→熔覆后机加工→成品检验。
3.3 光纤激光修复成套设备
为了使此文的修复实验操作简单方便, 且能够实现快速修复, 提高修复效率, 光纤激光修复成套设备及参数如下: (1) 光纤激光器, 规格YLS-2000, 符合我国用电标准, 配备各种借口, 可实现激光器的远程控制及系统的集成控制; (2) 激光传输系统, 配有一根光纤, 可弯曲半径最小200 mm, 具有自我保护功能, 确保操作安全; (3) 激光熔覆加工头, 实现光纤传输激光的准直、聚焦; (4) 机器人系统, 日本川崎R系列, Kawasaki RS20N, 包括机器人本体、外部I/O设备、示教盒、机器人控制柜、供电电缆; (5) 送粉器系统, 型号为DPSF-3, 配备侧向送粉喷嘴及调整机构; (6) 冷却系统, 全自动控制运行方式, 提供循环用冷却水, 具有多项安全保护功能; (7) 笔记本电脑, 安装机器人相关驱动程序。
3.4 机床导轨光纤激光熔覆步骤
此文主要针对某深孔钻镗床的导轨运动段磨损处进行激光熔覆修复, 修复的步骤可大体分为前期准备阶段、激光熔覆工艺实施阶段和后机加工阶段。在准备阶段, 需对机床导轨激光修复工况进行分析, 了解工件材质, 明确熔覆位置、尺寸、形状及工艺性能要求, 并制定详细的激光熔覆修复方法;在工艺实施阶段, 按照具体要求将设备成套组装并打开控制开关, 然后加冷却水并设定水温, 低温水范围5℃~20℃, 常温水10℃~35℃, 之后对设备抽气与充气, 此次加工采用氮气;接着进行机床导轨表面修复AS程序编程, 设定此次加工的标准参数, 最后启动程序开始激光熔覆修复工作。在机后加工阶段, 对熔覆层进行检测, 并对导轨表面进行加工处理, 包括光洁度打磨等。
4 机床导轨光纤激光熔覆修复结果
机床导轨激光熔覆修复之后, 经检测导轨多项机械性能有很大提高, 其磨损处涂覆的3处合金熔覆层平均硬度达到HRC55, 便面变形量小, 耐磨耐腐蚀性、抗氧化性、耐高温性能等大大增强。实验说明利用光纤激光修复成套设备对机床导轨磨损面进行修复再制造的工艺方法具有可行性, 且发展前景可观。
参考文献
[1]赵文强, 苗鸿宾, 江敏.机床导轨激光熔覆修复技术的研究[J].制造技术与机床, 2012 (12) :94-97.
[2]涂志强.激光熔覆与再制造过程中的三维模型重构[D].上海交通大学, 2013.
[3]常成, 刘建永.激光熔覆技术及其在汽车工业中的应用[J].湖北汽车工业学院学报, 2016, 30 (2) :49-53.
[4]董信昌.基于再制造的机床导轨复合修复技术研究[D].北方工业大学, 2015.
激光修复 篇6
针对该问题,已有研究主要采用微弧堆焊[5]、电弧喷涂[6]等方式对体积损伤部位进行体积恢复或表面强化,但微弧堆焊技术成形精度不高,热影响区及后续加工量较大,易对基材力学性能造成影响;而电弧喷涂涂层可实现厚度较小,并且结合强度较低,在压缩机叶片受高速粒子冲蚀及高速运转的情况下,涂层易剥落。
激光作为一种高能量密度热源,被广泛应用于重要装备部件再制造领域[7,8,9],并取得显著的工程和经济效益,激光熔覆在再制造成形中具有成形精度高,热影响区及热变形小,对基体力学性能影响小;熔覆层与基体形成致密的冶金结合[10],结合强度高;可实现较大面积和较深厚度的快速成形修复;结合智能化机器人技术,可适应不同区域和位置的柔性成形修复[11]等独特优势。
综上所述,激光熔覆技术为损伤压缩机叶片的再制造提供了技术途径。但由于叶片属于薄壁件,且形状复杂,激光熔覆再制造工艺不当易引起叶片的变形甚至开裂。因此,如何获得基体无形变或小形变的高精度仿形再制造成为叶片激光再制造的难点。
本工作针对体积损伤叶片模拟件激光再制造成形形状控制难点,以压缩机叶片常用材质FV520(B)钢为基体,并将其制 成叶片模 拟件,采用成分 接近的FeCrNiCu合金粉末为熔覆材料,通过搭接率及稀释率优化分析,选择最优工艺参数;通过规划成形搭接顺序及层间偏移量,优化成形工艺过程。实现叶片模拟件的激光再制造精度成形,为压缩机叶片的激光再制造提供理论借鉴和工艺参考。
1 成形工艺参数优化分析
1.1 层内搭接率优化分析
熔覆层内搭接率,作为激光再制造成形过程中的重要工艺参数,对激光熔覆层表面平整度具有重要影响,搭接率过大易造成成形层表面凸起而影响成形整体形貌,甚至出现“结瘤”等成形缺陷;而搭接率过小, 则容易使成形表面凹凸不平,影响成形部位表面平整度或造成成形尺寸缺失。因此,最优搭接率的选择,对激光再制造成形形状精度控制具有重要意义[12]。
对激光再制造成形最优搭接率的极限状态进行如下假设,如图1所示:搭接过程中,激光功率、送粉速率、扫描速率等工艺参数保持不变;单道成形层高度与宽度保持恒定不变,搭接熔覆层弧形对应中心O,O′在同一高度;粉末在熔池中充分熔化,即每道熔覆层成形质量相等;相邻熔覆道顶点、搭接区域表面处于同一平面。其中,W为熔覆道宽度,H为熔覆道高度,S为搭接区域长度,截面MNC为先成形 熔覆道截 面,截面NPQC为后成形搭接熔覆道截面。
由图1可知,在工艺参数不变的情况下:
其中:
将式(7)代入式(6)中,可得:
由上述可得,在假设的最优搭接率极限状态下,搭接率与单道熔覆层的熔高和熔宽相关,即激光再制造工艺参数一定的情况下,最优搭接率为定值。因此,通过对激光再制造工艺参数下单道熔覆层的熔宽与熔高的测量,可获得该组工艺参数下最优搭接率,实现成形形状表面平整度的控制。
1.2 稀释率筛选策略分析
稀释率作为评价激光熔覆层质量的重要参数,表示熔化基材混入熔覆层,引起熔覆层合金成分的变化程度,可用基材合金在熔覆层所占的百分率表示[13]。研究表明:稀释率在2%~10%之间时,熔覆层受基材元素稀释作用较小,能与基材形成良好的冶金结合,在激光再制造成形过程中,降低熔覆层间热累积效应而引起的熔覆层与基体的开裂可能[14]。如图2所示,稀释率计算方法如下[13]:
式中:δ为稀释率;H为熔高;h为熔深。
通过对熔覆层稀 释率进行 计算和评 价,实现工艺参数的进 一步筛选 和优化,提高激光 再制造过 程中的成形质量。同时,为保证激光再制造成形效率, 熔覆层稀释率相近 情况下,优先选择 熔高较大 的工艺参数。
2 工艺参数优化分析实验
实验采用压缩机 叶片用FV520(B)钢为基体 材料,选择成分接近的FeCrNiCu系合金粉末为熔覆材料,粒度为 -140~ +325目,实验前将FeCrNiCu合金粉末置于DSZF-2型真空干 燥箱内以150℃干燥2h,材料主要成分如表1所示,该熔覆材料具有较高的强度、韧性以及耐磨性。实验前对基材进行砂纸打磨, 去除表面铁锈及氧化膜,并用丙酮清洗。
实验采用YLS-4000光纤激光再制造系统,送粉方式为同轴送粉,熔覆过程对熔池施加氩气保护。样本分析实验用单道激光熔覆工艺参数如表2所示。
图3(a)~(e)分别为表2中序号1~5工艺参数下对应实验样本,由图3可知,各实验样本均具有较好的成形形状,其中,工艺参数3下实验样本(c)熔覆层两侧略有沾粉外,成形高度相对较小;工艺参数1,2下对应实验样本(a),(b)成形高度与成形宽度基本一致,但工艺参数5对应的实验样本(e)成形高度及宽度都相对较大。
图3 不同工艺参数下单道熔覆层宏观形貌 (a)工艺参数1样本;(b)工艺参数2样本;(c)工艺参数3样本; (d)工艺参数4样本;(e)工艺参数5样本 Fig.3 The integral shape of single laser cladding layer (a)specimen for parameters set 1;(b)specimen for parameters set 2; (c)specimen for parameters set 3;(d)specimen for parameters set 4; (e)specimen for parameters set 5
在每个熔覆道中部进行线切割取样、镶样、打磨并抛光,利用4g CuSO4+20mL HCl+20mL H2O的腐蚀液配方腐蚀20~25s,利用Olympus GX-51型金相显微镜的微观测距功能,测量样本熔宽和熔高,并由公式(2),(3),(4),(8),(9)计算每组工艺参数下对应最优搭接率及稀释率,测量结果如表2所示。
基于表2所示工艺 实验数据,选择稀释 率接近2%~10%区间的样本(a)和样本(e)对应的工艺参数1和5,作为优化后的压缩机叶片模拟件的成形工艺参数,其中参数1具有相对较低的稀释率和热输入量,参数5成形高度相对较大,可减少成形堆积层数,实现快速成形。在实际成形过程中,对工艺参数1搭接率按照60%进行近似,工艺参数5搭接率按照50%近似。图4为采用工艺参数5进行的单层搭接熔覆,图4(a) 搭接率为50%,图4(b)搭接率为30%,可以看出,图4 (a)所示表面平整度明显优于图4(b)。
图4 不同搭接率下熔覆层宏观表面形貌 (a)50%搭接率;(b)30%搭接率 Fig.4 The surface morphology of cladding layer for different lapping ratios (a)50%lapping ratio;(b)30%lapping ratio
图5(a),(c)分别为采用工艺参数5,按照50% 搭接率进行熔覆的搭接部分顶部 及底部金 相组织; 图5(b),(d)为采用工 艺参数5,按照30% 搭接率进行熔 覆的熔覆 层顶部及 底部金相 组织。从 图5 (a),(b)可以看出,相同位置取样的熔覆 层顶部,均为等轴晶组织,搭接率为50%的熔覆层顶部等轴晶较搭接率 为30% 的试样细 小,分布密集;从图5 (c),(d)可以看出,底部均以粗 大的树枝 晶为主 ,搭接率为50% 的熔覆层 底部树枝 晶及胞状 晶都较搭 接率为30%的试样细小,分布更加密集均匀。综上分析,进一步验证基于表面平整度 假设的搭 接率选择的正确性。
图5 不同搭接率熔覆层不同部位金相组织 (a)50%搭接率,顶部; (b)30%搭接率,顶部;(c)50%搭接率,底部;(d)30%搭接率,底部 Fig.5 The metallographic structure of the laser cladding layer on the top and near the bottom (a)50%lapping ratio, the top;(b)30%lapping ratio,the top;(c)50%lapping ratio,the bottom;(d)30%lapping ratio,the bottom
3 再制造量化成形与精度分析
3.1 量化分析及成形过程
实验用基体 材料为进 气边存在 体积损伤 的FV520(B)钢压缩机叶片模拟件,对体积损伤部位进行机械加工去除,为避免成形部位熔覆层内应力集中而造成开裂,在待成形 部位开设 钝角坡口 (20mm×14mm,120°),成形前,对该部位进行砂纸打磨去除氧化膜,并用丙酮及无水乙醇清洗,如图6所示。
基于工艺参数2中实验获得的优化结果,结合激光再制造成形过程工艺特点,对FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造成形过程进行量化分析,通过数学模型建立,对成形过程量化控制,提高激光再制造成形精度。
图7所示为待成形叶片模拟件待成形部位整体形貌,设坡口部位缺口高度为h,上底长为d1,下底长为d2,待成形部位坡口宽度为k;工艺参数1单道熔覆层成形高度为h1,宽度为m1,工艺参数5单道熔覆层高度为h2,宽度为m2。
结合激光再制造成形工艺特点,对叶片模拟件激光再制造过程进行量化分析,过程如下:为避免底面与侧面斜坡相交的两条底边S1,S2成形过程中热应力过大而开裂(如图7所示),首先采用低功率工艺参数1进行单道熔覆。然后对坡口各边进行单道成形熔覆, 在以较低稀释率形成良好冶金结合的同时,可以形成良好的成形边界,防止后续成形过程中形成过大的加工余量。随之在成形 边界内部 进行单道 搭接填充1层,搭接率为60%,为避免激光光闸频繁开闭而对成形稳定性造成影响,激光光束扫描方向与Y方向平行,单道熔覆层之间熔覆时间间隔0.5s,使成形层充分冷却,防止熔池 过热而过 度成形。设 成形高度 为h1,剩余成形体积高度为H,则
为减少熔覆层层间热累积,实现快速成形,应减少堆积成形层数。首层成形后,采用参数5进行体积快速成形,扫描方向与X方向平行,使部分熔覆层残余应力在不同方向抵消[15],层内搭接率为50%,单道之间成形时间间隔0.5s,每一成形层与前一成形层向内或向外平移半 个光斑位 置进行[16],如图8所示。采用该工艺可以实现快速成形并保持较好的表面平整 度,则
在进行成形层堆 高过程中,每层熔覆 层需向两 侧斜坡方向各扩展成形偏移p,如图9所示,以实现体积高度方向最 终成形的 同时,完成侧面 斜坡的堆 积成形。
设每层熔覆层较前一熔覆层向侧面斜坡偏置为p,则
由式(11),(12)可得:
由坡口开设方 式可知,h=5.2mm,d1=20mm,d2=14mm;由表2中相关工 艺参数可 知,h1= 1.02mm,h2=1.34mm。
根据模拟件体积损伤结构特点,分析归纳相关成形难点,按照选定的优化工艺参数,进行叶片模拟件激光成形再制造:
(1)坡口边界及底面相交边单道成形。如图10所示,采用工艺参数如下:激光功率1.1kW、扫描速率180mm/min、送粉速率21.4g/min、载气流量150L/h、搭接率60%;底面与侧面斜坡相交的两条底边单道成形1层,成形高度为1.02mm,然后以同样工艺参数在各边界成形1层,与Y方向平行进行边界内部填充成形,如图10所示。
图10 叶片模拟件首层成形过程示意图 (a)底部相交边单道成形;(b)底部Y 方向填充成形 Fig.10 The schematic diagrams of the forming course for the first layer (a)single layer forming for the bottom intersecting line;(b)filling forming in the Y direction
(2)坡口体积成形逐层堆积。 采用工艺 参数如下:激光功率3kW、扫描速率600mm/min、送粉速率42g/min、载气流量250L/h、搭接率50%,进行堆积成形,单层成形 高度1.34mm,将相关参 数代入公式(11)中可知,实现坡口 堆积成形 共需堆积4层,激光束扫描方向与X方向平行,将相关参 数代入公式 (4)可知,每层熔覆 层向两侧 斜坡各偏 移0.75mm。
3.2 成形尺寸精度分析
图11所示为再制造成形后模拟件整体形貌,可以看出,整体具有较好的表面平整度,进一步验证优化搭接率选择的合理性。为分析再制造成形后叶片模拟件熔覆层表层缺陷情况,对成形修复后叶片模拟件表层进行渗透探伤实验,表面喷涂白色渗透试剂部分无红色试剂渗出,表明成形部位表层无气孔、裂纹等缺陷存在。
为进一步精确测量激光再制造成形修复后叶片模拟件尺寸恢复精度,利用金相显微镜对基材和成形部位斜面弯折角度进行测量,结果如表3所示,w为成形部位宽度,α为成形部位原件弯折角度,β为该部位成形前角度,“-”表示尺寸与原件一致。尺寸测量结果表明:激光再制造后叶片模拟件尺寸恢复较好,成形后加工余量在2mm之内,角度精度控制在3°内。
渗透探伤实验和尺寸精度分析结果表明,叶片模拟件再制造过程参数优化选择正确,成形过程量化分析合理,能够实现成形过程精确的量化控制,修复后模拟件具有较好的尺寸和角度精度,相关工艺优化方法及过程对该类型结构件激光再制造成形具有一定的借鉴意义。
4 结论
(1)确定对应材料体系下优化工艺参数为:激光功率1.1kW,扫描速率180mm/min,载气流量150L/h, 送粉速率21.4g/min;激光功率3kW,扫描速率600mm/min,载气流量250L/h,送粉速率42g/min。
(2)结合激光再制造成形工艺参数特点,量化分析激光再制造成形过程,提升成形形状控制水平及精度。