激光熔覆

第五章 激光延寿技术

5.1激光熔覆表面处理技术

2、熔覆层的气孔和裂纹问题

熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H 。

同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。

这些H 溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出。 从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间。第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等。图2（a ，b ）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5％，10％合金。

HO H O H +→)(2汽2

CO M C O M y x +→+

图2 掺杂5％，10％合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测

3、激光熔覆工艺参数与优化

脉冲激光可调参数较多，包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等，这些参数并不是孤立存在的，它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂，因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量，以获得满意的处理效果。

1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响

对工件表面进行激光溶覆处理后，表面粗糙度通常较大，因此在实际使用之前，往往需对工件表面进行磨抛处理，这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究，例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al 2O 3,采用单道熔覆。

1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响

脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。

脉冲频率与激光扫描)%(560)(323C O B WO Ni a +++)

%(1060)(323C O B WO Ni b +++

速度联合可以确定各个脉冲之间的重叠程度,将此定义为光斑重叠率。光斑重叠率示意图如图1所示,计算公式如式(1)。 overlap=(1-Df

v )×100% （1） 式中，v 为激光扫描速度，D 为光斑直径，f 为脉冲频率。由此可见,光斑重叠率能综合体现光斑尺寸、扫描速度与脉冲频率对培覆层表面质量的影响。

图1 光斑重叠率示意图

1．3激光工艺参数对裂纹的影响

1．3．1裂纹的形成的原因

由于激光熔覆典型的快速加热并急速冷却特性，如果熔覆层材料的选择与加工工艺参数的设定不当，则将在零件中形成裂纹，进而影响成形零件的质量。目前裂纹的产生限制了激光熔覆技术应用范围的进一步拓展，所以有必要对裂纹进行深入的研究。激光熔覆是一个包含物理、化学和冶金等复杂过程的一种加工工艺。由于熔覆层材料与基体之间的热膨胀系数、导热系数、弹性模量、熔点等存在巨大的差异和激光熔覆本身所具有的独有特点 (急热骤冷)，使得在熔覆层中形成内应力，而内应力是引起开裂的直接原因。引发内应力的原因是由于热应力的产生，热应力主要是由熔覆过程中的温度梯度和热膨胀系数之差导致膨胀和收缩不均匀而引起的。其计算公式为：v

T E T 21-∆∙∆∙-=ασ （1） 式中：E 为熔覆层的弹性模量；v 为熔覆层泊松比；α∆为熔覆层与基体的热膨胀系数差值； ∆T 为熔覆层温度与室温差值。由式(1)可看出：熔覆层与基体的热膨胀系数差值是影响热应力的重要原因之一，所以选择和基体的热膨胀系数相差不大的熔覆合金是减小开裂敏感性的有效方法之一。当内应力值超过材料的抗拉强度极限时，将会产生裂纹。

经试验观察裂纹大都起源于结合区,有些终止在溶覆层中间,有些贯穿到表

面。由于所釆用光束为高斯分布,形成的堵覆层整体呈月牙形,中间部分的能量密度高,而两边的逐渐降低。因此,裂纹主要产生在溶覆层中间部位。激光熔覆过程中形成裂纹的原因有多种,热应力、组织应力和约束应力是产生激光熔覆裂纹的主要因素。一般来说,当熔覆层中的瞬态热应力超过材料相应温度下的抗拉强度值时,裂纹萌生的可能性很大。

1．3．2激光工艺参数对裂纹的影响

脉冲激光熔覆的工艺参数较多,其中对溶覆层温度梯度影响最大即对熔覆层裂纹影响最大的参数有脉冲频率、脉冲宽度和激光扫描速度。当脉冲频率从10 Hz 增加到40Hz时,相邻两道光斑的重叠率增加,从而导致熔覆层的温度梯度降低,熔覆层的开裂倾向减少。而当频率继续升高到50Hz时,熔覆层出现较多裂纹,其原因在于输出激光的平均功率升高,输入到工件表面的热量增多,由于热输入增多带来的温度梯度变化超过了光斑重叠率增加带来的温度梯度变化,所以熔覆层出现了较多的裂纹。