（化学工程专业论文）铸铁表面激光送丝堆焊工艺及应用.pdf

摘要 铸铁是工业上广泛应用的一种铸造金属材料。它具有优良的工艺 性能和使用性能，生产工艺简单、成本低廉，被广泛应用于机械制造、 冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防等工业部门。在各类 机械中，铸铁件约占机器总重量的4 5 9 0 。但由于铸铁件在激光 堆焊中存在容易开裂、产生气孔等缺点，因此激光送丝堆焊的应用受 到限制。本文通过激光堆焊层、熔覆层表面质量分析、显微硬度分析、 耐磨性对比分析、抗回火性能分析、工艺参数分析，针对激光送丝堆 焊层，研究多层堆焊工艺，优化了激光工艺参数，。优选激光功率参数 为2 8 3 5 k w ；激光扫描速度为0 1 5 o 2 2m m i n ，。自动送丝速度 为o 3 0 o 4 0m m i n ；同时，激光堆焊层组织细小，成分均匀，硬 度高；镍基过渡合金既起到弥散强化作用，又能提高其韧性，减少裂 纹产生。在铸铁件模具的厚层修复中，采用多层送丝堆焊，取得了一 定效果。 关键词：铸铁，激光送丝堆焊，组织，性能，修复 浙江工业大学工程硕士论文 a b s t r a c t c a s ti r o ni sam e t a lm a t e r i a lw h i c he x t e n s i v e l yu s e di nm o d e m i n d u s t r y i th a se x c e l l e n tp r o c e s s i n gp r o p e r t ya n ds e r v i c ep e r f o r m a n c e w i t l le a s yp r o c e s s i n ga n dl o wc o s t s oi ti su s e di nm a n y i n d u s t r yf i e l d s s u c ha sm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g y , m i n e ，p e t r o c h e m i c a l ，t r a f f i c a n dt r a n s p o r t ，a r c h i t e c t u r ea n dd e f e n c e a st o m a n ym e c h a n i c a l s ，t h e w e i g h to f c a s ti r o ni s4 5 9 0 t h a to ft h em a c h i n e h o w e v e r , c a s ti r o n e a s i l y c a u s e sc r a c k i n ga n dg a sc a v i t y ，s ol a s e rw i r e f e e d i n go v e r l a y i n g w e l d i n gi nc a s ti r o ni sl i m i t e di na p p l i c a t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gs u r f a c e q u a l i t y , m i c r o h a r d n e s s a n d w e a r - r e s i s t a n c e ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h e p r o c e s s i n g o fl a s e r o v e r l a y i n gw e l d i n ga n do p t i m i z e d t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sw e r e ：p = 2 8 3 5 k w , v s = 0 15 o 2 2 t r d m i n ，v f = 0 3 0 o 4 0r r d m i n a f f e r l a s e r t r e a t m e n t ，t h e s u r f a c e o b t a i n e df i n em i c r o s t r u c t u r e ，e v e nc o m p o s i t i o na n dh i g hh a r d n e s s t h e n i b a s e dt r a n s i t i o na l l o yh a daf u n c t i o no f d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g ，a n d a h v a n c e dt h e t o u g h n e s s ，r e d u c e dt h et r e n do fc r o c k i n g ? t h em u l t i l a y e r l a s e ro v e r l a p p i n g w e l d i n g w a s a p p l i e di nt h i c kr e p a i ro f c a s ti r o nd i e sa n d a c q u i r e d e x c e l l e n te f f e c t k e yw o r d s ：c a s ti r o n ，l a s e r w i r e f e e d i n go v e r l a p p i n gw e l d i n g ， m i c r o s t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c e ，r e p a i r 2 浙江工业大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 激光堆焊是应用激光作为热源的进行堆焊处理的一种表面改性技术，是传统 表面改性技术的补充和发展，而且具有传统的表面改性技术所无法比拟的优点。 虽然在现在表面改性技术中，激光堆焊的应用所占用的比例不大，但其能获得优 越的性能一直倍受人们的关注，应用前景光明。激光堆焊可以获得优于传统的热 处理技术的性能，达到普通表面改性难以达到的技术目标。到现在为止，已经在 活塞环、缸套、刀具、模具、阀体等应用上取得了一定的成果，受到机械制造与 维修、汽车制造、纺织机械、航海、航天和石油化工领域的普遍关注。 激光堆焊需要从激光堆焊材料和激光堆焊工艺上来实现。利用这一技术可以 在廉价的材料表厢制备具有特种性能的合金层或对零部件进行局部修复，因而此 技术具有广阔的应用前景。其中影响激光堆焊层性能的关键因素是材料的成分1 孑 激光堆焊处理工艺参数。激光堆焊处理的优点主要是：界面为冶金结合，组织极 细，堆焊层成分及稀释率可控，堆焊层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工 艺过程易实现自动化。同时，随着国民经济的迅速发展和科学技术的飞速发展， 激光堆焊这一高新技术逐渐得到推广和应用，对堆焊层的质量要求也越来越高， 迫切需要我们寻找一种可靠、经济、科学的方法来提高激光堆焊层质量。 作为激光送丝堆焊技术，与送粉熔覆相比具有以下特点：1 ) 生产效率商，一 次可以达到2 m m 厚度，易实现大面积厚堆焊层修复或制造金属零件；2 ) 材料利 用率高，易实现选区堆焊，节省堆焊材料；3 ) 容易实现铁基材料的堆焊，降低成 本；4 ) n - - j 实现侧壁、内壁的堆焊，并可实现自动化。因此，在实现零件修复中发 挥不可替代的作用。目前，国内外集中在采用预置或送粉堆焊较为活跃| 2 3 】，相 对自动送丝激光堆焊研究较少，本文就激光自动送丝堆焊的基本工艺工程进行试 验研究，比较在不同参量以及不同堆焊条件下的组织性能，探索激光堆焊的工艺 技术特性。 铸铁的使用非常广泛，在发达国家，铸铁与钢的比例约为o 3 o 4 ：1 。我国 的机械制造业中，铸铁与钢的比值为0 4 6 ：1 。在有些行业铸铁的使用量超过钢， 如机床厂铸铁的用量占8 0 ，柴油机厂铸铁的用量占6 0 7 0 。1 4 j 铸铁的力学 浙江工业大学工程硕士论文 性能取决于石墨的形状数量及分布。当铸铁中的石墨呈片状时，片尖端易造成应 力集中，形成裂纹；当铸铁中的石墨呈球状时，其性能得到较大的改善，力学性 能大大提高。针对铸铁脆性大，焊接性能较差的特点，利用激光堆焊处理和铸铁 件表面合金化技术可以在普通铸铁表面形成冶金结合的合金层，使铸铁件具有复 合性能。上述技术已经逐步应用于耐磨零件的生产，并取得了明显的成效。 l2 激光堆焊的国内外研究动态 许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、耐热性等都取决 于金属材料表面的物理、化学性质。传统表面改性技术，如各种喷涂层、渗层、 镀层等，由于较差的层间结合力以及受平衡溶解度小，及固态扩散型差的限制， 应用效果很不理想。大功率的激光和宽带扫描装置的出现，为材料的表面改性技 术提供一种新的有效手段。在各种激光束处理中，激光堆焊是经济效益较高的一 种新的表面改性技术。它可以在低性能廉价的钢材表面制备出高性能贵重金属的 合金钢表面，以降低材料成本，节约贵重稀有金属材料，降低能源消耗，提商金 属零部件的使用寿命。 人们在常规的堆焊方法中研究已经取得了很多研究成果，在堆焊材料中已经 形成了系列化，如铁基、镍基、铜基和碳化钨等几种类型，但是在激光送丝堆焊 的研究内容比较少，如在激光参数、加工工艺参数的优化，堆焊材料的选择、设 计和开发，堆焊熔池中的对流、传热机理，堆焊过程模型的建立、模拟和仿真， 堆焊质量的评定和检测，激光束与焊料的相互作用，焊料在激光辐照作用下的加 热及其运动规律等。但是在铸铁的激光堆焊中存在容易开裂、容易氧化和烧损、 容易产生气孔等缺点。 目前，国内外学者围绕影响堆焊层质量的因素做了大量深入的研究工作取得 了较大进展，主要表现以下几方面： 一、送丝工艺的研制和开发： 目前，激光堆焊的合金材料主要是沿用热喷涂材料再进行适当的成分调整， 很少有专用的激光堆焊的合金材料。同时对同种系列的合金材料的激光堆焊处理 工艺、合金成分与性能之间的关系难以综合评价和判定。特别是对铸铁激光堆焊 还处于离散的研究阶段，在国内外还尚未看到有关铸铁激光堆焊的工艺与性能系 2 浙江工业大学工程硕士论文 统报道。 激光堆焊技术也是利用高能密度的激光使材料表面成分、组织结构和性能实 现预期变化的高新技术；同时，它也是涉及光学、机械、计算机、材料、物理、 化学等多门学科领域的跨学科的高新技术。 作为新兴的表面改性技术，它的发展可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。当时许多 学者致力于在低熔点基体上堆焊抗磨性材料，这种材料包括：钨及碳化物、钼、 铬、钛及碳化物和氧化铝等，大部分采用等离子或火焰喷涂的方法，将堆焊材料 预置在基体材料上，随后进行激光堆焊，并于1 9 7 6 年诞生了第一个论述高能激 光堆焊的专利。由于技术上问题，激光堆焊经历了发展相对缓慢的时期。进入 2 0 世纪8 0 年代，激光堆焊技术得到了迅速发展。国内外先后开展了在低碳钢、 不锈钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铝合金及特殊合金上用锫基、镍基、铁基等自熔 性粉末及陶瓷相激光堆焊的研究。决定激光堆焊宏观、微观质量的因素主要是激 光工艺参数、粉末和基体成分。良好的覆层应具有较低的稀释率，无裂纹、气孔 和夹杂，使用时无脱落；堆焊层与基体冶金结合，性能均匀，外观平整，能满足 使用性能，如：耐磨、耐腐蚀、高硬度等。 在铸铁的激光堆焊中，焊丝材料的供给方式有两大类：第一类是预弓| 入式， 即合金材料在激光辐射作用之前已经预引入到基体材料的表面上；另一类是同步 引入式，这种供料方式是在激光辐射作用基体表面的同时，将合金焊丝引入激光 作用区内。 预引入式的覆层厚度窑易控制，主要的方法有：电镀法、喷涂法、轧制法、 以及采用人工或机械方法涂刷。其中采用粘结剂引入合金粉末是最经济和方便的 一种方法。预引入的方式不同，会直接影响堆焊层的厚度的均匀性、孔隙率、粘 结性能。 同步引入式主要可以分为：线材、板材和气相送粉。气相送粉在工业生产上 应用相对比较广泛。其优点是：大大降低了堆焊层的不均匀性、减少了激光对基 体的熟作用。其缺点是粉末利用率较低，一般在5 0 左右，同时在堆焊时要有配 套的送粉装置，还要考虑粉尘对工作环境的污染，以及设法对合金粉末进行回收。 堆焊层也容易出现孔隙等缺陷。而送丝与送粉相比具有材料利用率高，冶金质量 好，填料不发散，可精确对位和可适于复杂工件与复杂工位的焊接等优点。因此， 自动填丝法成为激光焊接中优先采用的填料方式。虽然填丝法面临着焊丝表面吸 浙江工业大学工程硕士论文 收率低的问题，但若采用大功率激光器或热丝技术则可克服这缺点“1 。 目前，我们采用如图1 所示的送丝方法，试验以1 0 2 r a m 2 8 m m 1 2 m m 的铸铁试样块为基体，铁基堆焊丝材料击2 8 m m ，采用数控自动送丝机构和7 k w 横流c 0 2 激光器进行堆焊。分别在不同工艺参数下进行试验。主要工艺参数为： 光斑直径为5 m m ，激光输出功率p 为2 5 k w ，扫描速度v s 为3 1 0 m m s 。沿堆焊层 横截面测量维氏硬度，测量条件2 0 0 9 、1 5 s ，堆焊层尺寸如图2 所示。 剐l镶砦墓嚣墨蓉嚣器f裂。燃。ild-igure b u i i d -lt h e 肇融l 霉hm 鞋尊o 埝s t 掌 攥略w e f d i n 鬟 湖2 激光浆撵艨结构 f i g u r e 2 t h es t r u c t u r eo f t m i l d - u p w e l d i n gl a y e r 二、激光工艺参数对堆焊层性能的影响 激光参量主要有：输出功率p 、扫描速度v s 、光斑大小等，激光扫描速度与 激光功率有相反的作用，将它们综合于比能量e s ( e s = p * v s ) 即单位面积的辐 照能量，共同决定熔池中的温度场【5 1 。因此，它的作用会所引起的表面形貌变化 与激光功率作用相反，当速度较低时，相当于高功率的激光作用于熔池，熔池温 度很高，直接导致热影响区的增大，稀释率大幅度提高，此外在引起晶粒粗大( 如 同氩弧焊所获得的组织) 的同时，还会烧损在堆焊层中起强化作用的金属碳化物， 浙江工业大学工程硕士论文 使堆焊层的性能下降；而当速度较高时，相当于低功率的激光作用于焊丝的表面， 显著的表现就是浸润角增大，严重的可能引起焊丝的不熔化。 据文献”1 推导了堆焊层参数与激光堆焊工艺参数之间的关系式，论述了激 光热的有效利用率，通过调整送粉速率可以获得不同厚度的堆焊层。文献”。研究 了试板体积、熔敷层长度、搭接量、堆焊层搭接道数及压板拘束对堆焊层裂纹 率的影响，表明随试板体积增大、堆焊层长度增加、搭接量增大和堆焊层搭接道 数增多，堆焊层裂纹率升高。压板及冷却水的拘束作用也使裂纹率升高。文献”l 根据理论和实践的结合的出了激光扫描速度对堆焊涂层的宏观影响规律，即扫描 速度不同则零部件的热输入不同，激光与涂层相互作用的时间不同，单位面积的 热输入量不同，从而使堆焊层质量相差很大。文献。提出粉末分布密度的概念， 即同步送粉激光堆焊时单位面积上分布密度与最小比能呈线性关系，粉末分布密 度是覆层高度和边界的重要影响因素。汤光平等利用不同的激光工艺参数对 c r l 2 m o v 模具钢表面进行堆焊试验，探讨了堆焊层裂纹和气孔产生的趋势和工艺 参数对堆焊层深度的影响，研究了表面微观硬度的分布及其原因、堆焊层耐磨性 能的提高幅度以及组织结构的变化。结果表明，采取适当工艺措施，可以完全消除 堆焊层的气孔，减少横向裂纹；表面硬度在不同程度上都得到提高，硬度峰值出现 在次表层；激光堆焊层的耐磨性能可以提高4 7 7 6 ；微观结构是由平面晶和枝 晶构成的共晶组织，并有多种合金相分布在枝晶间f l “。 三、熔池的动力学、熔池温度场、流场数学模型的建立与数学模拟 苏联的雷卡宁“”进行了大量的工作，建立了如下的数学物理模型；热源集中 于点、一线或一面；材料在任何温度下都是固体，无相交；材料的热物理性能 参数不随温度而变化；焊接物件的几何尺寸是无限的；文献。“对能量最大深度和 颁布密度进行了介绍，提出了一级近似能量沉积的高斯颁布公式表示。 四、堆焊层耐磨性、裂纹的形成、扩展和控制方法 激光堆焊存在一定的问题，在堆焊层本身与基体之间的结合处极易形成裂纹 和气孔，严重影响了堆焊技术的应用。国内外学者对其进行了大量研究。主要是 通过加入合金元素。如： 栾景飞等“”通过冶金元素控制堆焊层组织形态在堆焊材料中加入碱金属元素 k ，研究了在激光快速加热的条件下钾对铸铁激光堆焊层组织团球化的影响，进 而分析了该球状组织对堆焊层抗裂性的影响。结果表明随堆焊金属内钾含量增多 s 浙江工业大学工程硕士论文 堆焊层内共晶碳化物组织呈球状和孤岛状，这种组织明显提高了堆焊层的抗裂 性。此外大量的渗碳体组织确保了堆焊层具有较高的耐磨性。获得了无裂纹的大 面积搭接堆焊层。其对应合金系统为f e - c - s i n i - k 。 日本s o n g w u l i n 等对中碳钢用大于1 5 c o 含量减少f e - c r n i 合金层的裂纹 倾向，同时不改变合金层的硬度。他提出，c o 减少f e - c r - n i 合金层裂纹原因是 由于形成了亚共晶结构“。 栾景飞等“”同时，在不预热情况下，通过调整堆焊金属c u 和n i 的含量，改 变铸铁激光堆焊层内奥氏体相和渗碳体相的体积分数，从而提高堆焊层抗裂性和 耐磨性。同时采用对铸铁激光堆焊层内得到内生的t i c ，可以改善铸铁表面激光 堆焊层抗磨性“。通过制备w c 梯度涂层，改变涂层硬度和耐磨性。“7 1 美国的p r a v i nm i s t r ya 1 ，m a n u e lt u r c h a n a 1 r r o ya 2 ，s h f l v ag e d e v a n i s h v i l i a 2 。e l s eb r e v a la 2 用三种激光脉冲( 激发物、n d y a g 和c 0 2 ) 同时作用，可 提高金属表面硬度和强度，或采用t i c 进行表面堆焊来提高性能”8 1 。 c o 基合金激光堆焊层硬度高于p t a ，但在1 0 5 0 ，保温3 0 小时下，激光堆 焊层硬度稳定性不如p t a 。“” 祝柏林，胡木林，陈俐，谢长生分析了激光堆焊层应力的产生和分布状态，描述 了堆焊层裂纹的形成和形貌，归纳了目前抑制裂纹产生的方法。对解决堆焊层开 裂问题提出了一些建议【2 0 1 。 傅戈雁等认为激光堆焊层出现的裂纹主要由结晶裂纹和高温低塑性裂纹形 成。这些热裂纹产生的充分条件是热应力的作用。激光堆焊不同于激光淬火，激 光淬火是固态相变过程，其作用层的马氏体化一般是产生压应力；而激光堆焊是 熔化凝固过程，熔层般都受到拉应力。所以要注意优化粉术成分，减少杂质，提高 粉末台金的强韧性，另一方面就是要设法降低热应力作用。堆焊过程的热应力大 小、分布很难精确测定，它与光束模式，功率密度及稳定性，扫描速度，基体材料成分， 组织，热物理性质，结构形状，表面状态，热容量大小，覆层厚度，位置，形状，预处理方 式等多方面因素有关 2 1 1 。 宋武林等研究了n i 含量对f e c r - n i 合金激光堆焊层性能及开裂敏感性的 影响。提出：1 ) 提高堆焊台金对基材的润湿能力，可改善激光堆焊层的开裂敏 感性；2 ) 适当降低堆焊层的热膨胀系数以减小堆焊层的残余拉应力；3 ) 减小堆 焊合金的熔化温度区间，有利于降低激光堆焊层的开裂敏感性；4 ) 提高n i 含量， 6 浙江工业大学工程硕士论文 。 能有效降低f e c r n i b s i 自熔合金的开裂敏感性1 2 2 】。 在耐磨性方面徐宝信，赵民就2 0 v l n s i v 与n i 合金、c o 合金与冷轧0 2 3 5 钢配副时的磨损量进行试验，结果表明：n i 合金磨损量比c o 合金磨损量小，因 此，选择n i 合金对工具钢的堆焊，可以减少被加工材料的损失和对材料的破坏。 从综合磨损结果来看，n i 合金与冷轧q 2 3 5 钢配副耐磨性要比c o 合金好f 2 3 】。 五、激光堆焊的应用： 采用c 0 2 激光器，n i - c o m o 合金对普通结构钢的载重机械的工作部分表面 和工具的重要表面进行修复，与电弧焊修复进行比较发现其具有低的成本，堆焊 层具有强硬的结构，且体积减少1 0 ，节约了金属材料。” 在2 卜4 n 材料的排气门上激光堆焊n i 2 1 合金，热冲模上激光堆焊 n i 6 0 + 2 0 w c + 0 5 c e q ，能显著提高它们的使用寿命。” 孟庆武等综合阐述了在普通金属表面用激光堆焊一层高性能合金或陶瓷复 合材料，能显著提高金属的耐磨和耐蚀性能，而油田各种钻采机械正需要这种技术 来提高易损件的耐磨和耐蚀性。以及这种技术在油田的应用前景 2 6 。 应用5 k w 横流c 0 2 激光器对核阀阀瓣密封面进行钴基合金的激光堆焊处理， 其显微组织、晶粒度、熔层稀释率、热影响区宽度、显微硬度等均显著优于等离 子喷焊和堆焊工艺i ”1 。 六、激光堆焊层的防腐蚀性：、 用激光的方法对铁基表面进行堆焊得到由f e 。，c o 。n i 。z r 。s i 。b 。组成的非晶态 合金层，可使非晶态温度和玻璃化温度提高到6 2 k 和8 2 1 k ，厚度增加1 2 2 m m ， 同时可使h v 达到1 2 7 0 ，抗腐蚀性良好。“。采用2 k w n d ：y a g 激光器对中碳钢用 a i s i l 0 5 0 ，n i c r s i b 进行激光堆焊可提高防腐蚀性8 9 倍”1 。 张大伟等研究了激光搭接堆焊n i + c r 2 0 3 复合涂层在0 5 m o g l h 2 s 0 4 + o 5 m o l 1 n a c l 水溶液中的电化学行为试验表明c r 2 0 3 粒子在激光熔池中发生了完全溶 解，涂层具有胞状枝晶组织特征激光堆焊n i + c r 2 0 3 复合涂层比单一堆焊n i 合金 涂屡和2 c r l 3 马氏体不锈钢基材具有更低的维钝电流密度和更宽的钝化区范围， 明显改善了在该腐蚀介质中的抗点蚀能力【2 叭。 浙江工业大学工程硕士论文 1 2 1 铁基材料激光堆焊的影响因素 一 影响激光堆焊的工艺因素可以归纳为激光系统、基体材料、条件处理以及涂 覆的合金粉末材料等。总体归纳如下： 激光系统光束模式、振荡方式、波长、输出特性、功率的稳定性、模式稳 定性、发散度等。 基体材料化学成分、几何尺寸、几何形状、表面状态、原始组织等。 处理条件柬斑形状、扫描速度、束斑直径、各种气体、气流及流向、运动 合成方式等。 引入材料化学成分、粉末粒度、供给方式、供给量( 流量与预制涂层厚度) 、 热物质性质等。 送料系统自动送丝的速度、角度；送粉的速率等。 对于铁基合金的激光堆焊性能的影响因素很多，以下主要是从配方成分、粘 结荆、工艺参数三个方面来进行阐述。 1 配方成分合金成分系列的不同，激光堆焊层的性能也有很大的差别虽然 各种合金元素对激光堆焊层的性能的具体影响情况尚还特研究，但依然可以借鉴 各种合金相图，根据化学成分推断出各种状态下的组织结构和性能。所以选取不 同的合金系列和不同的比例，都或多或少给堆焊层的性能造成一定的影响。在进 行激光堆焊的时候一定要先选择好合金系列以及它们的配比，然后才能根据工艺 参数来预测堆焊层的组织和性能。如提高显微硬度可以在台金材料中加入w 、c 、 b 、m o 、t i 、t a 、c r 、v 、s i 、m n 等合金元素；提高耐蚀性可以在合金材料中加 入n i 、c r 、c u 、s i 等合金元素。 2 合金的粘结荆预引入式的合金粉厚度容易控制，采用粘结剂引入合金粉 末是最经济和方便的一种方法。不同的粘结剂，对堆焊层的性能也有一定的影响。 如在激光加热的过程中，硅酸盐胶和水玻璃容易膨胀而造成预涂层与基体间的剥 落。大多数有机粘结剂在激光堆焊时，容易燃烧和分解，形成气体和碳黑产物。 3 工艺参数在激光堆焊的过程中，影响激光堆焊层的质量的最主要是因素 是：激光堆焊功率、扫描速度、柬斑直径。 激光堆焊的目的是为了得到耐磨、耐腐蚀、耐热、减摩等一些特殊性能的堆 焊层。然而涂层内的基体材料的熔入，会引起涂层成分的变化，以至直接影响涂 层的使用性能。因此，在激光堆焊中，稀释率是一个非常重要的概念，是用来定 量描述堆焊层的成分优于熔化的基体材料的混入而引起变化的程度。 所谓的稀释率是指熔化的基体材料混入堆焊层而使堆焊层的成分发生变化 基 浙江工业大学工程颈士论文 的变化率。 在激光堆焊中要求稀释率尽可能低。一般认为应在1 0 以内，最好在5 左右， 以保证获得高性能的表面堆焊层。在本实验中，激光堆焊层的稀释约为：5 8 。 激光与熔池作用的时间越长，稀释率愈高，表面的成分倾向一致，结合程度好， 但堆焊层的效果与理想的效果存在一定的差距。激光与熔池作用时间短，稀释率 低，基体材料混入堆焊层少，但可能影响堆焊层与基体的结合强度，以及堆焊层 的成型。因此，关系到激光与熔池作用时间与方式的因素都或多或少影响堆焊层 的工艺与使用性能，特别是激光堆焊功率、扫描速度、束斑直径等显得至关重要。 对激光堆焊而言，其它参数不变的条件下，激光堆焊层稀释率随能量密度的 增加而增大。激光堆焊的能量密度越大，基体的熔化体积越多，则堆焊层的成分 变化越大。 在激光堆焊过程中，影响激光堆焊层的质量的最主要的因素是：激光堆焊功 率、扫描速度、束斑直径。以下是对这个方面进行简要的阐述。 激光功率是影响激光堆焊层中最关键的因素，也是发挥激光堆焊优势所在。 对于一定厚度的堆焊层，功率过小，会造成堆焊层不连续、表面不平整；功率过 大，则会造成合金粉末过烧、有气孔、表面折皱、堆焊深度深、稀释率大等问题。 扫描速度也会影响激光堆焊层的成型。扫描速度过小有可能会造成产生气 孔、晶粒粗大、鱼鳞纹明显，甚至造成工件过热、过烧。扫描速度过大，激光与 合金粉末以及基体的作用时间短，稀释降低，润湿性差，严重要造成球状聚合， 堆焊层与基体不能达到冶金结合。 束斑直径关系到单道激光堆焊的宽度。在激光功率和扫摇速度一定的情况 下，束斑直径越大，相应的单道激光堆焊的宽度也越大，相应的堆焊深度也越浅。 稀释率减小，在能熔透的情况下，达到堆焊层的表面粗糙度越小。 1 2 2 铁基材料激光堆焊的发展趋势 铁基合金激光堆焊的发展趋势主要如下： 根据金属凝固动力学、结晶学、相变理论系统研究激光堆焊的快速凝固。详 细分析堆焊层的组织、结构和各种物质的分配规律。 发展大功率的激光堆焊技术，解决激光束的能量分布均匀性和稳定性的问 题，发展激光堆焊的配套处理装置，对激光堆焊过程实现计算机控制。 合理设计焊层材料体系，优化并开发新型的激光堆焊工艺，以解决由于堆焊 层表面不平整造成的后续加工量大的问题，以及堆焊层中易出现的裂纹和孔 9 浙江工业大学工程硕士论文 洞等，给实际应用所带来的困难。 迸一步完善和发展大面积厚层激光堆焊工艺，使激光堆焊工艺得到进一步的 推广和应用，使激光堆焊在轧辊、阀门、发动机关键部件上发挥其优势。 选择的激光堆焊工艺要能大幅度的提高使用性能，或大大简化原供需提高生 产率，或降低能耗、节约贵重材料，或解决其他方法难以解决的技术关键， 这样才能降低激光堆焊的成体，有利于大规模的推广和应用。 1 3 研究目的、技术关键和研究方案 1 3 1 研究目的 由于铸铁材料在生产中占有很大的比例，且成本低廉，可以进行铸造、压力 加工、切削，通过热处理可使其力学性能在很宽的范围内变化。但其耐蚀性、力 学性能等并不能完全满足使用性能。通过激光堆焊，可提高其表面性能，同时也 可以减少战略性稀有元素的用量；基体与堆焊层材料接近，有益于界面的结合； 而且铁基材料的成本明显比其它合金低，因此开发铁基材料的激光堆焊具有重要 的战略意义和经济价值。 本课题研究旨在研究铁基激光堆焊工艺参数对性能影响规律等问题。合理提 高铁基合金激光堆焊层的使用性能，从配方、粘结剂、以及激光堆焊工艺上探讨 解决影响铁基合金激光堆焊推广应用障碍。为材料研究工艺人员提供有益的参 考，以进一步推进铁基合金激光堆焊在工业生产上的应用。 1 ，3 2 预期的目标和技术关键 研究内容： 1 ) 过渡合金材料的配比和研制 2 ) 合金层与基体的结合机制 3 ) 激光堆焊工艺与堆焊的组织性能关系 研究目标： 1 ) 激光工艺参数对合金稀释率的影响 2 ) 过渡合金材料对母材性能影响 3 ) 激光堆焊大面积技术 1 0 浙江工业大学工程硕士论文 关键问题： 1 ) 焊丝材料的制作 2 ) 适于不同铸铁材料的过渡舍金材料的配制 3 ) 激光堆焊工艺参数的确定 1 3 。3 研究方案 选择不同的工艺参数、堆焊不同的合金元素在铸铁试块上进行激光堆焊 试验。然后通过表面质量、磨损试验、硬度试验、扫描电镜等对堆焊层的性 能进行评价，找出合金焊丝、过渡台金材料配比对堆焊层性能的影响规律， 以及优化激光堆焊工艺参数范围。 浙江工业大学工程硕士论文 第二章激光工艺参数对堆焊层组织性能的影响 2 1 激光堆焊前期工作总结 选择不同基体材料、不同处理方式、不同工艺参数、不同焊丝得到堆焊层硬度和 表面质量，如表所示： 试样编号材 处理方式 参数 焊丝堆焊层硬度表面质量 料 1 q t平铺( 搭 3 5 ( 0 2 ， 6 #平均h v 5 6 4 搭接处有缩 5 0 )0 2 ) 孔 2 q t两层( 搭 3 5 ( 0 2 。6 # 平均i i v 4 5 6有缩孔 5 0 )0 2 ) 3 q t6 # 丝一层+ 3 #3 ( 0 2 ，0 2 ) 6 葬、3 #3 # 平 均夹渣 丝二层( 三层h v 9 4 l 搭5 0 )6 # 平均 h v 5 9 1 4 。t两层( 搭 3 5 ( 0 1 5 8 # 平均l t v 4 1 8气孔、夹渣 3 3 ) 。 0 ，1 5 ) 5 。t平铺( 搭3 2 ( 0 2 3 #平均h v 9 8 0 气孔 1 8 )0 2 ) 6 。t平铺( 搭 3 2 ( 0 2 ，3 #平均h v i o l l 措接处有裂 4 5 )o 2 )纹 7 q t二层( 搭 3 2 ( 0 ，2 ，3 #平均f i v 8 8 7 无气孔裂纹 4 5 )0 2 ) 8 q t二层 4 5 ( 0 3 ，3 #平均h v 8 9 z 裂纹 o 3 ) 9 q t单层( 熔敷合 3 5 ( 0 3 ，3 #平均h v l 0 2 0 金) 0 3 ) 1 0 q t 4 5 ( 0 6 ， 3 #平均h v1 0 0 2 0 6 ) 1 1 q t4 ( o 5 ， 3 # 平均l ，9 1 3 0 5 ) 1 2 0 t4 ( 0 2 ，3 9 平均h v6 5 9 o 2 ) 1 3 4 5 # ( 调一层 4 ( 0 2 ，3 # 平均h v 9 1 6 质)0 2 ) 1 4 4 5 # ( 调二层4 ( 0 2 ，3 辑平均 i v8 7 8 裂纹 质)0 3 ) 1 5 4 5 # ( 调 n i 基合金熔 4 ( 0 2 ，3 抖平均1 4 v 1 0 2 0 无裂纹 质)敷上3 # 丝 0 2 ) ( 4 + 3 + 3 ) 1 6 4 5 # ( 调3 5 ( 0 3 ，新2 # 丝平均h v 7 0 4 质) 0 3 1 ) 1 7 4 5 # ( 调 3 o ( o 3 ， 新2 # 丝平均i 、r 7 4 5 质) o 3 1 ) 1 8 4 5 # ( 调 2 5 ( 0 3 ， 新2 # 丝平均h v 7 4 5 浙江工业大学工程硕士论文 质) 0 3 1 ) 1 9 4 5 # ( 调2 2 ( 0 3 ，新2 # 丝平均h v 7 0 0 质) 0 3 1 ) 2 0 4 5 # ( 调 2 0 ( o 3 ， 新2 # 丝平均h v 7 2 3 质) 0 3 1 ) 2 1 4 5 # ( 调 1 8 ( 0 3 ， 新2 # 丝平均 i v 6 8 0 质) 0 4 1 ) 2 2 4 5 # ( 调 2 5 ( 0 3 ，新2 # 丝平均t t v 5 8 6 质)0 5 1 ) 2 3 4 5 # ( 调 2 5 ( 0 3 新2 # 丝 平均i t v5 6 6 质)0 6 1 ) 2 4 4 5 , ( 调 2 8 ( o 3 ， 新2 # 丝 平均l v6 7 6 质) 0 5 1 ) 2 5 4 5 # ( 调2 8 ( 0 3 ，新2 # 丝平均t t v6 6 7 质) 0 ，6 ) 2 6 4 5 i ( 调 3 0 ( 0 4 ， 新2 # 丝 平均i - i v6 7 9 质) 0 6 ) 2 7 4 5 ；i ( 调 3 5 ( 0 5 ，新2 # 丝平均 i v6 9 0 质) 0 5 ) 2 8 4 5 t t ( 调3 5 ( 0 5 ，新2 # 丝平均h v6 7 0 质) o 6 ) 2 9 4 5 # ( 调 3 5 ( 0 4 ，新2 # 丝平均h v6 5 2 质) 0 7 ) 3 0 4 5 # ( 调 3 8 ( 0 4 ，新2 # 丝平均i - i v5 7 0 质) 0 8 ) 3 1 4 5 # ( 调 30 ( 0 2 ，4 # 细丝平均t t v6 6 0 质) 0 2 ) 3 2 4 5 # ( 调 3 0 ( 0 3 ，4 # 细丝平均t t v7 9 4 质) 0 3 ) 3 3 4 5 # ( 调 3 0 ( 0 4 ，4 # 细丝平均i t y7 3 6 质) 0 4 ) 3 4 4 5 # ( 调3 0 ( 0 5 ，4 # 细丝平均h v8 如 质) 0 5 ) 3 5 4 5 # ( 调 2 5 ( 0 2 ，4 # 细丝平均f t v7 0 5 质) 0 2 ) 3 6 4 5 # ( 调 3 5 ( 0 2 ， 4 # 细丝 平均h v7 6 0 质) 0 2 ) 3 7 4 5 # ( 调 4 0 ( 0 2 ， 4 # 细丝 平均i - i v7 9 3 质) 0 2 ) 3 8 4 5 # ( 调 3 5 ( 0 2 ，4 # 细丝平均i - i v8 3 4 质) 0 2 ) 3 9 4 5 t # ( 调3 5 ( 0 1 5 ，4 # 细丝平均h v6 7 8 质) 0 1 5 ) 4 0 4 5 # ( 冷 预热4 0 03 5 ( 0 5 ，4 # 细丝平均h v 7 5 7 扎)0 5 ) 4 1 4 5 # ( 冷预热2 0 0 3 5 ( 0 5 ， 4 # 细丝 平均h v 6 6 8 扎) 0 5 ) 4 2 4 5 t * ( 冷预热2 0 0 4 0 ( 0 2 ，4 # 细丝平均l 、，8 0 0 扎) 0 2 ) 4 3 4 5 3 ( 0 4 ， 4 # 细丝+ 5 0 1 0平均l i 、，7 9 1 1 3 浙江工业大学工程硕士论文 0 4 ) 4 4 4 5 #3 5 ( 0 5 。4 #细丝 平均 i v 4 6 2 o 5 )+ a i + c 2 4 5 4 5 # ( 调3 5 ( 0 1 5 ，1 # 粗丝 平均h v 6 4 3 质)0 1 5 ) 4 6 4 5 #3 0 5 ( 0 2 ，l # 粗丝平均h v 3 5 7 ( 调质)0 2 ) 4 7 t 1 0 ( 调4 5 ( 0 2 ，1 # 粗丝平均h v 7 5 3 质) 0 2 ) 4 8 t 1 0 ( 调4 5 ( 0 1 5 ，1 # 粗丝平均h v6 3 4 l 质) 0 1 5 ) 2 2 影响堆焊层组织性能的主要工艺参数 通过大量的不同工艺条件下的堆焊层组织进行观察分析，结果表明激光堆焊 层的显微组织和性能除了受堆焊层基体材料和堆焊合金的化学成分的匹配影响 外，主要受控于激光堆焊的工艺参数和工艺方法，如激光功率、扫描速度、送丝 参数、激光输出模式和光斑形状尺寸、基体表面预处理的方式和堆焊后的处理方 法等。本章主要从激光堆焊工艺参数变化来研究激光堆焊工艺对堆焊层组织性能 的影响。 在一个激光工艺系统固定的情况下，激光系统的光束模式、振荡方式、波长、 输出特性、功率的稳定性、模式稳定性、发散度等；处理条件的柬斑形状、柬斑 直径等也就随固定，所以可以变化的参数也就只有激光功率、激光扫描速度、以 及搭接系统问题。下面将讨论这三个参数对材料组织性能的影响。 2 2 1激光功率对堆焊屡组织性能的影响 i 表面质量分析 1 23 圈2 - 11 号工件1 3 号试样不同功率下激光堆焊层表面形貌 1 4 浙江工业大学工程硕士论文 表2 11 3 号试样不同功率下激光堆焊层表面形貌 从图2 - 1 及表2 - 1 可以，其它参数不变，看出随着激光功率的增加，表面 质量逐步提高，可以初步认为对于新3 号丝，当p 小于2 3k w 时，所被焊丝吸 收的能量不足以使焊丝熔化，但这也可能是扫描速度或送丝速度过快造成，因 此必须进行低v s 和v ，实验，令v s 叫，= o 1 0 m m i n ，如果v s 速度过低会造 成热影响区过大，当p 增加到2 5k w ，可阱使焊丝熔化并得到的鱼鳞状表面形 貌，随着功率的增大，晶粒变得粗大，热影响区增大。但当v s 和较大时如 v s = 0 2 0 r 【l m i nv = 0 3 0 m m i n ，采用较大功率p = 4 0 k w ，也可以获得较好组织 性能的堆焊层。可初步确定新3 号丝的激光堆焊功率p 的范围2 5 4 0 k w 。 2 组织性能分析 由图2 2 、2 ，3 所示：l a 对应于v s 为0 1 n g m i n ，当p 为2 8 k w 足以使专 用焊丝熔化并在f e n i 基体上析出v 8 c 7 ，堆焊层中起强化作角，因此硬度相对 较高；随着功率的增大，熔池中温度升高，过冷度减少，因此枝晶变得粗大， 使得硬度略微下降，如图1 b ；试验中还发现，送丝速度恒定时，随着激光功 率的增大，焊丝对光束的反射率减小，其原因与焊丝的表面温度有关。激光堆 焊时，激光产生的热量q 分为两部分即q 1 和q 2 ，q 1 使焊丝加热，q 2 用来 激光堆焊1 3 9 】；激光功率的增大，q 增大，q 1 快速加热焊丝，由于液态填充金 属的吸光率比固态金属大，高温金属的吸光率比低温金属大，势必导致焊丝的 表面温度升高加快，焊丝熔化率提高，吸收的功率大大增加，提高对激光的吸 收率。因此，可采用焊丝预热的方法来提高焊丝对光的吸收率。 浙江工业大学工程碛士论文 l a ：p = 2 8 k wv s = o i m m i nv f = o 3m m i n l b ：p = 3 1 k wv s = o 1 m m i nv = o 3m r a i n 图2 2 激光功率对堆焊层显微组织影响4 4 0 图2 - 3 堆焊层x r d 同时可以看出：在扫描速度和送丝速度相同时，随着激光功率增大，枝晶变粗， 硬度平均值下降。( 如图2 4 ) 浙江工业大学工程硕士论文 裔1 2 0 0 只1 0 0 0 d 8 0 0 6 0 0 萋裟 睁0 激光功率p v s = 0 1 m m i n ，v f = o 3 m r a i n 图2 叫激光功率对堆焊层显微硬度的影响 2 2 2 激光扫描速度对堆焊层组织性能的影响 1 表面质量分析 嚣 d 5 世【 醛 趟 驶 替 p = 3 0 k w ，v m i n ，4 号钿丝 图2 - 5 激光扫描速度变化对堆焊层性能的影响 如图所示，激光扫描速度与激光功率有相反的作用。当扫描速度的较高时， 熔池温度低，相当于低功率的激光作用于焊丝的表面，显著的表现就是浸润角增 大，严重的可能引起焊丝的不熔化：当扫描速度较低时，相当于高功率的激光作 用于熔池，熔池温度很高，直接导致到热影响区的增大，稀释率大幅度提高，此 外在引起晶粒粗大( 如同氩弧焊所获得的组织) 的同时，还会烧损在堆焊层中起强 化作用的金属碳化物，使堆焊层的性能大打折扣。 2 组织性能分析 激光扫描速度与激光功率有相反的作用。将它们综合于比能量e s ( e s = p v s ) 即单位面积的辐照能量，共同决定熔池中的温度场 4 0 l 。因此它的 作用会引起的表面形貌变化与激光功率作用相反，作用会所引起的表面形貌变化 与激光功率作用相反，当速度较低时，相当于高功率的激光作用于熔池，熔池温 浙江工业大学工程硕士论文 度很高，直接导致到热影响区的增大，稀释率大幅度提高，此外在引起晶粒粗大 ( 如同氩弧焊所获得的组织) 的同时，还会烧损在堆焊层中起强化作用的金属碳化 物，使堆焊层的性能大打折扣；而当速度较高时，相当于低功率的激光作用于焊 丝的表面，显著的表现就是浸润角增大，严重的可能引起焊丝的不熔化。 随着扫描速度的增加硬度总体上呈上升的趋势；组织为等轴晶+ 针状马氏体 + 金属碳化物；随着扫描速度的提高，过冷度增大，针状马氏体消失，转化为隐 晶马氏体，晶粒得到细化，并且析出更多硬质合金质点v 8 c 7 ，弥散分布在等轴 晶体上，因此使得硬度明显提高，图2 6 、图2 7 。 a ：p = 2 8 k w v s = o 1 m m i n v l = 0 3m r a i nb ：p = 2 8 k w v s = o 2 m r a i n v 2 0 3m r a i n 图2 - 6 激光扫描速度变化对堆焊层性能的影响 1 0 5 0 蜊l o o o 裂9 5 0 丑 融9 0 0 山8 5 0 8 0 0 o 2 o 3 o4 激光扫描速