（光学工程专业论文）铜基表面激光熔覆制备nicr合金熔覆层的研究.pdf

葫$b嘶， 学位论文的主要创新点 l l u l l l ll lli l l li i i i l l l l i l l l y 18 7 9 0 5 4 一、提出在连铸结晶器表面制备n i c r 熔覆层，以增强其耐磨 性和耐腐蚀性，以延长其使用寿命。用固体y a g 脉冲激光在大的铜基 体制备一定厚度熔覆层。 二、先用固体y a g 脉冲激光在大的铜基体上制备熔覆层，再用 c 0 ：激光再已经制备的熔覆层上重熔。 三、提出在高导热金属焊接铁件的方法，即先用激光制备熔覆层 再焊接铁件。 摘要 在冶金行业中，结晶器是用铜或铜合金制成的，由于铜的耐磨性、耐 腐蚀性差，结晶器的使用寿命大大降低。为了提高结晶器的使用寿命，提 出在铜表面制备一层表面平整，无裂纹，耐磨性强冶金结合的熔覆层。 铜具有高热导率，高反射性，高热膨胀率和与其它材料浸润性差的特点， 在铜基表面制备熔覆层和焊接比较困难。为此，本文提出二种在铜表面制备熔覆 层的方法：( 一) 固体y a g 脉冲激光在大的铜基体制备熔覆层。( 二) 先用固体 y a g 脉冲激光在大的铜基体上制备熔覆层，再用c o ：激光再已经制备的熔覆层上 重熔，得到冶金结合的熔覆层。同时提出在铜基体上焊接铁件的方法，即先在铜 表面制备熔覆层，再在熔覆层上焊接铁件。 针对提出的方法，从下面几个方面开展工作 ( 1 ) 对比铜和铁物理特性，分析激光在铜表面制备熔覆层的特点，并提出 在铜表面制备熔覆层的方案。 ( 2 ) 分析激光熔覆时在材料表面的能量分布，熔池和温度场，制定实验中 激光器的功率和激光扫描速度。 ( 3 ) 用二种不同的方法在铜表面制备熔覆层，并在第一种制备的熔覆层上 焊接铁件，对实验制备的熔覆层进行金相、能谱和硬度分析，说明制备的熔 覆层的优劣。 实验结果表明：用固体y a g 脉冲激光在大的铜基体能制备冶金结合的熔覆 层，并可以在熔覆层上焊接铁件。固体y a g 脉冲激光和c 0 。激光在铜表面复合制 备熔覆层，熔覆层与铜基体结合基本达到冶金结合，还不能应用于工业生产中。 关键字：激光熔覆焊接铜基体复合加工n i c r 合金熔覆层 a b s t r a c t i nt h em e t a l l u r g yi n d u s t r y , t h em o l di sm a d eo fc o p p e ra l l o y , i no r d e rt oe x t e n d t h em o l do p e r a t i n gl i f e ，p r e p a r i n gt h ec l a d d i n gl a y e ro nt h ec o p p e rs u r f a c ei sp u tt o i n c r e a s et h ew e a rr e s i s t a n c e ，a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n di ti ss m o o t h , w i t h o u t c r a c k sa n d m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g c o p p e ri sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h i g hr e f l e c t i v i t y , h i g ht h e r m a le x p a n s i o n r a t ea n dp o o ri n f l t r a t i o nw i t ho t h e rm a t e r i a l s ，i ti sd i f f i c u l tt op r e p a r et h ec l a d d i n g l a y e ra n dw e l do nt h ec o p p e rs u r f a c e t w om e t h o d sa r ep r o p o s e d ：( a ) t h ec l a d d i n g l a y e ri sp r e p a r e do nt h el a r g ec o p p e rb yt h es o l i dp u l s e dy a gl a s e r ( b ) f i r s t l y t h e c l a d d i n gl a y e ri sp r e p a r e do nt h el a r g ec o p p e rb yt h es o l i dp u l s e dy a gl a s e r , a n dt h e n t h ec l a d d i n gl a y e ri sr e m e l t e db yc 0 2l a s e r , t h ec l a d d i n gl a y e ra n dc o p p e rs u b s t r a t e r e a c hm e t a l l u r g i c a lb o n d i n g a tt h es a m et i m et h em e t h o do fw e l d i n gi r o no l lt h e c o p p e rs u h s t r a t ei sa l s op r o p o s e d p r o c e s si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m p a r i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f c o p p e ra n di r o n ，a n a l y s i so f t h ec l a d d i n g c o p p e rf e a t u r e s ，i nt h ee n d t h ep r o g r a m si sm a d e ( 2 ) a n a l y s i so ft h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n m o l t e np o o la n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e l a s e rp o w e ra n dl a s e r s c a n n i n gs p e e di sw o r k e d o u t ( 3 ) t h ec l a d d i n gl a y e ri sp r e p a r e dw i t ht w od i f f e r e n tm e t h o d s ，a n di r o nc o l u m ni s w e l d e do nt h ef i r s tc l a d d i n gl a y e r ，t h ec l a d d i n gl a y e rm i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s sa n a l y s i s a n ds p e c t r u ma n a l y s i ss h o w st h a tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc l a d d i n g l a y e r s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec l a d d i n gl a y e rp r e p a r e db yy a gp u l s e dl a s e rr e a c h m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g a n di r o nc a nb ew e l d e do nt h ec l a d d i n gl a y e r t h ec l a d d i n g l a y e rp r e p a r e db yy a g l a s e ra n dc 0 2l a s e ra c h i e v em e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t ht h e c o p p e rm a t r i x , b u tt h em e t h o di sn o tu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；w e l d i n g ；c o p p e rm a t r i x ；c o m p o s i t ep r o c e s s i n g ；n i - c r a l l o yc l a d d i n g 目录 第一章绪论1 1 1 激光的简介1 1 2 激光产生的条件2 1 2 1 激光工作物质。2 1 2 2 泵浦源3 1 2 3 光学谐振腔3 1 3 激光的特点3 1 4 激光加工技术4 1 5 激光熔覆技术4 1 6 焊接技术6 1 6 1 焊接的概述，6 1 6 2 焊接技术的发展趋势6 1 7 微弧沉积技术概述8 1 8 等离子喷涂概述8 1 9 选题的依据及内容。9 1 9 1 选题的依据及研究内容9 1 9 2 本课题完成的任务。9 第二章铜基表面激光熔覆过程分析l1 2 1 在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接的意义l l 2 2 在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接的困难原因1 l 2 3 解决方案l3 2 4 激光在铜表面制备熔覆层气孔与控制1 4 2 5 激光在铜表面熔覆层裂纹的控制：1 4 2 6 焊接时的裂纹和防止焊接裂纹的产生。1 5 第三章铜表面激光熔覆的理论分析1 7 3 1 激光在铜表面熔覆过程的能量分析。1 7 3 1 1 铜基体对激光的吸收。1 7 3 1 2 激光加热铜基体过程1 8 3 2 激光熔池温度场：1 9 3 2 1 激光熔池温度场模型1 9 3 2 1 点热源中心点温度2 2 3 3 瞬时点热源温度函数2 3 3 4 持续的运动点热源温度场2 4 3 5 持续的运动的面热源加热半无限大固体2 5 第四章实验材料及实验方法31 4 1 实验材料的选择。3l 4 1 1 基体材料的选择3 l 4 1 2 激光熔覆材料的选择3l 4 2 实验方案的设计3 2 4 2 1 在小铜块上熔覆方案3 2 4 2 2 在大铜件上制备熔覆层，再焊接铁件的方案3 3 4 2 3 固体y a g 激光和c 0 2 激光在铜表面复合制备熔覆层方案3 4 4 3 激光熔覆工艺参数的选择3 4 4 3 1 影响熔覆层质量的因素分析3 4 4 3 2 激光熔覆时工艺参数的选择3 5 4 4 焊接设备的选定3 5 4 5 金相试样的制备3 6 4 6 实验仪器和设备3 6 4 7 本章小结：3 6 第五章实验结果和分析3 7 5 1 在小铜块上制备熔覆层。3 7 5 1 1 在铜表面制备熔覆层方法的分析3 7 5 1 2 在小铜块表面制备熔覆层的过程3 7 5 1 3 实验结果的分析3 7 5 2 在大块铜基表面制备熔覆层。4 0 5 2 1 在大块铜基体制备熔覆层4 0 5 2 2 在铜基体上焊接铁件4 2 5 3 用y a g 激光和c 0 2 激光在铜表面复合制备熔覆层4 4 5 3 1 涂层的形貌4 5 5 3 2 涂层的微观组织结构分析4 7 第六章结论5l 参考文献5 3 发表论文及科研情况说明5 7 至j 【谢5 9 第一章绪论 1 1 激光的简介 第一章绪论 激光的最初的中文名叫做“镭射、“莱塞”，是它的英文名称l a s e r 的音译， 是从m a s e r ( 放大器) 演变而得，是取自英文l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e d e m i s s i o no f r a d i a t i o n 的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是”通过把受激发 射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1 9 6 4 年按照 我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 1 9 5 8 年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯 泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一 起的强光。根据这一现象，他们提出了”激光原理”，即物质在受到与其分子固有 振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光一激光。他们为此发表 了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方 案，但都未获成功。1 9 6 0 年5 月1 5 日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家 梅曼宣布获得了波长为0 6 9 4 3 微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激 光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。1 9 6 0 年7 月7 日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯 管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱， 当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。前苏联科学家h r 巴索 夫于1 9 6 0 年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p 层、n 层和形 成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长 和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。 激光是2 0 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大 发明，由于激光具有高方向性、高亮度、高相干性等特点，被称为“最快的刀”、 “最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的1 0 0 亿倍。它的 原理早在1 9 1 6 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1 9 6 0 年激光才 被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生 的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科 学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 激光产生的条件 1 2 1 激光工作物质 激光工作物质是由组成激光器的核心部分，它是由一种可以用来实现粒子数 反转和产生光的受激发射作用的物质体系。这些物质的粒子具有一系列分立的能 级，常见的是三能级系统和四能级系统。一个二能级系统是不能实现粒子数的反 转的，因为上能级的粒子在外来光的激发下跃迁到下能级，但同样下能级的粒子 吸收外来光也会跃迁到上能级，上下循环，充其量上下粒子数相等。 n j - ， ji 、s 鼹 专 w 1 3p 1 3 l r 8 3 1 蟛2 、 1 | | 图卜1三能级系统及其跃迁过程 望：，n l 一( 4 。+ s 3 1 + 最：) 3 西 ”、”“ 譬；岛：3 一( 。+ 4 ，) 2 + ：n 1 西 “、“7 “ n = l + 2 + 3 j 二3 i s 勉， 。 j 一 e 2 。 w z - w - a z w o tw 3 0 。 少广 n 1r s 仉i s 图1 - 2四能级系统及其跃迁过程 第一章绪论 d 破n 3 = w 0 3 n o 一( + 鸣。+ 岛2 ) 3 = o 警= 墨：o 一( 4 。+ 呒。) 2 + 暇：l = o 望：瓯。o + ( 4 。+ 。) 2 一( + 彤：) 2 ：o n = n o + | + 2 + 3 这些物质接受来自泵浦源的能量，对外发射光波并保持能够发光的活跃状 杰。因此也称其为激活介质。 1 2 2 泵浦源 为使给定的激光工作物质处于粒子数的反转状态，必须采用一定的泵浦方式 和泵浦装置。根据工作物质特性和运作条件不同，泵浦源可以是光能、电能、化 学能及原子能等。 1 2 3 光学谐振腔 光学谐振腔由二个面面相工作物质的反射镜组成，其中一个是全反射镜，另 一个是部分透射镜。在光学谐振腔内，工作物质吸收能量发射光波，沿谐振腔轴 线的那一部分光波在谐振腔内来回振荡，多次通过处于激活状态的工作物质，诱 发激活的工作物质发光，光被放大，当光达到极高的强度，就有一部分放大的光 通过谐振腔有部分透过率的反射镜的一端输出，这就是激光。 1 3 激光的特点 ( i ) 高方向性：普通光源发光是非定向的面向四面八方，光能量分布 在空间很大发散角范围内，不能集中在确定的方向上发散到较远距离，而 激光，其平面发散角只有l o - 3 毫弧度，它可以作为一种较理想的准直线，广 泛应用于准直，导向和定位。 ( 2 ) 高单色性：对稳频和单频的h e - n e 激光，波长为 a a = 6 3 2 8 a ，_ _ k u ( 1 0 - 1 0 1 0 - 1 3 ) ，用这种激光测距，在1 0 0 0 砌上测量误差小 儿 于1 0 2 1 0 1 p 聊。利用激光的高单色性，建立以激光为标准的新的长度、时 间和频率标准，确立激光光谱学科，开展激光同位素分离。 ( 3 ) 高亮度：普通的光源亮度是很低的，人们认为很亮的太阳，其亮度 为1 0 3w z2 ，而普通的激光发光亮度为1 0 5 l o 形：。，其亮度为太阳的 1 0 0 倍，是普通灯泡的几千倍。利用激光的高亮度，可以用作机械加工、诱 发核聚变，甚至可以当做战争武器。 天津工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 高相干性：普通光源发光中心互相独立发光，各发光中心发出的光波没 有固定的位相关系，而激光发光中心是互相关联的，具有良好的空间相干性和时 间相干性。常用作相干光源，也可以激光全息。 ( 5 ) 高时间分辨率：一种辐射信号的时间分辨率是由它的脉宽决定的， 脉宽越短，时间分辨率越好，超短激光脉宽已达到1 0 - 1 3 j ，而无线电最短的 脉宽只有1 0 - 1 1 s ，利用激光可以高速处理信息。 1 4 激光加工技术 激光的高亮度、方向好等特点使光能功率可以集中在很小区域，因此，自第 一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光器在加工领域的应用。2 0 世纪7 0 年代初期，n d ：y a g 激光开始应用于工业生产。随着大功率激光器与各种激光技 术的发展，激光与材料相互作用研究深入，激光加工技术已经成为加工领域中的 一种常用技术。激光加工作为一种非接触、无污染、低噪音、节省材料的绿色加 工技术还具有信息时代的特点，便于实现智能控制，实现加工技术的高度柔性化 和模块化，实现各种先进加工技术的集成。因此，激光加工己成为2 l 世纪先进 制造技术中不可缺少一部分。 激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过 程。按照光与物质作用机理，可以分为激光热加工与激光光化学反应加工，激光 热加工是基于激光束照射物体所引起的快速热效应的各种加工过程。激光光化学 反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。二种加工 方法都可以对材料进行切割、打孔、刻槽、标记。前者对于金属材料焊接、表面 改性、合金化更有利，后者则适用于光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化。 1 5 激光熔覆技术 激光熔覆技术亦称激光包覆、激光涂覆。是一种新的表面改性技术。它通过 在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的 方法，在基材表面形成合金化的熔覆层，以改善其表面性能。激光熔覆过程类似 于普通喷焊或堆焊过程，只是所采用的热源为激光束而己。于后者相比，激光熔 覆有如下优点。 激光束的能量密度高，作用时间短，使基材的热影响区及热变形均可以降低 到最小程度，不破坏基体的力学性能。 控制激光输入能量，可以限制基材的稀释作用，保持原熔覆材料的优异性能， 使熔覆层的成分 覆各种性能优良 激光熔覆层 激光熔覆层 以对深孔、内孔 单道激光熔覆层 率和熔覆质量进 激光熔覆对 激光熔覆工 置涂层法的工艺 电镀等) 在基材表面预置一层金属或合金，然后使用激光使其熔化，获得与基材 冶金结合的熔覆层。同步送粉法指在激光束照射基材同时，将待熔覆的材料送入 激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层工艺过程。激光熔覆材料包括金属，陶瓷 等，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材。评价激光熔覆层的质量的主要指标 为：熔覆层厚度、宽度、形状系数( 宽度厚度) 、稀释率、硬度及其沿深度分布、 基板的热影响区深度及变形程度等。 影响上述指标的主要工艺参数除了激光功率、光斑直径、功率密度、扫描速 度等参数外，还包括送粉速率或者预置层的厚度，熔覆材料对基材的浸润性、熔 覆材料和基材的固溶度、熔覆材料对光束的吸收率、多道搭接时的搭接率、保护 气体的种类和预热缓冷的条件等。激光熔覆层的宽度主要决定于光斑的直径，而 激光熔覆层的厚度与送粉量、扫描速度、功率密度等参数密切相关。 常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钴基、铜基自熔合金，上述合金与碳化 物( w c 、t i c 、s i c 等) 颗粒组成的金属陶瓷复合粉末，以及a h 0 3 、z r 0 2 等陶 瓷材料。常用的基材包括钢材、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。 早期激光熔覆技术的研究主要集中在提高材料表面的耐磨性和抗腐蚀上，要 获得优良的熔覆层，在熔覆过程中综合考虑的问题很多，首先是熔覆层是否与基 体达到冶金结合。其次，熔覆层表面是否平整、是否具有良好的物理和化学性能。 将熔覆材料置于材料表面，用高功率激光在扫描制备熔覆层的方法已经不再适应 于工业生产。近几年来，熔覆技术有较大的发展，某些方法己进入实际工业应用 阶段，随着科技和工业的高速发展，对激光熔覆技术要求越来越高。目前，主要 从以下几个方面来研究： ( 1 ) 从力学和外延生长的角度出发，系统研究激光熔覆快速凝固行为，包 括各种亚稳态相得形成规律、组织特征及溶质在凝固过程中的分配规律，揭示材 料的显微结构的形成与演化机理，进一步完善快速凝固理论。 ，天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立更接近实际熔池的能量、动量和质量传输模型，通过数值分析来 得到熔池中的定量信息。 ( 3 ) 研究激光熔覆对熔覆材料力学、耐蚀、高温、耐摩擦和耐磨损性能的 影响。 ( 4 ) 结合大功率激光器的开发和研究和激光光学系统的设计，研究大功率 激光器的应用及配套装置，采用波长较短的激光光源，提高激光与材料表面的耦 合，解决大面积熔覆的工艺问题，并进一步提高熔覆层的质量。 ( 5 ) 进一步提高激光熔覆的自动化水平。 1 6 焊接技术 1 6 1 焊接的概述 焊接是被焊工件的材质( 同种或异种) ，通过加热或加压或两者并用，并且 用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过 程。焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料 之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种， 包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。1 9 世纪末之前，唯一 的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在1 9 世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。2 0 世纪早期，随着第一次 和第二次世界大战开战，对军用器材廉价可靠的连接方法需求极大，故促进了 焊接技术的发展。今天，随着焊接机器人在工业应用中的广泛应用，研究人员 仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，以进一步提高焊接质量。 1 6 2 焊接技术的发展趋势 ( 1 ) 提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力 提高生产率的途径有二：第一提高焊接熔敷率，例如三丝埋弧焊，其工艺参 数分别为2 2 叫3 3 v 、1 4 0 0 a 4 0 v 、1 1 0 0 a 4 5 v 。采用坡口断面小，背后设置挡板 或衬垫，5 0 6 0 m m 的钢板可一次焊透成形，焊接速度可达到，0 4 m m i n 以上， 其熔敷率与焊条电弧焊相比在1 0 0 倍以上，第二个途径则是减少坡口断面及金属 熔敷，近十年来最突出的成就就是窄间隙焊接。窄间隙焊接采用气体保护焊为基 础，利用单丝、双丝、三丝进行焊接，无论接头厚度如何，均可采用对接形式， 例如钢板厚度为5 0 3 0 0 m m ，间隙均可设计为1 3 m m 左右，因此所需熔敷金属量 成数倍、数十倍的地降低，从而大大提高生产率。窄间焊接的主要技术关键是看 第一章绪论 如何保证两侧熔透和保证电弧中心自动跟踪并处于坡口中心线上，为此，世界各 国开发出多种不同的方案，因而出现了多种窄间隙焊接法。 电子束焊，等离子焊，激光焊时，可采用对接接头，且不用开坡口，因此是 更理想的间窄隙焊接法，这也是它广泛受到重视的原因之一。 最新开发成功的激光电弧复合焊接方法可以提高焊接速度，如5 m m 的钢板 或铝板，焊接速度可达2 3 m m i n ，获得好的成形和质量，焊接变形小。 ( 2 ) 提高准备车间的机械化，自动化水平是当前世界先进工业国家的重点 发展方向。 为了提高焊接结构的生产效率和质量，仅仅从焊接工艺着手有一定的局限 性，因而世界各国特别重视车间的技术改造。准备车间的主要工序包括材料运输， 材料表面去油，喷砂，涂保护漆；钢板划线，切割，开坡口；部件组装及点固。 以上工序在现代化的工厂中均已采用机械化、自动化。其优点不仅是提高了产品 的生产率，更重要的是提高了产品的质量。 ( 3 ) 焊接过程自动化，智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件 的重要方向。 ( 4 ) 新兴工业的发展不断推动焊接技术的前进。 焊接技术自发明至今已有百多年历史，它几乎可以满足当前工业中一切重要 产品生产制造的需要。但是新兴工业的发展仍然迫使焊接技术不断前进。微电子 工业的发展促进微型连接工艺的和设备的发展；又如陶瓷材料和复合材料的发展 促进了真空钎焊、真空扩散焊。宇航技术的发展也将促进空间焊接技术的发展。 ( 5 ) 热源的研究与开发是推动焊接工艺发展的根本动力。 焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电 阻、超声波、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等( 我司主要以弧焊、电 阻焊自动化焊接设备为主) ，历史上每一种热源的出现，都伴有新的焊接工艺的 出现。但是，至今焊接热源的开发与研究并未终止。 ( 6 ) 节能技术是普遍关注的问题 众所周知，焊接消耗能量甚大，以焊条电弧焊为例，每台约1 0 k v a ，埋弧 焊机每台9 0 k v a ，电阻焊机可高达上千k v a ，不少新技术的出现就是为了实现 这一节能目标。在电阻点焊中，利用电子技术的发展，将交流点焊机改成次级整 流点焊机，可以提高焊机的功率因素，减少焊机容量，1 0 0 0 k v a 的点焊机可以 降低至2 0 0 k v a ，而扔能达到同样的焊接效果。近十年来，逆变焊机的出现是另外 一个成功的例子，它可以减少焊机的重量，提高焊机的功率因率的控制性能，己 广泛应用于生产。 天津工业大学硕士学位论文 1 7 微弧沉积技术概述 微弧沉积工艺是一种简单而灵活的表面处理方法，它直接利用电能的高密度 能量对金属表面进行沉积处理，它把电极材料作为工作电极( 阳极) ，氩气中使 之与被沉积的金属工件( 阴极) 之间产生火花放电，在极短的时间内电极与接触 部位达到很高的温度，利用火花放电的能量，将电极材料转移至工作表面，构成 沉积层。 ( 1 ) 微弧沉积不需要特殊的处理装置，是在空气和氩气中进行，不需要其 它特殊气体，在氩气中进行，表面几乎无氧化。 ( 2 ) 微弧沉积在瞬间能达到较高温度，由于放电的时间很短，放电点的面 积很小，因此热量会作用在很小的面积上，对整个加工零件来说，热影响区域小， 一般情况下，不会引起工件变形。 ( 3 ) 在微弧沉积中，沉积层的厚度、沉积层的质量与参数电压、功率、频 率、时间等有关。要想获得比较好的沉积层，可以调节这些参数。 一( 4 ) 微弧沉积放电部位的沉积层与基体是冶金结合，但是放电点的面积很 小，要想获得均匀的整个冶金结合沉积层比较困难。 1 8 等离子喷涂概述 等离子喷涂是通过气体放电产生离子，然后进入加速系统，在高压的作用下， 使这些离子获得一定速度，然后这些离子带着这些材料粒子加速，最后这些离子 打在材料表面，这样就可以获得涂覆层。 ( 1 ) 等离子喷涂一般是在常温、真空条件下完成的，所以材料表面一般无 氧化现象，能够保持原有材料的精度，由于溅射效应，对材料表面的粗糙起到一 定的改变。 ( 2 ) 等离子喷涂技术容易控制，可以通过改变等离子源的浓度和加速器的 能量，可以实现大面积均匀化涂覆，也可以实现较小部分的局部改性。 ( 3 ) 等离子喷涂的厚度一般较薄，一般情况下小于l g m 。因此等离子喷涂 技术的应用受到限制，同时等离子喷涂层与基体不是冶金结合，对高磨损和高温 一般不适宜。 8 第一章绪论 1 。9 选题的依据及内容 1 9 1 选题的依据及研究内容 激光复合加工技术结合了细加工、环保高效率及柔性加工的优势，广泛应用 于汽车、航空、矿山机械等制造领域，专用的激光复合加工技术能够实现零部件 的制造和再制造。激光的复合加工技术在国内外已经在国内外实现了工业上的大 规模应用，如激光表面复合强化、修复模具、轴和其它工件，激光复合焊接等。 但是加工多限于钢铁等。由于铜的高导热、高反射、高热膨胀率等物理特点，导 致在铜表面实现激光加工比较困难，目前国内外学者做了大量工作，但是没有一 个理想的结果，在铜表面实现激光加工处于在研究阶段。 在我国冶金行业中，连续铸造技术以其节能、环保的优势占据了主导地位， 其中连铸结晶器是关键部位，但是结晶器工作环境恶劣，又多用铜制造，为增强 其耐磨性，通常采用表面镀层或用铜合金制造结晶器( 材料为银铜、磷脱氧铜、 铬锆铜等；镀层有硬铬、镍钴铬复合镀层，银铜，无镀层或镍钴合金镀层) 。由 于镀层薄，增强的效果受到限制，大幅度提高结晶器的耐磨性和寻求高效的修复 工艺一直是厂家的迫切要求。 国内一家大型钢厂向我们提供了某型连铸结晶器铜板，要求在铜板表面制备 高性能的熔覆层，目前，国内外应用激光复合涂层技术已经实现在工件表面制备 1 0 u m 到l o m m 厚度的高性能熔覆层。经过理论分析、实验研究和工艺筛选，提 出激光复合制备铜基表面n i - c r 合金熔覆层的工艺。 该项目研究铜基上激光复合制备熔覆层热过程原理，研发激光复合制备铜基 表面高性能熔覆工艺，为冶金行业生产表面具有高性能熔覆层连铸结晶器铜板， 或修复破损的连铸结晶器铜板，以延长结晶器的使用寿命，提高生产效率，减少 贵重金属材料消耗，以替代进口板材。在此研究过程中，提出了一种在高导热金 属上焊接的方法，这种方法简单，易于在工业生产中推广。 本课题是导师天津市自然科学基金项目( 项目批号：0 8 j c j c 0 9 2 0 0 ) 激光 复合制备铜基表面n i c r 合金熔覆层项目研究的部分内容。 1 9 2 本课题完成的任务 l 、建立激光在铜表面熔覆温度场模型。并通过分析和计算得出在铜表面熔 覆的工艺参数。 2 、设计实验方案及实验流程，完善实验参数。 3 、为做一个准备实验，用喷焊法在一个小铜块上制备熔覆层，再取一个大 9 天津工业大学硕士学位论文 铜块，在大铜块表面用固体y a g 激光制备一小块熔覆层，在大铜块先用y a g 激 光制备熔覆层，再用c d 2 激光重熔，制备一定厚度的熔覆层。 4 、在铜表面制备熔覆层后，再在铜表面焊接铁件。 5 、对实验结果进行分析，观察试样的表面形貌、分析涂层的微观结构。 第二章铜基表面激光熔覆过程分析 第二章铜基表面激光熔覆过程分析 2 1 在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接的意义 铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定的强度等特性。在 电气、电子、化工、食品、动力、交通及航空航天工业中得到广泛应用。在冶金 行业中，铜是连铸结晶器材料。由于连铸结晶器工作环境恶劣，结晶器表面容易 产生裂纹、磨损、腐蚀等。当结晶器局部损坏会造成整个零件失效。现采用表面 镀层或铜合金的方法制造结晶器来延长其使用寿命。但是效果不明显。在化工上， 一些铜元件直接浸透在腐蚀液中。在供电装置中，一些铜元件也裸露在外面。为 延长铜器件的寿命，而不影响铜的性质。随着激光再制造业的发展，在铜表面制 备熔覆层成为可能。激光熔覆是一种新的表面改性技术，它的优点是：热影响区 域小，与基材能实现冶金结合，工件变形小等，并且激光再制造技术已经应用于 我国的航空、汽车等领域。并取得了很好的效果。 由于铜大规模在工业上使用，在工业生产中经常会出现在铜表面焊接一些器 件，铜的物理性质决定了在铜基体上焊接一些器件也很困难，往往通过对不同种 类的铜采取不同的焊接方式( 气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氩弧焊等方 法) 但是焊接效果往往不理想，同时也比较繁琐，在铜表面制备熔覆层的过程中， 提出先在铜表面制备一定厚度的熔覆层，然后再焊接其它器件。 2 2 在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接的困难原因 第一：铜对光有很强的反射率，大多数光照射到铜表面被反射回去，只有少 部分被吸收。激光器上的反射镜、古代用的铜镜等都是利用光的高反射率制成的。 表2 - 1 铜和铁对c ( h 和y a g 激光的吸收率 波长铜吸收率铁吸收率 y a g 激光1 0 6 um 0 13 8 1 c 0 ：激光 1 0 6 um 0 0 1 50 0 2 9 一般情况下，金属对光波的吸收随波长的增大而减小，从上表可以看出， c 0 2 激光的波长为1 0 6pm ，而y a g 激光得波长为1 0 6i lm ，比较铜和铁分别 对y a g 和c 0 2 激光器产生的激光，铁对y a g 激光的吸收率约为铜3 8 倍，铁对 天津工业大学硕士学位论文 c 0 2 激光的吸收率为铜的约2 倍，通过比较证明了，在铜表面制备熔覆层比在铁 表面制备熔覆层困难的多。要在铜表面制备熔覆层，可以使用高功率c 0 2 激光 器，或者用波长较短的y a g 脉冲激光器，但是高功率c 0 2 激光器很少，本实验 采用用y a g 激光取代c 0 2 激光器在铜基体上制备熔覆层。 第二：铜的热导率高，热量很快被导走，在铜表面很难实现能量聚集。 表2 2 铜的物理性质 密度比热容热导率熔点 k gm 一3 j k g 一1 k - 1 wm lk - 1 k 铜 8 9 5 43 8 53 9 81 0 8 3 铁 7 8 6 05 7 7 7 84 6 8 91 5 3 5 比较铜和铁的物理性质，铜的熔点是铁的0 7 倍，但是铜的导热系数是铁的 8 4 倍，铜表面的热量很快被导走，很难在铜表面聚集热量。所以在铜表面制备 熔覆层和焊接，一般情况下，很难将铜和熔覆材料同时熔化。 第三：铜的热膨胀率高，铜与很多金属结合后，由于热膨胀系数不一样，在 结合处容易产生裂纹。 。 第四：铜与很多材料润湿性差。造成熔覆层与基体达不到冶金结合或结合力 差，而引起界面失效，表2 3 是铜和其它金属互溶表，与铜互溶的金属很少，根 据实验需要，这里选取n i c r 合金粉末，不仅与铜互溶，同时n i c r 合金粉末 具有很好的抗腐蚀性能。 表2 3 铜合金化互熔系 固相互溶系 液相互溶但固相有限互溶 c u a g c u - a 1c r - c uc o - c un i - c r - c u 或不互溶系 液相和固相不互溶系 p b - c uc u - m oc u - w 上面的铜的物理性质说明：在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接其它器件 ( 铁件) 等相当困难，没有在铁的表面那么容易制备熔覆层和焊接，可以通过其 它的方法在铜表面制备熔覆层和在铜基体上焊接器件。 比较铜和铁分别对y a g 和c 0 2 激光器产生的激光，铁对y a g 激光的吸收 率约为铜3 8 倍，铁对c 0 2 激光的吸收率为铜的约2 倍，通过二次比较证明了， 在铜表面制备熔覆层比在铁表面制备熔覆层困难的多，同时也为提供了在铜表面 制备熔覆层的方法之一，用y a g 激光器取代c o s 激光器来加热铜基体。 第二章铜基表面激光熔覆过程分析 ，弋 累 、 静 杂 谜 温度( k ) 图2 - 1 铜对激光的吸收随温度变化曲线 铜对激光的吸收和温度的关系，随着材料温度的升高，晶格振动加剧，有大 量的声子被激发到高能态，金属中的电子和声子交换能量增强，因此， 金属中 电子对反射能力下降，一般情况下，对大多数金属来说，出现随材料温度升高吸 收率增大。这为解决在铜表面制备熔覆层方法，提高铜基体的温度。 从上面分析也为在铜表面制备熔覆层提供二个方向： ( 一) 提高铜对激光的吸收率 ( - - ) 提高铜基体的温度。 激光在铜基表面制备熔覆层难度比较大，这主要是由于铜自身的性质所决定 的，在铜表面制备熔覆层，目前处于试验阶段。 2 3 解决方案 经过理论分析实验、实验研究和工艺筛选。提出在铜表面制备熔覆层： 方法一：用固体脉冲y a g 激光，采用同步送粉方式供给熔覆材料，在铜表 面上重复扫描，制备一定厚度的n i - c r 合金熔覆层。此方法是在大铜块上制备一 小块熔覆层，适用于结晶器的修补。 方法二：使用等离子体喷涂的方法预置n i c r 合金熔覆层，可以有效避免激 光直接照射铜表面，提高铜对激光的吸收率，先用固体脉冲y a g 激光在制备熔 覆层，再使用激光在制备的熔覆层上扫描，再用同步送粉方式供给熔覆材料， 可以制备一定厚度的、冶金结合的熔覆层。此方法适用于再大块铜表面制备熔覆 目 ，五。 在方法一的基础上，提出在铜表面实现焊接铁件，先在铜表面制备一定厚度 2 5 激光在铜表面熔覆层裂纹的控制 裂纹是激光在铜表面熔覆中最棘手的问题，如果熔覆层中存在裂纹，对熔覆 层的性能就会有很多影响。裂纹产生的原因很多，但主要还是与激光熔覆处理后 铜基体与n i - c r 合金熔覆层内部存在较大的应力有关。激光与铜基体材料相互作 用过程时间很短，是一个快速加热和冷却的过程，且铜基材与熔覆材料二者的热 物理参数差别很大，如线膨胀系数和热导率。熔覆层和基体间存在很大的温度差， 由于基体和熔覆层之间的热膨胀系数不同，造成二者收缩不一致。它们形成了熔 覆层的内应力。熔池内的溶液快速冷却，体积收缩，但受到周围基材的限制，因 此，熔覆层的应力一般为拉应力，而且熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材 的固态相变等都会发生体积变化，均会产生组织应力，当熔覆层的局部拉应力超 过材料的强度极限时就会产生裂纹。这二种应力综合作用表现为拉应力状态，容 易在气孔、夹杂物尖端等处形成应力集中，导致裂纹产生。根据裂纹在熔覆层的 第二章铜基表面激光熔覆过程分析 位置将熔覆层的裂纹分成三类：熔覆层裂纹、截面基材裂纹和扫描搭接区裂纹。 一般来说，熔覆层的抗裂性能优于基材时，裂纹易在界面基材内产生，对于自身 韧性较好的基材不易产生裂纹，裂纹主要会发生在熔覆层内。 熔覆过程中工艺参数、熔覆层厚度以及熔覆前处理工艺等多种因素都会对裂 纹的产生有影响，从熔覆的材料的角度出发，b 、s i 、c 含量的增加，会导致高 硬度的硼化物、碳化物的含量增加，产生裂纹的倾向增大。可以通过优化工艺方 法和参数调整应力状态，尽可能降低拉应力，可以减少熔覆层的开裂。添加合金 元素等方法亦可以提高熔覆