（材料学专业论文）激光送丝堆焊的应用基础研究.pdf

摘要 y5 8 7 47 7 激光表面处理新技术是目前国内外研究热点之一，而激光堆焊 技术是近十几年来发展的焊接新技术。激光送丝堆焊由于有一次熔覆 厚、热影响区小、选区性强、堆焊性能高等特点，+ 使用时并兼有尺寸 修复和强化的功效，也可以制备梯度复合覆层，因此广泛应用于冶金、 石化、汽车、模具等行业工件的修复、强化以及制造，已经成为绿色 节能、节材的再制造工程上关键支撑技术之一。 通过借助光学显微镜、透射扫描电镜、x 射线仪和显微硬度计等 对激光送丝堆焊技术中涉及的工艺参数优化、工艺参数的匹配、堆焊 层的组织结构、堆焊层合金元素分布、堆焊层的性能及质量控制，通 过数理方法对堆焊参数的模拟等进行了系统的试验研究。指出主要工 艺参数的选择依据、送丝控制方法、各工艺参数对堆焊性能的影响， 本文还介绍了激光堆焊的模拟技术、激光堆焊存在的问题，并提出了 激光堆焊防止开裂的对策。 本课题的研究不仅激：圯送丝堆焊的设计提供了有价值的参考， 而且对激光送丝堆焊具有指导意义。 关键词：送丝激光堆焊，搭接，显微组织，工艺参数，显微组织 禾经律等、导师嗣惹 勿全文公布 a b s t r a c t l a s e rs u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi so n eo fh o td e v e l o p m e n t l a s e r o v e d a y - u p i san e w t e c h n o l o g yi nt h er e c e n t t e n sy e a r s l a s e r o v e r l a y - u p i sf o c u si nt h es u r f a c e d i s p o s a l o fm a t e r i a l ，m o s t l yb e c a u s eo ft h e m e t a l l u r g y u n i t eb e t w e e nl a s e r o v e r l a y - u p a n d m a t r i c e s ，f i n e m i c r o s t r u c t u r e ，c o n t r o l l a b l e ，t h i c kc l a d d i n g ，l i t t l e h e a t e d z o n e ，e a s y s e l e c t i v e o v e r l a y - u p ，e a s y a u t o m a t i z a t i o ni nt h ep r o c e s so ft e c h n i q u e ， p e r f e c tp e r f o r m a n c e ，e ta 1 i ta l s oh a s af u n c t i o no f r e p a i ra n ds t r e n g t h e n ， m a k eg r a d ef u n c t i o nc o m p o u n dc o a t i n g s ot h i st e c h n o l o g yw e r eu s i n g b y t h em a n u f a c t u r ea n dm a i n t a i no f m a c h i n e ，m a n u f a c t u r eo fa u t o m o b i l e ， m a c h i n e w e a v i n g ，n a v i g a t i o n , m o d e l i n g ，p e t r o c h e m i c a l i t b e c a m eak e y t e c h n o l o g y o f g r e e n e c o n o m i z e e n e r g y s o u r c e sa n d m a t e r i a l ， r e b u i l d i n g - u p i n i sp a p e r ，t h es y s t e mo fl a s e ro v e r l a y - u pm a t e d a la n d , i t sc h o s ea n d d e s i g n ，t h em o d eo fo v e r l a y ( f e e d i n gw i r ea n df e e d i n gp o w d e r ) a n d d e v i c eo f o v e r l a y - u p w e r ei n t r o d u c e0 1 1t h eb a s i so f o v e r l a y - u p d e v e l o p m e n t t h ep a r a m e t e r o fl a s e r f e e d i n g w i r e o v e r l a y - u p w a s d e s c r i b e d ，a n dt h ea c c o r d i n ga st h em a i np a r a m e t e rc h o s e n i ta l s ow a s i n t r o d u c e dt h et e c h n o l o g yo fa n a l y s i sa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e mo fl a s e r o v e r l a y u p o nt h eb a s i so f p r o c e s s i n gi n v e s t i g a t i o n , t e c h n i c a lp a r a m e t e ro p t i m i z e a n dm a t c h i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，t h ee l e m e n td i s t r i b u t i o n ，h a r d n e s s a n d o v e r l a y e rq u a l i t yw e r es y s t e m a t i c a ls t u d i e db yu s i n gs e m ，t e m ，e d x ， x r da n dm i e r o h a r d n e s s t h i ss t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c es i g n i f i c a n c e 。 i ti sp r o v i d e dw i t hr e f e r e c eo nl a s e rf e e d i n gw i r eo v e r l a y - u p ，r e d u c i n g t h e c r a c kw h e nt h e r ea r eh i g h e rp e r f o r m a n c e s u c ha sw e a r a b i l i t y ，h a r d n e s s ， r e s i s t a n c ea n ds oo n ) i nt h eo v e r l a y - u p k e yw o r d s ：f e e d i n gw i r eo v e r l a y - u po v e r l a p p i n g t e c h n i c a l p a r a m e t e r m i c r o s t m c t u r e 掰- 第一章绪论 第一章绪论 1 1 堆焊的一般概念 所谓堆焊是为增大或恢复工件表面尺寸，或使工件表面获得具有特殊功能的 熔敷金属而进行的焊接。换言之，堆焊是用焊接方法而且是用熔化焊方法，使工 件表面形成具有特定性能的金属覆层的一种工艺过程。堆焊是焊接领域的一个分 支，是一种熔焊工艺。但堆焊的目的并不是为了连接机件，而是借用焊接的手段 对金属材料表面进行改质，即在零件上堆覆一层或几层具有希望性能的材料。这 些材料可以是合金材料也可以是金属陶瓷，他们可以具有原机件不具有的性能， 例如高的耐磨性，良好的耐蚀性或其他性能。这样以来，对于本来是用一般材料 制成的零件，如普通碳钢零件，通过堆焊一层高合金，可使其性能明显的改善或 提高。 堆焊也是用于修复的重要方法之一，许多表面缺陷都可以通过堆焊进行消除。 堆焊就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律，原则上所有的熔焊方 法都可以用于堆焊。但是由于其作用同一般起连接作用的焊接完全不同，因此它 具有自身的特性，在表面工程中，堆焊具有重要应用意义。 1 2 我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状 堆焊技术在我国起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展 初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与 强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊 技术从修理业扩展到制造业，9 0 年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智 能控制技术和精密磨削技术相结合的近成形技术( n e a rn e ts h a p e ) 引起了制造 业的广泛关注。这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。堆焊技术在我国历 经5 0 多年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且成为先 进制造技术的发展基础。 堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过 程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件 表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很 浙江工业大学硕士论文 大的灵活性。如轧辊堆焊、阀门堆焊、发动机关键部件的堆焊等都得到了应用。 1 3 金属堆焊基本理论 由于焊层金属和基体金属的化学成分和晶格类型都有区别，不可避免会在分 界面的过渡层中引起晶格畸变，从而造成晶格的各种缺陷。由于靠近熔合区各段 上焊缝的结晶特点不同，可能由于成分的变化而形成性能不良的过渡层。从而使 焊接质量恶化。 1 3 1 熔合区 所谓熔合区一般包括熔合线和具有结晶层与扩散层的过度区段，在这个过度 区段成分是不固定的。焊层与基体金属之间的界线称为熔合线实践证明，在熔焊 条件下，熔池的结晶中心是未熔化的基体材料金属的晶粒，结晶新相的原子就附着 在结晶中心的上面。焊缝完全冷却后，熔合区一部分由基体金属组成，另一部分 由焊缝金属组成 分析焊缝的微观组织可以发现，两种金属尽管合金化特征彼此差别很大，只要 它们的晶格相同，基体材料技术与焊缝金属的熔合区就有相容性而且只要熔合区 内没有组织的畸变，金相组织的类型相同的异种钢焊接接头、晶界的吻合也是很清 晰的。 1 3 2 熔合区中的结晶过渡层 由于堆焊是异种材料的焊接，在熔合区的焊缝边界上，就不可避免地会产生 化学成分介于基体金属和焊缝之间的过渡层。过渡层的厚度随焊接速度的增大而 增大。一般说来，过渡层的平均厚度约为0 4 - 0 8 m 。 1 3 3 固相与液相的相互作用 在堆焊过程中，固态基体金属和液态金属互相作用必定会引起熔合区内某种 的扩散。扩散速度的大小取决于温度、接触时间、浓度梯度和原子的迁移率。异 扩散形成的扩散过渡层往往会损害焊层的性能。 在实际堆焊过程中，液相和固相的接触时问t 一般都远远超过扩散过程所需要 的延迟时间t ，因此接触区内某些合金元素的扩散是不可避免的。焊接时在基体金 属区内某些合金元素的扩散的可能性取决于元素在液态金属和固态金属中的不同 的溶解度。焊缝中某种元素的分布特征，也就是它在固一液边界上的溶解度取决于 2 浙江工业大学硕士论文 分布系数驴，中表示元素在固相和液相中不同溶解度之比，即 击：鱼 7 c 涟 式中，c 周、c 液分别表示在结晶温度下，元素在固态和液态金属中的溶解 度。中与元素的偏析能力成反比。 为了正确估计焊缝的工作性能，往往需要了解合金元素在焊缝截面上的分布 特征。实践证明，当基体金属与堆焊金属的成分相差很大时，在焊缝金属熔合线 附近，会形成一个成分变化不定的区域，即扩散过渡层。 1 3 4 碳的扩散 在分析熔合区内形成扩散过渡层的特点时，首先应当了解其中扩散能力最大 的元素的迁移条件。在钢中这种扩散速度能力的是碳，不论是在a 固溶体中还是 在y 固溶体中，碳的扩散运动都比其他合金元素的打1 0 4 一1 0 6 倍，同时，无论在什 么温度条件下，碳在a 相中的扩散能力都是明显高于在y 相中的扩散。 在珠光体钢上堆焊奥氏体不锈钢，就会出现明显的扩散过渡层组织，在靠近 碳钢的一侧出现了粗大柱状铁素体晶粒的贫碳层，而靠近奥氏体焊缝一侧，出现 一条不易被试剂腐蚀的高硬度的黑带。用示踪原子法和光谱分析法可以发现，这 一黑带是由于较多的碳扩散的结果。这种过渡层在碳钢与不同合金化焊缝的接触 处都可能出现。 1 3 5 多组元体系的扩散 元素在熔合区中的扩散，往往是跳跃式由小浓度向大浓度过渡，这种扩散称 为“多组元体系的扩散”。这种理论比较复杂，目前没有统一的规律。不过用物理 化学的观点来说，扩散的结果必定趋向于自由能最低的状态。在多元体系中，象 在实际的溶液中一样，扩散过程的驱动力已经不是浓度梯度，而是由扩散体系中 的化学势梯度所决定。 因此不仅在堆焊的熔合区可以见到由于碳的扩散重新分布而形成的过渡层， 就是在合金化不同的钢相互接触的情况下，也能发现扩散层。 1 3 6 液相合金元素向固相中的扩散 在焊接过程的某一瞬间，必定会在液态金属与固态基体金属产生不平衡。这 浙江工业：大学硕士论文 种不平衡就会导致液相中某些合金元素向固相的扩散运动，即渗入。 扩散物质渗入厚度与扩散时问成抛物线规律： y = 聊f 式l - l 式中y 为扩散物质渗入厚度；聊对于一定材料和条件下是一个常数；0 | 圃为溶质元 素在固体中的扩散系数；f 为扩散过程进行的时间。 1 4 激光堆焊的提出及特点 1 4 1 激光堆焊的提出 传统的电弧粉末堆焊技术出于受电弧吹力的影响难以同时达到高效和低稀释 率的目标。为了提高堆焊效率必然导致热输入的增加，基材的熔深增大，堆焊层 性能下降。近年来，基于等离子弧等高能密度热源的粉末堆焊技术研究在国外十 分活跃。等离子弧堆焊可以获得较低的稀释率( 5 1 0 ) ，但是其堆焊效率也是 各种堆焊方法中较低的。手工电孤焊堆焊虽然设备简单，使用方便，成本低，但 是生产效率低、稀释率高、均匀性差、劳动条件差等缺点。 激光堆焊是指在金属表面利用激光作热源熔化专用覆层材料，利用堆焊原理 堆敷一定厚度具有特殊性能材料的工艺过程。激光堆焊通常是指表面焊层的厚度 可以达到0 8 - 3 m m 甚至更高，这种覆层用预制粉末或喷涂后重熔的方法很难获得， 原因是此类方法一次熔敷的覆层薄，采用激光堆焊技术理论上可以获得任意的覆 层厚度，并且覆层的质量容易控制，也可以制备出各种类型的复合覆层所以就大 大扩展工业应用范围，许多机械的重要零部件在使用过程中，常要求表面或局部 要有较高的耐磨性、耐热性及耐蚀性等特殊性能，同时又要求整体具有较好的强 韧性配合。 随着激光的出现，激光具有高亮度、高方向性、单色性等优点，做为一种新 的热源，它的开发推动了焊接工艺的发展，促进新的堆焊方法的产生。以激光堆 焊为代表的高能束堆焊技术的特点是可以实现热输入的准确控制，覆层厚度大、 热畸变小、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层。因 而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得至l j t 迅速发展。 1 4 2 激光送丝堆焊处理的技术特点 4 浙江工业大学硕士论文 与传统的表面堆焊、镀层、喷涂层等相比，激光堆焊具有如下特点： ( 1 ) 专用合金焊丝易制作，尤其是可选用f e 基焊丝解决送粉熔覆时f e 基粉 氧化问题 ( 2 ) 与送粉堆焊相比，送丝堆焊一次堆焊厚度可达2 m m ，堆焊效率大大提高。 ( 3 ) 可通过不同堆焊村料的混合进行成分设计，获得与基体实现牢固冶金 结合、界面扩散结合的堆焊层 ( 4 ) 熔覆处理为快速凝固过程，可获得细晶组织或产生平衡态无法得到的 亚稳相、非晶态等； ( 5 ) 通过激光工艺参数的调整，可使堆焊层的稀释率降低到最低程度，从 而获得所设计的表面性能： ( 6 ) 激光处理的热变形小，尤其是采用高功率密度的快速熔覆，可使变形 降低到零件的装配公差之内； ( 7 ) 熔覆层的厚度可控，可完成工件的修复处理： ( 8 ) 易实现选区熔覆，节省堆焊材料： ( 9 ) 工艺过程可实现自动化。 1 5 激光堆焊应用 激光堆焊主要应用于制造新零件、修复工件及其强化改性，如： 1 制造新零件采用不同的基体材料( 即基材) 的各种金属覆层材料( 称为堆 焊材料) ，在基体材料表面形成性能优良的覆层，从而制成双金属零件： 2 修复旧零件采用堆焊工艺使已损伤的零件恢复尺寸，并可同时进一步提 高表面的工作性能。显然堆焊是一个异种金属相连接的过程，而覆层( 堆 焊层) 合金成分是决定堆焊效果的主要因素。 3 堆焊的目的是用于表面改质，因此堆焊材料与基体有较大的差别，因而具有 异种金属焊接的特点。 4 与整个机件相比，堆焊层仍是很薄的一层，因此其本身对籀个强度的贡献。 不象通常焊缝那样严格，只要承受表面耐磨等要求即可。堆焊层与基体的结 合力，也无特殊的要求，一般冶金结合即可满足要求，但是必须保证工艺过程 中对基体的强度不损害或损害可控制在一定的范围 5 要保证堆焊层自身的高性能，要求可能低的稀释率 浙江工业大学硕士论文 6 堆焊层用于强化某些表面，因而希望焊层尽可能平整而均匀这要求堆焊材 料与基体材料应有尽可能好的润湿性和尽可能好的流平性结晶化学的差异 性是影响堆焊的重要因素，这主要指焊层与基体材料的晶格类型、点阵常数、 原子半径及电子结构等差异，也就是冶金学上的”不相容”性 激光堆焊新的应用技术三维堆焊与数控铣削相结合的成型新工艺 金属之间成型的目标是将c a d 造型软件快速制成具有使用精度和结构强度 的实体零件。在目前已实现商品化的金属直接成型工艺中，通过s l s ( s e l e c t i v e l a s e rs i n t c r i n g ，选择性激光烧结技术) ，3 d p ( t h r e ed i m e n s i o n a l p r i n t i n g ，三维印 刷成型技术7 0 1 ，工艺获得的零件，由于其致密度不够，导致结构强度不足，而用 于强化结构的后处理工艺有时会破坏零件的形状和强度。l e n s ( l a s e re n g i n e e r i n g n e ts h a p h a g 激光工程净成型技术【l 】工艺虽然可获得较高的零件致密度和强度，但 昂贵的设备投资和维护费用不利于该工艺的推广应用。 采用三维焊接成型方法是一种可获得良好机械虽度而又经济实用的工艺方 案，但单纯的堆焊又难以保证成型零件的表面质量和尺寸精度。为此，结合各种 成型工艺的特点，取其所长，提出了三维堆焊与数控铣削相结合的成型工艺方案， 其工艺步骤为： ( 1 )利用激光熔化金属丝以提供成型材料，并在数控系统控制下堆焊出零 件的一层截面； ( 2 )用数控铣刀铣平端面并清理轮廓边界，使其达到该层所要求的堆焊高 度并保证零件的形状精度 ( 3 )逐层重复进行堆焊、铣削两道工序，直至成型出整个零件。 1 6 本课题的意义 疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面，这一现象 促使材料科学工作者对材料表面的极大关注，并促使材料表面改性技术的迅猛发 展。人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时，使材料表面获得较高的、 特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。“。 一些机械设备经长期使用出现功耗增大、振动加剧、严重泄漏、维修费用过 高，一般应该列为报废。这些现象的发生都是零件磨损、腐蚀、变形、老化，甚 6 浙江工业大学硕士论文 至出现裂纹这些失效的结果所造成的。磨损在零件表面发生，腐蚀从零件表面开 始，疲劳裂纹由表面向内延伸，老化是零件表面与介质反应的结果，即使变形， 也表现为表面相对位置的错移。这些都是由于材料的“表面问题”。 大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性技术提供了一种新的 有效手段“。”。在各类激光束处理中，激光熔覆是经济效益较高的涂层表面改性技 术。它可以在低性能廉价钢材上制备出高性能贵重的合金钢表面，以降低材料成 本，节约贵重稀有的金属材料，降低能源消耗提高金属不见的使用寿命鼬。我 国对激光熔覆的研究始于2 0 世纪8 0 年代“，近年来的研究工作也十分活跃 “，”- “。4 。由于这一新技术具有巨大的发展潜力并能产生较大的重视。目前的激 光涂层已由单一的技术涂层向金属与陶瓷粒子的复合涂层方向发展。对于涂层中 高熔点、高硬度的陶瓷颗粒在激光熔池中的溶解行为以及熔覆层的组织、成分现 有较多的研究，但多是对单道熔覆所进行的工作，而对于实用化程度较高的多道 搭接堆焊则研究较少。 本课题属于激光送丝堆焊领域的课题，有关内容的研究刚刚开始。因此，本课 题在学术上具有开创性，同时，在材料工程中，焊丝成分的设计、优化工艺和控 制堆焊层的裂纹，具有重要的工程应用价值，是再制造工程的补充并具有广泛的 应用前景： ( 1 )零消耗轧辊 ( 2 )零件再制造，送丝部件修复和强化 ( 3 )三维直接制造 第二章激光堆焊的国内外的研究现状 第二章激光堆焊的国内外的研究现状 2 1 堆焊用材料体系 激光表面堆焊是通过表层合金的设计，使工件获得较高的使用性能( 包括物 理、化学等方面) ，如耐磨、耐蚀和隔热等。 激光堆焊组织结构大体上分为三部分：熔化区、过渡区以及热影响区。不同 的合金成分及工艺条件下其具体形态有一定的差别。激光堆焊合金体系主要有铁 基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等。铁基合金涂层的基材多用于铸铁和 低碳钢；熔覆镍基合金适于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的 激光功率密度要比合金化铁基合金的略高；钴基合金涂层适于要求耐磨、耐蚀和 抗热疲劳的零件；陶瓷涂层在高温下有较高的强度，且热稳定性好，化学稳定性 高，适于耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化的零件，所用基体材料广泛，有碳钢、合 金钢、铸铁、铜合金、镍基高温合金等。 2 1 1 镍基合金 镍基合金的化学原理“”是运用钼、钨、铬、钴、铁等元素进行奥氏体固溶强 化；运用a 1 ，t i ，n b ，t a 获得金属间化合物y 相沉淀强化；添加bz rc o 等元素 实现晶界强化。激光熔覆镍基合金粉末的合金元素选择也是基于以上几个方面来 选择的，但是考虑到激光熔覆工艺的特点，合金元素的添加量是有所差别。 文献o ”在y 4 模具钢上涂覆镍基合金时的合金元素为c r 、f e 、m o 、w 、b 、s i 和c ，从其合金元素选择不难发现其强化方式主要是固溶强化，bs i 的加入可以 改善其工艺性能“，碳的加入可以获得一定的碳化物，形成弥散强化相，进一步 提高其耐磨性，文献“”在h 1 3 钢基体上分别熔覆两种不同成分的镍基高温合金， 均获得了基体y 相+ 弥散分布碳化物颗粒+ 共晶组织，区别在于弥散颗粒和共晶 组织中碳化物相，其中m c r a l y 的性能最好，其涂层硬度随温度升高下降较缓，表 明稀土元素对热稳定性镍基高温合金的有利。此外，稀土元素对合金高温抗氧化 性、耐硫腐蚀等也均有重要作用。作为提高涂层的耐磨性，研究表明添加一定量 的碳化物可显著提高涂层的耐磨性啪。熔覆镍基高温合金+ 3 0 ( v 0 1 ) w c ，得 到的组织为：y 基体上分布3 - 6 l am 的质点( 球状或短棒状) ，还有细小的片状共 浙江工业大学硕士论文 晶组织，球形质点为( w ，t i ) c 。 2 1 2 铁基合金 铁基合金是应用最广泛的种堆焊合金。这不仅是因为其价格低廉，经济性好， 而更是因为经过成分、组织调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强度、 硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性。由于合金含量和冷却速度的 不同，铁基合金堆焊层的组织可以是珠光体、马氏体、奥氏体或莱氏体等。 2 1 3 钴基合金 激光堆焊钴基合金主要用于钢或铁基合金基体上。钴基合金的成分设计上， 品种比较少，所用的合金元素主要是c r 、w 、f e 、n i 和c ，此外添加b 、s i 以形成自 熔合金。在2 c r l 3 基材上涂覆s t e l l i t e 合金”，熔覆层的结构分为三层：合金层、过渡区 和热影响区。合金层的组织为粗细不均匀，且方向紊乱的树枝晶：熟影响区在去应力退火 前为马氏体组织，去应力退火后为保持马氏体位向的回火索氏体。对y 4 和3 4 c r n i 3 m 0 2 等钢 的研究表明，钻基合金是最佳的选择。 钴基合金本身具有耐蚀性，耐热性以及抗粘着磨粒磨损等性能。但钴基合金 价格昂贵。在一般情况下，除非万不得己，就优先选用铁基或镍基合金。由于钴 基合金的耐蚀、耐热、耐磨性，在高温腐蚀、高温磨损等条件下可以考虑用钴基 合金。如高温高压阀门、热剪机刀刃、燃汽轮机涡轮叶片等场合。 2 1 4 铜基合金 铜基合金兼有在某些条件下良好的耐蚀性能和抗粘着磨损性能。黄铜和青铜在 金属与金属间的磨损场合具有优良的性能，被广泛地用来修理轴承表面；硅青铜 和铝青铜耐海水腐蚀的能力很强，铝青铜还有抗气蚀的性能。铜基合金耐磨粒磨 损和耐高温蠕变能力差，且易受硫化物和氨盐的腐蚀。 2 1 5 碳化物 碳化物以钨的碳化物为主，还包括t i 、m o 、v 、t a 和c r 的碳化物。它们的共 同特点是硬度很高，其中碳化钨的应用最为普遍，碳化物的制造工艺分铸造和烧 结两种。 2 2 堆焊用材料体系的选择与设计 9 浙江工业大学硕士论文 圈2 1 激光堆焊材料的设计方法 2 2 1 堆焊材料选择 堆焊是以获得特殊性能的表面层为目的的，堆焊材料的选择对堆焊层的性能 有着重要的影响，因此选择堆焊材料必须遵循一定的原则： ( 1 ) 根据技术要求合理地选择堆焊合金类型首先应分析零件的工作状况，确定零 件的材质。在此基础上，选择堆焊合金系统。这样才能得到符合技术要求的表面 堆焊层。 ( 2 ) 以降低稀释率为原则，选定堆焊工艺方法由于零件的基体多是碳素钢或低合 金铜，而表面堆焊层含合金元素较多。所以在进行表面堆焊时希望母材熔入焊缝 的量越少越好，也就是使稀释率最低，这样才能保证表面堆焊层有良好的性能。 ( 3 ) 堆焊层与基体金属间应有相近的性能通常堆焊层与基体的化学成分差别很 大。为防止堆焊层与基体问在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力 与组织应力，要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相交温度应该比较接近，否则， 容易造成堆焊层的开裂及剥离。 总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确地选择堆焊合金系统 1 0 浙江工业大学硕士论文 与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。 2 2 2 激光堆焊材料的设计 为了达到预期目的，必须对工艺过程的每一个环节进行合理的规划。结合激 光堆焊试验的一般工艺过程，设计出本实验的工艺流程。 激光熔覆材料的选用大多数来源于热喷涂材料，或在此基础上作成分的调整， 由于激光熔覆工艺的特点，适用于热喷涂工艺的材料，在激光熔覆工艺中未必适 用。不同熔覆材料所适用的基材范围也应有所区别，如镍基涂层材料可用于碳 钢、合金钢、铸铁及铝合金等的表面涂覆，但对于一定工作环境下，对某一基体 而言，存在一最佳涂层合金o “。 由上述可知，堆焊层的设计是很复杂的，其影响因素较多，所涉及的内容广 泛，决定堆焊层的有三个方面：成分、显微组织和工艺参数，而且三者之间并不 是孤立的，成分和工艺条件又影响组织如图2 2 所示。而目前的研究仍主要放在 工艺参数及显微结构及性能的研究上。 图2 - 2 影响堆焊性能的因素 2 3 堆焊方式及其装置 2 3 1 激光堆焊送粉方式及送粉装置 激光堆焊按熔覆材料可以分为预置式激光堆焊和同步式堆焊。预置式激光堆 焊是将堆焊材料预先置于材料表面的堆焊部位，然后采用激光束辐射扫描熔化， 堆焊材料以粉的形式加入，同步式激光堆焊则是将堆焊材料直接送入激光束中， 供料和堆焊同步完成，堆焊材料主要以粉末的形式送入。 预置式激光堆焊主要工艺流程为：基材堆焊表面预处理一预置堆焊材料一预热一 激光熔化一后热处理。 浙江工业大学硕士论文 同步式激光堆焊的主要工艺流程为：基材堆焊表面预处理一送料激光熔化一后 处理。 堆焊材料的供给方法有预置式供料方法和同步式供料方法。粉末材料的预置 方法主要采用热喷涂或黏结等方法。热喷涂是将 喷涂粉末加热到可以相互黏结的状态，并以一定 的速度喷射到基材表面，形成喷涂材料覆盖层的 一类技术。其优点是喷涂效率高，可获得大面积 涂层，涂层材料基本不受污染，涂层厚度均匀且 与材料结合牢固，激光熔覆中不易脱落；其不足 是粉末利用率低，需专门的设备与技术，操作程 序也比较复杂。黏结预置法就是针对热喷涂的不 足而发展的，该法是将粉末与黏结剂调和成膏壮， 6 j 图2 - 3 单侧送粉结构简图 涂在预熔覆基材表面，这种方法具有较好的经济性和方便性，但这类预置法导热 性差，需消耗更多的激光能量熔化。黏结剂的汽化和分解也易于对熔覆层合金造 成污染和气孔等缺陷，激光熔覆中黏结层还易脱落。 同步送粉法是目前最为先进的激光熔覆技术，它 可大大提高熔覆质量，降低熔覆层的稀释率和基材的 j 。 ： - ；1 1 - 7 一 热影响和基材的热影响，与预置熔覆法相比可使所需： ：，。 的熔覆能量降低一倍以上，还易于实现自动控制。 、去； 目前同步送粉用的送粉装置有不同的类型，它们二兰：型：= = ：嚣 具有各自的工作方式和优缺点，其中有代表性的有如 图2 - 4 同轴送粉结构简 下几种。 1 单侧送粉，其结构简图如图2 - 3 所示： 其中卜聚焦镜筒：2 一出光嘴：3 一涂敷层：4 一运动方向：5 一工作台：6 - 试 样：7 - 粉末输送管 这种送粉方式是目前应用较广泛的一种方式，它的开发研制及应用都已经进 入了成熟阶段。 2 同轴送粉，其结构简图如图2 4 所示： 其中1 一粉粒束2 一工件3 一工作台4 一熔覆层5 一光束6 一喷嘴 1 2 浙江工业大学硕士论文 这种送粉装置克服了单侧送粉的缺点，能够将粉末均匀分散成环型再汇聚后 送入聚焦的激光光束中，在生产中可以象使用一支金属笔那样灵活的使用，达到 特殊的加工效果。同时，具有快速成形制造技术所要求的各向同性的功能。这种 送粉方式由于其具有的优越性及它的特殊用途己经得到了入们的高度重视，国内 外已经相继开展了这方面的研究，如英国利物浦大学的s t e e n 教授，美国、德国 等国的一些公司在这方面的研究都有报道。 2 3 。2 丝输送设备系统 丝输送设备系统主要包括： 1 丝输送设备主要部分是输送机，当填充金属丝有一定硬度时可以用小电机 直接驱动丝盘，通过导管送到激光加工区内，但是所采用的填充金属丝较 软时就要采用机械把丝盘中拉出送入导管，最后送到激光加工区。图表 示采用送辊把丝从丝盘中拉出送到激光加工区。 2 丝料存储和供给的最简单的方式是采用手动换盘的丝盘，每个丝盘可以缠 上一定质量的丝，卡装在丝盘架上，加工中丝盘用完后手动换盘。如果辅 助丝输送系统也要全自动化，可以设计自动换盘机，但是系统的设计和安 装就复杂了。 3 丝输送的控制系统按柔性激光加工系统的指令控制丝输送机的启动、停止 和输送速度。当盘丝送完后自动停止，并发信号给柔性激光加工系统的数 控系统。在新的丝盘安装后在发信号给柔性激光加工系统的数控系统。 4 安装条件，丝输送系统自身安装在一个底盘架上，这个底盘安装在固定位 置，送到加工区的丝头与激光束同步对工件实现相对运动。 相关辅助送丝输送系统的控制原理框图，由柔性激光加工系统的数控系统输 出的指令控制输送系统的控制器，通过控制器实现对送丝机运动的控制。设置在 激光加工区的传感器监视送丝状态，并反馈信息给控制器和数控系统，数控系统 根据情况调整指令传给控制器。 2 4 堆焊工艺与控制 堆焊是一个复杂的工艺过程，决定激光堆焊层质量的因素很多口5 2 6 。7 强冽，但 在实际堆焊过程中，可调参数并不多，这是因为基体材料和堆焊材料是根据工况 浙江工业大学硕士论文 条件并考虑其工艺特点而确定的。激光器一旦选定，相应的光学条件就确定了。 因为对激光堆焊过程中产生重要影响因素是激光堆焊工艺参数。研究表明，引人 比能( p d v ；) ( p 激光功率，d 光斑直径或宽度，v ，扫描速度) ，功率密度( p s ) ( s 光斑面积) 、线能量( p v ，) 、绝对送丝率( v ，v 。) ( v ，送丝速率) 、熔覆率、 作用时间( d v 。) ，单位质量堆焊材料比能和单位时间实际输入比能等综合考察 工艺参数对堆焊层质量的影响是非常有意义的。 2 4 1 激光送丝堆焊工艺参数描述 1 ) 熔覆率( 熔覆量、熔覆速率) 是指单位时间里堆焊在工件上的合金； 2 ) 母材稀释率，是指工件熔化后混入堆焊层对堆焊合金的稀释程度即： 稀释率= 萼襻 3 ) 成形性，是指堆焊层成形尺寸是否符合设计要求及其表面平整状态。 舢堆焊层的利用率，指堆焊层经机加工后达到成品尺寸。成品尺寸中堆焊 层的利用率。要提高焊层的利用率，则应合理设计堆焊层的成形尺寸及 提高工艺水平。 2 4 2 主要工艺参数及其预选 1 ) 保护气流量保护气体包括氨气、氮气等，它主要保护熔池不被氧化， 有时也起着搅拌熔池的作用。 2 ) 激光吸收率激光是堆焊的能量来源，其光能基本转化为热能，用以加 热工件，形成熔池，熔化粉末( 或焊丝) 。激光能量的变化影响熔深、稀 释率、熔覆率和焊丝( 或粉末) 的利用率。激光束的能量受到工件大小、 材料、预热温度、焊丝的种类、堆焊速度的制约。 3 1 堆焊速度堆焊时实际的熔覆效率，受到堆焊焊丝种类、激光束的能量 和焊丝直径的影响。 4 ) 送丝( 送粉) 量单位时间内，从送丝机( 或送粉机) 送出的合金焊丝 ( 或粉末) 量。送丝( 粉) 量= 弭歪 鬈 1 4 浙江工业大学硕士论文 焊丝( 或合金粉末) 利用率决定于工件形状。 5 ) 能量密度单位面积上的能量即： e ：! a 激光送丝堆焊层质量 ( 厚度、稀释率、成分 结合状况、组织特征) 激光参数 材料特性 加工工艺 激光功率p 光束模式m 光斑直径d 光波波长z 基体导热性、熔点t ， 堆焊材料和基体的浸润性 堆焊材料基体固溶特性 堆焊材料对光束的吸收率口 扫描速度、 送丝速率v ， 焊丝直径d 送丝角度口 环境条件 篓萎- 萎冷条件 它是影响激光堆焊工艺的关联因素，因焊丝种类、工件的形状而定。 对于送丝激光堆焊过程，工艺参数大体可以分为以下几种情况： 1 ，高的扫描速度、高的送丝率( 较厚的覆层) 、低的激光功率、此时因激光 能量偏低，仅表面堆焊材料熔化，基体只局部熔化，堆焊层和基体结合不 劳，覆层容易剥落； 2 低的扫描速度、低的送丝速率( 较薄的覆层) 、高的激光功率。此时激光 能量过高，基体熔化过多，堆焊层稀释率增大，严重损害堆焊层材料的优 异性能。 3 合适的扫描速度、送丝速度和激光功率。此时因工艺参数之间匹配良好， 堆焊层质量优良，与基体结合牢固。 2 5 激光堆焊的模拟 2 5 1 温度场模拟技术 浙江工业大学硕士论文 激光堆焊过程的温度场和流场的数值模拟是深入了解和控制激光堆焊过程、涂 层质量的有效手段、在进行模拟之前，应建立相应的物理模型，如热流模型、传 热方式以及边界条件等。这方面的工作首先开始于焊接过程的数值模拟。 在模拟焊接过程的热流时，对热源的处理有两种方案：一种是将其作为内部热 源，另外就是作为边界条件而引入。对热源的分布模式，最初假设为点、线或面 热源。这种假设对于焊接区域温度低于l 5 t 时，所得结果较为精确；但是在热源 作用处，计算出的温度值为无穷大。p a v e l i c 等首先指出热源应为连续分布形 式作用于焊接构件上，并给出一呈高斯分布热源模型。g w k u r t z 1 和 e f r i e d m a n 1 按此分布形式计算出的温度分布结果更好。p a l e y 和h i b b e r t b “”的研 究表明，有必要提出“有效体热源”模型，在该模型中，热源包含了整个熔池， 且其能量密度为常数。j g o l g a k “1 等进一步提出了“双椭球形”模型，用这一 模型可以对复杂热源进行较好的近似处理。文献啪1 中用此模型对激光深熔焊进行 热流模拟。 在温度场模拟中，早期的研究不考虑凝固和固态相变时的潜热，这样固然可以 使模型大为简化，但是随着研究的深入，更精确的温度场模拟要求模型更多地反 映真实过程的影响因素。文献“中提出的模型中包含了相变( 凝固及固态相变) 过程中潜热对温度场的影响。在具体实施过程中，考虑到己有的商业化软件的限 制。有些研究者将潜热的影响通过对材料的热容的修正来实现嘲。凝固过程中潜 热的释放，则是通过计算不同相的体积分数来实现。考虑到夜态金属的对流对温 度场的影响，文献中通过对材料的热导率的修正来实现。c h a n 嘲等建立了对流传 热和表面张力驱动液流的二维瞬态模型。该模型用无量纲参数、数、表面张力数 和无量纲熔化温度导出了无量纲方程，讨论了这些参数的控制特征及其对熔池形 状冷却速度、流场和溶质分布的影响。 c c h e n 和m a z u m d e r 1 等研究了激光熔池中的对流的二维瞬态模型，在激光熔 池中只有由表面张力所驱动的对流是主要的，文中采用二维模型分析激光熔池中 对流换热及流体形态的瞬态问题，忽略了熔化潜热的影响，在每一时间差分步， 首先根据能量方程求出液固界面计算结果表明，在表面处流速高于激光扫描速 度的1 0 一1 0 0 倍，熔池出现对流环。在较低的p r 数下将存在两个反向对流环随着 p r a n d t ! 数的增大，熔池界面形状系数增加；材料表面张力系数增加，也将引起形 1 6 浙江工业大学硕士论文 状比增加，反向对流旋涡的形成将引起深熔透。 c l c h a n ，m m c b e n 和j h z u m d e r “”利用准稳态三维微扰模型研究了激光熔池 中由表面张力驱动的对流。将三维问题分解为两个二维问题来求解，并计算了熔 池形状系数、流场形态、温度场分布、凝固面上的温度梯度和溶质的重新分配。 b a b u ，s e p p e o 4 2 等考查了p r a n d t l 参数较小时的激光焊接熔池的流场和温度场的 二维模型，并计算了有限厚度板的温度分布和熔池中的速度场。认为熔池中的温 度场与流场耦合，熔池中的流场控制了其形貌。 2 5 2 应力场的数值模拟 熔覆层的残余应力分析是基于激光堆焊层的温度场、熔覆层的组织结构、熔 覆层材料的热物理性、高温和室温力学性能、基材的热物性和覆层的相变等多因 素的分析结果。其影响因素众多，而且极为复杂。 文献m 1 给出了计算熔覆层热应力计算公式： = d 衄础叫 式2 - l 考查后续退火工艺的影响，对上式进行修正，得到呻1 “。 = d 弘计衄，) 地刊 式2 - 2 从理论分析模型中发现，熔覆层的应力性质可以是拉应力液可以是压应力， 这取决于熔覆材料体系中热膨胀系数的相对大小。 由于激光熔覆过程的复杂性，过分简化了的力学模型无法准确预测熔覆层的 应力分布，从而使得控制熔覆层的质量和性能十分困难。随着计算机技术和手段 的迅速发展，激光熔覆过程的数值模拟成为可能，并越来越重要。 以温度场的数值模拟技术为基础，开展的应力场数值模拟技术，在开始阶段， 由于应力模拟涉及的问题较复杂，针对实际工件开展的过程应力数值模拟研究进 展缓慢。随着计算机技术和模拟技术的飞速发展，对于复杂的激光焊接应力变化、 残余应力分布以及热裂的数值模拟的研究取得了一定的进展。 在微观应力分析方面，应考虑材料组织对应力的分布形态的影响。李中华”1 的计算模型是建立在金属的真实金相组织基础上，考查了组织形态对微观应力分 布形式和材料力学性能的影响。该模型比较直观，但是其计算结果的可靠性受到 所选计算区域的组织的代表性的制约，很难得到保证文献m 1 州中系统研究了材 1 7 浙江工业大学硕士论文 料微观结构的物理模型及其数学描述。要建立类似的力学模型，需要对熔覆组织 作定量研究，并提取其特征参数，如各相的体积分数、形貌、强化颗粒和晶粒度 的大小分布及其数学期望值等。 2 5 3 数值计算方法的研究 温度场数值模拟中常用的方法包括有限差分法f d m ( f i n i t ed i f f e r e n c e m e 血o d ) 、有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、直接差分法d f d m ( d i r e c tf i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ) 和边界元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 。 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。 现在己广泛应用于求解连续体力学、熟传导、电磁场、流体力学等领域。有限差 分法的缺点是网格形状固定，在曲面离散时会有阶梯现象，有限单元法则克服了 这一缺点，单元划分更灵活，对曲面可以实现很好的拟合，但其离散算性复杂， 对硬件要求高，限制了应用的广度。 直接差分法是日本的大中逸雄等于7 0 年代提出的，它从有限差分推导而来， 严格讲仍属于有限差分法，但其单元更灵活，物理意义更加明确。 边界元祛只需将求解域的边界划分成单元，使求解维数降低，输入数据减少， 计算时间缩短，但其应用尚不普遍。 2 5 4 数理模型 激光堆焊过程都要经历液态、固液两项共存区和固态三个阶段，材料热物性 能和力学性能的变化很大，而且在某一时刻，激光堆焊区可能出现三个区域共存 的情况，因此激光堆焊凝固过程应力场模拟涉及的应力应变本构关系非常复杂。 如果堆焊层处于液态区域，温度的变化不会造成热应力，因此凝固的过程应力场 模拟主要考虑固液两相区和固相区，又由于凝固过程中固液两相区和固相区的力 学行为差别很大，所以