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激光表面堆焊技术应用及展望2013-01-12 10:07:07 摘要 激光堆焊可以获得高性能（如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、抗气蚀和冲蚀磨损等）的合金堆焊层而在工业应用上展现了广阔的应用前景。激光堆焊在材料的表面处理方面近十来年倍受关注，主要是在于激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动化。激光堆焊技术已经在工业易损件修复、关键部件的强化等方面应用上取得了一定的成果。本文就激光堆焊的基本原理、分类、堆焊材料、工艺特点、工业应用几个方面做了详细介绍，并就该技术应用存在问题、质量控制途径、今后发展趋势做了分析预测，为研究开发以及工业应用推广提供参考。关键词：激光堆焊发展趋势 应用 质量控制 1. 引言1 堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件。采用堆焊可以延长零部件的使用寿命，降低成本，改进产品设计，尤其对合理使用材料（特别是贵重金属）具有重要意义。因此，堆焊作为一种经济有效的表面改性方法是现代材料加工与制造业不可缺少的工艺手段。为了最大限度地发挥堆焊技术的优越性，优质、高效、低稀释率堆焊工艺历来是国内外堆焊技术的重要研究方向。 各国从20世纪 50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法，基本上每种熔焊方法都可用于堆焊。而传统的电弧粉末堆焊技术由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（510），但是其堆焊效率也是各种堆焊方法中较低的。 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，涂层厚度大、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，是一种新的激光表面处理技术，因而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得到了迅速发展。其能源利用率很高，可达30以上。基材的加热不受金属蒸气的影响，熔敷金属冷却速度快，熔敷层的耐磨性往往成十倍地提高。但激光设备一次性投资昂贵，运行费用高。因此，国内外对低成本、高效率的激光堆焊技术的研究开发十分重视。2. 激光堆焊基本特点215 2.1. 基本原理与特点 激光堆焊技术的特点是：可以实现热输入的准确控制，焊接速度高，冷却速度快,热畸变小,厚度、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，可以节省高性能的材料，同时，可以实现在普通材料上覆盖高性能(耐磨、耐高温、耐蚀等)堆焊层，而且激光加工为无接触加工，无加工惯性，且焊接工艺参数一经确定，焊接质量易于保证，焊接可靠性高，故易于实现自动化，符合现代生产的发展趋势，在经济上和覆层质量上也优于传统的堆焊和热喷涂工艺。因而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得到了迅速发展。 2.2. 激光堆焊材料 堆焊材料的成分对使用性能起着决定的作用，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。 堆焊材料按其成分分为铁基、钴基、镍基、铜基合金和碳化物等几大类型。 堆焊材料按形态来分可以分为丝状、板状、片状、和粉末状等几大类型。 铁基合金是应用最广泛的一种堆焊合金。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。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，除非万不得已，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。镍基合金中最常见的是Ni-Cr-B-Si系和Ni-Cr-Mo-W系，此外还有Ni-Cr-Mo-C、Ni-Mo-Fe和Ni- Cr-W-Si等系。它们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。 2.3. 激光堆焊工艺与焊层质量 2.3.1. 焊层质量指标 研究和应用堆焊技术时需关注以下几个问题，这也是综合评价堆焊技术选择是否得当，堆焊工艺是否正确以及堆焊质量是否符合工况要求的重要指标。 （1）稀释率是堆焊金属被稀释的程度，常用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来表示。堆焊层及熔合区的成分和性能都受到稀释的重要影响。在堆焊方法和设备已经选定的情况下，应从堆焊材料成分上补偿稀释率的影响，并严格工艺参数来控制稀释率。一般认为其稀释率就小于10%，最好在5%左右，以保证焊层的性能。 （2）熔合区的成份、组织与性能堆焊金属和基体热影响区之间存在一个熔合区，其化学成分介于基材和堆焊层之间，性能也不同于基材。而且当工作在高温环境下长期工作或堆焊后热处理时，元素的迁移还会使熔合区的成份和性能发生变化。熔合区的成分与性能通常会选择堆焊材料和选择正确的堆焊工艺来控制，必要时可能在工作层堆焊前先在基体上堆焊隔离层。 （3）热循环的影响堆焊层的化学成分除了受到基体的稀释影响外，由于堆焊往往是多焊道或多层焊，后续焊道使先期的焊道反复多次加热。另外，由于堆焊工艺的需要，有进还需对工件进行预热、层间保温或焊后缓冷等措施，在这种复杂的热循环下，堆焊层和熔合区的成分组织以及内应力变得很不均匀。 （4）热应力堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小 和载荷应力的类型(剪切、拉伸或压缩应力)。堆焊件的残余应力将加大或减小服役载荷产生的应力，因而加大或减小堆焊层开裂的倾向。减少残余应力，除对堆焊工艺采取必要的预热、缓冷措施外，还可从减少的堆焊金属与基体的线膨胀系数差、增设过渡层及改进堆焊金属的塑性来控制。 2.3.2. 焊层主要缺陷及原因 激光堆焊层常见缺陷主要是裂纹、气孔、夹渣等。激光堆焊层缺陷主要以裂纹的形式出现，激光熔覆层的开裂主要与激光系统参数、工艺处理条件、 覆层材料、基体状况四个方面有关。产生裂纹主要是激光加工加热冷却速度快，熔池寿命短，熔池中存在的氧化物硫化物及其他杂质来不及释放出来。它们存在熔敷层中很容易成为裂纹源。另外，熔敷层瞬间凝固结晶，晶界位错、空位增多，相变应力大，原子排列极不规则，凝固缺陷增多，同时热脆性增大，塑性韧性下降，开裂敏感性也就增大。总的来说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。裂纹产生的方向通常同扫描方向垂直。夹渣主要是因为扫描速度过快导致熔池保持液态时间过短，液态合金和熔渣来不及分离造成的,夹渣形成的原因是未用保护气体、试样表面未清洁干净造成的.。在显微镜下观察，我们发现随着功率增大夹渣减少；随着扫描速度增大，裂纹增多。气孔主要原因是由于熔池冷却快，气体在熔池中来不及逸出。3. 激光堆焊应用 3.1. 零件的修复 这是目前我国激光堆焊技术主要应用形式。在生产实践中，零件经常由于磨损而造成失效，例如轧辊、石油钻杆和钻头。以及采掘机的零件等，这些零件的修复技术多采用堆焊工艺。据资料介绍，堆焊金属总量的72.2 用于零件的修复工作。由于修复的费用比制造新产品时低的多，并且零件的使用寿命也比新产品要长，所以在零件修复工作中广泛采用堆焊工艺。例如，采用堆焊工艺修复轧辊的费用是制造新轧辊的30 ，而轧制金属量提高35倍。此外，采用堆焊工艺修复零件还具有节约金属、充分发挥堆焊层金属的性能、克服配件供应困难等许多优点。因此，其经济效益和社会效益十分显著。 3.2. 零件的制造 由于表面工程技术的发展，近年来国内外部非常重视改善零件表面性能以满足工作条件的要求。例如，、采用堆焊工艺制造双层金属的新零件，就是将零件的基体与表面堆焊层选用具有不同性能的材料制造，使这样制造出来的零件符合工作条件的技术要求。由于只是工件表面层具有合乎要求的耐磨、耐蚀等方面的特殊性能，所以充分发挥了材料的作用与工作潜力。这不仅节约了大量的贵重金属，而且提高了零件的使用寿命。4. 激光堆焊存在的问题及解决 4.1. 激光处理基础理论的研究 激光加热是一个远远偏离平衡态的过程，对于其加热过程、冷却的相变动力学，界面行为还有覆层的强化、失效机理等，人们目前还不甚了解，进一步完善激光理论是获得理想表面性能的必要前提。我国在此方面做了许多工作，如上海工程技术大学研究了硼铸铁的激光热处理，指出其耐磨性提高的原因在于硬化层的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭；昆明理工大学对稳态温度场的计算公式进行快速傅立叶变换，省去了积分运算，使计算速度大为提高。 4.2. 合金化堆焊材料的研究 利用激光的快速加热和冷却可以在非平衡态的情况下制出不受常规相图限制的新合金乃至性能优异的非晶体，而现在的激光熔覆材料大部分是沿用热喷涂材料，不能充分发挥激光处理的特性。国内外的学者虽对此做了很多工作，但尚未形成系列化和标准化，如何设计合理的合金成分已成为扩大激光表面处理的当务之急。 4.3. 建立适当的数学模型 激光和材料的交互作用是一个非常复杂的过程，建模尚处于试验和近似阶段，建立正确反映激光和材料交互作用及基体的热传导模型，对于实施现场控制，制定工艺参数都很有帮助。 4.4. 微裂纹产生机理的研究 激光堆焊程中容易产生微裂纹，研究堆焊层产生残余应力和裂纹的机理，寻找出有效的解决方法，确保工艺实施的稳定性。5. 激光堆焊发展趋势1718 5.1. 大量应用同步送粉法来进行激光堆焊 在我国，由于受送粉设备的限制，国内主要采用预制粉末法来进行激光堆焊。但生产率低，一次熔堆焊的焊层薄，多层堆焊的堆焊工艺复杂，易出现裂纹气孔；而同步送粉法由于生产率高、易实现自动化控制，可显著提高金属陶瓷的抗开裂性能，国外主要采用该方法。随着送数设备的研制，必然向同步送粉的方向发展。 5.2. 激光堆焊的智能化 随着计算机技术在材料工程中的广泛应用，使得激光堆焊智能化成为可能。激光堆焊过程控制的自动化，一直是在工业中追求的目标，激光堆焊过程自动化发展的标志是控制系统的智能化。智能化是柔性自动化的新发展和主要的组成部分，是将人工智能融入制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动，系统能监测其运行的状态，在受到外界或内部激励时，能自动调节其参数，以达到最佳状态，具备自组织能力是二十一世纪的先进制造技术。出于激光具有独特的性质，当激光传输到目标时，不会对环境产生各种干扰，除了电磁辐射外，这里没有电场、磁场和声音、热力应力等，因此任何来自工艺的信号都能记录工艺的正确与否，这为智能控制提供了前提条件。人们最感兴趣的是激光堆焊过程中的模糊控制、神经网络控制，以及开发激光堆焊专家系统。 （1）激光堆焊过程中的模糊控制及神经网络控制激光堆焊是一个多变量相互作用的过程，堆焊过程控制过程中，多个变量参数常常在一定范围内波动而又相互影戏，没有绝对的定量界限，处于模糊的状态，这类问题需用模糊数学来描述。未来的趋势可以采用CCD摄影系统观察熔池的表面几何尺寸，用比PID-控制器更加精确更灵活的现场控制仪，采用模糊控制的方法，调节激光堆焊规范如激光功率、光斑直径、扫描速度、送丝速度等，以求达到控制熔池深度的目的，进而控制堆焊过程的稀释率。 神经网络是一种新型控制技术，神经网络控制技术是采用并行技术，它适用于问题中参量排列组合非常复杂的情况，以寻找最佳答案。例如，可用于激光大面积搭接次序的排列；另一方面，神经网络用于模式识别，可对激光堆焊过程中熔池形状、热分布、堆焊层外观尺寸及缺陷等模式识别。未来利用神经网络在堆焊层的光学检测和自动跟踪将是发展方向。 （2）激光堆焊专家系统专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的系统，它应用了人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。出于激光堆焊是一门多学科相互交叉的边缘性技术，过程非常复杂，堆焊产品和结构也是多种多样，无论是生产工艺、操作和质量控制都具有很大的经验性。因此，激光堆焊领域十分需要专家系统的开发，实时控制型系统是激光堆焊过程、智能控制不可缺少的主要部分。 （3）焊接过程的仿真美国焊接学会在最近的一份报告中，将焊接过程仿真列入了“未来 20年焊接技术发展的关键驱动力”名单中，并认为焊接过程仿真是最优先发展的技术之一2001年，日本通产省招集日本国内的主要焊接研究机构，制定并开始实施一项为期五年的“焊接仿真国家工程”，并为此投资20亿日元（约合1,700万美元）。发展仿真技术一般需要实现三个目标：一是建立一个能准确预测熔滴过渡、熔池表面形态和固液边界变化的完整数学模型，二是预测接头的微观组织和力学性能，三是计算工件的变形。其中，建立数学模型是预测微观组织和计算变形的基础和前提。 5.3. 束流复合 最主要的是激光电弧复合。复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。 激光电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及GMA。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。 GMA成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。Laser-GMA的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的