CN109234662A

CN109234662A - 一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺

Info

Publication number: CN109234662A
Application number: CN201811427153.9A
Authority: CN
Inventors: 梁醒宁; 李晓君
Original assignee: Individual
Current assignee: Zhou Litao
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，能够在较高的加工速度下实现高速、高效、高质量涂层的制备；根据上述技术方案，在矩形光斑激光喷涂过程中，粉末颗粒在到达基体前能够被激光加热熔化并加速，撞击到被激光照射微熔的基体表面形成涂层；因此可以采用与光斑大小相匹配的(1～10kW)的激光器实现喷涂速度较快、喷涂宽度较宽的涂层制备，从而大幅度的提高了喷涂速度和喷涂效率。此外由于能量的精确可控，可以制备低至10～300微米厚度的涂层；而且基体稀释率极低(低于1％)，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能。由于涂层较薄，喷涂材料的利用率较高，可以节省喷涂费用；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。

Description

一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺

技术领域

本发明涉及激光增材制造、激光熔覆和激光热喷技术涂领域，特别涉及一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺。

背景技术

目前，在机械加工行业针对工件实现耐蚀、耐磨等需求，需要对工件进行特殊处理，常见的处理方式为：

1、堆焊技术：利用电弧或等离子弧，通过在工件表面上熔一层耐蚀或耐磨的材料来起到特殊应用的要求，这种涂层的突出特点为：涂层厚度较厚，一般为2～3mm，涂层结合强度较高，为冶金结合，但是局限为：热输入较大，变形量较大会造成涂层和工件的机械性能下降。

2、激光熔覆技术：利用激光，在工件表面上熔覆一层特殊需求的合金涂层，这种涂层的突出特点为：结合强度较高，为冶金结合，热输入较小，变形小，但是突出缺点为：熔覆速度较低一般最大为600mm/min，粉末浪费较大，熔覆效率较低，表面平整度较差。

3、热喷涂技术：利用电弧、火焰或等离子弧来实现粉末在工件表面的沉积，这种涂层的突出特点为成本较低，涂层厚度可以控制，但是缺点为：涂层和及基体间的结合力为机械结合，结合强度较低。

4、激光热喷涂：随着激光的发展，促使了热喷涂理论的发展，诞生了激光热喷涂这一工艺领域，该工艺的突出特点为涂层与基体之间的结合为冶金结合，结合强度较高，涂层厚度可以精确可控，热输入较小，基体变形较小；存在的缺点为：与热喷涂相比，加工速度较慢。

目前市场上使用的激光喷涂设备为圆形光斑配合相应的送粉喷嘴来实现加工的，由于是圆形光斑，因此会造成单道熔覆宽度较窄，加工效率低的问题。如果将光斑变为矩形光斑，然后配合相应的送粉喷嘴进行加工，与圆形光斑相比(一般直径小于5mm)，其单道喷涂宽带较宽,因而喷涂效率较高。激光矩形喷涂与激光矩形熔覆相比，激光矩形熔覆技术扫描速度较慢(一般低于300mm/min)，熔覆效率仍然较低，而激光矩形喷涂加工效率是普通矩形熔覆的2倍以上，涂层的结合强度较高，同样为冶金结合。

工业上常用的激光器类型为光纤激光器与半导体激光器两种，光纤激光器可以通过使用光学镜片获得一定尺寸规格的光斑形状，如矩形、方形或者圆形光斑等，这种镜片可以将光纤激光器的能量分布由高斯分布转化为平顶分布；对于半导体激光器而言，可以分为光纤耦合与直接输出两种，对于直接输出半导体激光器而言，可以通过激光器的内部光学结构来实现不同光斑的变化，激光光斑可以为矩形或其他形状，能量分布为均匀的平顶分布；对于光纤传输的半导体激光器而言，与光纤激光器相类似，可以在光纤输出端通过光学镜片获得一定尺寸规格的光斑形状。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种亚音速矩形光斑激光喷涂工艺，解决了普通矩形光斑激光熔覆效率低下的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其创新点在于：所述激光喷涂工艺包括以下步骤：

A、设备选择：根据工件的形状选择合适的激光喷涂设备；

B、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；

C、预处理：对基材待喷涂的表面进行粗加工；

D、检验：对基材粗加工后的表面状态进行检验，合格后在进入到下一步骤；

E、喷涂：通过激光喷涂设备对检验合格后的基材表面进行喷涂加工；

F、后处理：对喷涂后的基材表面进行精磨加工。

作为优选，所述步骤A中的粉末为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末。

作为优选，所述粉末采用惰性气体雾化制备而成。

作为优选，所述粉末粒度区间为10～300μm，球形度≥60％。

作为优选，所述步骤B中的激光喷涂设备的参数范围为激光功率为1～10kW，激光头扫描速度为1～60m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2～10mm/s，激光能量50％～90％用于熔化粉末，剩余用于熔化基材，可以使用正离焦也可以使用负离焦，加工面处的光斑尺寸为长度方向为3～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉头距离工件表面的距离为6～50mm，粉路汇聚点距离工件表面为0.5～15mm，粉斑尺寸为长度方向为2～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉量为10～1000g/min，涂层厚度为10～3000μm。

作为优选，所述步骤C中的预处理是通过车床或铣床对基材待喷涂的表面进行粗车或粗铣加工。

作为优选，所述步骤D中的检验是对基材粗加工后表面平面度、粗糙度以及有无开口性缺陷进行的检验。

作为优选，所述步骤F中的后处理是通过磨床对喷涂后的基材喷涂表面进行精磨加工。

作为优选，所述光斑为矩形或方形光斑，通过激光器直接输出或通过激光头进行整形后输出；所述送粉头为矩形送粉喷嘴。

本发明的有益效果：本发明创新性的开发了一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，该工艺能够在较高的加工速度下实现高速、高效、高质量涂层的制备；根据上述技术方案，在矩形光斑激光喷涂过程中，粉末颗粒在到达基体前能够被激光所加热熔化并加速，以较高的速度撞击到微熔的基体表面形成涂层；因此可以采用与光斑大小相匹配的(1～10kW)的激光器实现以较快的速度制备涂层，从而大幅度提高了喷涂效率，此外由于能量的精确可控，可以制备低至10～300微米厚度的涂层；而且基体稀释率极低(低于1％)，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为激光喷涂粉末与激光示意图。

1-基材；2-涂层；3-激光；4-粉路；5-送粉头进粉口。

具体实施方式

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，所述激光喷涂工艺包括以下步骤：

A、设备选择：根据工件的形状选择合适的激光喷涂设备；

B、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；

C、预处理：对基材待喷涂的表面进行粗加工；

F、后处理：对喷涂后的基材表面进行精磨加工。

其中，所述步骤A中的粉末为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末；所述粉末采用惰性气体雾化制备而成；所述粉末粒度区间为10～300μm，球形度≥60％。

其中，所述步骤B中所述激光喷涂设备的参数范围为激光功率为1～10kW，激光头扫描速度为1～60m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2～10mm/s，激光能量50％～90％用于熔化粉末，剩余用于熔化基材，可以使用正离焦也可以使用负离焦，加工面处的光斑尺寸为长度方向为3～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉头距离工件表面的距离为6～50mm，粉路汇聚点距离工件表面为0.5～15mm，粉斑尺寸为长度方向为2～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉量为10～1000g/min，涂层厚度为10～3000μm。

其中，所述步骤C中的预处理是通过车床或铣床对基材待喷涂的表面进行粗车或粗铣加工。

其中，所述步骤D中的检验是对基材粗加工后表面平面度、粗糙度以及有无开口性缺陷进行的检验。

其中，所述步骤F中的后处理是通过磨床对喷涂后的基材喷涂表面进行精磨加工。

其中，所述光斑为矩形或方形光斑，通过激光器直接输出或通过激光头进行整形后输出；所述送粉头为矩形送粉喷嘴。

本发明的使用状态为：

当通过本工艺制造汽车离合器片时，基体材质为Q235，粉末为316L；

设备：4kW半导体光纤耦合激光器，光纤芯径为600μm；6轴机器人加工系统；矩形光斑激光头(输出光斑尺寸为10×2mm)，送粉喷嘴(粉斑尺寸为10×2mm)，送粉器。

工艺流程：

1、将离合器片安装在铣床上进行粗铣处理；

2、对粗铣后的离合器片进行来料无损检验，看表面有无开口性缺陷；

3、将通过来料检验的离合器片安装在6轴机器人加工系统上，使用矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺对工件进行喷涂加工；激光器功率为4kW，扫描速度1500mm/min，送粉量为33g/min；

4、对喷涂完的工件进行精磨加工。

最终工件表面的涂层厚度为200μm,单道宽度为10mm，基体稀释率＜2％，涂层硬度为45HRC。

通过本工艺制造一种回转轴，基体材质为27SiMn，粉末为Fe55；

设备：4kW半导体光纤耦合激光器，光纤芯径为600μm；回转喷涂机床；矩形光斑激光头(输出光斑尺寸为10×2mm)，送粉喷嘴(粉斑尺寸为10×2mm)，送粉器。

工艺流程：

1、将回转轴安装在车床上进行粗车处理；

2、对粗车后的回转轴进行来料无损检验，看表面有无开口性缺陷；

3、将通过来料检验的回转轴安装在激光喷涂回转机床上，使用矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺对工件进行喷涂加工；激光器功率为4kW，扫描速度1700mm/min，送粉量为38g/min；

4、对喷涂完的工件进行精磨加工。

最终工件表面的涂层厚度为250μm,单道宽度为10mm，基体稀释率＜2％，涂层硬度为55.5HRC。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征和发明的优点，本行业的技术人员应该了解，发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明发明的原理，在不脱离发明精神和范围的前提下，发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述激光喷涂工艺流程包括以下步骤：

A、设备选择：根据工件的形状选择合适的激光喷涂设备；

B、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；

C、预处理：对基材待喷涂的表面进行粗加工；

F、后处理：对喷涂后的基材表面进行精磨加工。

2.根据权利要求1所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述步骤A中所述粉末为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末。

3.根据权利要求2所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述粉末采用惰性气体雾化制备而成。

4.根据权利要求2所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述粉末粒度区间为10～300μm，球形度≥60％。

5.根据权利要求1所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述步骤B中的激光喷涂设备的参数范围为激光功率为1～10kW，激光头扫描速度为1～60m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2～10mm/s，激光能量50％～90％用于熔化粉末，剩余用于熔化基材，可以使用正离焦也可以使用负离焦，加工面处的光斑尺寸为长度方向为3～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉头距离工件表面的距离为6～50mm，粉路汇聚点距离工件表面为0.5～15mm，粉斑尺寸为长度方向为2～50mm,宽度方向为1～20mm，送粉量为10～1000g/min，涂层厚度为10～3000μm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述步骤C中的预处理是通过车床或铣床对基材待喷涂的表面进行粗车或粗铣加工。

7.根据权利要求1所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述步骤D中的检验是对基材粗加工后表面平面度、粗糙度以及有无开口性缺陷进行的检验。

8.根据权利要求1所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述步骤F中的后处理是通过磨床对喷涂后的基材喷涂表面进行精磨加工。

9.根据权利要求5所述的一种适用于矩形光斑的亚音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述光斑为矩形或方形光斑，通过激光器直接输出或通过激光头进行整形后输出；所述送粉头为矩形送粉喷嘴。