一种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光熔覆再制造领域，特别是一种带有预热和热处理的复杂零件分段 激光熔覆再制造方法。
【背景技术】
[0002] 相比于传统的减材加工，激光熔覆是一种增材制造方法，是再制造领域的主要修 复技术之一，激光熔覆热输入量很小，因此基体变形小，基体对熔覆层的稀释率小而且可以 控制，激光熔覆层与基体冶金结合性能好。因此被广泛的应用于航空航天、医学等领域。
[0003] 再制造技术是指以损伤零件作为毛坯，采用专有技术和工艺对损伤零件进行加 工，使之形状、性能恢复或超过原本水平。以裂纹损伤为例，零件损伤存在不易发现、不规则 等特点，给激光熔覆修复带来一定困难。
[0004] 激光熔覆是一个快速升温冷却的过程，熔池体积小、温度梯度大、热应力大等特点 使得熔覆层残余应力很大极易产生裂纹等缺陷。对基体进行预热和热处理是一种控制熔覆 层应力的好办法，用低功率激光束作为预热和热处理热源是一种可行的方法，但不同的预 热和热处理激光功率、预热的提前时间和热处理滞后时间都会对残余应力产生影响。
[0005] 周圣丰、戴晓琴公开了 CN201110352257.X-种具有预热与后热功能且高效的三光 束激光熔覆无裂纹涂层的方法，通过激光分束镜将激光一分为二分别用作预热和热处理， 可以实现简单零件的激光熔覆。然而三束激光始终在一平面，其熔覆路径只能是直线，而零 件裂纹形状复杂，而且长度很短，激光束轨迹必须与裂纹形状时刻相匹配，此方法并不适 用。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题本发明提供了一种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再 制造方法，利用简单的激光熔覆装置实现再制造激光熔覆的预热和热处理，有效减缓了熔 覆层裂纹的产生。
[0007] 本发明的技术方案：
[0008] -种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再制造方法，包括以下步骤： [0009]步骤一:在单道单层激光熔覆的基础上，结合激光熔覆轨迹形状和工件复杂程度 通过试错和经验确定激光熔覆参数，包括激光熔覆功率、送粉量和扫描速度。
[0010]步骤二:根据步骤一所确定的激光熔覆参数，确定熔覆层显微组织随预热激光功 率的变化曲线和熔覆层显微组织随热处理激光功率的变化曲线;根据熔覆层显微组织随预 热激光功率和热处理激光功率的变化曲线选择显微硬度高且晶粒小的预热激光功率和热 处理激光功率；
[0011]再根据工件残余应力随预热提前时间变化曲线和工件残余应力随热处理滞后时 间变化曲线，选择残余应力小的激光预热提前时间和热处理滞后时间，预热提前时间和热 处理滞后时间选择相同，且激光预热的扫描速度和热处理的扫描速度相同。
[0012] 步骤三:根据步骤二所确定的预热提前时间和热处理滞后时间确定每次激光熔覆 路径长度并对工件进行分段激光熔覆，其中分段长度S计算方法如下：
[0013]
[0014] 其中：T为提前滞后时间，V是激光熔覆速度，VC是激光头回程速度；
[0015] 激光头回零后停留时间Ts的计算方法为：
[0016]
[0017] 本发明的有益效果:在单道单层激光熔覆的基础上，结合激光熔覆轨迹形状和工 件复杂程度通过试错法确定激光熔覆参数，包括激光熔覆功率、送粉量和扫描速度。根据选 择的激光熔覆参数以及加工后零件表面应力的要求选择预热处理和后处理的激光功率并 确定激光预热的提前时间和热处理滞后时间。根据激光预热的提前时间和热处理滞后时间 确定每次激光熔覆路径长度，并对零件进行分段激光熔覆。相比于普通激光熔覆，预热和热 处理可以增加基体的温度，延长熔池冷却时间，是一种控制熔覆层应力，防止裂纹产生的好 办法。相比于一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法。预热、 热处理激光是逐次施加在修复零件上，因此对于熔覆轨迹的形状没有要求，可以较好的应 用在复杂零件再制造领域。
【附图说明】
[0018] 附图1是复杂零件分段激光熔覆再制造方法示例图。
[0019] 图中：1工件裂纹的前半段;2工件裂纹的后半段;3激光头；
[0020] 4被修复工件。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，本分段激光熔覆再制造方法 具体过程如下：
[0022]步骤一:在单道单层激光熔覆的基础上，结合激光熔覆轨迹形状和工件复杂程度 通过实验试错和经验确定激光熔覆参数，包括激光熔覆功率、送粉量和扫描速度。
[0023]激光熔覆基体材料和熔覆材料分别是AISI321和AISI316L奥氏体不锈钢， AISI316L奥氏体不锈钢具有以下特点：在凝固过程中不涉及马氏体的转变，因此残余应力 的产生原因中可以排除马氏体转变，此外AISI316L奥氏体不锈钢焊接性能好，熔覆不易产 生裂纹。激光熔覆参数通过实验试错和经验借鉴来确定，本发明采用的激光器为Nd:YAG激 光器，光斑尺寸为5mm。本领域相关学者做了大量的激光恪覆实验，发现在光斑尺寸5mm的条 件下，Nd:YAG激光器用作普通激光熔覆激光功率一般可取为1000W左右，熔覆速度5mm/s左 右，送粉量可以为6g/min左右，结合实验发现激光熔覆功率为846W时熔覆层显微组织晶粒 细，硬度较高，最终确定激光熔覆功率为846W，熔覆速度V = 300mm/min，送粉量根据送粉机 选择为7.2g/min。修复轨迹形状为一小段圆弧，其半径为40mm，修复轨迹总长度为31.42mm， 如附图。
[0024]步骤二:根据步骤一所确定的激光熔覆参数，根据熔覆层显微组织随预热和热处 理激光功率的变化曲线选择显微硬度高，晶粒小的预热和热处理激光功率；
[0025]再根据工件残余应力随预热提前/热处理滞后时间变化曲线，选择残余应力小的 激光预热提前时间和热处理滞后时间，预热提前时间和热处理滞后时间可以选择相同，且 激光预热的扫描速度和热处理的扫描速度相同。
[0026]根据激光熔覆参数考虑预热和热处理激光功率，提前/滞后时间。激光预热和热处 理可以减小熔覆层的拉应力，但是拉应力和预热提前时间和热处理后置时间的变化而变 化，应考虑零件残余应力和随提前/滞后时间变化曲线。零件残余拉应力随预热提前时间的 增大呈现先增大后减小的趋势，通过实验分析，对于本实验中的熔覆材料拉应力极值出现 在提前时间为2.5秒左右区域。零件残余拉应力随热处理滞后时间的增加呈先减小后增大 的趋势，通过实验分析，对于本实验中的熔覆材料拉应力极值出现在滞后时间为3秒左右区 域。综合考虑选择合理的激光预热提前时间和热处理滞后时间范围大约为2.5-4秒，且激 光预热提前时间和热处理滞后时间相同，综合考虑选择合理的激光预热提前时间和热处理 滞后时间选择T = 3s。预热和后处理激光功率选择应适当合理，大功率会导致材料的熔化或 重熔影响材料性能，小功率不能起到预热和热处理的作用，综合考虑功率大约为300W。。 [0027]步骤三:根据步骤二所确定的预热提前时间和热处理滞后时间确定每次激光熔覆 路径长度并对工件进行分段激光熔覆，其中分段长度S计算方法如下：
[0028]
[0029] 其中：T为提前滞后时间，V是激光熔覆速度，VC是激光头回程速度；
[0030] 激光头回零后停留时间Ts的计算方法为：
[0031]
[0032]通过步骤二的预热和热处理激光功率确定本过程中的各种参数。其中这一阶段主 要经历的过程包括首先调整激光功率为预热功率，进行预热;其次激光头位置回零，调整激 光功率为熔覆功率，停滞Ts后进行激光熔覆;最后激光头位置回零，调整激光功率为热处理 功率，停滞Ts后进行热处理。确定，V=300mm/min，Vc = 3000mm/min。根据式
[0033]
[0034] 计算可得S < 13.64mm。修复路径总长度为31.42mm，选择每一分段S相等且S = 31.42/3 = 10.47mm，根据式
[0035]
[0036] 计算可得Ts = 0.63s。与普通再制造激光熔覆得到的熔覆层相比，此方法所得熔覆 层拉应力减小，并且可以加工复杂曲线路径。
[0037] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再制造方法，其特征在于，步骤如 下： 步骤一:在单道单层激光熔覆的基础上，结合激光熔覆轨迹形状和工件复杂程度确定 激光熔覆参数，包括激光熔覆功率、送粉量和扫描速度； 步骤二:根据步骤一所确定的激光熔覆参数，确定熔覆层显微组织随预热激光功率的 变化曲线和熔覆层显微组织随热处理激光功率的变化曲线;根据熔覆层显微组织随预热激 光功率和热处理激光功率的变化曲线选择显微硬度高且晶粒小的预热激光功率和热处理 激光功率； 再根据工件残余应力随预热提前时间变化曲线和工件残余应力随热处理滞后时间变 化曲线，选择残余应力小的激光预热提前时间和热处理滞后时间，预热提前时间和热处理 滞后时间选择相同，且激光预热的扫描速度和热处理的扫描速度相同； 步骤三:根据步骤二所确定的预热提前时间和热处理滞后时间确定每次激光熔覆路径 长度并对工件进行分段激光熔覆，其由曾方法如下： 'r c 其中:T为提前滞后时间，V是激光熔覆速度，VC是激光头回程速度； 激光头回零后停留时间Ts的计算方法为：
【专利摘要】本发明属于激光熔覆再制造领域，提供了一种带有预热和热处理的复杂零件分段激光熔覆再制造方法。在单道单层激光熔覆实验基础上，结合激光熔覆轨迹形状和工件复杂程度确定激光熔覆参数。根据激光熔覆参数选择预热处理和后处理的激光功率，根据零件表面应力和表面硬度要求确定激光预热的提前时间和热处理滞后时间，根据提前、滞后时间确定每次激光熔覆路径长度，逐次对每一分段进行预热、激光熔覆和热处理。该方法相对于普通激光熔覆能够有效地减少激光熔覆裂纹的产生，相比于三光束预热和热处理激光熔覆，该方法能够加工曲线路径，适应性好。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN105624669
【申请号】CN201610144326
【发明人】徐海岩, 李涛, 王鑫林, 李海波, 张世新, 张洪潮
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月11日