一种激光增材毛化方法与流程

本发明涉及材料表面加工技术领域的表面毛化技术，更具体地涉及到一种激光增材毛化技术。

背景技术：

粗糙表面的钢板在冲压时可以储存润滑油，理想的钢板表面形貌应是由一个个封闭的独立“小油槽”组成，其可以保证在钢板与模具界面间保持着油润滑状态，同时产生一定的液体静压作用，可以减小摩擦。而钢板表面的粗糙度从轧辊的转印而来，因此，理想的轧辊表面形貌应当是由一个个独立的小凸台组成。

常见的轧辊毛化技术包括抛(喷)丸毛化、电火花毛化、激光毛化、电子束毛化、镀铬毛化等方式。除镀铬毛化外，传统的毛化技术均是去材制造，即在轧辊表面“挖坑”，难以形成独立的小凸台。

另一方面，为延长轧辊使用周期，通常会对毛化后的轧辊进行镀铬处理(镀铬毛化将毛化、镀铬合为一体)，以增强其耐磨性。但镀铬技术属于电化学工艺，对环保不利，随着环保法规的逐步加强，镀铬技术的使用也将面临着越来越多的限制，甚至会有被禁止的风险。

为此，开发一种环保的新型轧辊毛化技术来替代传统毛化技术十分必要。该技术不但能在轧辊表面形成一个个独立的小凸台，还能有效提高轧辊表面形貌的耐磨性。

中国专利cn101804509b公开了一种轧辊表面的激光毛化工艺，通过在轧辊表面喷涂一层铁基合金微粉与陶瓷相混合的硅溶胶浆料，在激光脉冲的作用下，在轧辊表面形成毛化凸台。其缺点是需要预喷涂，且需要对毛化结束后未熔合的残留微粉进行清洗，毛化质量受喷涂均匀性影响较大。

中国专利cn101117712a公开了一种轧辊表面激光毛化与微合金化复合加工方法，通过预先喷涂的微合金粉末增强激光吸收效率，并且与基 体材料发生合金化，形成强度较高的毛化点。其缺点同样是需要预喷涂和后清洗环节。

虽然目前已有部分专家学者在该方向上做出了一些努力，但目前为止，相比于传统毛化技术，尚无显著优势，工序较多且毛化质量不稳定，因此未能在实际生产中得到应用。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为解决传统轧辊毛化技术中毛化形貌不理想与轧辊粗糙度衰减过快的问题，提出了一种新型的、环保的激光增材毛化技术，它通过激光熔化沉积粉料的方式在基体材料表面上形成一系列均匀密布的熔合点，实现基体材料的表面毛化，同时毛化点具有比基体材料更高的强硬度。有效的改善了基体材料的表面形貌结构，增强了基体材料的耐磨性和粗糙度保持性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光增材毛化方法，其包括如下步骤：

s1：将粉料输送至基体材料的表面上；

s2：在粉料的输送点上用激光对粉料进行照射，使粉料与基体熔合，形成凸起的熔合点，移动粉料输送点和激光照射点，在基体的表面上形成一系列熔合点，实现基体表面的毛化效果。

即：粉料输送至基体表面的a位置后，打开激光，照射在a位置上，使粉料与基体熔合，在a位置上形成一个凸起的熔合点，然后关闭激光，将粉料输送至基体表面的b位置后，移动激光照射点至b位置，打开激光，照射在b位置上，在b位置上形成一个凸起的熔合点，然后再关闭激光，将粉料输送点和激光照射点同时移动至下一个位置，继续进行照射操作，最终在基体的表面形成一系列熔合点，整个过程中，控制粉料的输送点与激光照射点一直重合。

作为优选方案，所述基体为轧机工作辊、平整机工作辊或精整机工作辊。

作为优选方案，所述粉料为可在激光作用下与基体材料相熔合的微粉， 且所述微粉在与基体材料熔合后的硬度或强度均高于基体材料的硬度或强度。

作为优选方案，步骤s2中，通过激光的能量、照射时间和粉料输送速度控制熔合点的尺寸。

作为优选方案，所述熔合点的形状为半椭球形。

作为优选方案，所述熔合点的直径为20～150μm，高度为0～20μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

通过激光熔化沉积粉料的方式在基体材料表面上形成一系列均匀密布的熔合点，实现基体材料的表面毛化，同时毛化点具有比基体材料更高的强硬度。有效的改善了基体材料的表面形貌结构，增强了基体材料的耐磨性和粗糙度保持性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的激光增材毛化方法流程图；

图2为本发明中实施例1激光增材毛化原理示意图；

图3为本发明中毛化凸台形成过程的示意图；

图4为本发明中实施例2激光增材毛化原理示意图；

图中：1、粉料，2、送粉喷嘴，3、脉冲激光，4、激光头，5、毛化凸台，501、已经凝固的毛化凸台，502、熔融的毛化凸台，6、基体材料，7、束流气体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见附图1，本发明一种激光增材毛化方法主要包括以下步骤：

s1，使用粉料输送装置，将粉料输送到基体材料表面上。

其中，粉料输送装置是指可以将粉料输送到指定位置的装置，如实施例1中的同轴式送粉头和实施例2中的旁轴式送粉头，均使用压缩气体载送。

其中，粉料是指可在激光作用下与基体材料相熔合的微粉，且熔合后的强度或硬度高于基体材料，其构成包括但不限于硬质合金粉末(如cr、ni、co等)、微陶瓷颗粒(如tic、wc等)或以上材料的混合物，其粒度直径一般小于10μm。

s2，打开激光，并照射在输送到基体材料表面上的粉料，使其与基体材料熔合，形成一个凸起的熔合点。

其中，激光是经聚焦后的激光，可快速的进行开关控制或为脉冲式激光源，可被粉料及基体材料良好吸收，其焦点光斑直径一般在20～200μm之间，激光的能量应尽量使材料发生熔化且避免汽化为宜。

其中，熔合点是由熔化的粉料和基体材料相互熔合后凝固而成，粉料与基体材料之间为冶金结合，其形状一般呈半椭球形，直径在20～150μm之间，高度在0～20μm之间。

其中，未与基体材料熔合的粉料将会在激光镜头保护气、送粉气或专门设置的侧吹气等气流的吹扫下离开基体材料表面并被回收利用，不会残留在基体材料表面。

s3，关闭激光，并移动激光照射点与粉末输送点和基体材料的相对位置。

其中，激光照射点与粉末输送点均落在基体材料表面上，两个位置点是重合且同步移动的。

其中，相对位置可以通过平移或旋转基体材料来改变，也可以通过平移或旋转激光照射点与粉料输送点来改变，还可以通过两者的同时运动来改变。

s4，根据目标表面形貌需求，反复执行步骤s2与步骤s3，并适当调整步骤s2中每个熔合点的尺寸，控制步骤s3中的熔合点在基体材料上的分布位置与密度。

其中，熔合点尺寸可通过调整激光能量大小、照射时间、粉料输送速度等工艺参数来调整。分布位置与密度可通过控制每个熔合点在基体材料上的相对位置与单位面积内的熔合点个数来控制。

在连续进行的毛化过程中，步骤s2可以是脉冲式激光，步骤s3的相对位置可以是连续变化的，通过脉冲频率、占空比与相对运动速度之间的相互匹配，可以实现系列熔合点的连续生成。

s5，在基体材料表面上形成一系列的熔合点，使基体材料达到所需的表面毛化效果。

其中，所需的表面毛化效果通常是指具有指定的粗糙度、峰值数的表面形貌。

下面通过2个实施例来对本发明方法做进一步说明：

实施例1

参见附图2，所选择的粉料1为wc、co复合粉末，质量分数比例为9：1，粒径约为0.1～0.3μm。激光头4与送粉喷嘴2为同轴式结构，粉料1通过辅助氮气输送至激光头4，再从激光头4周围的锥形喷嘴喷射而出，并在激光焦点处聚拢，最小汇聚直径约为100μm，粉料的喷射速度约为15m/s，喷射量约为2.5g/min。激光器的功率为200w，脉冲频率为22khz，聚焦后光斑直径约为80μm。基体材料6为普通cr5锻造辊。激光聚焦透镜的焦距为250mm，其聚焦后焦点和粉料汇聚点一致。轧辊安装在机床上做旋转运动，转速为250rpm，激光头安装在机床刀架上，沿轧辊轴线方向运动，速度为25mm/min，通过控制脉冲激光3的通断，可以在轧辊表面依次经过熔融的毛化凸台502和已经凝固的毛化凸台501两个过程形成一个个独立的毛化凸台5，参见附图3。

为保持粉料的集中，粉料1在送粉喷嘴2中运行时，粉料1的周围可施加束流气流7。

经测量，该参数下所得到的毛化凸台5直径在100～150μm之间，毛化凸台5的高度在4～6μm之间，毛化后的轧辊表面粗糙度约为1.76μm，毛化点的硬度约为hv980，未毛化区域辊面硬度约为hv320。

实施例2

参见附图4，所选择的粉料为wc、cr、fe混合粉末，质量分数比例为6：3：1，粒径约为0.2～2μm。激光头与送粉喷嘴为旁轴结构，粉料最小汇聚直径为80μm，其它参数和实施例一致。

经测量，该参数下所得到的毛化凸台直径在80～120μm之间，毛化凸台的高度在5～8μm之间，毛化后的轧辊表面粗糙度约为2.01μm，毛化点的硬度约为hv920，未毛化区域辊面硬度约为hv320。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。