送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件及其影响因素_刘喜明

送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件及其影响因素_刘喜明

第26卷　第5期　1999年5月

中　国　激　光

CHINESEJOURNALOFLASERS

Vol.A26,No.5

May,1999

送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的

必要条件及其影响因素

刘喜明

(吉林工学院材料工程系　长春130012)

关振中

(中国科学院长春光机所　长春130012)

提要　在分析自动送粉式激光熔覆过程中熔覆材料颗粒加入方式及其在激光束中的行为的基础上,建立热平衡方程,推导出反映熔覆过程实际情况的参数:熔覆材料颗粒尺寸、在激光束中运动距离、加热温度、激光功率密度之间的相互关系式等。指出在自动送粉式激光熔覆中能够获得最佳熔覆层的必要条件是:熔覆材料颗粒进入激光束后直到其落到基体材料表面之前,必须始终在激光束中。激光束沿着扫描方向必须有足够的宽度是满足上述条件的关键,同时提出其计算方法及公式,并阐明获得最佳熔覆层的工艺参数之间的匹配原则。关键词　自动送粉,激光熔覆,最佳熔覆层

1　引　言

　　送粉式激光熔覆在很多方面需要研究和探索,尤其是理论上的研究尚很少,很多问题不清楚,如目前还不能精确获得所需要的熔覆层的成份、形状、厚度、稀释率等;各工艺参数之间的相互联系、制约关系等方面尚未建立起较准确实用的定量依据,而这些方面的研究对按需获得激光熔覆层而言是极其重要的[1～7]。为了解决这些问题,我们进行了大量的试验研究,在以前曾经提出并讨论了关于送粉式激光熔覆的熔覆层厚度、激光热有效利用率、稀释率(真实稀释率、名义稀释率)、送粉率(有效送粉率、实际送粉率)及其与激光熔覆工艺参数:激光功率、光斑直径、扫描速度之间的关系,并对所提出的有关参数进行实验检测(包括提出对激光热有效利用率、真实稀释率、透光率等的检测方法)的基础上,进行了进一步的试验研究,取得了比较满意的结果。在研究熔覆层成型过程中发现:熔覆层的成型性、组织、性能、基体与熔覆材料的界面形态受熔覆材料成份、颗粒度、颗粒在激光束中的停留时间、颗粒在激光束中的运动方式、激光束的能量密度、扫描速度等因素的影响很大,关于对组织、性能的影响以后将另有报道,本文仅对这些因素对熔覆层的成型性进行分析研究。

2　熔覆材料颗粒在激光束中的行为

　　熔覆材料颗粒进入激光束的方式有两种:一体式自送粉激光熔覆和两体式自送粉激光熔覆,由于送粉方式的差别使其在激光束中的运动情况不同。对一体式送粉激光熔覆而言,熔覆

　　收稿日期∶1997-11-19;收到修改稿日期∶1998-02-09

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5期刘喜明等:送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件及其影响因素

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材料粉颗粒从喷嘴喷出进入激光束,颗粒流出方向与激光走向有较小的夹角,因此,颗粒在激光束中的运动可以认为是斜下抛运动,或近似看作是竖直下抛运动。对两体式自动送粉激光熔覆而言,熔覆材料粉颗粒从喷嘴喷出进入激光束,颗粒流出方向与激光走向有较大的夹角,因此,

颗粒在激光束中的运动可以认为是平抛运动。

图1一体式自送粉激光熔覆装置示意图Fig.1Schematicdiagramshowingtheintegratedtype

automaticfeedinglasercladding

device

图2实验装置示意图

Fig.2Schematicdiagramoftheexperimentaldevice

3　熔覆材料颗粒加热过程的热平衡计算

　　激光加热的最显著特点是能量密度极大、加热速度极快。因此,熔覆材料颗粒在激光束中的热交换可以认为是绝热过程,即认为颗粒在撞击基体表面之前只是吸收激光热,而不会将热量传递给其他颗粒,颗粒向外辐射及传导热量只是在其与基体相接以后才能进行。为说明问题方便,首先对有关的一些参数及单位进行设定:

激光功率P:kW;功率密度Pm:kW/cm2;激光束直径d:mm;扫描速度Vg:mm/s;熔覆材料颗粒对激光的吸收率 ;熔覆材料颗粒半径r:mm;熔覆材料密度 :g/mm;熔覆材料比热C(t):J/g ℃;熔覆材料颗粒在激光束中的运动速度Vk:mm/s;熔化潜热 Hr:J/g;送粉率Vf:g/s;熔覆材料颗粒在激光束中的运动距离L:mm;重力加速度g=9.8m/s;激光束沿运动方向的宽度B:mm;熔覆材料颗粒在激光束中停留时间t:s。3.1　熔覆材料颗粒在激光束中的停留时间

熔覆材料颗粒在激光束中的停留时间决定了颗粒的加热温度,根据熔覆材料颗粒进入激光束的方式不同停留时间有所差异。在不考虑风压、光压的情况下:

两体式自动送粉时根据物体平抛运动推得

t=

-g [

g-1]

(1)

23

　　一体式自动送粉时根据物体斜下抛运动推得

t=g

(2)

式中 为熔覆材料颗粒流向与激光束轴向之间的夹角。3.2　熔覆材料颗粒在激光束中的热平衡计算

根据前面设定条件,以进入激光束的任意半径为r颗粒为例进行热平衡计算。3.

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中　　　国　　　激　　　光26卷

在不考虑风压、光压的情况下,两体式自动送粉时

Hf=Pm r t=Pm r

　　一体式自动送粉时

Hf=Pm r2 t=Pm r2

3.2.2　熔覆材料颗粒在激光束中吸热

3

Hx=3 r [C(t) T+ Hr]

将式(3),(5)在考虑熔覆材料对激光吸收率的基础上建立热平衡方程当 Hf= Hx时,有

Pm r2 从上式中解得

-gg

同样将式(4),(5)在考虑熔覆材料对激光吸收率的基础上建立热平衡方程解得

r=

Pm

r= (

4r3.3　式(7),(8)的实际意义

式(7),(8)反应了熔覆材料颗粒尺寸、物理性能、进入激光束的方式、在激光束中行走的距离、激光功率密度、熔覆材料加热温度之间的相互关系。当激光功率密度、熔覆材料化学成份、加入方式、在激光中行走距离设定以后,关系式反应了熔覆材料颗粒尺寸与被加热温度之间的匹配关系,即随着颗粒尺寸的增大被加热的温度降低,这个关系式对实际生产中控制激光熔覆过程是十分重要的。一般地,在满足能实现熔覆冶金过程的前提下,应尽可能使熔覆材料加热到较低的温度,这样可以减小熔覆开裂、变形倾向,减轻熔覆材料的蒸发及烧损。根据冶金学原理,为保证熔化的熔覆材料具有良好的润湿性、流动性,获得最佳的冶金状态,需控制熔化材料在熔点Tm+(30～50)℃。对激光熔覆而言,由于其加热冷却速度极快,为减少熔覆冶金缺陷,可将温度提高到Tm+(50～80)℃或更高些。显然,在这种情况下,要求熔覆材料尺寸必须在一定的范围内才行,太大会出现熔化不均、不足;太小会出现蒸发、烧损严重现象。3.4　实现上述关系式控制的必要条件

关系式是建立在熔覆过程中,熔覆材料颗粒落到基体表面之前始终在激光束中被加热的条件基础之上的。为满足这个条件,激光束沿着扫描方向必须有足够的宽度。根据送粉器喷嘴与激光束的相对位置关系可以有下列几种情况:

(1)一体式自动送粉:由于熔覆材料粉的流向与激光束成较小角度,呈斜下抛运动,熔覆材料粉到达基体表面需时间很短,送粉器喷嘴如能保证进入激光束的熔覆材料粉在激光束的前半部(如图1所示),喷嘴口设在扫描方向上激光束的前侧,且喷嘴口大小不超过该位置的激光束直径。这样如果照射到基体表面的光斑直径满足如下关系式,将会获得良好的熔覆效果。

一体式自动送粉光斑直径为

-1)

g

m

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