一種有效減少激光熔覆裂紋的機(jī)械沖擊方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料的處理方法及裝置，特別是對激光熔覆材料處理的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆技術(shù)是一種當(dāng)今快速發(fā)展的表面加工技術(shù)，是材料加工新興技術(shù)。利用高能激光束，使金屬粉末和基材快速融化、快速冷卻，二者相互作用，最終得到常規(guī)方法很難獲得的高硬度和耐磨性極高的表面。但由于材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進(jìn)行的，容易在成型件中形成裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。激光熔覆中目前最難以解決的問題是熔覆層的裂紋問題，已嚴(yán)重影響到激光熔覆在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種能有效減少激光熔覆裂紋的機(jī)械沖擊裝置。本發(fā)明主要是運(yùn)用機(jī)械沖擊裝置對激光熔覆熔池產(chǎn)生機(jī)械振動和單道沖擊硬化，細(xì)化熔覆層晶粒并克服激光熔覆層殘余應(yīng)力的影響，從而獲得優(yōu)良表面的熔覆層，增加產(chǎn)品使用壽命。
[0004]本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]1、本發(fā)明的機(jī)械沖擊裝置
[0006]本發(fā)明的裝置主要包括:大功率半導(dǎo)體激光熔覆裝置、數(shù)控裝置和機(jī)械沖擊組件。其中，大功率半導(dǎo)體激光熔覆裝置和數(shù)控裝置與現(xiàn)有激光熔覆技術(shù)所采用的裝置相同，最好，大功率半導(dǎo)體激光熔覆裝置采用側(cè)向送粉裝置。機(jī)械沖擊組件主要包括:沖擊錘頭、彈簧、壓板、凸輪、減速器、伺服電機(jī)、沖擊顯示及控制系統(tǒng)、數(shù)控裝置及沖擊檢測裝置。在數(shù)控裝置的工作臺上設(shè)有與沖擊顯示及控制系統(tǒng)相連的伺服電機(jī)，其通過減速器與凸輪軸相連，該凸輪軸與凹槽式凸輪的中心通孔固連，該凹槽式凸輪為凸輪外周面設(shè)一個與凸輪外形為相似形且間距相等的圍板，凸輪的一個平面與圍板的一個端面同與一個平板連為一體。在該凸輪槽內(nèi)設(shè)有一根與凸輪軸平行的導(dǎo)桿，該導(dǎo)桿中部與沖擊錘頭桿一端垂直固連，該沖擊錘頭桿的另一端與錘頭相連，最好通過緊固件活動連接。該沖擊錘頭桿穿過固定套筒兩端同軸的通孔，沖擊錘頭桿兩端位于固定套筒外。位于固定套筒內(nèi)的沖擊錘頭桿上與凸輪相鄰一側(cè)套有彈簧，與錘頭相鄰一側(cè)設(shè)有彈簧座。該固定在活動支架上的套筒，通過調(diào)整套筒相對加工工件的位置來實(shí)現(xiàn)沖擊錘頭相對熔池距離的調(diào)節(jié)，上述沖擊顯示及控制系統(tǒng)為集成單片機(jī)系統(tǒng)，與其相連的還有沖擊檢測裝置，該沖擊檢測裝置設(shè)在固定工件的卡盤上。
[0007]2、本發(fā)明的機(jī)械沖擊方法
[0008]I)將所用熔覆自熔性合金合金粉末用三維混合攪拌器混合均勻后，烘干器烘干，加到送粉器中待用。
[0009]2)對基材表面進(jìn)行車削處理，將表面的疲勞層、孔洞、裂紋等車干凈，用丙酮或酒精將表面清洗，用數(shù)控床子的三爪卡盤將工件卡緊。
[0010]3)在工件已完成熔覆的單道上施加機(jī)械沖擊，向數(shù)控系統(tǒng)中輸入相關(guān)參數(shù)，其中軸表面線速度為100?500mm/min，搭接率為10%?70%，控制送粉器送粉速度10_150g/min，氣體流速l-201/min激光功率2?4kw，光斑直徑尺寸為2?8mm，開啟數(shù)控系統(tǒng)及送粉控制，觀察待熔覆粉末厚度，調(diào)節(jié)粉末控制器，將在軸面的待熔覆層粉末厚度保持在I?
2.5mm,開啟激光器，進(jìn)行激光熔覆。并且沖擊頻率為50?500hz、沖擊錘頭在工件外法線方向相對工件的距離L1* 2?50mm，非沖擊時沖擊錘頭在熔深方向相對熔覆單道的距離L 2為2?60mm.
[0011]本發(fā)明的工作過程大致如下:將處理過的工件裝夾固定好；然后，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定出工件轉(zhuǎn)速、激光功率、送粉速度、氣體流速、沖擊錘頭錘擊距離、錘擊頻率的大小和錘擊位置，使用送粉設(shè)備在激光前段進(jìn)行預(yù)置送粉，啟動沖擊錘頭對工件進(jìn)行錘擊，用半導(dǎo)體激光器結(jié)合數(shù)控工作臺實(shí)現(xiàn)對工件表面粉末的掃描，在工件表面形成粉末熔池，利用沖擊錘頭形成振動和沖擊力，沖擊檢測裝置將沖擊形成的振動頻率、振幅以及沖擊錘頭對熔覆單道的沖擊力的大小的信號傳送給沖擊顯示及控制系統(tǒng)，沖擊顯示及控制系統(tǒng)通過分析，將控制信號發(fā)送至伺服電機(jī)，伺服電機(jī)將運(yùn)動通過減速器最終傳遞給沖擊錘頭，實(shí)現(xiàn)對頻率、振幅及沖擊力大小的控制。機(jī)械沖擊弓I起的機(jī)械振動作用在材料成型用于動態(tài)晶粒細(xì)化，在逐漸凝固過程中，采用機(jī)械振動，能有效地縮小和消除柱狀晶區(qū)，細(xì)化等軸晶區(qū)組織，有效地減少熱裂紋，且沖擊可將熔覆層的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，能抑制熔覆層冷裂紋萌生和擴(kuò)展。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0013]1、本發(fā)明通過運(yùn)用數(shù)控工作臺和沖擊裝置的聯(lián)合應(yīng)用，可將沖擊裝置對熔覆單道產(chǎn)生的機(jī)械振動傳遞給熔覆熔池，可將熔池中初結(jié)晶的樹枝狀晶粒打碎，形成均勻分布的小晶粒，有效地縮小和消除柱狀晶區(qū)，細(xì)化等軸晶區(qū)組織，由液膜和強(qiáng)度理論可知，機(jī)械振動可細(xì)化晶粒，在晶粒間的未凝固液體大大減少，同時又有細(xì)晶強(qiáng)化作用，固相骨架的強(qiáng)度增大，從而減少甚至抑制熱裂紋的出現(xiàn)，增強(qiáng)熔池溶質(zhì)對流，使熔池氣泡較為充分的逸出，熔覆層致密。另外，機(jī)械沖擊錘頭對已熔覆單道有沖擊壓應(yīng)力，抵消冷卻過程周圍熔覆層對該熔覆單道的拉應(yīng)力，使在冷卻過程冷裂紋大幅減少甚至消失，同時減少組織中氣孔的數(shù)量。
[0014]2、本發(fā)明通過在大功率半導(dǎo)體激光熔覆過程弓I入機(jī)械沖擊，而其引起的機(jī)械振動和沖擊壓力則可獲得均勻而致密的熔覆層，可大幅減少甚至抑制熱裂紋和冷裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
[0015]3、本發(fā)明對激光修復(fù)、激光焊接、激光合金化等領(lǐng)域的熔覆組織裂紋數(shù)、氣孔的減少以及微觀組織質(zhì)量的提高有重要作用。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所用裝置示意簡圖；
[0017]圖2為本發(fā)明沖擊錘頭在工件外法線方向相對工件的距離L1示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明沖擊錘頭在熔深方向相對熔池的距離L2示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明伺服電機(jī)與凸輪部分立體示意簡圖；
[0020]圖5為本發(fā)明凸輪、彈簧與套筒部分立體示意簡圖；
[0021]圖6為實(shí)施例1施加機(jī)械沖擊所獲得的熔覆組織金相圖(400 X);
[0022]圖7為實(shí)施例1未施加機(jī)械沖擊所獲得的熔覆組織金相圖(400 X);
[0023]圖8為實(shí)施例1施加機(jī)械沖擊所獲得的熔覆組織金相圖(800 X);
[0024]圖9為實(shí)施例2施加機(jī)械沖擊所獲得的熔覆組織金相圖(800 X);
[0025]圖中:1.氬氣瓶，2.送粉噴嘴，3.激光束，4.激光器，5.熔覆單道，6.沖擊錘頭，7.彈簧，8.固定套筒，9.凹槽式凸輪，10.減速器，11.伺服電機(jī)，12.沖擊顯示及控制系統(tǒng)，13.普通數(shù)控裝置，14.沖擊檢測裝置，15.卡盤，16.側(cè)向送粉式大功率半導(dǎo)體激光熔覆裝置，17.導(dǎo)桿，18.沖擊錘頭桿，19.彈簧座，20.工件。
【具體實(shí)施方式】
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