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激光熔覆金屬表面修復(fù)技術(shù)介紹與特點及與激光熔覆的優(yōu)缺點
來源:
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作者:輝銳集團
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發(fā)布時間: 2021-06-02
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激光熔覆金屬表面修復(fù)技術(shù)介紹與特點
激光熔覆修復(fù)技術(shù)，是利用激光高功率密度光束，由激光加工系統(tǒng)在數(shù)控控制下，在基體表面指定部位形成一層很薄的微熔層，同時以預(yù)置或同步的方式添加特定成分的自熔合金粉，如鎳基、鈷基和鐵基合金等，使它們以熔融狀態(tài)均勻地鋪展在零件表層并達到預(yù)定厚度，與微熔的基體金屬材料形成良好的冶金結(jié)合，并且相互間只有很小的稀釋度，在隨后的快速凝固過程中，在零件表面形成與基體完全不同的，具有預(yù)定特殊性能的功能熔覆材料層，從而可以完全改變材料表面性能，可以使價廉的材料表面獲得極高的耐磨性、耐蝕、耐高溫等性能。該工藝可以修復(fù)材料表面的孔洞和裂紋，可以恢復(fù)已磨損零件的幾何尺寸和性能。
激光熔覆（修復(fù)）的特點：
1.冷卻速度快（高達106℃/s），屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。
2.涂層稀釋率小于5%，與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合，獲得涂層成分和稀釋度可控的良好熔覆層；
3.采用高功率密度快速熔覆，熱輸入、熱影響區(qū)和畸變較小，可降低到零件的裝配公差內(nèi)。
4.粉末選擇幾乎沒有任何限制，可以在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；
5.熔覆層的厚度及硬度范圍大，可以熔覆厚度20毫米以內(nèi)，18-60HRC硬度范圍熔覆層 ；
7.工藝過程采用數(shù)控控制，光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔覆，自動化操作，方便、靈活，可控性強；
等離子熔覆與激光熔覆的優(yōu)缺點
一、激光熔覆特點
1. 技術(shù)特點
激光熔覆重要特點是熱量集中，加熱快冷卻快熱影響區(qū)小，特別對不同材質(zhì)之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點，也正是這一特殊的加熱和冷卻過程，在熔鑄區(qū)域產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)也不同于其它熔覆（噴焊·堆焊·普通焊接等）手段，甚至可以產(chǎn)生非晶態(tài)組織，特別是脈沖激光更為明顯。這就是所謂激光熔覆不變形無退火的原因。但我以為這只是從工件整體宏觀講，而當(dāng)你對熔覆層和熱影響區(qū)進行微觀分析時，你會看到另一種景象，這一點我將在后面講到。
2. 設(shè)備特點
激光熔覆目前國內(nèi)采用采用兩種機型；CO2激光器，YAG激光器。前者為連續(xù)輸出，熔覆用機一般在3KW以上；YAG激光為脈沖輸出，一般在600W左右。對于設(shè)備，一般使用者很難吃透，嚴重依賴生產(chǎn)方的服務(wù)，購買價格昂貴，維護成本、零部件價格很高，再加上設(shè)備穩(wěn)定性和耐受性與國外比較普遍都有差距。因此激光熔覆機一般用在特殊領(lǐng)域，普通工業(yè)制造、維修領(lǐng)域難有效益。
3. 工藝特點
3.1.前期處理：激光熔覆一般只需將工件打磨干凈，除油，除銹，去疲勞層等，比較簡單。
3.2.送粉：CO2激光器功率較大，一般用氬氣送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池，傾斜稍大粉末便不能正常送達，激光的使用范圍受到限制，特別是YAG激光器。
3.3.從熔池形成的狀態(tài)看：由于激光的控制精度高，輸出功率恒定，且沒有電弧接觸，所以熔池大小深度一致性好。
3.4.加熱快冷卻快：影響金屬相形成的均勻度，也對排氣浮渣不利，這也是造成激光熔覆形成氣孔，硬度不均的重要原因，特別是YAG激光傾向更嚴重。
3.5.材料選擇：由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料選擇限制較大，激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料，對碳化物，氧化物的熔覆更困難一些。
二、微束等離子熔覆特點
1. 技術(shù)特點：
微束等離子熔覆機所采用的等離子束，是一種電離弧，比弧焊機熱量更集中，所以加熱速度更快，為了獲得更集中的離子束，一般采用高壓縮比孔徑，小電流，以便控制基體溫度不致太高，避免引起退火變形。當(dāng)然這與YAG激光器加熱速度無法比擬。由于等離子弧為連續(xù)工作，造成機體冷卻相對較慢，形成的過渡區(qū)域比激光熔覆要深一些，這對硬面材料熔覆來說，應(yīng)力會釋放的好一些。
2.設(shè)備特點：
微束等離子熔覆設(shè)備是在直流焊機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其電源·噴槍·送粉器·擺動器等，技術(shù)門檻低，容易制造，可靠性好，維護使用簡單，耗電少，使用成本低，通用性好，生產(chǎn)成本低，適應(yīng)性好，便于規(guī)模化生產(chǎn)，效益顯著，對環(huán)境要求低，對材料適應(yīng)廣泛。隨著電氣技術(shù)的進步，我國的焊機技術(shù)水平已經(jīng)具備足夠的支持能力。另外設(shè)備體積小，重量小，焊槍可以手持把握，這使它使用起來更靈活方便，輔助工裝的造價便宜。
3. 工藝特點：
前期處理簡單：只需除銹去污去疲勞層即可。
第二送粉：采用氬氣送粉，送分精度要求低，可以有一定的傾斜度。這樣就允許手工操作，對于金屬修復(fù)比較適用。
第三微束等離子穩(wěn)定性好：微束等離子的穩(wěn)定性好，熔池的形成也易于控制，敷材與機體融合充分，區(qū)域過度較好。
第四加熱和冷卻速度低于激光：熔融狀態(tài)維持時間長，有利于金相組織均勻形成，排氣浮渣較好，在粉末噴出過程中就已經(jīng)加熱，且有氬氣和離子氣的保護，所以熔覆層均勻度更好，氣孔夾渣等缺陷更少。
第五材料選擇：等離子加熱方式對材料限制少，材料選擇更廣泛，對碳化物，氧化物的熔覆更容易一些。
激光熔覆修復(fù)技術(shù)，是利用激光高功率密度光束，由激光加工系統(tǒng)在數(shù)控控制下，在基體表面指定部位形成一層很薄的微熔層，同時以預(yù)置或同步的方式添加特定成分的自熔合金粉，如鎳基、鈷基和鐵基合金等，使它們以熔融狀態(tài)均勻地鋪展在零件表層并達到預(yù)定厚度，與微熔的基體金屬材料形成良好的冶金結(jié)合，并且相互間只有很小的稀釋度，在隨后的快速凝固過程中，在零件表面形成與基體完全不同的，具有預(yù)定特殊性能的功能熔覆材料層，從而可以完全改變材料表面性能，可以使價廉的材料表面獲得極高的耐磨性、耐蝕、耐高溫等性能。該工藝可以修復(fù)材料表面的孔洞和裂紋，可以恢復(fù)已磨損零件的幾何尺寸和性能。
激光熔覆（修復(fù)）的特點：
1.冷卻速度快（高達106℃/s），屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。
2.涂層稀釋率小于5%，與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合，獲得涂層成分和稀釋度可控的良好熔覆層；
3.采用高功率密度快速熔覆，熱輸入、熱影響區(qū)和畸變較小，可降低到零件的裝配公差內(nèi)。
4.粉末選擇幾乎沒有任何限制，可以在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；
5.熔覆層的厚度及硬度范圍大，可以熔覆厚度20毫米以內(nèi)，18-60HRC硬度范圍熔覆層 ；
7.工藝過程采用數(shù)控控制，光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔覆，自動化操作，方便、靈活，可控性強；
等離子熔覆與激光熔覆的優(yōu)缺點
一、激光熔覆特點
1. 技術(shù)特點
激光熔覆重要特點是熱量集中，加熱快冷卻快熱影響區(qū)小，特別對不同材質(zhì)之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點，也正是這一特殊的加熱和冷卻過程，在熔鑄區(qū)域產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)也不同于其它熔覆（噴焊·堆焊·普通焊接等）手段，甚至可以產(chǎn)生非晶態(tài)組織，特別是脈沖激光更為明顯。這就是所謂激光熔覆不變形無退火的原因。但我以為這只是從工件整體宏觀講，而當(dāng)你對熔覆層和熱影響區(qū)進行微觀分析時，你會看到另一種景象，這一點我將在后面講到。
2. 設(shè)備特點
激光熔覆目前國內(nèi)采用采用兩種機型；CO2激光器，YAG激光器。前者為連續(xù)輸出，熔覆用機一般在3KW以上；YAG激光為脈沖輸出，一般在600W左右。對于設(shè)備，一般使用者很難吃透，嚴重依賴生產(chǎn)方的服務(wù)，購買價格昂貴，維護成本、零部件價格很高，再加上設(shè)備穩(wěn)定性和耐受性與國外比較普遍都有差距。因此激光熔覆機一般用在特殊領(lǐng)域，普通工業(yè)制造、維修領(lǐng)域難有效益。
3. 工藝特點
3.1.前期處理：激光熔覆一般只需將工件打磨干凈，除油，除銹，去疲勞層等，比較簡單。
3.2.送粉：CO2激光器功率較大，一般用氬氣送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池，傾斜稍大粉末便不能正常送達，激光的使用范圍受到限制，特別是YAG激光器。
3.3.從熔池形成的狀態(tài)看：由于激光的控制精度高，輸出功率恒定，且沒有電弧接觸，所以熔池大小深度一致性好。
3.4.加熱快冷卻快：影響金屬相形成的均勻度，也對排氣浮渣不利，這也是造成激光熔覆形成氣孔，硬度不均的重要原因，特別是YAG激光傾向更嚴重。
3.5.材料選擇：由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料選擇限制較大，激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料，對碳化物，氧化物的熔覆更困難一些。
二、微束等離子熔覆特點
1. 技術(shù)特點：
微束等離子熔覆機所采用的等離子束，是一種電離弧，比弧焊機熱量更集中，所以加熱速度更快，為了獲得更集中的離子束，一般采用高壓縮比孔徑，小電流，以便控制基體溫度不致太高，避免引起退火變形。當(dāng)然這與YAG激光器加熱速度無法比擬。由于等離子弧為連續(xù)工作，造成機體冷卻相對較慢，形成的過渡區(qū)域比激光熔覆要深一些，這對硬面材料熔覆來說，應(yīng)力會釋放的好一些。
2.設(shè)備特點：
微束等離子熔覆設(shè)備是在直流焊機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其電源·噴槍·送粉器·擺動器等，技術(shù)門檻低，容易制造，可靠性好，維護使用簡單，耗電少，使用成本低，通用性好，生產(chǎn)成本低，適應(yīng)性好，便于規(guī)模化生產(chǎn)，效益顯著，對環(huán)境要求低，對材料適應(yīng)廣泛。隨著電氣技術(shù)的進步，我國的焊機技術(shù)水平已經(jīng)具備足夠的支持能力。另外設(shè)備體積小，重量小，焊槍可以手持把握，這使它使用起來更靈活方便，輔助工裝的造價便宜。
3. 工藝特點：
前期處理簡單：只需除銹去污去疲勞層即可。
第二送粉：采用氬氣送粉，送分精度要求低，可以有一定的傾斜度。這樣就允許手工操作，對于金屬修復(fù)比較適用。
第三微束等離子穩(wěn)定性好：微束等離子的穩(wěn)定性好，熔池的形成也易于控制，敷材與機體融合充分，區(qū)域過度較好。
第四加熱和冷卻速度低于激光：熔融狀態(tài)維持時間長，有利于金相組織均勻形成，排氣浮渣較好，在粉末噴出過程中就已經(jīng)加熱，且有氬氣和離子氣的保護，所以熔覆層均勻度更好，氣孔夾渣等缺陷更少。
第五材料選擇：等離子加熱方式對材料限制少，材料選擇更廣泛，對碳化物，氧化物的熔覆更容易一些。
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