激光表面堆焊技術(shù)—徐昀華

1、現(xiàn)代表面技術(shù)作業(yè) 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 焊接1301班 姓 名： 徐昀華 學(xué) 號： 130200308 任課教師： 張春華 完成日期： 2016.11.5 激光表面堆焊技術(shù)應(yīng)用及展望摘要 激光堆焊可以獲得高性能（如耐磨性、耐腐蝕性能、抗氧化性能、熱障性能、抗氣蝕和沖蝕磨損等）的合金堆焊層而在工業(yè)應(yīng)用上展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。激光堆焊在材料的表面處理方面近十來年倍受關(guān)注，主要是在于激光堆焊層與基體的結(jié)合為冶金結(jié)合，組織極細(xì)，覆層成分及稀釋率可控，覆層厚度大，熱變形小，易實現(xiàn)選區(qū)堆焊，工藝過程易實現(xiàn)自動化。激光堆焊技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)易損件修復(fù)、關(guān)鍵部件的強化等方面應(yīng)用上取得了一定的成

2、果。本文就激光堆焊的基本原理、分類、堆焊材料、工藝特點、工業(yè)應(yīng)用幾個方面做了詳細(xì)介紹，并就該技術(shù)應(yīng)用存在問題、質(zhì)量控制途徑、今后發(fā)展趨勢做了分析預(yù)測，為研究開發(fā)以及工業(yè)應(yīng)用推廣提供參考。關(guān)鍵詞：激光堆焊發(fā)展趨勢 應(yīng)用 質(zhì)量控制1. 引言1堆焊是在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蝕等特殊性能的金屬層的一種工藝方法。通過堆焊可以修復(fù)外形不合格的金屬零部件及產(chǎn)品，或制造雙金屬零部件。采用堆焊可以延長零部件的使用壽命，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計，尤其對合理使用材料（特別是貴重金屬）具有重要意義。因此，堆焊作為一種經(jīng)濟(jì)有效的表面改性方法是現(xiàn)代材料加工與制造業(yè)不可缺少的工藝手段。為了最大限度地發(fā)揮堆焊技術(shù)的優(yōu)

3、越性，優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率堆焊工藝歷來是國內(nèi)外堆焊技術(shù)的重要研究方向。 各國從20世紀(jì)50、60年代就開始發(fā)展各種各樣的堆焊方法，基本上每種熔焊方法都可用于堆焊。而傳統(tǒng)的電弧粉末堆焊技術(shù)由于受電弧吹力的影響難以同時達(dá)到高效和低稀釋率的目標(biāo)。為了提高堆焊效率必然導(dǎo)致熱輸入的增加，基材的熔深增大，堆焊層性能下降。近年來，基于等離子弧等高能密度熱源的粉末堆焊技術(shù)研究在國外十分活躍。等離子弧堆焊可以獲得較低的稀釋率（510），但是其堆焊效率也是各種堆焊方法中較低的。 以激光堆焊為代表的高能束堆焊技術(shù)的特點是可以實現(xiàn)熱輸入的準(zhǔn)確控制，涂層厚度大、熱畸變小、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優(yōu)越

4、的堆焊層，是一種新的激光表面處理技術(shù)，因而成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，近十幾年來得到了迅速發(fā)展。其能源利用率很高，可達(dá)30以上?；牡募訜岵皇芙饘僬魵獾挠绊懀鄯蠼饘倮鋮s速度快，熔敷層的耐磨性往往成十倍地提高。但激光設(shè)備一次性投資昂貴，運行費用高。因此，國內(nèi)外對低成本、高效率的激光堆焊技術(shù)的研究開發(fā)十分重視。2. 激光堆焊原理、工藝及分類 2152.1. 基本原理與特點堆焊是在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蝕等特殊性能的金屬層的一種工藝方法。通過堆焊可以修復(fù)外形不合格的金屬零部件及產(chǎn)品，或制造雙金屬零部件。激光堆焊技術(shù)的特點是：可以實現(xiàn)熱輸入的準(zhǔn)確控制，焊接速度高，冷卻速度快,熱畸變小,厚度、

5、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層，可以節(jié)省高性能的材料，同時，可以實現(xiàn)在普通材料上覆蓋高性能(耐磨、耐高溫、耐蝕等)堆焊層，而且激光加工為無接觸加工，無加工慣性，且焊接工藝參數(shù)一經(jīng)確定，焊接質(zhì)量易于保證，焊接可靠性高，故易于實現(xiàn)自動化，符合現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，在經(jīng)濟(jì)上和覆層質(zhì)量上也優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝。因而成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，近十幾年來得到了迅速發(fā)展。2.2. 激光堆焊材料 堆焊材料的成分對使用性能起著決定的作用，為了適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，人們研究出了多種成分、多種形態(tài)的堆焊材料。堆焊材料按其成分分為鐵基、鈷基、鎳基、銅基合金和碳化物等幾大類型。堆焊材料按形態(tài)

6、來分可以分為絲狀、板狀、片狀、和粉末狀等幾大類型。鐵基合金是應(yīng)用最廣泛的一種堆焊合金。這不僅是因為其價格低廉，經(jīng)濟(jì)性好，而更是因為經(jīng)過成分、組織調(diào)整，鐵基合金可以在很大范圍內(nèi)改變堆焊層的強度、硬度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性。鈷基合金本身具有耐蝕性，耐熱性以及抗粘著磨粒磨損等性能。但鈷基合金價格昂貴。在一般情況下，除非萬不得已，就優(yōu)先選用鐵基或鎳基合金。由于鈷基合金的耐蝕、耐熱、耐磨性，在高溫腐蝕、高溫磨損等條件下可以考慮用鈷基合金。如高溫高壓閥門、熱剪機(jī)刀刃、燃汽輪機(jī)渦輪葉片等場合。鎳基合金中最常見的是Ni-Cr-B-Si系和Ni-Cr-Mo-W系，此外還有Ni-Cr-Mo-C、

7、Ni-Mo-Fe和Ni-Cr-W-Si等系。它們共同的特點是較低的應(yīng)力磨粒磨損能力，優(yōu)良的耐磨蝕、耐熱和抗高溫氧化性能。3. 激光堆焊工藝與焊層質(zhì)量3.1. 焊層質(zhì)量指標(biāo)研究和應(yīng)用堆焊技術(shù)時需關(guān)注以下幾個問題，這也是綜合評價堆焊技術(shù)選擇是否得當(dāng)，堆焊工藝是否正確以及堆焊質(zhì)量是否符合工況要求的重要指標(biāo)。（1）稀釋率是堆焊金屬被稀釋的程度，常用基材的熔化面積占整個熔池面積的百分比來表示。堆焊層及熔合區(qū)的成分和性能都受到稀釋的重要影響。在堆焊方法和設(shè)備已經(jīng)選定的情況下，應(yīng)從堆焊材料成分上補償稀釋率的影響，并嚴(yán)格工藝參數(shù)來控制稀釋率。一般認(rèn)為其稀釋率就小于10%，最好在5%左右，以保證焊層的性能。（2

8、）熔合區(qū)的成份、組織與性能堆焊金屬和基體熱影響區(qū)之間存在一個熔合區(qū)，其化學(xué)成分介于基材和堆焊層之間，性能也不同于基材。而且當(dāng)工作在高溫環(huán)境下長期工作或堆焊后熱處理時，元素的遷移還會使熔合區(qū)的成份和性能發(fā)生變化。熔合區(qū)的成分與性能通常會選擇堆焊材料和選擇正確的堆焊工藝來控制，必要時可能在工作層堆焊前先在基體上堆焊隔離層。（3）熱循環(huán)的影響堆焊層的化學(xué)成分除了受到基體的稀釋影響外，由于堆焊往往是多焊道或多層焊，后續(xù)焊道使先期的焊道反復(fù)多次加熱。另外，由于堆焊工藝的需要，有進(jìn)還需對工件進(jìn)行預(yù)熱、層間保溫或焊后緩冷等措施，在這種復(fù)雜的熱循環(huán)下，堆焊層和熔合區(qū)的成分組織以及內(nèi)應(yīng)力變得很不均勻。（4）熱應(yīng)

9、力堆焊應(yīng)用的成功與否有時取決于內(nèi)應(yīng)力的大小 和載荷應(yīng)力的類型(剪切、拉伸或壓縮應(yīng)力)。堆焊件的殘余應(yīng)力將加大或減小服役載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，因而加大或減小堆焊層開裂的傾向。減少殘余應(yīng)力，除對堆焊工藝采取必要的預(yù)熱、緩冷措施外，還可從減少的堆焊金屬與基體的線膨脹系數(shù)差、增設(shè)過渡層及改進(jìn)堆焊金屬的塑性來控制。3.2. 焊層主要缺陷及原因激光堆焊層常見缺陷主要是裂紋、氣孔、夾渣等。激光堆焊層缺陷主要以裂紋的形式出現(xiàn)，激光熔覆層的開裂主要與激光系統(tǒng)參數(shù)、工藝處理條件、 覆層材料、基體狀況四個方面有關(guān)。產(chǎn)生裂紋主要是激光加工加熱冷卻速度快，熔池壽命短，熔池中存在的氧化物硫化物及其他雜質(zhì)來不及釋放出來。它們存在

10、熔敷層中很容易成為裂紋源。另外，熔敷層瞬間凝固結(jié)晶，晶界位錯、空位增多，相變應(yīng)力大，原子排列極不規(guī)則，凝固缺陷增多，同時熱脆性增大，塑性韌性下降，開裂敏感性也就增大?？偟膩碚f結(jié)晶裂紋和高溫低塑性裂紋形成。這些熱裂紋產(chǎn)生的充分條件是熱應(yīng)力的作用。裂紋產(chǎn)生的方向通常同掃描方向垂直。夾渣主要是因為掃描速度過快導(dǎo)致熔池保持液態(tài)時間過短，液態(tài)合金和熔渣來不及分離造成的,夾渣形成的原因是未用保護(hù)氣體、試樣表面未清潔干凈造成的.。在顯微鏡下觀察，我們發(fā)現(xiàn)隨著功率增大夾渣減少；隨著掃描速度增大，裂紋增多。氣孔主要原因是由于熔池冷卻快，氣體在熔池中來不及逸出。4. 激光堆焊應(yīng)用4.1. 零件的修復(fù)這是目前我國激

11、光堆焊技術(shù)主要應(yīng)用形式。在生產(chǎn)實踐中，零件經(jīng)常由于磨損而造成失效，例如軋輥、石油鉆桿和鉆頭。以及采掘機(jī)的零件等，這些零件的修復(fù)技術(shù)多采用堆焊工藝。據(jù)資料介紹，堆焊金屬總量的72.2 用于零件的修復(fù)工作。由于修復(fù)的費用比制造新產(chǎn)品時低的多，并且零件的使用壽命也比新產(chǎn)品要長，所以在零件修復(fù)工作中廣泛采用堆焊工藝。例如，采用堆焊工藝修復(fù)軋輥的費用是制造新軋輥的30 ，而軋制金屬量提高35倍。此外，采用堆焊工藝修復(fù)零件還具有節(jié)約金屬、充分發(fā)揮堆焊層金屬的性能、克服配件供應(yīng)困難等許多優(yōu)點。因此，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。4.2. 零件的制造由于表面工程技術(shù)的發(fā)展，近年來國內(nèi)外部非常重視改善零件表面性

12、能以滿足工作條件的要求。例如，、采用堆焊工藝制造雙層金屬的新零件，就是將零件的基體與表面堆焊層選用具有不同性能的材料制造，使這樣制造出來的零件符合工作條件的技術(shù)要求。由于只是工件表面層具有合乎要求的耐磨、耐蝕等方面的特殊性能，所以充分發(fā)揮了材料的作用與工作潛力。這不僅節(jié)約了大量的貴重金屬，而且提高了零件的使用壽命。5. 激光堆焊發(fā)展趨勢17185.1. 大量應(yīng)用同步送粉法來進(jìn)行激光堆焊在我國，由于受送粉設(shè)備的限制，國內(nèi)主要采用預(yù)制粉末法來進(jìn)行激光堆焊。但生產(chǎn)率低，一次熔堆焊的焊層薄，多層堆焊的堆焊工藝復(fù)雜，易出現(xiàn)裂紋氣孔；而同步送粉法由于生產(chǎn)率高、易實現(xiàn)自動化控制，可顯著提高金屬陶瓷的抗開裂性

13、能，國外主要采用該方法。隨著送數(shù)設(shè)備的研制，必然向同步送粉的方向發(fā)展。5.2. 激光堆焊的智能化隨著計算機(jī)技術(shù)在材料工程中的廣泛應(yīng)用，使得激光堆焊智能化成為可能。激光堆焊過程控制的自動化，一直是在工業(yè)中追求的目標(biāo)，激光堆焊過程自動化發(fā)展的標(biāo)志是控制系統(tǒng)的智能化。智能化是柔性自動化的新發(fā)展和主要的組成部分，是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過模擬專家的智能活動，系統(tǒng)能監(jiān)測其運行的狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵時，能自動調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)，具備自組織能力是二十一世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)。出于激光具有獨特的性質(zhì)，當(dāng)激光傳輸?shù)侥繕?biāo)時，不會對環(huán)境產(chǎn)生各種干擾，除了電磁輻射外，這里沒有電場、磁場和聲音、

14、熱力應(yīng)力等，因此任何來自工藝的信號都能記錄工藝的正確與否，這為智能控制提供了前提條件。人們最感興趣的是激光堆焊過程中的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及開發(fā)激光堆焊專家系統(tǒng)。（1）激光堆焊過程中的模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制激光堆焊是一個多變量相互作用的過程，堆焊過程控制過程中，多個變量參數(shù)常常在一定范圍內(nèi)波動而又相互影戲，沒有絕對的定量界限，處于模糊的狀態(tài)，這類問題需用模糊數(shù)學(xué)來描述。未來的趨勢可以采用CCD攝影系統(tǒng)觀察熔池的表面幾何尺寸，用比PID-控制器更加精確更靈活的現(xiàn)場控制儀，采用模糊控制的方法，調(diào)節(jié)激光堆焊規(guī)范如激光功率、光斑直徑、掃描速度、送絲速度等，以求達(dá)到控制熔池深度的目的，進(jìn)而控制堆焊

15、過程的稀釋率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新型控制技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是采用并行技術(shù)，它適用于問題中參量排列組合非常復(fù)雜的情況，以尋找最佳答案。例如，可用于激光大面積搭接次序的排列；另一方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于模式識別，可對激光堆焊過程中熔池形狀、熱分布、堆焊層外觀尺寸及缺陷等模式識別。未來利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在堆焊層的光學(xué)檢測和自動跟蹤將是發(fā)展方向。（2）激光堆焊專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的系統(tǒng)，它應(yīng)用了人工智能技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。出于激光堆焊是一門多學(xué)科相互交叉的邊緣性技術(shù)，過

16、程非常復(fù)雜，堆焊產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)也是多種多樣，無論是生產(chǎn)工藝、操作和質(zhì)量控制都具有很大的經(jīng)驗性。因此，激光堆焊領(lǐng)域十分需要專家系統(tǒng)的開發(fā)，實時控制型系統(tǒng)是激光堆焊過程、智能控制不可缺少的主要部分。（3）焊接過程的仿真美國焊接學(xué)會在最近的一份報告中，將焊接過程仿真列入了“未來20年焊接技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力”名單中，并認(rèn)為焊接過程仿真是最優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)之一2001年，日本通產(chǎn)省招集日本國內(nèi)的主要焊接研究機(jī)構(gòu)，制定并開始實施一項為期五年的“焊接仿真國家工程”，并為此投資20億日元（約合1,700萬美元）。發(fā)展仿真技術(shù)一般需要實現(xiàn)三個目標(biāo)：一是建立一個能準(zhǔn)確預(yù)測熔滴過渡、熔池表面形態(tài)和固液邊界變化的完整數(shù)學(xué)

17、模型，二是預(yù)測接頭的微觀組織和力學(xué)性能，三是計算工件的變形。其中，建立數(shù)學(xué)模型是預(yù)測微觀組織和計算變形的基礎(chǔ)和前提?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】：1堆焊與表面工程專業(yè)委員會表面工程領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢20022徐濱士，劉世參等編著表面工程M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001761-843天津大學(xué)等編著工程焊接冶金學(xué)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199310409-4234徐濱士，劉世參等編著表面工程新技術(shù)M北京：國防工業(yè)出版社，20021178-2135關(guān)振中主編激光加工工藝手冊M北京：中國計量出版社19986236-3066錢苗根等編著現(xiàn)代表面技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20004120-1287曾曉雁，吳懿平主

18、編表面工程學(xué)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20014117-1218戚文軍 ，何艷兵等激光堆焊鎳基碳化鎢梯度焊層及耐磨機(jī)理分析J焊接學(xué)報，2002，(1)：57-609關(guān)振中主編激光加工工藝手冊M北京：中國計量出版社19986236-30610虞鋼，虞和濟(jì)著集成化智能激光加工工程M北京冶金工業(yè)出版社，2002183-8811周永強，李午申等表面工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用A焊接技術(shù)J，2001，(4)：5-712鄧琦林，胡德金等激光近形制造金屬零件實驗研究電加工與模具J，2001(1)：28-3013胡誠之，朱敏主編材料成型基礎(chǔ)M武漢：武漢理工大學(xué)出版社，20017135-13614 Xiaolei ,WuRapidly solidified nonequilibrium microstructure and phase transformation of laser-synthesized