專利名稱：一種分布式激光點(diǎn)狀合金化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過激光對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理的方法，特別涉及利用激光對(duì)金屬表面合金強(qiáng)化技術(shù)，屬于激光加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過激光對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理，以提高表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞性能，已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。例如，激光表面淬火可以使灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的耐磨性提高3～7倍。激光沖擊硬化可以大大改善某些零件的抗疲勞性能。
常規(guī)的激光表面處理技術(shù)包括激光相變硬化(也叫激光淬火)、激光熔凝、激光合金化等。它們都是以激光束為熱源，使金屬表面被加熱到一定溫度(發(fā)生固體相變，或熔化)，當(dāng)激光束移走或停止作用后，由于金屬基體的熱傳導(dǎo)作用，激光作用區(qū)域(或熔池)快速冷卻，從而得到過飽和固溶體、介穩(wěn)相，甚至得到非晶，達(dá)到改善表面耐磨性、耐腐蝕性的目的。如果在激光作用的同時(shí)送入特定配比的合金粉末，或是在材料表面預(yù)涂一層特定配比的合金粉末，通過激光的快速加熱及隨后的快速冷卻作用，將形成與基體材料成分不同的、性能優(yōu)于基體的合金化區(qū)域。
采用以上技術(shù)對(duì)材料表面作改性處理時(shí)，面臨的主要問題之一是激光束的光斑較小，為了大面積覆蓋表面，必須以連續(xù)掃描搭接的方式進(jìn)行處理，而在搭接區(qū)極易形成回火軟化和微裂紋，當(dāng)多道搭接時(shí)，一方面形成軟硬帶，即回火軟化區(qū)和激光硬化區(qū)，另一方面微裂紋橫貫掃描道形成長裂紋。這是制約激光大面積強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要原因。
中國專利CN92113223.9公開了一種“高重頻調(diào)制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)及加工方法”，即激光毛化技術(shù)，它是傳統(tǒng)毛化技術(shù)——噴丸毛化、電火花毛化的發(fā)展，它利用激光在工件(如軋輥)表面形成具有一定形貌分布的、離散的微坑，通過軋制，將軋輥上的微坑形貌復(fù)制到被軋制的金屬板材上，在板材上形成具有一定分布的、一系列的凸臺(tái)和凹槽，從而改善鋼板的深沖性、延伸率和涂漆光亮度。激光毛化技術(shù)是提高產(chǎn)品附加值，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的重要手段之一。任何毛化技術(shù)，其目的都是為了獲得一定的表面形貌(包括點(diǎn)的分布規(guī)律和每個(gè)微坑的形貌)，微坑直徑一般在50～150μm，深度約20～50μm。經(jīng)過毛化處理，工件的使用壽命有所提高，這主要是因?yàn)殡x散分布的強(qiáng)化點(diǎn)在一定程度上阻止了裂紋的擴(kuò)展，但是，毛化技術(shù)的主要目的并不在于提高工件的使用壽命，從提高材料表面的強(qiáng)韌性來看，毛化技術(shù)所得到的強(qiáng)化深度和區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其目的是為了克服激光連續(xù)搭接掃描所引起的回火軟化和裂紋傾向嚴(yán)重等問題，同時(shí)也解決了激光毛化技術(shù)僅僅獲得一定的表面形貌，而不能對(duì)所加工的表面進(jìn)行深度的強(qiáng)韌化處理，大幅度提高工件使用壽命的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行(1)對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理；(2)根據(jù)基體材料及工件的使用工況配制合金粉末；(3)將配好的合金粉涂覆在基體表面或裝入送粉器；(4)將工件置于工作臺(tái)上，用功率密度為105～107W/cm2、脈沖寬度τ為0.1s≤τ≤1.0s的脈沖激光束逐點(diǎn)加工工件表面，使激光作用點(diǎn)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，基體與合金粉在激光作用下形成混合熔池，熔池快速冷卻后形成包括合金化區(qū)與固態(tài)相變區(qū)兩部分在內(nèi)的激光合金化點(diǎn)，所述的激光合金化點(diǎn)為圓形或橢圓形，其深寬比n＝0.3～1；對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，n=HD,]]>對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，n=Hb,]]>其中，H為合金化點(diǎn)的深度，D為激光合金化點(diǎn)的直徑，b為橢圓的寬度；(5)對(duì)工件表面進(jìn)行后處理。
本發(fā)明所述的方法中，同一行的激光合金化點(diǎn)以相等間距L分布，行與行之間相互平行，下一行的點(diǎn)正對(duì)上一行兩點(diǎn)的中間；所述的行與行之間點(diǎn)的最小距離為c，對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，直徑D與L和c滿足如下關(guān)系D<L<32Dc=L,]]>點(diǎn)的分布呈等邊三角形；對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，橢圓的長度a、寬度b與L和c之間滿足如下關(guān)系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>點(diǎn)分布呈等腰三角形。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的圓形激光合金化點(diǎn)的直徑D的范圍是0.2mm≤D≤3.0mm；對(duì)于橢圓形激光合金化點(diǎn)，橢圓長度a與橢圓寬度b滿足關(guān)系1.0<ab≤3.0,]]>a的范圍是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范圍是0.2mm≤b≤3.0mm。
本發(fā)明所述的脈沖激光逐點(diǎn)加工有如下幾種實(shí)施方式A.工件受工作臺(tái)的控制可在水平面內(nèi)沿兩個(gè)互相垂直的方向作二維運(yùn)動(dòng)，激光束固定不動(dòng)并由水平面上方垂直入射到工件上。
B.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束先固定不動(dòng)并垂直入射到工件表面，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，進(jìn)行下一周繞軸線的加工。
C.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件軸線方向勻速移動(dòng)，在系統(tǒng)控制下，激光束運(yùn)動(dòng)的軌跡在工件的表面呈螺旋線。
D.工件為一軸對(duì)稱體，表面形狀復(fù)雜，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束既可以在平面內(nèi)沿兩個(gè)相互垂直的方向移動(dòng)，也可以在2π立體角內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證激光束垂直入射在形狀復(fù)雜的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，重新對(duì)焦，進(jìn)行下一周繞軸線的加工。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果利用高功率密度激光作用在金屬表面產(chǎn)生的小孔效應(yīng)，使涂覆在金屬表面的或通過送粉器加入的高性能合金粉與金屬基體形成混合熔池，當(dāng)激光停止作用后，熔池的快速冷卻過程產(chǎn)生的介穩(wěn)相、過飽和固熔體以及晶粒細(xì)化等效應(yīng)，在材料表面形成一系列高深寬比、大深度的合金化點(diǎn)，減小了大面積連續(xù)掃描搭接的應(yīng)力積累，克服了激光連續(xù)掃描搭接方法引起的搭接區(qū)回火軟化問題，加大了表面強(qiáng)化層的深度，阻斷了表面裂紋擴(kuò)展的路徑，延緩了工件表面長裂紋的形成時(shí)間，從而延長了工件的使用壽命。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的合金化點(diǎn)及其分布形態(tài)提高了材料的磨損性能，激光合金化點(diǎn)與未合金化的基體共同形成強(qiáng)韌相間的抗疲勞、耐磨損的表面。


圖1a、圖1b分別為圓形激光合金化點(diǎn)的平面和剖面示意圖。
圖2a、圖2b分別為橢圓形激光合金化點(diǎn)的平面和剖面示意圖。
圖3表示一種激光合金化點(diǎn)的等邊三角形分布方式。
圖4表示一種橢圓型激光合金化點(diǎn)的等腰三角形分布方式。
1-合金化區(qū)，2-熱影響區(qū)，3-基體，4-激光合金化點(diǎn)，D-激光合金化點(diǎn)的直徑，H-激光合金化點(diǎn)的深度，a-橢圓形激光合金化點(diǎn)的長度，b-橢圓形激光合金化點(diǎn)的寬度，L-激光合金化點(diǎn)之間的距離，c-相鄰兩行間激光合金化點(diǎn)的距離。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
首先用有機(jī)溶劑清潔工件表面的油污和銹蝕，所述的有機(jī)溶劑包括無水乙醇、丙酮。對(duì)于表面有重油污的情況，可用汽油浸泡除油，對(duì)于有較嚴(yán)重銹蝕的表面，可用稀鹽酸除銹，或用金相砂紙打磨后再除銹，直至表面光亮，無銹跡；再根據(jù)基體材料及工件的使用工況配制合金粉末；將配好的合金粉用粘結(jié)劑調(diào)勻刷涂或噴涂在工件表面或裝入送粉器；送粉器包括送粉盤、噴嘴、氣體質(zhì)量流量計(jì)、保護(hù)氣路、送粉氣路及送粉控制系統(tǒng)。將工件置于工作臺(tái)上，用功率密度為105～107W/cm2、脈沖寬度τ為0.1s≤τ≤1.0的脈沖激光束逐點(diǎn)加工工件表面，使激光作用點(diǎn)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，即在激光作用下材料蒸發(fā)形成的高溫蒸汽小孔，小孔四壁包圍著液態(tài)金屬，液態(tài)金屬四周是固態(tài)的基體材料。金屬基體與合金粉在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深寬比n＝0.3～1的合金化點(diǎn)，并且合金化點(diǎn)的分布呈一定幾何形狀；激光合金化點(diǎn)包括合金化區(qū)1和固態(tài)相變區(qū)2兩部分(如圖1、2所示)。所述的激光合金化點(diǎn)可以是圓形，也可以是橢圓形，其深寬比n＝0.3～1；對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，n=HD,]]>對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，n=Hb,]]>其中，H為合金化點(diǎn)的深度，D為激光合金化點(diǎn)的直徑(如圖1)，b為橢圓的寬度(如圖2)。工件加工后，需要對(duì)其表面進(jìn)行精磨等后處理，以達(dá)到所要求的表面粗糙度。
為了使所述的同一行的激光合金化點(diǎn)以相等間距L分布，行與行之間應(yīng)相互平行，下一行的點(diǎn)正對(duì)上一行兩點(diǎn)的中間；所述的行與行之間點(diǎn)的最小距離為c，對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，直徑D與L和c滿足如下關(guān)系D<L<32Dc=L,]]>點(diǎn)的分布呈等邊三角形(如圖3)；對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，橢圓的長度a、寬度b與L和c之間滿足如下關(guān)系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>點(diǎn)分布呈等腰三角形(如圖4)。
本發(fā)明的脈沖激光逐點(diǎn)加工包括兩種情況一是激光脈沖作用時(shí)，工件與激光束之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)激光停止作用時(shí)，工件與激光束才有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)得到的激光合金化點(diǎn)為圓形(如圖1)；二是指激光脈沖作用時(shí)間極短，而工件移動(dòng)速度極慢，以至于在這段時(shí)間內(nèi)，工件只移動(dòng)了很短的距離，這種情況下得到的合金化點(diǎn)通常為拉長的圓形，稱橢圓形(如圖2)。圓形激光合金化點(diǎn)的直徑D的范圍是0.2mm≤D≤3.0mm；對(duì)于橢圓形激光合金化點(diǎn)，橢圓長度a與橢圓寬度b滿足關(guān)系1.0<ab≤3.0,]]>a的范圍是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范圍是0.2mm≤b≤3.0mm。
本發(fā)明的激光逐點(diǎn)加工至少有如下幾種實(shí)施方式A.工件受工作臺(tái)的控制可在水平面內(nèi)沿兩個(gè)互相垂直的方向作二維運(yùn)動(dòng)，激光束固定不動(dòng)并由水平面上方垂直入射到工件上。
B.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束先固定不動(dòng)并垂直入射到工件表面，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，進(jìn)行下一周繞軸線的加工。
C.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件軸線方向勻速移動(dòng)，在系統(tǒng)控制下，激光束運(yùn)動(dòng)的軌跡在工件的表面呈螺旋線。
D.工件為一軸對(duì)稱體，表面形狀復(fù)雜，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并可繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束既可以在平面內(nèi)沿兩個(gè)相互垂直的方向移動(dòng)，也可以在2π立體角內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證激光束垂直入射在形狀復(fù)雜的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，重新對(duì)焦，進(jìn)行下一周繞軸線的加工。
實(shí)施例1本發(fā)明用于強(qiáng)化孔型軋輥的方法如下1)用汽油、酒精等有機(jī)溶劑清潔軋輥表面，直至表面光亮，無銹跡；2)按Fe∶C∶Si∶B＝(40～60)∶(5～10)∶(5～10)∶(1～3)的重量比配制合金粉，將配好的合金粉裝入送粉器；3)將軋輥置于工作臺(tái)上，其軸線沿水平方向，并可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；4)打開YAG激光器及送粉器控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)激光束的方向使激光垂直入射到孔型軋輥的輥面，用脈沖寬度τ為0.1s、功率密度為107W/cm2的激光逐點(diǎn)加工工件表面，使激光作用點(diǎn)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，金屬基體與送入的粉末在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深寬比n＝1，直徑D＝0.2mm的圓形合金化點(diǎn)；5)每加工完一點(diǎn)，軋輥就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使軋輥表面移動(dòng)0.3mm，加工完一周，激光束沿軋輥軸線方向移動(dòng)0.25mm，并重新對(duì)焦，進(jìn)行下一周的逐點(diǎn)加工，最終使軋輥表面激光合金化點(diǎn)呈圖3所示的邊長c＝L＝0.3mm的等邊三角形分布；6)對(duì)軋輥表面進(jìn)行精磨處理，使其達(dá)到所要求的表面粗糙度。
實(shí)施例2本發(fā)明用于強(qiáng)化球墨鑄鐵軋輥的方法如下1)用汽油、酒精等有機(jī)溶劑清潔軋輥表面，直至表面光亮，無銹跡；2)按Fe∶C∶Si∶B＝(40～60)∶(5～10)∶(5～10)∶(1～3)的重量比配制合金粉，將配好的合金粉與粘結(jié)劑混合后涂覆在軋輥的表面；3)待涂層干躁后，將軋輥置于工作臺(tái)上，其軸線沿水平方向，并可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；4)打開CO2激光器及其控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)激光束使其垂直入射到軋輥表面，用脈沖寬度τ為1.0s、用功率密度為105W/cm2的激光逐點(diǎn)加工工件表面，使激光作用點(diǎn)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，金屬基體與預(yù)涂的粉末在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深寬比n＝0.3，長度a＝9.0mm，寬度b＝3.0mm的橢圓形合金化點(diǎn)；5)通過控制系統(tǒng)控制軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)和激光束的沿軸向勻速移動(dòng)，使激光束運(yùn)動(dòng)的軌跡在軋輥表面呈螺旋線，最終激光合金化點(diǎn)在軋輥表面呈圖4所示的L＝8.9mm，c＝5.37mm的等腰三角形分布；6)對(duì)軋輥表面進(jìn)行精磨，使其達(dá)到所要求的表面粗糙度。
權(quán)利要求
1.一種分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行(1)對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理；(2)根據(jù)基體材料及工件的使用工況配制合金粉末；(3)將配好的合金粉涂覆在基體表面或裝入送粉器；(4)將工件置于工作臺(tái)上，用功率密度為105～107W/cm2、脈沖寬度τ為0.1s≤τ≤1.0s的脈沖激光束逐點(diǎn)加工工件表面，使激光作用點(diǎn)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，使基體與合金粉在激光作用下形成混合熔池，熔池快速冷卻后形成包括合金化區(qū)與固態(tài)相變區(qū)兩部分在內(nèi)的激光合金化點(diǎn)，所述的激光合金化點(diǎn)為圓形或橢圓形，其深寬比n＝0.3～1；對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，n=HD,]]>對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，n=Hb,]]>其中，H為合金化點(diǎn)的深度，D為激光合金化點(diǎn)的直徑，b為橢圓的寬度；(5)對(duì)工件表面進(jìn)行后處理。
2.按照權(quán)利要求1所述的分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其特征在于所述的同一行的激光合金化點(diǎn)以相等間距L分布，行與行之間相互平行，下一行的點(diǎn)正對(duì)上一行兩點(diǎn)的中間；所述的行與行之間點(diǎn)的最小距離為c，對(duì)于圓形合金化點(diǎn)，直徑D與L和c滿足如下關(guān)系D<L<32Dc=L,]]>點(diǎn)的分布呈等邊三角形；對(duì)于橢圓形合金化點(diǎn)，橢圓的長度a、寬度b與L和c之間滿足如下關(guān)系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>點(diǎn)分布呈等腰三角形。
3.按照權(quán)利要求2所述的分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其特征在于所述的圓形激光合金化點(diǎn)的直徑D的范圍是0.2mm≤D≤3.0mm；所述的橢圓形激光合金化點(diǎn)，橢圓長度a與橢圓寬度b滿足關(guān)系1.0<ab≤3.0,]]>a的范圍是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范圍是0.2mm≤b≤3.0mm。
4.按照權(quán)利要求1所述的所述的分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，其特征在于所述的脈沖激光逐點(diǎn)加工有如下幾種實(shí)施方式A.工件受工作臺(tái)的控制可在水平面內(nèi)沿兩個(gè)互相垂直的方向作二維運(yùn)動(dòng)，激光束固定不動(dòng)并由水平面上方垂直入射到工件上；B.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束先固定不動(dòng)并垂直入射到工件表面，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，進(jìn)行下一周繞軸線的加工；C.工件為一圓柱體，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件軸線方向勻速移動(dòng)，在系統(tǒng)控制下，激光束運(yùn)動(dòng)的軌跡在工件的表面呈螺旋線；D.工件為一軸對(duì)稱體，表面形狀復(fù)雜，置于工作臺(tái)上時(shí)其軸線在水平方向，并繞其軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束既在平面內(nèi)沿兩個(gè)相互垂直的方向移動(dòng)，也在2π立體角內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證激光束垂直入射在形狀復(fù)雜的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，繞軸線加工完一周之后，激光束沿工件軸線方向移動(dòng)一定距離，重新對(duì)焦，進(jìn)行下一周繞軸線的加工。
全文摘要
一種分布式激光點(diǎn)狀合金化方法，本發(fā)明涉及一種激光表面合金強(qiáng)化技術(shù)。該方法利用高功率密度激光作用在金屬表面產(chǎn)生的小孔效應(yīng)，使涂覆在金屬基體表面的或通過送粉器加入的高性能合金粉與金屬基體形成混合熔池，由隨后的快速凝固形成包括合金化區(qū)與固態(tài)相變區(qū)兩部分在內(nèi)的合金化點(diǎn)，控制激光束逐點(diǎn)加工，從而在材料表面形成一系列具有一定幾何分布的、高深寬比的合金化點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分布式大面積深度強(qiáng)化。本發(fā)明減小了掃描搭接的應(yīng)力積累，克服了搭接區(qū)回火軟化問題，阻斷了表面裂紋擴(kuò)展的路徑，優(yōu)化設(shè)計(jì)的合金化點(diǎn)及其分布形態(tài)提高了表面的耐磨性，合金化點(diǎn)與基體共同形成強(qiáng)韌相間的抗疲勞、耐磨損的表面，能大幅提高工件的使用壽命。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1831195SQ20061001167
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者劉文今, 李正陽, 鐘敏霖, 何金江, 楊林, 王海龍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)