公司地址:陕西省西安市未央区明光路

166号西安工业设计产业园凯瑞B座A1801.A1803.A1804
联系电话:029-88881036
E-mail:
tyon@tyontech.com
邮   :710065

可信组件
>
新闻中心

【天元课堂】再制造那点事儿——同轴送粉激光熔覆技术

浏览量

同轴送粉激光熔覆技术是再制造工程中最常用的尺寸恢复技术之一,一般采用半导体光纤输出激光器和盘式气载送粉器,熔覆头采用中心出光的圆形光斑方案,光束周围环状送粉或者多束送粉,并设置由专门的保护气通道,粉束、光束与保护气流交于一点。熔覆工作时在焦点处会形成熔池,随着熔覆头与工件的相对运动,在工件表面形成覆层。

 

技术分类

同轴送粉激光熔覆根据送粉方式的不同主要分为多束送粉和环形送粉;根据光速和粉束的相对位置不同,又可分为光内送粉和光外送粉。应用最广泛的是光外送粉,即光束在中心,粉束从周围汇聚到光斑焦点

同轴送粉激光熔覆效果图

 

 

环形送粉结构由于粉末从中心光束的四周送向焦点,粉束集中性好,送粉均匀,粉末利用率较高。但送粉嘴结构复杂,制造难度大,并且在进行大面积熔覆时,由于熔池的反光,容易造成固定出粉部位的烧结堵塞。

同轴环形送粉熔覆头

 

多束送粉熔覆头结构简单,加工容易,在进行大面积熔覆时,可通过送粉头角度的调节,避免熔池反射激光长时间照射送粉口部位,造成送粉口堵塞,可实现长时间连续熔覆生产。

同轴3束送粉熔覆头

同轴4束送粉熔覆头

技术优/劣势

与其他激光熔覆技术相比,同轴送粉激光熔覆技术具有以下的优势:

 

(1)自由度高、容易实现自动化。由于采用轴对称送粉头,其熔覆时向任意方向移动均可得到形貌一致、质量相同的熔覆层,熔覆方向没有限制。还可通过调节光斑焦距和粉末聚合焦点的高低,使得熔覆高度得以调整,一般熔覆头距工件表面的工作距离10-30mm,可实现灵活调节,避免熔覆头干涉。配合工业机器人或多轴运动机床,可在不同的角度和不同形状的表面进行熔覆,如倒角、曲面等进行任意路径或任意形状零件的表面熔覆,并作为3D打印的打印头时,可进行激光同轴送粉3D打印。

同轴送粉曲面熔覆

 

(2)熔池惰性气体保护效果好。由于送粉方式为气载送粉以及在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道,熔覆过程中熔池处于良好的局部惰性气体氛围中,熔池及熔覆层氧化少,熔覆层中氧化物夹杂较少。

(3)熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。同轴送粉激光熔覆的光斑尺寸一般为∮1-∮5mm,粉末与光束均匀接触,熔覆过程中的热量传递更均匀,因此熔覆层抗裂性好。特别是对含碳化钨等陶瓷颗粒的符合材料的熔覆,容易制备无裂纹、碳化钨分布均匀的覆层。

(4)熔深小、热输入低。同轴送粉激光熔覆由于光斑直径小,熔覆线速度高,与宽光斑侧向送粉激光熔覆和电弧焊相比,熔覆热输入低,具有适中稀释率和较小的热影响区深度,熔覆性能优良,对母材性能影响较小。

下图为某产品在达到同样熔覆性能要求的情况下,采用三种熔覆方式到的得稀释区深度和母材热影响区深度的对比图。从对比数据可以看出,在达到同样的熔覆质量要求的情况下,采用同轴送粉激光熔覆工艺母材的热影响区宽度最小,这得益于同轴送粉激光熔覆的高熔覆线速度、较小的光斑尺寸以及低的热输入。

不同熔覆工艺的的稀释区深度和HAZ深度

 

同轴送粉激光熔覆的缺点:

(1)由于光斑直径小,相对熔覆效率低,主要用于小面积零件的激光熔覆再制造或3D打印;

(2)送粉的同时,激光也同时照射到工件表面,造成熔覆金属具有一定的稀释率,不适合做极薄的涂层;

3)同轴送粉激光熔覆一般送粉和熔池保护须采用惰性气体保护,熔覆成本高。

技术应用

由于同轴送粉激光熔覆技术的上述特点,其通常应用于主轴、齿轮、箱体等高精度零件、复杂形状零件的表面熔覆强化改性和增材再制造。同时,基于同轴送粉激光熔覆技术的金属3D打印主要应用于大型零件的净近成型以及梯度材料的制备以下列举几种不同的应用案例:

(1) 同轴送粉3D打印应用

同轴送粉激光熔覆由于良好的光、粉同步性能,可应用于金属3D打印。公司通过自主研发的同轴送粉金属3D打印设备,成功实现了石油行业组合阀的3D打印再制造,成本仅为新制造组合阀的1/3,寿命提高三至五倍。

组合阀3D打印再制造步骤一:密封面腐蚀部位整体加工去除,加工量1.0mm;步骤二:3D打印增材修复,在组合阀原位本体上根据截面轮廓打印不锈钢耐磨层;步骤三:打印面加工,采用平面铣和平面磨的方式加工原密封面增材层到图纸尺寸要求。

组合阀正面3D打印不锈钢耐磨耐腐蚀

组合阀再制造前后效果对比

 

(2) 同轴送粉激光熔覆叶片修复

航空工业时激光熔覆技术应用最广泛的领域之一。航空发动机磨损是发动机维护中的一大难题。英国的Rolls Royce公司采用激光熔覆技术替代钨极氩弧焊堆焊技术修复刚空涡轮发动机叶片,不仅解决了工件的开裂问题,而且极大的降低了公式和热输入导致的变形,成功的进行了应用。国内也将激光熔覆技术应用于发动机叶片和阀座等的再制造修复,并取得了良好的效果。叶片激光熔覆修复采用的是同轴送粉激光熔覆技术配合机械臂自动控制,可实现熔覆过程的自动化。

(3) 轴类轴径的激光熔覆再制造

轴类零件常处于大负荷工况条件下,工作过程中表面往往承受摩擦、挤压、冲击和腐蚀等综合作用,容易造成磨损、疲劳点蚀等失效形式。利用激光熔覆技术对轴类零件进行再制造,使其达到新品甚至优于新品的性能,是轴类零件再制造常用的技术手段。常见的轴类零件激光熔覆的产品有35CrMo电机轴、40CrNi2MoA轴、40Cr、34CrNiMo齿轮轴等。

(4) 金属基陶瓷材料耐磨层的制备

由于激光能量密度高,粉末与光束耦合接触均匀,使得同轴送粉激光熔覆可用于制备高耐磨性的金属基陶瓷材料耐磨层。采用同轴送粉激光熔覆技术制备的镍基WC涂层,从涂层截面形貌看,涂层与基体为冶金结合,WC颗粒较均匀的分布于镍基层上,且涂层无裂纹。