[发明专利]一种脉冲电流复合能场辅助激光熔覆的方法和装置

说明书

本发明涉及超高强度钢再制造技术领域，具体的说是一种脉冲电流复合能场辅助激光熔覆方法和装置，其特征是所述的装置主要包括激光器、超声波振动设备及随动进给脉冲电流装置等。本装置在超高强度钢激光熔覆再制造过程中同时施加超声场和随动进给脉冲电流，使再制造区域受到超声振动‑随动进给脉冲电流的协同作用，从而对熔覆层中的组织结构进行调控。本发明实现了超声振动‑随动进给脉冲电流复合能场对激光熔覆再制造层组织性能的调控，可获得组织均匀、孔隙率低、晶粒尺寸细小、无裂纹的再制造层，特别适合于超高强度钢再制造技术领域。

技术领域

本发明涉及超高强度钢再制造技术领域，具体的说是一种脉冲电流复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。

背景技术

超高强钢广泛用于制造航空航天、武器、高速列车等重大需求场合的承力结构件，如飞机起落架、轴类和螺栓等。由于在服役过程中需要承受较高的应力，超高强结构件对疲劳、冲击、磨损和腐蚀等造成的裂纹、形状各异的凹坑等具有很高的敏感性，因此，修复再制造对于超高强钢结构件的运行成本和安全性至关重要。作为一种新型的表面改性技术，激光熔覆再制造利用激光束快速加热和冷却的特点，在修复件表面熔覆同种或异种金属粉末。该技术具有熔覆组织致密、界面结合强度高、构件变形小和工艺简单等优点。采用激光熔覆技术对超高强钢结构件进行修复，可以大幅缩短维修周期，延长构件的使用寿命。

但现阶段对超高强钢结构件的激光再制造还很不成熟，激光熔覆马氏体成形层可用来修复疲劳开裂和磨损损伤的超高强度钢构件，如飞机的起落架等。然而，由于激光熔覆马氏体成形层相当于表面淬火过程，导致成形层整体拉伸性能、疲劳性能很差，韧性低，要获得良好的成形层需经过较复杂的后续处理，对于实际修复工况要求严格。

专利CN 201910722197.2公开了一种飞机300M钢起落架活塞杆唇口裂纹激光熔覆修改方法，但该方法需要在对活塞杆模拟件进行疲劳试验基础上，确定修复工艺，前期准备工作多，通用性差。专利CN 201710785371.9公开了一种超高强度钢起落架件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修改的方法，修复后构件变形可控，修复部件无缺陷，但存在组织细化效果不明显的不足。

在激光熔覆过程中引入超声振动，可以改善熔覆层的流动性，使气泡快速逸出，组织分布更加均匀，凝固过程施加超声振动，可以打碎正在长大的晶粒，并使其分散到熔覆层的各个部位从而形成均匀分布的小晶核。超声振动还可以使液体更容易向结晶间的孔隙补充，有利于减少缩孔，部分消除拉应力产生的根源，从而减少熔覆层裂纹。另外利用超声波在熔覆层中的空化和声流效应，能使熔覆层各处温度均匀化，改善熔覆层的凝固状态，减少熔覆层残余热应力和开裂敏感性。专利CN 201611042347.8公开了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置。

在熔覆层凝固过程中，施加电流可以改善材料组织及性能。考虑到在激光熔覆过程中，激光束位置与工件相对运动，如果施加电流的电极位置与工件固定不动，熔覆层只占导体的一小部分，大部分的电流未通过熔覆层，这将大大降低电流的实际效果；如果把电极固定在激光头上随动，就能使电极始终位于靠近熔覆层的位置并和熔覆层相对位置保持不变，一方面可以将电流大部分引入熔覆层，提高电流利用效率，另一方面较近的电极距离可以大大提高电流密度，增强改善效果。专利CN 201910821310.2公开了一种覆层裂纹自愈合的激光熔覆装置及其加工方法，采用随动进给脉冲电流辅助激光熔覆可以实现熔覆层裂纹的自愈合。

但是不管是单一辅助能场的超声振动辅助激光熔覆，还是脉冲电流辅助激光熔覆，在修复超高强钢结构件时，都难以获得分布均匀的马氏体组织，从而影响其疲劳性能和韧性。专利CN 201610114914.X公开了一种超声振动-电磁搅拌复合能场辅助激光熔覆的方法和装置，具有较好的熔覆效果。因此将超声振动与脉冲电流相结合，使用超声振动-随动进给脉冲电流复合能场有望显著提高超高强度钢激光熔覆再制造性能。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种脉冲电流复合能场辅助激光熔覆的方法和装置。