[发明专利]一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置及其使用方法

说明书

本发明一种高频振动滚压强化激光熔覆层的装置及其使用方法，属于金属材料表面强化领域，该装置包括激光熔覆系统及超声滚压系统，激光熔覆系统包括机器人手臂和激光熔覆头，超声滚压系统包括超生压滚系统支架、超声振动装置和压滚等。在激光熔覆层形成的同时进行超声滚压，压滚作用在熔池边缘。施加在压滚上的超声振动能够使熔覆层晶粒细化，优化熔池内金属的流动性，使得组织分布均匀，气泡易于逸出，降低微观缺陷。压滚在作用区域的滚压不但可以对半凝固或刚刚凝固的熔覆层实现表面晶粒细化，把残余拉应力转变为残余压应力，提高熔覆层的综合性能，还能使得熔覆层表面光滑整洁，能够满足绝大多数零件的表面质量和尺寸需求。

技术领域

本发明属于金属材料表面强化领域，尤其涉及一种高频振动滚压强化激光熔覆层的方法。

背景技术

激光熔覆技术是应用高能激光束将特定性能成分的粉末与基体的表层迅速升温至熔化，光斑区域形成熔池，光斑移走后熔池迅速冷却，形成与基体呈现冶金结合且具有一定性能的表面涂层，从而改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。该技术已在材料表面改性、再制造工程及增材制造等诸多领域得到广泛应用。

由于高能激光束在工件表面形成光斑的能量分布不均，基体材料与熔覆材料的热物性相差较大，光斑移走后熔池通过自激冷以较快的速度凝固，形成较大的温度梯度，导致熔池不同部位材料的形核、长大、生长方向不一致，因此不同部位材料的收缩不一致，完全凝固后形成了含有残余拉应力的熔覆层。在工作状态下，熔覆层的残余拉应力与微观缺陷相结合，在应力集中处易形成微裂纹，随着微裂纹的生长和扩大，导致材料的开裂、变形、可靠性降低、减少服役寿命。因此，改善熔覆层中的残余拉应力，减少熔覆层的微观缺陷(裂纹、气孔)，优化熔覆层的微观组织，提高熔覆层的综合性能具有重要的研究意义。

针对激光熔覆层残余应力及熔覆层裂纹问题，已有相关学者提出了降低熔覆层残余应力和细化表层组织的方法。主要的方法有：改变熔覆粉末的成分、基体预热降低温度梯度、优化激光加工参数等。虽然这些方法对优化激光熔覆层的残余应力，降低熔覆层裂纹起到了一定的作用，但是还存在一定的局限性。例如：改变熔覆粉末成分，相应的也改变了熔覆层的预期性能，基体预热不能应用在较大的工件，激光加工参数改变受到应用设备及工艺的限制。

近些年，有一些学者把振动引入到激光熔覆加工过程中，这种方法能够使熔池在凝固过程中受到高频振动的影响，从而实现晶粒细化、减少熔覆层的缺陷、降低残余拉应力，提高熔覆层综合性能。专利CN1737197A激光熔覆成形金属零件的裂纹控制方法公开了在激光熔覆成形金属零件的过程中引入超声振动对熔覆层裂纹进行控制。专利号为201120422930.8的专利提出了一种能够产生高频振动装置，在该装置上安装载物台及夹具，被加工工件安装在载物台上，激光熔覆时能够使工件受到高频振动的影响。专利CN112522698A一种超声振动辅助激光熔覆钨钽铌合金装置及方法公开了，该装置在激光熔覆过程中引入了高频振动。专利CN112725789A一种减少激光熔覆覆层微气孔的装置及其应用，该装置同样也引入了高频振动。以上方法在激光熔覆时引入高频振动的原理相似，都是振动载物台来带动工件振动。驱动载物台的振动能量较高，但只有很少的能量影响到熔池的凝固，而且这些方法在轴类零件加工方面有一定的局限性。