激光熔覆工艺基础研究

论文摘要

激光熔覆的试验研究始于20世纪70年代，通过三十多年的发展，该技术已经取得了很大的进展，在工业生产中正得到越来越广泛的应用，然而要大范围地生产应用还存在一些问题。 激光熔覆中最棘手的问题是熔覆层的开裂。在选定基体材料和熔覆材料的基础上，一般可通过优化工艺方法和工艺参数来尽可能减少熔覆层的开裂。本文提出了单向送粉双向扫描激光熔覆工艺，通过选择合适的激光工艺参数，进行单道和多道熔覆试验，得到了无裂纹的熔覆层，为解决开裂难题提供了一种简便可靠的方法。 多道搭接熔覆中，表面平整度的改善也是急于解决的问题。选择不同的搭接系数，对熔覆层的表面平整度有很大的影响，并直接决定后期加工量的大小。本文介绍了搭接系数的理论推导并通过选择不同的搭接系数进行试验，发现搭接系数为0.4时，熔覆层的最大厚度差最小，搭接处的粗糙度最小，表面平整度最好，从而为多道搭接熔覆工艺参数的确定提供了依据。 多道熔覆层的金相组织分析表明，金相组织为化合物、合金马氏体和残余奥氏体，顶部马氏体呈针状，因而熔覆层具有较高的硬度，熔覆层和基体为冶金结合，熔覆层内无裂纹和气孔，层与层之间结合紧密，也为冶金结合，这进一步证实熔覆质量良好。 熔覆层的几何形貌除了受熔覆材料和基体的熔点、导热系数、密度和比热等物理参数、相互之间的化学匹配性制约之外，主要取决于激光功率、光斑形状和尺寸、光束输出模式、扫描速度和送粉速率。本文通过调整激光功率、扫描速度和送粉速率，研究了激光工艺参数对熔覆层厚度和宽度的影响。试验表明：增大激光功率、送粉速率或者减小扫描速度，可以使熔覆层厚度变深；增大激光功率、减小送粉速率，可以使熔覆层宽度变大。 在实际应用中，一般根据给定的熔覆层厚度，选取相应的激光工艺参数。工艺参数的选取需要有一定的理论或经验依据。本文根据试验数据，进行了熔覆层厚度和扫描速度以及送粉速率之间的曲线拟合和回归分析，得到了理想的拟合公式，并结合试验经验，获得了工艺参数的选取依据，对实际应用具有一定的指导作用。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 现代表面工程技术及其发展
• 1.2 激光表面改性技术概述
• 1.2.1 激光表面改性技术的含义及特点
• 1.2.2 激光表面改性技术的应用
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 激光熔覆
• 2.1 激光熔覆的原理及特点
• 2.2 激光熔覆的研究和应用
• 2.2.1 激光熔覆的研究
• 2.2.2 激光熔覆的应用
• 2.3 激光熔覆存在的问题和发展方向
• 2.3.1 激光熔覆存在的主要问题
• 2.3.2 激光熔覆技术的发展方向
• 2.4 激光熔覆的材料
• 2.5 激光熔覆的工艺
• 2.5.1 基材熔覆表面预处理
• 2.5.2 预热和后热处理
• 2.6 影响激光熔覆层质量的因素
• 2.6.1 光束处理方式对质量的影响
• 2.6.2 熔覆材料的供料方式因素
• 2.6.3 材料及激光工艺参数因素
• 第三章 激光熔覆工艺对熔覆层质量的影响
• 3.1 激光熔覆中裂纹问题的研究
• 3.2 单向送粉双向扫描激光熔覆工艺
• 3.2.1 单向送粉双向扫描激光熔覆工艺防止裂纹的试验
• 3.2.1.1 试验材料和方法
• 3.2.1.2 试验结果与分析
• 3.2.1.3 试验结论
• 3.3 多道搭接激光熔覆工艺的试验
• 3.3.1 搭接系数确定的理论依据
• 3.3.2 多道搭接工艺对熔覆层裂纹的影响
• 3.3.3 多道搭接工艺对熔覆层表面平整度的影响
• 3.3.4 多道激光熔覆层的金相组织分析
• 第四章 激光工艺参数对熔覆层几何形貌的影响及其确定
• 4.1 工艺参数对熔覆层几何形貌的影响
• 4.1.1 试验材料和方法
• 4.1.2 激光功率的影响
• 4.1.3 扫描速度的影响
• 4.1.4 送粉速率的影响
• 4.1.5 试验结果与理论分析
• 4.2 激光工艺参数的确定
• 4.2.1 试验数据的拟合
• 4.2.1.1 熔覆层厚度H与扫描速度Vs的拟合
• 4.2.1.2 熔覆层厚度H与送粉速率Vf的拟合
• 4.2.1.3 熔覆层厚度H与扫描速度Vs、送粉速率Vf的拟合
• 4.2.2 激光功率的确定
• 第五章 边缘防塌陷工艺的试验研究
• 5.1 塌陷形成的原因
• 5.2 防塌陷工艺试验
• 5.2.1 分段变速扫描熔覆
• 5.2.1.1 试验材料和方法
• 5.2.1.2 试验结果
• 5.2.2 外接材料熔覆
• 5.2.2.1 试验材料和方法
• 5.2.2.2 试验结果
• 5.2.3 小结
• 第六章 齿轮激光熔覆试验
• 6.1 位置设计
• 6.2 扫描工艺
• 6.3 齿轮模数对激光熔覆层开裂倾向的影响
• 6.3.1 试验结果与理论分析
• 6.3.2 试验结论
• 6.4 齿面激光熔覆工艺参数组合
• 6.5 齿轮防塌陷试验
• 6.5.1 轮齿进出端边界防塌陷工艺试验
• 6.5.2 齿顶防塌陷工艺试验
• 6.5.2.1 试验材料和方法
• 6.5.2.2 试验结果与分析
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献