一.激光熔覆特點(diǎn)
1.技術(shù)特點(diǎn)
激光熔覆最重要的特點(diǎn)是熱量集中、加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小,特別對不同材質(zhì)之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點(diǎn),也正是這一特殊的加熱和冷卻過程,在熔鑄區(qū)域產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)也不同于其它熔覆(如噴焊、堆焊、普通焊接等)手段,甚至可以產(chǎn)生非晶態(tài)組織,特別是脈沖激光更為明顯。
這就是所謂激光熔覆無退火、不變形的原因,但是,這只是從工件整體宏觀講,而當(dāng)你對熔覆層和熱影響區(qū)進(jìn)行微觀分析時(shí),你會(huì)看到另一種景象。
2.設(shè)備特點(diǎn)
激光熔覆,目前國內(nèi)采用的機(jī)型有:CO2激光器和YAG激光器。前者為連續(xù)輸出,熔覆功率一般在3KW以上;YAG激光為脈沖輸出,一般在600W左右。其次,最近幾年推出的還有半導(dǎo)體固體激光器,體積小,熔覆功率可達(dá)到6000W,甚至更高。
對于設(shè)備,一般使用者很難吃透,嚴(yán)重依賴生產(chǎn)方的服務(wù),購買價(jià)格昂貴,維護(hù)成本、零部件價(jià)格很高,再加上設(shè)備穩(wěn)定性和耐受性與國外比較普遍都有差距,因此,激光熔覆機(jī)一般用在特殊領(lǐng)域,普通工業(yè)制造、維修領(lǐng)域難有效益。
3.工藝特點(diǎn)
(1)前期處理
激光熔覆,一般只需將工件打磨干凈,除油,除銹,去疲勞層等,比較簡單。
(2)送粉
幾種激光器的送粉形式比較多樣,一般都有,預(yù)置送粉,異步送粉,同步送粉(旁軸送粉,同軸送粉)。
(3)從熔池形成的狀態(tài)看
由于激光的控制精度高,輸出功率恒定,且沒有電弧接觸,所以熔池大小深度一致性好。
(4)加熱快、冷卻快
影響金屬相形成的均勻度,也對排氣浮渣不利,這也是造成激光熔覆形成氣孔、硬度不均的重要原因,特別是YAG激光傾向更嚴(yán)重。
(5)材料選擇
由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同,造成激光熔覆材料選擇限制較大,激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料,對碳化物、氧化物的熔覆更困難一些。
二.微束等離子熔覆特點(diǎn)
1.技術(shù)特點(diǎn)
微束等離子熔覆機(jī)所采用的等離子束,是一種電離弧,比弧焊機(jī)熱量更集中,所以加熱速度更快。為了獲得更集中的離子束,一般采用高壓縮比孔徑、小電流,以便控制基體溫度不致太高,避免引起退火變形。當(dāng)然,這與YAG激光器加熱速度無法比擬。由于等離子弧為連續(xù)工作,造成機(jī)體冷卻相對較慢,形成的過渡區(qū)域比激光熔覆要深一些,這對硬面材料熔覆來說,應(yīng)力會(huì)釋放的好一些。
2.設(shè)備特點(diǎn)
微束等離子熔覆設(shè)備是在直流焊機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,其電源、噴槍、送粉器、擺動(dòng)器等,技術(shù)門檻低,容易制造,可靠性好,維護(hù)使用簡單,耗電少,使用成本低,通用性好,生產(chǎn)成本低,適應(yīng)性好,便于規(guī)?;a(chǎn),效益顯著,對環(huán)境要求低,對材料適應(yīng)廣泛。
隨著電氣技術(shù)的進(jìn)步,我國的焊機(jī)技術(shù)水平已經(jīng)具備足夠的支持能力。另外,設(shè)備體積小,重量小,焊槍可以手持把握,這使它使用起來更靈活方便,輔助工裝的造價(jià)便宜。
3.工藝特點(diǎn)
(1)前期處理簡單
只需除銹、去污、去疲勞層即可。
(2)送粉
采用氬氣送粉,送分精度要求低,可以有一定的傾斜度。這樣就允許手工操作,對于金屬修復(fù)比較適用。
(3)微束等離子穩(wěn)定性好
微束等離子的穩(wěn)定性好,熔池的形成也易于控制,敷材與機(jī)體融合充分,區(qū)域過度較好。
(4)加熱和冷卻速度低于激光
熔融狀態(tài)維持時(shí)間長,有利于金相組織均勻形成,排氣浮渣較好,在粉末噴出過程中就已經(jīng)加熱,且有氬氣和離子氣的保護(hù),所以熔覆層均勻度更好,氣孔夾渣等缺陷更少。
(5)材料選擇
等離子加熱方式對材料限制少,材料選擇更廣泛,對碳化物、氧化物的熔覆更容易一些。
三.關(guān)于熔覆中的幾個(gè)問題
1.關(guān)于焊接應(yīng)力
我們必須建立一個(gè)概念,不管使用了什么樣的名詞(如焊接、堆焊、噴焊、熔覆等)都是在加熱的情況下,在金屬基體上的熔鑄。那么從加熱到熔鑄,再到冷卻這一過程中,必然產(chǎn)生應(yīng)力。
除了極特殊材料,一般影響最大的還是收縮應(yīng)力。不同的焊接方式,無非是從加熱方式、速度、填充材料和一些其它條件不盡相同。那么,減少這種應(yīng)力對基體及熔鑄層的影響,都是我們追求焊接質(zhì)量時(shí)要考慮的重要方面。
我以為,收縮應(yīng)力無法避免,那么,應(yīng)力釋放才是解決焊接應(yīng)力問題的關(guān)鍵。也就是說,這種收縮應(yīng)力釋放到哪里,從基體到熔鑄區(qū)域應(yīng)力如何分配,才是我們需要而且能夠解決的問題。
2.為什么激光焊接(熔覆)變形小
主要是熔鑄區(qū)域小,過渡區(qū)域小,收縮量小。那么材料在收縮過程中所產(chǎn)生的收縮力,不足以使整個(gè)機(jī)體變形,這就是所謂激光熔覆不變形的原因(所以當(dāng)機(jī)體尺寸過小時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生變形),這也是激光焊接(熔覆)的優(yōu)勢。
那么,這種焊接應(yīng)力到哪里去了呢?它主要是釋放到熔鑄區(qū)域和過渡區(qū)域了。那么,這就產(chǎn)生了兩個(gè)問題:
一是熔鑄區(qū)容易產(chǎn)生裂紋,所以,激光熔覆對材料的延展性要求比較高,如鎳基粉末;
二是過渡區(qū)應(yīng)力大,由于激光焊接過程中加熱快冷卻快,產(chǎn)生的過渡區(qū)尺寸過小,造成這一區(qū)域應(yīng)力集中,這就影響了激光焊接(熔覆)的結(jié)合效果。特別是在基體與焊材機(jī)械性能相差較大時(shí),傾向更嚴(yán)重,甚至產(chǎn)生脫落現(xiàn)象,這就要求在激光熔覆時(shí),格外注意過渡層的材質(zhì)和厚度設(shè)計(jì)。
3.為什么等離子熔覆(堆焊)不易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷
主要原因有三:
一是等離子做熱源進(jìn)行熔覆(堆焊)與埋弧焊氣保焊等熱量更加集中,離子弧穩(wěn)定性更好,沒有電極熔耗,輸出熱量均勻,便于控制,這樣使得熔鑄區(qū)熱量分布均勻,材料熔合充分均勻,排氣浮渣都充分,收縮應(yīng)力分布均勻。
二是由于等離子設(shè)備控制精度高,對熔鑄區(qū)和過渡區(qū)的控制方便,且均勻度好,應(yīng)力分配更容易控制合理。
三是用氬氣保護(hù)不需要各種添加劑,也不存在排氫、氧化等問題,所以等離子熔覆(堆焊)更適合大面積、大厚度、高質(zhì)量的硬面熔鑄(如高錳、高鉻陶瓷材料等),適合于制造耐磨板、閥門、軋輥等。
4.熔覆的工藝性
關(guān)于激光熔覆和等離子熔覆,有許多同行發(fā)表了很多文章,大部分都強(qiáng)調(diào)激光的優(yōu)勢,這也是大家所追求的目標(biāo)。然而,多數(shù)是從微觀角度用金相分析的方法評價(jià)激光的。
但凡事都有其兩面性,激光熔覆也有其劣勢。在工藝方面就有許多限制,在生產(chǎn)實(shí)際中更需要高的操作技能,給許多客戶造成困難。我認(rèn)為,主要是加熱快冷卻快造成的熔覆層熔融時(shí)間過短造成光斑外緣和內(nèi)緣差別大,組織形成不均勻,應(yīng)力分配不勻,排氣浮渣不充分,造成硬度不均,易形成氣孔夾渣等問題,難以獲得大面積完美的熔覆層,YAG激光尤其為甚。所以,激光熔覆從選材到操作都應(yīng)格外細(xì)致。
等離子熔覆相對激光講輸入熱量大,基體變形量比激光大。但其熔融充分,硬度分布均勻,排氣浮渣徹底,材料選擇范圍廣,易于操作,易獲較為完好的整體熔覆層,成本低,效益好,因此,在大面積、大厚度熔覆方面有著明顯優(yōu)勢。
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