一种自动控制激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法.pdf

一种自动控制单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，该方法的特点是：（1）根据单道激光－感应复合熔覆涂层的横截面为半椭圆形，涂层宽度为激光光斑直径D的85%；（2）采用激光测厚仪与激光测宽仪在线实时测量单道激光－感应复合熔覆涂层的厚度与宽度；（3）当计算的涂层厚度、宽度与实时测量的涂层厚度、宽度之间的相对误差大于1.0%时。因此，本发明的方法能够快速选择优化的工艺参数，实现涂层几何形貌的自动控制，大幅度减少实际生产中的工艺探索实验工作量，具有降低生产成本，减小后序机械加工量，提高生产效率以及高精度与高自动化程度等优点。

权利要求书一种自动控制激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，其特征是方法与步骤为：
（1）计算单道激光－感应复合熔覆涂层的几何形貌：
1）在单道激光－感应复合熔覆过程中，调节激光功率与感应加热温度，使激光扫描速度Vs为900~5000 mm/min时，涂层的稀释率小于10%；
2）单道激光－感应复合熔覆涂层宽度W主要受激光光斑直径D的影响，为激光光斑直径D的85%；
3）单道激光－感应复合熔覆所用合金粉末由i种组元构成，由合金粉末中i组元的密度                                                与体积计算合金粉末的平均密度；
4）对于单位时间内获得的激光－感应复合熔覆涂层厚度H而言，将单道激光－感应复合熔覆过程中已知的工艺参数以及2）与3）中计算所得的涂层宽度W与合金粉末的平均密度代入公式中，即可计算单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W，所述的已知工艺参数为自动送粉器的送粉率、合金粉末利用率、激光扫描速度Vs、激光光斑直径D、合金粉末i组元的密度与体积；
（2）采用激光测厚仪与激光测宽仪在线实时测量单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W，并将计算的涂层厚度H、宽度W与实时测量的涂层厚度Ht、宽度Wt进行对比；
（3）检测计算的涂层厚度H、宽度W与实时测量的涂层厚度Ht、宽度Wt之间的相对误差是否大于1.0%，如果是，利用激光－感应复合熔覆系统的数控装置调节激光－感应复合熔覆工艺参数，对计算的单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W进行修正；否则，固定激光－感应复合熔覆工艺参数。
根据权利要求1所述的一种自动控制单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，其特征在于单道激光－感应复合熔覆涂层的横截面为半椭圆形，计算的单道激光－感应复合熔覆涂层厚度，计算的单道激光－感应复合熔覆涂层宽度W=0.85·D。
根据权利要求1所述的一种自动控制单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，其特征在于进行所述的步骤（3）时，当计算的涂层厚度H大于实时测量的涂层厚度Ht或计算的涂层宽度W小于实时测量的涂层宽度Wt，计算的涂层厚度H与实时测量的涂层厚度Ht之间或计算的涂层宽度W与实时测量的涂层宽度Wt之间的相对误差大于1.0%时，减小激光功率P或减小送粉率或增加激光扫描速度Vs。
根据权利要求1所述的一种自动控制单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，其特征在于进行所述的步骤（3）时，当计算的涂层厚度H小于实时测量的涂层厚度Ht或计算的涂层宽度W大于实时测量的涂层宽度Wt，计算的涂层厚度H与实时测量的涂层厚度Ht之间或计算的涂层宽度W与实时测量的涂层宽度Wt之间的相对误差大于1.0%时，增加激光功率P或增加送粉率或减小激光扫描速度Vs。
根据权利要求1所述的一种自动控制单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法，其特征在于激光测厚仪与激光测宽仪可以在线实时测量单道激光－感应复合熔覆涂层厚度与宽度，以及与激光－感应复合熔覆系统的数控装置进行串口通讯，实现数控装置对激光－感应复合熔覆工艺参数的在线调节与监控。

说明书一种自动控制激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法
技术领域
本发明涉及一种复合熔覆涂层几何形貌的方法，尤其涉及一种自动控制激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法。
背景技术
近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备高性能的无裂纹涂层的激光－感应复合熔覆技术（Shengfeng Zhou，Yongjun Huang，Xiaoyan Zeng. Microstructure characteristics of Ni‑based WC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A, 2008, 480 (1‑2)：564‑572）在关键零部件的表面强化与修复以及快速造等领域具有广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注。但是，在激光－感应复合熔覆过程中，由于感应加热源的引入，使工艺参数对熔覆层质量的影响因素增加，根据涂层几何形貌与性能的要求，如何快速且合理地选择复合熔覆工艺参数成为制备高质量激光－感应复合熔覆涂层的关键。其中，涂层几何形貌的计算方法对选择与调节激光－感应复合熔覆工艺参数、控制涂层性能具有十分重要的意义。在单纯激光熔覆过程中，Lalas等人（C. Lalas, K. Tsirbas, K. Salonitis, et al. An analytical model of the laser clad geometry. The International Journal of Advanced manufacturing Technology, 2007, 32 (1‑2): 34‑41）建立了Ni基合金涂层厚度的计算方法，利用该方法计算涂层厚度的最小误差为22%，并且随着激光扫描速度的增加，误差逐渐增加，显然该计算涂层厚度的方法并不适合于激光扫描速度高达3000 mm/min（约是单纯激光熔覆激光扫描速度的5倍）的激光－感应复合熔覆技术，而且不能有效地在线自动控制激光熔覆涂层的几何形貌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动控制激光－感应复合熔覆涂层几何形貌的方法。本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：
（1）计算单道激光－感应复合熔覆涂层的几何形貌：
1）在单道激光－感应复合熔覆过程中，调节激光功率与感应加热温度，使激光扫描速度Vs为900~5000 mm/min时，涂层的稀释率小于10%；
2）单道激光－感应复合熔覆涂层宽度W主要受激光光斑直径D的影响，为激光光斑直径D的85%；
3）激光－感应复合熔覆所用合金粉末由i种组元构成，由合金粉末中i组元的密度                                                与体积计算合金粉末的平均密度；
4）对于单位时间内获得的激光－感应复合熔覆涂层厚度H而言，将激光－感应复合熔覆过程中已知的工艺参数以及步骤（2）与（3）中计算所得的涂层宽度W与合金粉末的平均密度代入公式中，即可计算单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W，所述的已知工艺参数为自动送粉器的送粉率、合金粉末利用率、激光扫描速度Vs、激光光斑直径D、合金粉末i组元的密度与体积。
（2）采用激光测厚仪与激光测宽仪在线实时测量制备的单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W，并将计算的涂层厚度H、宽度W与实时测量的涂层厚度Ht、宽度Wt进行对比；
（3）检测计算的涂层厚度H、宽度W与实时测量的涂层厚度Ht、宽度Wt之间的相对误差是否大于1.0%，如果是，利用激光－感应复合熔覆系统的数控装置调节激光－感应复合熔覆工艺参数，对计算的单道激光－感应复合熔覆涂层厚度H与宽度W进行修正；否则，固定激光－感应复合熔覆工艺参数。
本发明所述的单道激光－感应复合熔覆涂层几何形貌为涂层厚度、涂层宽度与涂层横截面面积，所述的涂层横截面为半椭圆形，计算所得的单道激光－感应复合熔覆涂层厚度，计算的单道激光－感应复合熔覆涂层宽度W=0.85·D，计算的单道激光－感应复合熔覆涂层的横截面面积。
本发明在进行所述的步骤（3）时，如果计算的涂层厚度H大于实时测量的涂层厚度Ht或计算的涂层宽度W小于实时测量的涂层宽度Wt，而且计算的涂层厚度H与实时测量的涂层厚度Ht之间或计算的涂层宽度W与实时测量的涂层宽度Wt之间的相对误差大于1.0%，减小激光功率P或减小送粉率或增加激光扫描速度Vs。
本发明在进行所述的步骤（3）时，如果计算的涂层厚度H小于实时测量的涂层厚度Ht或计算的涂层宽度W大于实时测量的涂层宽度Wt，而且计算的涂层厚度H与实时测量的涂层厚度Ht之间或计算的涂层宽度W与实时测量的涂层宽度Wt之间的相对误差大于1.0%，增加激光功率P或增加送粉率或减小激光扫描速度Vs。
本发明所述的激光测厚仪与激光测宽仪可以在线实时测量单道激光－感应复合熔覆涂层厚度与宽度，以及与激光－感应复合熔覆系统的数控装置进行串口通讯，实现数控装置对激光－感应复合熔覆工艺参数的在线调节与监控。
本发明的优点是：（1）根据激光－感应复合熔覆工艺参数，可以快速地计算所获得的涂层厚度与宽度；反之，根据所要求的涂层厚度与宽度，可以快速地选择合适的激光－感应复合熔覆工艺参数。（2）采用该方法计算单道激光－感应复合熔覆涂层厚度与宽度的误差较小，且随着激光扫描速度的增加，误差逐渐减小。（3）能够快速选择优化的工艺参数，实现涂层几何形貌的自动控制，大幅度减少实际生产中的工艺探索实验工作量，降低生产成本，减小后序机械加工量，提高生产效率，以及精度高与自动化程度高等特点。
具体实施方式
实施例1
采用单道激光－感应复合熔覆的方法制备Ni基WC涂层，所使用的激光－感应复合熔覆工艺如下：激光功率P为2.5 kW，激光扫描速度Vs为900 mm/min，激光光斑直径D为6 mm，自动送粉器的送粉率为52.24 g/min，涂层稀释率为5%：所使用的合金粉末由80wt.% Ni基合金粉末与20wt.%WC颗粒组成，其中，Ni基合金粉末的密度为7.83g/cm3，WC颗粒的密度为15.6 g/cm3。
采用该方法计算单道激光－感应复合熔覆的涂层厚度为1.33mm，实测的涂层厚度为1.2mm，相对误差为10.8%；计算的涂层宽度为5.10 mm，实测的涂层宽度5.05 mm，相对误差为0.99%。经自动调节激光－感应复合熔覆工艺参数后，计算的涂层厚度与宽度分别为1.18 mm与5.1 mm，实测的涂层厚度与宽度分别为1.19 mm与5.09 mm，相对误差分别为0.8%与0.2%。
实施例2
采用单道激光－感应复合熔覆的方法制备Ni基WC涂层，所使用的激光－感应复合熔覆工艺如下：激光功率P为3 kW，激光扫描速度Vs为2000 mm/min，激光光斑直径D为5 mm，自动送粉器的送粉率为52.24 g/min，涂层稀释率为6.5%：所使用的合金粉末由80wt.% Ni基合金粉末与20wt.%WC颗粒组成，其中，Ni基合金粉末的密度为7.83g/cm3，WC颗粒的密度为15.6 g/cm3。
采用该方法计算单道激光－感应复合熔覆的涂层厚度为0.6mm，实测的涂层厚度为0.58，相对误差为3.4%；计算的涂层宽度为4.25mm，实测的涂层宽度4.35mm，相对误差为2.3%。经自动调节激光－感应复合熔覆工艺参数后，计算的涂层厚度与宽度分别为0.58mm与4.25mm，实测的涂层厚度与宽度分别为0.585 mm与4.26 mm，相对误差分别为0.85%与0.23%。
实施例3
采用单道激光－感应复合熔覆的方法制备Ni基WC涂层，所使用的激光－感应复合熔覆工艺如下：激光功率P为5 kW，激光扫描速度Vs为3000 mm/min，激光光斑直径D为6 mm，自动送粉器的送粉率为82.67 g/min，涂层稀释率为8.5%：所使用的合金粉末由80wt.% Ni基合金粉末与20wt.%WC颗粒组成，其中，Ni基合金粉末的密度为7.83g/cm3，WC颗粒的密度为15.6 g/cm3。
采用该方法计算单道激光－感应复合熔覆涂层厚度为0.73mm，实测为0.7mm，相对误差为4.3%；计算的涂层宽度为5.10 mm，实测的涂层宽度5.07 mm，相对误差为0.59%。经自动调节激光－感应复合熔覆工艺参数后，计算的涂层厚度与宽度分别为0.78mm与5.10mm，实测的涂层厚度与宽度分别为0.783 mm与5.14 mm，相对误差分别为0.38%与0.78%。