专利名称：一种分布式激光点状合金化方法
技术领域：
本发明涉及一种通过激光对金属材料表面进行处理的方法，特别涉及利用激光对金属表面合金强化技术，属于激光加工领域。
背景技术：
通过激光对金属材料表面进行处理，以提高表面的耐磨性、耐腐蚀性以及抗疲劳性能，已经在工业上得到了广泛的应用。例如，激光表面淬火可以使灰铸铁发动机缸套的耐磨性提高3～7倍。激光冲击硬化可以大大改善某些零件的抗疲劳性能。
常规的激光表面处理技术包括激光相变硬化(也叫激光淬火)、激光熔凝、激光合金化等。它们都是以激光束为热源，使金属表面被加热到一定温度(发生固体相变，或熔化)，当激光束移走或停止作用后，由于金属基体的热传导作用，激光作用区域(或熔池)快速冷却，从而得到过饱和固溶体、介稳相，甚至得到非晶，达到改善表面耐磨性、耐腐蚀性的目的。如果在激光作用的同时送入特定配比的合金粉末，或是在材料表面预涂一层特定配比的合金粉末，通过激光的快速加热及随后的快速冷却作用，将形成与基体材料成分不同的、性能优于基体的合金化区域。
采用以上技术对材料表面作改性处理时，面临的主要问题之一是激光束的光斑较小，为了大面积覆盖表面，必须以连续扫描搭接的方式进行处理，而在搭接区极易形成回火软化和微裂纹，当多道搭接时，一方面形成软硬带，即回火软化区和激光硬化区，另一方面微裂纹横贯扫描道形成长裂纹。这是制约激光大面积强化技术进入大规模产业化应用的重要原因。
中国专利CN92113223.9公开了一种“高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法”，即激光毛化技术，它是传统毛化技术——喷丸毛化、电火花毛化的发展，它利用激光在工件(如轧辊)表面形成具有一定形貌分布的、离散的微坑，通过轧制，将轧辊上的微坑形貌复制到被轧制的金属板材上，在板材上形成具有一定分布的、一系列的凸台和凹槽，从而改善钢板的深冲性、延伸率和涂漆光亮度。激光毛化技术是提高产品附加值，生产优质产品的重要手段之一。任何毛化技术，其目的都是为了获得一定的表面形貌(包括点的分布规律和每个微坑的形貌)，微坑直径一般在50～150μm，深度约20～50μm。经过毛化处理，工件的使用寿命有所提高，这主要是因为离散分布的强化点在一定程度上阻止了裂纹的扩展，但是，毛化技术的主要目的并不在于提高工件的使用寿命，从提高材料表面的强韧性来看，毛化技术所得到的强化深度和区域远远满足不了实际应用的要求。
发明内容
本发明提供一种分布式激光点状合金化方法，其目的是为了克服激光连续搭接扫描所引起的回火软化和裂纹倾向严重等问题，同时也解决了激光毛化技术仅仅获得一定的表面形貌，而不能对所加工的表面进行深度的强韧化处理，大幅度提高工件使用寿命的问题。
本发明的技术方案如下一种分布式激光点状合金化方法，其特征在于该方法按以下步骤进行(1)对工件表面进行预处理；(2)根据基体材料及工件的使用工况配制合金粉末；(3)将配好的合金粉涂覆在基体表面或装入送粉器；(4)将工件置于工作台上，用功率密度为105～107W/cm2、脉冲宽度τ为0.1s≤τ≤1.0s的脉冲激光束逐点加工工件表面，使激光作用点产生小孔效应，基体与合金粉在激光作用下形成混合熔池，熔池快速冷却后形成包括合金化区与固态相变区两部分在内的激光合金化点，所述的激光合金化点为圆形或椭圆形，其深宽比n＝0.3～1；对于圆形合金化点，n=HD,]]>对于椭圆形合金化点，n=Hb,]]>其中，H为合金化点的深度，D为激光合金化点的直径，b为椭圆的宽度；(5)对工件表面进行后处理。
本发明所述的方法中，同一行的激光合金化点以相等间距L分布，行与行之间相互平行，下一行的点正对上一行两点的中间；所述的行与行之间点的最小距离为c，对于圆形合金化点，直径D与L和c满足如下关系D<L<32Dc=L,]]>点的分布呈等边三角形；对于椭圆形合金化点，椭圆的长度a、宽度b与L和c之间满足如下关系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>点分布呈等腰三角形。
本发明的技术特征还在于所述的圆形激光合金化点的直径D的范围是0.2mm≤D≤3.0mm；对于椭圆形激光合金化点，椭圆长度a与椭圆宽度b满足关系1.0<ab≤3.0,]]>a的范围是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范围是0.2mm≤b≤3.0mm。
本发明所述的脉冲激光逐点加工有如下几种实施方式A.工件受工作台的控制可在水平面内沿两个互相垂直的方向作二维运动，激光束固定不动并由水平面上方垂直入射到工件上。
B.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线转动，激光束先固定不动并垂直入射到工件表面，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，进行下一周绕轴线的加工。
C.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线连续转动，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件轴线方向匀速移动，在系统控制下，激光束运动的轨迹在工件的表面呈螺旋线。
D.工件为一轴对称体，表面形状复杂，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线连续转动，激光束既可以在平面内沿两个相互垂直的方向移动，也可以在2π立体角内转动，以保证激光束垂直入射在形状复杂的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，重新对焦，进行下一周绕轴线的加工。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果利用高功率密度激光作用在金属表面产生的小孔效应，使涂覆在金属表面的或通过送粉器加入的高性能合金粉与金属基体形成混合熔池，当激光停止作用后，熔池的快速冷却过程产生的介稳相、过饱和固熔体以及晶粒细化等效应，在材料表面形成一系列高深宽比、大深度的合金化点，减小了大面积连续扫描搭接的应力积累，克服了激光连续扫描搭接方法引起的搭接区回火软化问题，加大了表面强化层的深度，阻断了表面裂纹扩展的路径，延缓了工件表面长裂纹的形成时间，从而延长了工件的使用寿命。同时，优化设计的合金化点及其分布形态提高了材料的磨损性能，激光合金化点与未合金化的基体共同形成强韧相间的抗疲劳、耐磨损的表面。
图1a、图1b分别为圆形激光合金化点的平面和剖面示意图。
图2a、图2b分别为椭圆形激光合金化点的平面和剖面示意图。
图3表示一种激光合金化点的等边三角形分布方式。
图4表示一种椭圆型激光合金化点的等腰三角形分布方式。
1-合金化区，2-热影响区，3-基体，4-激光合金化点，D-激光合金化点的直径，H-激光合金化点的深度，a-椭圆形激光合金化点的长度，b-椭圆形激光合金化点的宽度，L-激光合金化点之间的距离，c-相邻两行间激光合金化点的距离。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
首先用有机溶剂清洁工件表面的油污和锈蚀，所述的有机溶剂包括无水乙醇、丙酮。对于表面有重油污的情况，可用汽油浸泡除油，对于有较严重锈蚀的表面，可用稀盐酸除锈，或用金相砂纸打磨后再除锈，直至表面光亮，无锈迹；再根据基体材料及工件的使用工况配制合金粉末；将配好的合金粉用粘结剂调匀刷涂或喷涂在工件表面或装入送粉器；送粉器包括送粉盘、喷嘴、气体质量流量计、保护气路、送粉气路及送粉控制系统。将工件置于工作台上，用功率密度为105～107W/cm2、脉冲宽度τ为0.1s≤τ≤1.0的脉冲激光束逐点加工工件表面，使激光作用点产生小孔效应，即在激光作用下材料蒸发形成的高温蒸汽小孔，小孔四壁包围着液态金属，液态金属四周是固态的基体材料。金属基体与合金粉在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深宽比n＝0.3～1的合金化点，并且合金化点的分布呈一定几何形状；激光合金化点包括合金化区1和固态相变区2两部分(如图1、2所示)。所述的激光合金化点可以是圆形，也可以是椭圆形，其深宽比n＝0.3～1；对于圆形合金化点，n=HD,]]>对于椭圆形合金化点，n=Hb,]]>其中，H为合金化点的深度，D为激光合金化点的直径(如图1)，b为椭圆的宽度(如图2)。工件加工后，需要对其表面进行精磨等后处理，以达到所要求的表面粗糙度。
为了使所述的同一行的激光合金化点以相等间距L分布，行与行之间应相互平行，下一行的点正对上一行两点的中间；所述的行与行之间点的最小距离为c，对于圆形合金化点，直径D与L和c满足如下关系D<L<32Dc=L,]]>点的分布呈等边三角形(如图3)；对于椭圆形合金化点，椭圆的长度a、宽度b与L和c之间满足如下关系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>点分布呈等腰三角形(如图4)。
本发明的脉冲激光逐点加工包括两种情况一是激光脉冲作用时，工件与激光束之间无相对运动，当激光停止作用时，工件与激光束才有相对运动，这时得到的激光合金化点为圆形(如图1)；二是指激光脉冲作用时间极短，而工件移动速度极慢，以至于在这段时间内，工件只移动了很短的距离，这种情况下得到的合金化点通常为拉长的圆形，称椭圆形(如图2)。圆形激光合金化点的直径D的范围是0.2mm≤D≤3.0mm；对于椭圆形激光合金化点，椭圆长度a与椭圆宽度b满足关系1.0<ab≤3.0,]]>a的范围是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范围是0.2mm≤b≤3.0mm。
本发明的激光逐点加工至少有如下几种实施方式A.工件受工作台的控制可在水平面内沿两个互相垂直的方向作二维运动，激光束固定不动并由水平面上方垂直入射到工件上。
B.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线转动，激光束先固定不动并垂直入射到工件表面，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，进行下一周绕轴线的加工。
C.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线连续转动，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件轴线方向匀速移动，在系统控制下，激光束运动的轨迹在工件的表面呈螺旋线。
D.工件为一轴对称体，表面形状复杂，置于工作台上时其轴线在水平方向，并可绕其轴线连续转动，激光束既可以在平面内沿两个相互垂直的方向移动，也可以在2π立体角内转动，以保证激光束垂直入射在形状复杂的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，重新对焦，进行下一周绕轴线的加工。
实施例1本发明用于强化孔型轧辊的方法如下1)用汽油、酒精等有机溶剂清洁轧辊表面，直至表面光亮，无锈迹；2)按Fe∶C∶Si∶B＝(40～60)∶(5～10)∶(5～10)∶(1～3)的重量比配制合金粉，将配好的合金粉装入送粉器；3)将轧辊置于工作台上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动；4)打开YAG激光器及送粉器控制系统，调节激光束的方向使激光垂直入射到孔型轧辊的辊面，用脉冲宽度τ为0.1s、功率密度为107W/cm2的激光逐点加工工件表面，使激光作用点产生小孔效应，金属基体与送入的粉末在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深宽比n＝1，直径D＝0.2mm的圆形合金化点；5)每加工完一点，轧辊就转动一定的角度，使轧辊表面移动0.3mm，加工完一周，激光束沿轧辊轴线方向移动0.25mm，并重新对焦，进行下一周的逐点加工，最终使轧辊表面激光合金化点呈图3所示的边长c＝L＝0.3mm的等边三角形分布；6)对轧辊表面进行精磨处理，使其达到所要求的表面粗糙度。
实施例2本发明用于强化球墨铸铁轧辊的方法如下1)用汽油、酒精等有机溶剂清洁轧辊表面，直至表面光亮，无锈迹；2)按Fe∶C∶Si∶B＝(40～60)∶(5～10)∶(5～10)∶(1～3)的重量比配制合金粉，将配好的合金粉与粘结剂混合后涂覆在轧辊的表面；3)待涂层干躁后，将轧辊置于工作台上，其轴线沿水平方向，并可绕轴转动；4)打开CO2激光器及其控制系统，调节激光束使其垂直入射到轧辊表面，用脉冲宽度τ为1.0s、用功率密度为105W/cm2的激光逐点加工工件表面，使激光作用点产生小孔效应，金属基体与预涂的粉末在激光作用下形成混合熔池，激光停止作用后，熔池快速凝固得到深宽比n＝0.3，长度a＝9.0mm，宽度b＝3.0mm的椭圆形合金化点；5)通过控制系统控制轧辊的转动和激光束的沿轴向匀速移动，使激光束运动的轨迹在轧辊表面呈螺旋线，最终激光合金化点在轧辊表面呈图4所示的L＝8.9mm，c＝5.37mm的等腰三角形分布；6)对轧辊表面进行精磨，使其达到所要求的表面粗糙度。
权利要求
1.一种分布式激光点状合金化方法，其特征在于该方法按以下步骤进行(1)对工件表面进行预处理；(2)根据基体材料及工件的使用工况配制合金粉末；(3)将配好的合金粉涂覆在基体表面或装入送粉器；(4)将工件置于工作台上，用功率密度为105～107W/cm2、脉冲宽度τ为0.1s≤τ≤1.0s的脉冲激光束逐点加工工件表面，使激光作用点产生小孔效应，使基体与合金粉在激光作用下形成混合熔池，熔池快速冷却后形成包括合金化区与固态相变区两部分在内的激光合金化点，所述的激光合金化点为圆形或椭圆形，其深宽比n＝0.3～1；对于圆形合金化点，n=HD,]]>对于椭圆形合金化点，n=Hb,]]>其中，H为合金化点的深度，D为激光合金化点的直径，b为椭圆的宽度；(5)对工件表面进行后处理。
2.按照权利要求1所述的分布式激光点状合金化方法，其特征在于所述的同一行的激光合金化点以相等间距L分布，行与行之间相互平行，下一行的点正对上一行两点的中间；所述的行与行之间点的最小距离为c，对于圆形合金化点，直径D与L和c满足如下关系D<L<32Dc=L,]]>点的分布呈等边三角形；对于椭圆形合金化点，椭圆的长度a、宽度b与L和c之间满足如下关系a<L≤32ab2+L24<c<L,]]>点分布呈等腰三角形。
3.按照权利要求2所述的分布式激光点状合金化方法，其特征在于所述的圆形激光合金化点的直径D的范围是0.2mm≤D≤3.0mm；所述的椭圆形激光合金化点，椭圆长度a与椭圆宽度b满足关系1.0<ab≤3.0,]]>a的范围是0.2mm＜a≤9.0mm，b的范围是0.2mm≤b≤3.0mm。
4.按照权利要求1所述的所述的分布式激光点状合金化方法，其特征在于所述的脉冲激光逐点加工有如下几种实施方式A.工件受工作台的控制可在水平面内沿两个互相垂直的方向作二维运动，激光束固定不动并由水平面上方垂直入射到工件上；B.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并绕其轴线转动，激光束先固定不动并垂直入射到工件表面，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，进行下一周绕轴线的加工；C.工件为一圆柱体，置于工作台上时其轴线在水平方向，并绕其轴线连续转动，激光束垂直入射到工件表面，并沿工件轴线方向匀速移动，在系统控制下，激光束运动的轨迹在工件的表面呈螺旋线；D.工件为一轴对称体，表面形状复杂，置于工作台上时其轴线在水平方向，并绕其轴线连续转动，激光束既在平面内沿两个相互垂直的方向移动，也在2π立体角内转动，以保证激光束垂直入射在形状复杂的工件表面，激光束的定位精度不大于0.1mm，绕轴线加工完一周之后，激光束沿工件轴线方向移动一定距离，重新对焦，进行下一周绕轴线的加工。
全文摘要
一种分布式激光点状合金化方法，本发明涉及一种激光表面合金强化技术。该方法利用高功率密度激光作用在金属表面产生的小孔效应，使涂覆在金属基体表面的或通过送粉器加入的高性能合金粉与金属基体形成混合熔池，由随后的快速凝固形成包括合金化区与固态相变区两部分在内的合金化点，控制激光束逐点加工，从而在材料表面形成一系列具有一定几何分布的、高深宽比的合金化点，实现分布式大面积深度强化。本发明减小了扫描搭接的应力积累，克服了搭接区回火软化问题，阻断了表面裂纹扩展的路径，优化设计的合金化点及其分布形态提高了表面的耐磨性，合金化点与基体共同形成强韧相间的抗疲劳、耐磨损的表面，能大幅提高工件的使用寿命。
文档编号B23K26/14GK1831195SQ20061001167
公开日2006年9月13日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者刘文今, 李正阳, 钟敏霖, 何金江, 杨林, 王海龙 申请人:清华大学