利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层的方法与流程

本发明涉及金属材料的增材制造领域，尤其是利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层的方法。

背景技术：

铍青铜工件是以铍(be)元素为基本合金元素的铜合金(be的质量分数：1.7％～2.5％)。铍溶于铜中形成子固溶体。be在铜中的溶解度随温度变化很大，在886℃时，达到最大溶解度为2.7％，而在室温下仅为0.2％。铍青铜的力学性能与be的质量分数及热处理有关，be的含量增加，铍青铜的强度和硬度急剧升高，但是韧性会随之下降。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层的方法，利用机器人控制毛化加工头、预热加工头和熔覆加工头分别提供小圆形、方形和大圆形三种激光光斑在铍青铜表面协同工作进行毛化、预热和加工，以在铍青铜铜辊表面实现铁基涂层的制备。

为达成上述目的，本发明提出一种利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层的方法，在制备过程中，通过控制毛化加工头、预热加工头和熔覆加工头分别提供小圆形、方形和大圆形三种激光光斑在铍青铜铜辊表面协同工作，对铍青铜铜辊表面的铁基粉末进行熔覆加工，实现铁基涂层的制备；

其中，所述制备过程为复合工艺，三个加工头朝向熔覆方向同步运动，先利用小圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行毛化处理，然后利用方形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行预热，预热后再通过大圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面的铁基粉末进行熔覆处理，制备铁基涂层。

进一步地，所述的大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部。更优选地，所述的大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部并且在熔覆方向处于方形激光光斑的后半段。如此，在三个激光加工头沿着熔覆方向同步运动过程中，先经过小圆形光斑进行毛化处理，在通过方形光斑的前半段对于毛化的基材表面进行快速预热处理，在最短的时间内达到最大的温度要求，然后在后半段通过大圆形光斑与方形激光光斑的复合能场，实现涂层熔覆。

进一步地，所述熔覆加工头垂直于铍青铜铜辊的轴向表面，预热加工头与毛化加工头分布于熔覆加工头的两侧。

进一步地，预热加工头与毛化加工头与熔覆加工头之间形成一角度α安装，其中α在30°-45°。

进一步地，所使用的铁基粉末为jg-8铁基粉末，其粒径为25～53μm，其质量百分比组成为：c：0.11％，cr:17.28％，si:0.98％，mn:0.26％，ni:2.92％，mo:0.34％，余量为铁。

进一步地，所述毛化加工头提供的小圆形激光光斑的直径为2mm，其焦距为300mm；所述预热加工头提供的方形激光光斑的长为22mm，宽为5mm，其焦距为400mm；所述熔覆加工头提供的大圆形激光光斑的直径为4.4mm，其准直为105mm，焦距为300mm，其中大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部。

进一步地，所述大圆形激光光斑的圆心位置在距离方形光斑的左宽6mm处，小圆形光斑的圆心位置在距离方形光斑的右宽3mm处。

进一步地，在制备过程中，毛化加工头的功率为4000w，预热加工头的功率为2900w，熔覆加工头的功率为2600w，激光光束扫描速度均为10mm/s；送粉速度为1.0r/min，氩气保护流量为40l/min，送粉载气量为6.7l/min，单道宽度为4.4mm，搭接率为50％。

进一步地，在制备过程中，所述毛化加工头所使用的激光器为ldf10000-100，使用的光纤为1000μm，预热加工头所使用的激光器为ldf10000-100，使用的光纤为1000μm；熔覆加工头所使用的激光器为ldf4000-60，使用的光纤为600μm。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层过程中三个激光加工头与铍青铜铜辊工件的位置关系示意图。

图2是本发明制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层过程中使用的三个激光光斑的位置关系示意图。

图3a、3b为采用普通熔覆工艺所得到的涂层的金相图。

图4为采用本专利的熔覆工艺得到的涂层的金相图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

激光熔覆技术以其热源可控和快速凝固、具有结合强度高和组织细化等特点，在航空航天、化工、模具、机械、钢铁等行业得到广泛的应用。但激光熔覆工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括熔覆层内的气孔、裂纹、粗大柱状晶粒等缺陷以及由于激光熔覆过程中急热骤冷而产生的较大残余应力。目前对于这些缺陷的解决主要包括通过添加某些特殊合金元素或稀土氧化物，或通过优化激光熔覆工艺及预热和后热等措施来减轻这些问题，但以上措施对消除激光熔覆层裂纹、孔隙及残余应力没有突破性进展。

利用激光熔覆工艺在铍青铜的表面制备铁基涂层的关键点一是在于对于激光功率的把控，如果功率过低，工件表面的铜并不能融化，无法形成冶金结合；而激光功率过高，会导致工件表面的铜融化过多，使得熔池的亮度增加，烟尘和飞溅会变大，最终影响熔覆层的质量。关键点二是铍青铜的激光熔覆加工需要在一定温度下进行，这就需要我们进行前置的预热处理，而普通的激光预热并不能在规定时间内使工件表面达到满足要求的温度。

结合图1-图2所示，本发明提出一种利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面铁基涂层的方法，即利用机器人控制毛化加工头、预热加工头和熔覆加工头分别提供小圆形、方形和大圆形三种激光光斑在铍青铜表面协同工作进行毛化、预热和加工，以在铍青铜铜辊表面实现铁基涂层的制备。

其中，首先通过激光毛化处理，可使铍青铜工件表面的粗糙度提高，增加其对激光能量的吸收，这一步骤可以使得之后进行的预热处理能够在最短的时间内为工件表面提供最大的温度，以满足铍青铜熔覆加工的前置温度要求。

结合附图所示，本发明的利用三激光协同制备铍青铜铜辊表面高硬度铁基涂层过程中，通过控制毛化加工头、预热加工头和熔覆加工头分别提供小圆形、方形和大圆形三种激光光斑在铍青铜铜辊表面协同工作，对铍青铜铜辊表面的铁基粉末进行熔覆加工，实现铁基涂层的制备；

其中，所述制备过程为复合工艺，三个加工头朝向熔覆方向同步运动，先利用小圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行毛化处理，然后利用方形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行预热，预热后再通过大圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面的铁基粉末进行熔覆处理，制备铁基涂层。

进一步地，大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部。更优选地，所述的大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部并且在熔覆方向处于方形激光光斑的后半段。如此，在三个激光加工头沿着熔覆方向同步运动过程中，先经过小圆形光斑进行毛化处理，在通过方形光斑的前半段对于毛化的基材表面进行快速预热处理，在最短的时间内达到最大的温度要求，然后在后半段通过大圆形光斑与方形激光光斑的复合能场，实现涂层熔覆。

应当理解，本发明的以上以及以下将要描述的各个实施例中，大圆形激光光斑和小圆形激光光斑是相对而言的，是指二者之间具有相对的大小关系。

同时，结合本发明的目的，毛化加工头提供的小圆形激光光斑的目的在于通过小圆形激光光斑的高能量、高重复频率的激光束在聚焦后照射到轧辊表面实施预热和强化，聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池。优选地，还可以通过侧吹装置对微小熔池施以一定的压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物能够尽量堆积到融池边缘形成圆弧形凸台(峰值数)，并能有效的避免残余应力集中、韧性降低等现象。同时，在后续的熔覆成型过程中，表面微坑(凸台形成的)还具有储油和冷却作用，还可容纳成型过程中产生的金属屑，减少成型表明划伤，提高工件质量。

结合图1，熔覆加工头垂直于铍青铜铜辊的轴向表面，预热加工头与毛化加工头分布于熔覆加工头的两侧。进一步地，预热加工头与毛化加工头与熔覆加工头之间形成一角度α安装，其中α在30°-45°，以尽可能避免各加工头之间相互干涉，影响熔覆质量。

更加优选的是，在制备过程中，保持三个加工头的激光光束扫描速度一致。

下面结合具体的示例，对本发明的实施过程进行更加细致的说明。

本实施例中，采用直径为840mm的铍青铜铜辊作为基材，总重8吨，激光熔覆粉末采用jg-8粉末，其粒径为：25～53μm，其质量百分比组成为：c：0.11％，cr:17.28％，si:0.98％，mn:0.26％，ni:2.92％，mo:0.34％，余量为铁。

毛化加工头提供的小圆形激光光斑的直径为2mm，其焦距为300mm；所述预热加工头提供的方形激光光斑的长为22mm，宽为5mm，其焦距为400mm；所述熔覆加工头提供的大圆形激光光斑的直径为4.4mm，其准直为105mm，焦距为300mm，其中大圆形激光光斑位于方形激光光斑的内部。

如图2，大圆形激光光斑的圆心位置在距离方形光斑的左宽6mm处，小圆形光斑的圆心位置在距离方形光斑的右宽3mm处。

在制备过程中，控制毛化加工头的功率为4000w，预热加工头的功率为2900w，熔覆加工头的功率为2600w，激光光束扫描速度均为10mm/s；送粉速度为1.0r/min，氩气保护流量为40l/min，送粉载气量为6.7l/min，单道宽度为4.4mm，搭接率为50％。

进一步地，在制备过程中，毛化加工头所使用的激光器为ldf10000-100，使用的光纤为1000μm，预热加工头所使用的激光器为ldf10000-100，使用的光纤为1000μm；熔覆加工头所使用的激光器为ldf4000-60，使用的光纤为600μm。

加工使用的平台为7m铸铁平台与60kuka机器人组合，送粉管为内径1.5mm的玻璃管，送粉高度为40mm。

结合图1、2所示，本发明示例性的在铍青铜铜辊进行铁基涂层制备的示例性的加工过程如下：

1、预先将铍青铜铜辊在夹具上固定并夹紧，使用酒精清洗铜辊表面，并等待其干燥；

2、打开激光器，调至输出为指导红光，操作机器人将毛化加工头、预热激光头与熔覆激光头调整至加工位置上，使得激光光斑位置如图2所示；

3、调整三个加工头之间的位置和角度，如图1所示的安装夹角α角的大小为30°，使三者在熔覆加工过程相互不干涉；

4、输入加工头的加工参数：熔覆加工头的激光器所采用的工艺参数为：激光功率4000w，激光光束扫描速度为10mm/s；预热加工头的激光器所采用的工艺参数为：激光功率2900w，激光光束扫描速度为10mm/s；熔覆加工头的激光器所采用的工艺参数为：激光功率2600w，激光光束扫描速度为10mm/s，光斑直径为4.4mm；

保护气体氩气的流速为40l/min；进给量为10mm/s，搭接率为50％；

5、上述设置完成后，打开送粉器，送粉速度调至1.0r/min，送粉载气量调至6.7l/min。启动激光器与机器人，使得三个激光头保持同步工作，进行激光扫描，如前述的，在铍青铜铜辊基材表面沿着熔覆方向同步移动，先利用小圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行毛化处理，然后利用方形激光光斑对铍青铜铜辊表面进行预热，预热后再通过大圆形激光光斑对铍青铜铜辊表面的铁基粉末进行熔覆处理，制备铁基涂层；沿预设的路径进行激光熔覆加工，最终耗时58.1小时完成。

6、关闭激光器，等待工件自然冷却并取下。

如前述实施例的熔覆加工过程，在三个激光加工头沿着熔覆方向同步运动过程中，先经过小圆形光斑进行毛化处理，在通过方形光斑的前半段对于毛化的基材表面进行快速预热处理，在最短的时间内达到最大的温度要求，然后在后半段通过大圆形光斑与方形激光光斑的复合能场，实现涂层熔覆。

至此，通过本发明的三激光协同的方式，制备得到铍青铜铜辊表面铁基涂层。结合图3a-3b以及图4的对比可见，当使用普通熔覆工艺在铍青铜工件表面制备铁基涂层时，如附图3a所示，涂层与基材之间的结合较差，甚至完全不能结合。如附图3b所示的另一采用普通熔覆工艺制备的涂层，其内部多气孔，严重影响涂层的质量，使其不能达到工业的应用标准。而采用本专利的三激光协同(激光光斑协同)的熔覆工艺在铍青铜工件表面制备铁基涂层时，制得的涂层的金相图如附图4所示。，可以看到，涂层与基材之间形成冶金结合，同时，涂层内部基本没有气孔等缺陷，达到了其工业应用标准。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。