修复专家——激光金属熔敷LMD

   2018-06-11 48
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激光金属熔敷(LMD)用于表面处理,可有效改善零件的表面性能,同时又能节省资源和成本。

由磨削、冲蚀、高压、加热、酸性和潮气引起的磨损和腐蚀,不仅仅出现在石油钻探工业中。令人棘手的材料磨损和昂贵部件的损坏问题,在航空航天,机械工业和许多重工业领域,也导致大量的花费。针对这些问题,通常采用热处理、机械加工、电化学以及其它表面处理方法。近期研究较多并行之有效的方法是激光金属熔敷(LMD),该方法是美国在20世纪70年代发展起来的,但是在最初几年内一直限制在军事领域、实验室和一些科学研究机构里面。只是在最近几年,这种基于激光技术的焊接工艺才开始用于自动化工业中。

激光熔敷焊接有多种用途。例如,表面处理可用在采油设备上,可以优化特定材料的性能并可满足特殊的要求。通过结合不同材料,工程师们可以确定部件表面的优良性能。不同的金属粉末可以交替沉积,形成特有熔敷层,韧性好的材料可同时具有坚硬的表面,绝热基体可熔敷上导电层。除了改善部件质量外,LMD还可节约资源和成本。在价格便宜的母材如铸铁上沉积薄层高质量材料,也已得到了广泛应用。

利用这一方法大大提高了修复部件的可行性。激光熔敷可以修复损坏的结构,从而不必废弃或更换远未达到使用寿命的部件。例如飞机的发动机通常可以被修复。当小鸟撞击造成叶片损坏时,采用LMD进行修复比更换新零件时间短,费用省,价格仅为新零件的1/6~1/7,而且修复后叶片的质量和可靠性与新零件相差无几。另外,汽车制造者常采用激光沉积来修复昂贵的成形模具。除了这些在工业上的全自动化应用外,也有送丝或半自动化粉末喷嘴的人工操作系统,例如应用于模具和工具结构件的修复。对于那些需要细微的修改或设计变化的产品以及对于错误工艺的修改,激光焊接工艺可以大大降低成本。沉积可在短时间、低成本和不费力的情况下修改错误,实现零件预设尺寸,修复老化零件,同时保留了原有零件的材料性能和承载能力。

固体激光器和CO2激光器均可用于激光熔敷焊接。激光特有的性能,如聚焦性和能量密度,使其成为金属层连接的理想工具。与其他焊接方法相比,LMD的结合性能好,具有很好的可靠重复性,热影响区很小,快速冷却可实现无变形焊接。不同的材料可以混合在一起,而且可以在一些传统焊接方法不能达到的区域和部位实现焊接。对于精密焊接,激光束可以聚焦到小于50μm的范围。如果需要大片的平面熔敷层,可采用使激光束离焦的办法。激光能量可被精确控制,过热输入造成的焊接熔透或接合处变形的可能性很小。沉积速度可高达300cm3/h,这与光斑尺寸、激光功率和运行速度有密切关系。视具体应用情况而定,熔敷层厚度范围为0.1~2mm。添加材料通常都是很昂贵的,沉积过程中粉末利用率可达90%。

工件的基体材料通常是铁、镍、钛或钴的合金。添加材料除可以与基体材料完全相同以外,也可以是以钴或镍为基的钨、钛和铬的碳化物。构件可以通过铣、磨、钻、车、腐蚀或热进行处理,然后用物理气相沉积法(PVD)或化学气相沉积法(CVD)对工件进行抛光、侵蚀和涂覆。

激光熔敷焊是一种具有多种潜在用途的新的焊接方法,目前主要用于材料的修复。修复焊具有显著的附加值,过程花费很少。但另一方面,通过系统地接合材料来改善工件特定性能的技术还不够成熟,所以完全采用这种激光熔敷焊的修复方法相对还比较少。零件的几何尺寸范围、加工批量和多种工艺参数及其变量对整个焊接系统和激光技术都提出了挑战。目前,这种激光熔敷焊接技术主要广泛应用于航海、航空、制造业、农机等领域,同时,一些高端产品的制造商也利用这种技术生产发动机。

 
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