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激光金属成形
五轴联动激光金属成形技术及应用
材料来源:激光世界           录入时间:2011-2-10 15:32:42

Thomas Peters瑞士Sulzer Innotec公司

 

激光金属成形技术日益在工件的制造和修复中获得了广泛应用。除了能获得较小的工件变形外,激光金属成形技术的另一个显著优势是其能大幅提升材料的可焊性,即使是那些难以焊接的材料,如高温镍合金和高碳钢。激光金属成形技术最典型的应用是燃气涡轮叶片或模具的修复焊接。


   工作原理
   激光金属成形是利用金属粉末作为填充材料,通过一个粉末喷嘴将金属粉末送入一个由激光束创建的熔池中(见图1)。整个加工过程可以用计算机实现数字化控制(CNC),获得精细的焊接轨迹。激光成形技术也可用于在工件表面上增加覆层,就像在骨架肋板和工件边缘上堆焊一样。


     
   图1:激光金属成形的工作原理:激光金属成形使用金属粉末作为填充物,金属粉末通过一个粉末喷嘴被送到由激光束创建的熔池中。


   瑞士Sulzer Metco公司在激光金属成形技术领域有着多年的经验。该公司提供的粉末给料机,能够保证金属粉末恒定、均匀地流动。这些金属粉末搭载着惰性气体流被输送到粉末喷嘴中,被输送的金属粉末量可以根据应用调节。在这里,惰性载气同时也作为焊接过程的保护气体。


   使用合适的粉末喷嘴,激光金属成形技术甚至可以加工通常与氧气反生强烈反应的钛金属。另外,由于几乎任何材料都可以被雾化,因此在激光金属成形过程中,还可以使用那些无法作为标准粉末使用的特殊材料。      


   铣削加工
   叶轮生产是Sulzer Innotec公司的一项核心生产能力该公司在5轴联动铣削加工方面具有丰富的经验。


   在激光焊接技术中,Sulzer Innotec公司在一个龙门式机器人上装载了一台功率2.2kWCO2激光器和一台1.5kW的光纤激光器系统(见图2),这两台激光器都能实现五轴联动加工。在废气涡轮增压器叶片的修复应用中,利用该系统能获得精细的堆焊轨迹。


     
   图2在激光焊接技术中,Sulzer Innotec公司在一个龙门式机器人上装载了一台功率2.2kWCO2激光器和一台1.5kW的光纤激光器系统。

 


  三维修复焊接
  在五轴联动加工系统中,加工工具(铣床中的铣刀,或者是激光焊接系统中的激光束和粉末喷嘴)可以在组件的表面上按照不同的编程轨迹、以任何入射角连续不断地移动。在激光焊接过程中,激光束能够很理想地调整到与工件表面垂直。


   在废气涡轮增压器的应用案例中,利用激光将充分的材料焊接到涡轮叶片的曲面上,然后再通过研磨或铣削恢复其原来的几何形状。激光的焊接轨迹是根据CAD系统中提供的CAD模型生成的。


    在整个加工过程中,可靠的焊接策略与强大的焊接参数同等重要,这样才能弥补铸模轮的几何偏差。此外,使用同轴粉末喷嘴能够实现均匀焊接,而不用考虑焊接方向问题(见图3)。


     

3涡轮增压器叶尖的修复焊接。

在用光纤激光器系统加工的过程中,带有粉末喷嘴的加工头总是指向下方,从而在三个轴的横向和纵向移动,与此同时,加工头下面的工件在两个轴向移动。加工体积和重量较大的工件时,用龙门式机器人装置中的CO2激光器系统。在这个系统中,两个旋转轴位于加工头上,加工头可以与固定的工件对齐,并且激光束能以任何需要的角度入射运转。

涂覆耐磨层
   针对任何曲面的磨损保护层应用,是五轴联动加工的一个重要应用领域。Stellite是一种基于钴和铬的硬质合金,其除了具有非常大的硬度外,高度抗腐蚀性也是一个突出的特点。当在一个进料螺杆(见图4)上堆焊Stellite合金层时,对其表面的完全覆盖至关重要。因此,必须精心选择焊接加工参数,以确保无裂纹加工。


4:具有Stellite耐磨层的进料螺杆。Stellites是一种基于钴和铬的硬质合金。

 

传统的堆焊通常需要对组件进行预热、并做一些相关的热处理。在激光金属成形加工中,通常可以省略这些工序。在传统的焊接过程中,由于填充物和基体材料之间较大的稀释率,因此必须要加工几个焊接层(或者说是几毫米厚的涂层),才能确保工件表面具有想要的耐磨保护特征。相比之下,激光金属成形过程中,基体材料的稀释较小,因此只需要一个较薄的覆层就能实现想要的耐磨性能。
 

加工尖锐的边缘,例如从进料螺杆的叶片到枢纽(hub)的过渡,是加工过程中的一个额外的挑战(见图5)。在图5中,粉末喷嘴的位置正好处于拐角处(在激光束开启之前)。用气体流输送金属粉末,还能保证熔化面积的清洁,清除之前加工过程中残留的多余粉末。加工过程中的粉末残留是不可避免的,因为开、关粉末流,将会比焊接停顿花费更长的时间。当一处焊接结束后、焊接系统移动到下一个焊接轨迹起点的时候,焊接停顿只持续几秒钟。当然,在CAD系统中编写焊接轨迹的时候,通过精心设计焊接方案,可以优化焊接过程中出现的这些停顿(见图6)。

 
   图5:当焊接螺丝枢纽时,铜粉喷嘴的位置。

 


   图6CAD系统中编写焊接轨迹的时候,通过精心设计焊接方案,可以优化焊接过程中出现的停顿。

组件铠装
   在有极端磨损和冲击负荷的情况下,可在工件的表面堆焊钴或镍基碳化钨层,这样工件就可以获得高达1300HV的硬度。在这个加工过程中,成功的关键在于工件表面的全面铠装,特别是在拐角和边缘的地方。
 
   一个无裂纹的焊接结果并不一定是最重要的因素。相反,加工参数的正确选择,必须要确保涂层不会因为受到冲击力而受损。图7中显示的是对岩石破碎机的锯齿表面进行了完全涂覆,图8中显示的是锯齿边缘的细部图。

7:在岩石破碎机锯齿的涂覆中,必须选择正确的加工参数,以确保涂层在受到冲击力的时候不会受损。


      
    图8:锯齿边缘铠装的细部图。

与传统的手工堆焊相比,激光金属成形加工不但大大减少了加工时间,同时涂层质量也得到了大幅改善。平坦的焊接轨迹、接近完美的工件形状、表面修复工作大大减少(或者已经完全不需要表面修复这道工序了),对于加工如此坚硬的材料来讲,都是非常巨大的优势。


开发加工工艺
激光金属成形的加工参数并不是普遍有效的,但是在每种加工情况下,加工参数都必须要适应材料组合和工件的几何形状。根据不同的应用,需要开发合适的加工工艺过程。在这个过程中,需要做样品焊接以及相应的金相调查。

     Sulzer Innotec公司长期以来在激光金属成形领域积累的丰富经验,帮助其大幅缩短了加工工艺开发过程。焊接结果的评估,是按照焊接技术领域的有效法规或者是根据客户的要求来执行的。另外,Sulzer Innotec公司还提供关于材料和加工方面的咨询,在必要的时候,还可以帮助客户制定一个合适的焊接过程。


小结

在传统的焊接方式或是热喷涂等加工方式不能适用的情况下,或者是要求在预加工和后加工以及工件的设计过程中节省成本的话,那么激光金属成形技术通常是理想的选择。文中提到的用金属粉末作为填充材料的三维(3D)激光堆焊,在激光束和金属粉末流能够保证满足要求的情况下,能够基于CAD模型加工出任何形状。


    激光金属成形通常加工一次就能达到想要的效果,这大大降低了焊接时间,从而也降低了焊接成本。用户将从激光金属成形技术中受益匪浅。

 


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