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焊接時通常采用聚焦方式會聚激光,一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比,焦距越短,光斑越小。但焦距長短也影響焦深,即焦深隨著焦距同步增加,所以短焦距可提高功率密度,但因焦深小,必須保持透鏡與工件的間距,且熔深也不大。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響,實際焊接使用的焦深多為焦距126mm(5”)。近年來在模具、齒輪等零部件表面強化方面也得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時,可選擇254mm(10”)焦距的透鏡,在此情況下,為了達到深熔小孔效應(yīng),需要更高的激光輸出功率(功率密度)。
當(dāng)激光功率超過2kW時,特別是對于10.6μm的CO2激光束,由于采用特殊光學(xué)材料構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng),為了避免聚焦透鏡遭光學(xué)破壞的危險,經(jīng)常選用反射聚焦方法,一般采用拋光銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻,它常被推薦用于高功率激光束聚焦
激光熔覆具有以下特點:
(1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。
(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合,通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;
(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。
(4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;
(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,
(6)能進行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有的性能價格比;
(7)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;
(8)工藝過程易于實現(xiàn)自動化。
數(shù)控機床鑲鋼導(dǎo)軌的激光淬火技術(shù)應(yīng)用
(1)預(yù)備熱處理
導(dǎo)軌經(jīng)鍛造后,進行常規(guī)的正火及調(diào)質(zhì)處理,以細化晶粒,改善組織結(jié)構(gòu),降低內(nèi)應(yīng)力,并為后續(xù)激光淬火做好組織準(zhǔn)備。
(2)激光淬火設(shè)備及工藝參數(shù)
采用國產(chǎn)31.5kW二氧化碳激光器及激光加工機床,激光輸出功率P=900W,光斑直徑為4mm,離焦量d=240mm,掃描速度v=10m/s。
經(jīng)上述工藝處理后的導(dǎo)軌,淬火區(qū)淬硬層深度為0.58mm,硬化帶寬為4.47mm,硬化層組織為細針狀馬氏體 部分殘留奧氏體,表面硬度為724~797HV0.1,相當(dāng)于61~64HRC。
(3)磨損試驗
磨損試驗結(jié)果表明,當(dāng)激光掃描淬火花紋為45°斜線(與導(dǎo)軌棱邊成45°斜線,(棱形)硬化面積為40%時,導(dǎo)軌耐磨性高。