Beim Laserauftragschweißen handelt es sich um eine Oberflächenmodifizierungstechnologie, bei der ein hochenergetischer Laserstrahl als Wärmequelle verwendet wird, um eine Legierungsbeschichtung mit besonderen Eigenschaften auf einem Substrat abzuscheiden. Es bietet die Vorteile einer geringen Verdünnungsrate, einer kleinen Wärmeeinflusszone, einer hohen Haftfestigkeit mit dem Untergrund und einer geringen Umweltbelastung. Daher wird es häufig bei der Oberflächenreparatur und -verstärkung von Schlüsselkomponenten wie der Automobilherstellung, der petrochemischen Industrie und Bergbaumaschinen eingesetzt.
Laserauftragschweißenist ein komplexer metallurgischer Prozess, der Physik, Chemie und Materialien umfasst. Seine schnellen Erwärmungs- und Abschreckerstarrungseigenschaften führen häufig zu Defekten wie Rissen und Poren in der Mantelschicht. In früheren Studien haben in- und ausländische Wissenschaftler die Mängel von Laserbeschichtungsbeschichtungen hauptsächlich durch Materialdesign und Optimierung der Prozessparameter beseitigt oder reduziert. Allerdings ist es bei hochharten Legierungsbeschichtungen immer noch schwierig, strukturelle Defekte durch eine Änderung des bestehenden Prozesses zu beseitigen, was die Überlegung erfordert, die Erstarrungsstruktur der Beschichtung durch Anlegen eines externen Feldes zu steuern und dadurch die Qualität der Beschichtung zu verbessern. Als externe Feldhilfstechnologie bietet das elektromagnetische Feld die Vorteile verschiedener Kombinationen, guter Steuerbarkeit und Umweltfreundlichkeit. Es wird in den Bereichen Gießen, Schweißen, Laserbearbeitung und anderen Bereichen eingesetzt. Die durch das elektromagnetische Feld erzeugte elektromagnetische Kraft wird zum Rühren der Schmelze verwendet, was zu einer starken Konvektion des flüssigen Metalls im Schmelzbad führen, das Temperaturfeld und die Verteilung der gelösten Stoffe im Schmelzbad homogenisieren und zur Verringerung des Grads der Schmelze beitragen kann Unterkühlung und Verfeinerung der Erstarrungsstruktur.
1 Einflussmechanismus des elektromagnetischen Feldes auf den Laserauftragschweißprozess
Das elektromagnetische Feld ist ein berührungsloses externes Feldhilfsmittel. Während des Laserauftragprozesses interagiert das elektromagnetische Feld mit der Metallschmelze im Schmelzbad und erzeugt so eine elektromagnetische Kraft. Die elektromagnetische Kraft verändert die Konvektionsbewegung sowie den Stoff- und Wärmeübertragungsprozess der Schmelze und beeinflusst dann den Erstarrungsprozess der Mantelschicht. Der Einfluss des elektromagnetischen Feldes auf das Bewegungsverhalten der Schmelze spiegelt sich hauptsächlich in mehreren Aspekten wider, wie dem elektromagnetischen Rühreffekt, dem elektromagnetischen Bremseffekt, dem thermischen elektromagnetischen Flüssigkeitseffekt, dem Elektromigrationseffekt und dem Skin-Effekt. Der Einfluss des elektromagnetischen Feldes auf den Erstarrungsprozess der Schmelze spiegelt sich hauptsächlich in mehreren Aspekten wider, wie z. B. Kornfragmentierung, Atomgruppenfluktuationseffekt und Joule'scher Erwärmungseffekt.
2 Auswirkungen verschiedener elektromagnetischer Feldformen auf die Mikrostruktur und Eigenschaften von Laserbeschichtungen
- Stationäres Magnetfeld: Das stationäre Magnetfeld hilft, die Oberflächenwelligkeit der Beschichtung zu unterdrücken, die Anzahl von Rissen zu reduzieren und die Beschichtungsstruktur zu verfeinern. Das stationäre Magnetfeld kann die Strömungsgeschwindigkeit im Schmelzbad verringern, hat jedoch keinen offensichtlichen Einfluss auf das Temperaturfeld; Wenn die stationäre Magnetfeldstärke einen bestimmten Wert übersteigt, hat sie eine erhebliche hemmende Wirkung auf die Oberflächenwelligkeit der geschmolzenen Schicht.
- Instationäres Magnetfeld: Das magnetische Wechselfeld hat kaum Einfluss auf die Breite und Verdünnungsrate der Mantelschicht, während seine Höhe und sein Kontaktwinkel mit zunehmender Magnetfeldstärke abnehmen und auch die Oberflächenebenheit der Mantelschicht beeinflusst wird die magnetische Feldstärke und Frequenz. Im Vergleich zu den alternierenden und rotierenden Magnetfeldern kann das gepulste Magnetfeld intermittierend auf das Schmelzbad angewendet werden, indem die Stärke und Frequenz des Magnetfelds gesteuert werden. Aufgrund der schnellen Aufheiz- und Abkühlprozesseigenschaften des Laserauftragschweißens ist die Existenzzeit des Schmelzbads jedoch relativ kurz, sodass es relativ wenige Studien zum gepulsten Magnetfeld-unterstützten Laserauftragschweißen gibt. Wie in der Abbildung dargestellt, können die vier Arten von Magnetfeldern im Vergleich zu den ohne externe Feldunterstützung hergestellten Proben die Anzahl der Risse in der Beschichtung verringern, die Körner verfeinern und die Härte der Beschichtung erhöhen. Unter diesen hat das gepulste magnetfeldunterstützte Laserauftragschweißen die beste Wirkung, allerdings tritt in der Beschichtung das Phänomen der Hartphasensegregation auf.
Ein einzelnes elektrisches Feld wird häufig beim Schweißen und Gießen verwendet, auf dem Gebiet des Laserauftragschweißens wird jedoch weniger geforscht. Derzeit werden beim Laserauftragschweißen hauptsächlich zwei Formen elektrischer Felder verwendet: elektrische Wechselfelder und elektrische Impulsfelder.
- Wechselndes elektrisches Feld: Durch den Elektromigrationseffekt bewegen sich die Ionen in der Schmelze in eine Richtung, und der Joulesche Heizeffekt des Stroms verändert die Temperatur der Schmelze und beeinflusst dadurch den Erstarrungsprozess der Mantelschicht. Wechselstrom kann die Kornverfeinerung fördern und gleichzeitig die Höhe des feinkörnigen Bereichs an der Unterseite der Beschichtung erhöhen, was dazu beiträgt, die Rissbildung zu reduzieren. Durch die Einspeisung von Wechselstrom entsteht im Schmelzbad eine induzierte elektromagnetische Kraft mit kontinuierlich wechselnder Richtung, die als elektromagnetischer Rühreffekt auf das flüssige Metall im Schmelzbad wirkt, den Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront verringert und somit dazu beiträgt die Veredelung von Getreide.
- Elektrisches Impulsfeld: Impulsstrom weist die Eigenschaften Diskontinuität, Variabilität und Periodizität auf. Die Anwendung von Impulsstrom während des Beschichtungsprozesses kann die Fließgeschwindigkeit der Schmelze verändern, und die in der Schmelze erzeugte Scherkraft kann die gebildeten Körner brechen, die Keimbildungsrate erhöhen und die Körner verfeinern.
3 Elektromagnetisches Feld-unterstütztes Laserbeschichtungsmaterialsystem
Gegenwärtig wird die elektromagnetische Feld-unterstützte Laserauftragsbeschichtungstechnologie bei der Herstellung verschiedener Legierungsbeschichtungen und Verbundbeschichtungen eingesetzt. Bei Legierungsbeschichtungen trägt das elektromagnetische Feld dazu bei, die Homogenisierung der Beschichtungsbestandteile und die Verteilung der ausgeschiedenen Phasen zu verbessern. Bei Verbundbeschichtungen kann der elektromagnetische Rühreffekt des elektromagnetischen Feldes die Verteilungseigenschaften der Verfestigungsphase im Schmelzbad verändern.
- Beschichtung auf Eisenbasis: Nach dem Anlegen des elektromagnetischen Feldes nimmt mit zunehmender Magnetfeldstärke die Oberflächenrauheit der Mantelschicht ab, die Struktur wird deutlich verfeinert und Defekte wie Poren und Risse werden reduziert; die Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung werden verbessert. Im Vergleich zu der ohne Magnetfeld hergestellten Beschichtung ist der Härtewert der mit Magnetfeldunterstützung hergestellten Beschichtung entlang der Tiefenrichtung stabiler.
- Kobaltbasierte Beschichtung: Das stationäre Magnetfeld kann die Konvektion des Schmelzbades hemmen und die Makroseigerung anreichern, und die Matrixelemente können am Boden des Schmelzbades besser verteilt werden, so dass es einfacher ist, eine zu erhalten Mantelschicht mit einer Zusammensetzung, die der des Legierungspulvers nahe kommt. Der durch das Magnetfeld erzeugte magnetostriktive Effekt kann den Wärmeausdehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul der Mantelschicht effektiv reduzieren, die thermische Spannung während des Mantelprozesses reduzieren und dann die Rissempfindlichkeit verringern.
- Verbundbeschichtung: Das konstante Magnetfeld hat keinen Einfluss auf die Phasenzusammensetzung der Verbundbeschichtung, hat jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur der Beschichtung und die Verteilung der keramischen Verstärkungsphase. Eine bestimmte Magnetfeldstärke begünstigt die Verfeinerung der Struktur und die Verteilung der keramischen Verstärkungsphase in der Struktur ist dicht. Die Abbildung zeigt den Einfluss des elektromagnetischen Verbundfeldes in Kombination mit dem stationären Magnetfeld und dem elektrischen Gleichfeld auf die Verteilung und Mikrostruktur von WC-Partikeln in der Laserbeschichtung aus In718/WC-Verbundwerkstoff. Die durch das elektromagnetische Feld erzeugte nach unten gerichtete Lorentzkraft kann die Marangoni-Konvektion im Schmelzbad verstärken, was zur gleichmäßigen Verteilung der WC-Partikel in der Verbundbeschichtung beiträgt. Gleichstrom kann die Keimbildungsrate eutektischer Karbide erhöhen, und die verstärkte Marangoni-Konvektion kann säulenförmige Dendriten aufbrechen und so die Struktur verfeinern.
4 Ausblick
Die durch elektromagnetische Felder unterstützte Laserbeschichtungstechnologie kann die Mikrostruktur der Beschichtungsschicht steuern, die Kornverfeinerung fördern, die Entmischung der Zusammensetzung verringern, die Verteilung der Verstärkungsphase gleichmäßiger gestalten und die Entstehung von Defekten wie Löchern und Rissen verhindern. Daher können durch die elektromagnetische Feld-unterstützte Laserauftragstechnologie Beschichtungen mit hervorragenden Eigenschaften hergestellt werden. Die durch elektromagnetische Felder unterstützte Laserauftragschweißtechnologie ist eine Innovation der traditionellen Laserbearbeitungstechnologie. Es kann nicht nur die Anwendung der elektromagnetischen Theorie in der Laserbearbeitungstechnologie fördern, sondern auch die Entwicklung der Laser-Remanufacturing-Technologie auf der Oberfläche von Hochleistungsteilen fördern. Es verfügt über breite theoretische Forschungs- und Ingenieuranwendungsaussichten.