用于激光成型的电磁场加压凝固方法及装置

摘要

本发明提供一种用于激光成型的电磁场加压凝固方法及装置，该方法包括：沿待加工金属试样的长度方向布置两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间；将待加工金属试样与导线连通，使得电流沿待加工金属试样的长度方向流动；采用激光将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池；在熔池凝固过程中，对待加工金属试样同时施加电流和磁场，并控制磁场方向垂直于电流方向，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力，形成致密的部件。本发明通过电磁作用，对激光形成的熔池施加压力，熔融金属在压力作用下凝固，促进熔池中形成致密的凝固组织。

说明书

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地，涉及一种用于激光成型的电磁场加压凝固方法及装置。

背景技术

在使用激光对金属进行熔化成型过程(包含粉末床激光熔融技术、激光表面熔覆技术、激光焊接、激光表面改性技术)中，由于匙孔、溶解气体析出、卷气等原因导致熔池内部容易存在孔隙，这将恶化材料的力学性能、抗腐蚀性能，降低其服役寿命。这些孔隙在微熔池中难以消除。

加压凝固是铸造领域中一种有效消除疏松、缩孔的手段。通过对熔融金属液施加压力，促进金属液填充进孔隙等缺陷中，并能压缩孔隙；达到消除铸件中孔隙缺陷的目的，从而获得力学性能优良的铸件。但以粉末床激光熔融技术为代表的一系列新型加工工艺中，激光导致的熔池细小(粉末床激光熔融技术形成的熔池宽度在100μm左右)，熔池中金属液凝固速度快，不能通过传统方式对微熔池中的金属液施加压力。

经过检索发现，申请公开号为CN106987838A的中国发明专利，公开了一种去除激光熔覆层气孔/夹杂物的激光熔覆装置和方法，其包括工作台、设置在工作台前方的激光熔覆送粉器以及位于工作台上方的激光复合加工头，激光复合加工头包括电极、感应线圈、激光导光筒、磁体、工作磁极Ⅰ和工作磁极Ⅱ，磁体为工作磁极Ⅰ和工作磁极Ⅱ之间提供交变磁场作用于工件的表面，激光熔覆送粉器为工件表面添加激光熔覆材料，激光器输出激光束在工件表面进行激光熔覆。本发明可以降低铝合金激光熔覆层中的气孔及非金属夹杂物，显著提高激光熔覆层的质量。但是该发明仍存在以下问题：仅在熔池表面施加了交变磁场，进而利用交变磁场在熔池中产生感应电流，从而产生洛伦兹力。另外，其感应电流强度正比于交变磁场变化速率，而洛仑磁力同时与磁场强度和电流大小有关，因此在熔池中无法产生恒定的洛仑磁力。

申请公开号为CN113005447A的中国发明专利，公开了一种变姿态激光熔覆加工方法及加工装置，通过电流产生装置产生电流、磁场产生装置产生磁场，使得磁场与电流共同作用而在激光熔覆加工的熔池中形成洛伦兹力，以平衡处于非水平的待加工面上形成的激光熔覆层的自身重力，避免激光熔覆层在重力的作用下向下流淌而造成激光熔覆层的变形，从而提高了变姿态激光熔覆再制造精度。但是该发明仍存在以下问题：当在倾斜表面实施激光熔覆时，熔池受到重力作用而缺乏基板支撑(基板倾斜)而导致熔融金属流淌，该发明需要调节洛仑磁力，使其在竖直方向的分力与重力方向相反以抵消重力的作用，支撑熔融金属而使其不会变形。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于激光成型的电磁场加压凝固方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种用于激光成型的电磁场加压凝固方法，包括：

通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间；

将待加工金属试样与导线连通，使得电流沿待加工金属试样的长度方向水平流动；

采用激光将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池；

在熔池凝固过程中，对待加工金属试样同时施加电流和磁场，并控制磁场方向垂直于电流方向，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力，形成致密的部件。

进一步地，所述采用激光将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池，包括：激光功率为0.1-5Kw，移动速率为3-2000mm/s。

进一步地，所述对待加工金属试样同时施加电流和磁场，包括：施加的磁场强度为0-2T。

进一步地，所述对待加工金属试样同时施加电流和磁场，包括：施加的电流密度为0-20A/cm

进一步地，所述在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力，包括：通过控制电流和磁场的大小，调节对熔池施加的压力的大小。

进一步地，所述通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间，包括：所述磁体为永磁体或电磁铁。

进一步地，所述通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间，包括：所述待加工金属试样为金属件或金属粉末。

进一步地，在所述通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间之前，还包括：对待加工金属试样进行预处理，所述预处理包括对待加工金属试样的表面喷砂打磨、除锈和去油处理。

进一步地，所述方法用于采用激光熔覆、激光焊接和激光增材制造中任意一种制造的部件。

根据本发明的另一方面，提供一种用于实现上述的用于激光成型的电磁场加压凝固方法的装置，该装置包括：

相对设置的两个磁体，两个所述磁体之间留有用于放置待加工金属试样的间隙，两个磁体被构造为放置于待加工金属试样的长度方向的两端；

导线，用于连接待加工金属试样，通过所述导线的电流被设置为沿待加工金属试样的长度方向流动；

激光器，用于将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池；

在熔池凝固过程中，所述导线和两个所述磁体被构造为同时对待加工金属试样施加电流和磁场，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力以形成致密的部件。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

本发明的用于激光成型的电磁场加压凝固方法及装置，通过在待加工金属试样的长度方向的两端分别布置的两个磁体，和具有沿待加工金属试样的长度方向水平流动电流的感应线圈，对熔池同时施加电场和磁场，通过电磁作用对激光形成的熔池施加竖直向下压力，熔融金属在该压力作用下凝固，从而能够促进熔融金属补缩并压缩残余气孔，形成高致密度的部件。相比于现有技术，本发明中的磁场和电流均可分别调节，既可以形成恒定的洛伦兹力，也可以根据需求调整洛仑磁力的大小，能够更加有效地促进熔池中形成致密的凝固组织。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的用于激光成型的电磁场加压凝固装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中激光重熔K439B高温合金激光成型的结果对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

现有技术中的两个磁极相对放置且位于熔池上方，其中的交变磁场将在熔池中形成竖直方向的电流，因而熔池中导致的洛伦兹力将位于水平方向而非竖直方向，无法对熔池施加竖直向下的压力。为此，本发明实施例提供一种用于激光成型的电磁场加压凝固方法，参照图1，该方法包括：

S1、通过待加工金属试样(即金属件)的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间；其中磁体可以是永磁体，也可以是电磁铁，相对放置的磁体的磁极不同；

S2、将待加工金属试样与导线连通，使得电流沿待加工金属试样的长度方向水平流动；采用磁体独立产生磁场，通过导线在熔池中引入电流(即在待加工金属中形成电流)；

S3、采用激光将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池；

S4、在熔池凝固过程中，对待加工金属试样同时施加电流和磁场，并控制磁场方向垂直于电流方向，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力，形成致密的部件。

电流在合金中存在集肤效应，即电流聚集于合金表面，相比于固态金属，熔融的金属液电阻率有所增加，但依然导电，因此，在激光加工过程中，使得电流流过熔池表面，同时施加合适的磁场，同时施加电场和磁场，通过电磁作用，将在熔池表面产生洛伦兹力，对激光形成的熔池施加压力，熔融金属在压力作用下凝固，促进熔液补缩并压缩残留气孔，能够用于消除其中的孔隙等缺陷。

激光加工过程中，输入功率(主要由激光功率大小和移动速率确定)是影响加工质量的重要因素。在激光粉末床融合技术中，常用的激光功率为100-300w，激光激动速率为500-2000mm/s；在激光熔覆技术中，激光功率一般为1-5Kw，激光移动速率一般小于20mm/s。在一些优选的实施例中，采用激光将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池，包括：激光功率为0.1-5Kw，移动速率为3-2000mm/s，以包含多种激光加工技术。

磁场和电流密度大小主要依据所需洛伦茨力而定，对熔池中液态金属施加竖直向下洛伦兹力大小与合金种类、激光功率等加工参数有关。例如，轻合金(如Al合金)在高功率激光作用下，熔液粘度小，适宜采用较低的洛伦茨力；当激光功率较低时，或者加工粘度较高的熔液，需要较高的洛伦兹力以使得熔液变形。在一些优选的实施例中，对待加工金属试样同时施加电流和磁场，包括：施加的磁场强度为0-2T，施加的电流密度为0-20A/cm

为促进熔融金属补缩并压缩残余气孔，形成高致密度的部件，通过调节磁场和电流方向，可以将洛伦兹力调整至竖直向下，对熔池施加压力，在一些优选的实施例中，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力，包括：通过控制电流和磁场的大小，调节对熔池施加的压力的大小。对熔池施加的压力大小根据实际试验确定，具体地，通过观察和测量施加压力后熔池中残余空隙的占比进行确定。当残余空隙最少时，则确定施加的压力是合适的。

在一些优选的实施例中，通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间，包括：待加工金属试样为金属件或金属粉末；磁体为永磁体或电磁铁，以对待加工金属试样施加磁场。

为提高待加工金属试样激光加工成型的效果，在一些优选的实施例中，在通过待加工金属试样的长度方向布置的两个磁体，将待加工金属试样夹在两个磁体中间之前，还包括：对待加工金属试样进行预处理，预处理包括对待加工金属试样的表面喷砂打磨、除锈和去油处理。

在一些优选的实施例中，该方法用于采用激光熔覆、激光焊接和激光增材制造中任意一种制造的部件。需要说明的是，针对不同技术所需具体参数有所区别。激光增材制造、激光熔覆和激光焊接在凝固过程中具有相同的机理，均是采用激光熔化金属，然后凝固成型。由于采用的激光光斑尺寸不同，形成的熔池尺寸也产生差异，因此在应用本发明实施例中的方法时参数有所区别。即便使用同一种技术，由于合金成分、加工参数(如激光功率、激光移动速率)的差异，具体参数也会相应发生变化。针对不同技术的合适的参数根据实际情况和具体实验要求确定。

本发明实施例还一种用于激光成型的电磁场加压凝固装置，用于实现上述实施例中的用于激光成型的电磁场加压凝固方法，该装置包括：相对设置的两个磁体，两个磁体之间留有用于放置待加工金属试样的间隙，两个磁体被构造为放置于待加工金属试样的长度方向的两端；导线，用于连接待加工金属试样，通过导线的电流被设置为沿待加工金属试样的长度方向流动；激光器，用于将待加工金属试样熔化成金属液，形成熔池在熔池凝固过程中，导线和两个磁体被构造为同时对待加工金属试样施加电流和磁场，在金属液表面形成竖直向下的洛伦兹力作用于金属液，对熔池施加压力以形成致密的部件。

继续参照图1，对待加工金属试样通以电流，并在平行于电流放向布置相对的磁铁(电磁铁或者永磁体均可)，使得磁场方向垂直于电流方向，并使待加工金属试样中产生的洛伦兹力垂直于部件底部；然后采用激光对待加工金属试样进行熔化，形成熔池；在熔池凝固过程中，金属液表面形成的洛伦兹力作用于金属液，促进熔池中形成致密的凝固组织。

本发明实施例是在待加工金属试样中同时施加直流电流和和磁场，电流和磁场均可独立控制，其产生的洛伦兹力大小可调。此外，电流在熔池表面沿水平方向，调节洛仑磁力与熔池重力方向相同，使其对熔池施加额外的竖直向下的压力，以抑制气孔。

以激光重熔K439B高温合金为例，分别在加压凝固和不采用加压凝固方法进行实验，加压凝固所采用的实验参数为：

(一)将长宽高分别为100×8×5mm

(二)沿合金长度方向布置两块磁体，将合金试样夹在磁体中间，磁场强度为1T；

(三)在合金试样与导线连通，使得电流沿合金试样长度方向流动，电流密度为13A；

(四)采用激光熔化合金或粉末表层，激光功率为1300W，移动速率为5mm/s。

实验结果如图2中所示，图中(a)、(b)分别为同一放大倍数下的电子显微镜图片；图2(a)为未加压的表层组织，可以看出其中存在大量的气孔；图2(b)中，对微熔池施加压力，熔融金属在该压力作用下凝固，可以看出其表层组织中气孔明显减少。

本发明上述实施例中的用于激光成型的电磁场加压凝固方法和装置，对熔池同时施加电场和磁场，通过电磁作用对激光形成的熔池施加竖直向下压力，熔融金属在该压力作用下凝固，从而能够促进熔融金属补缩并压缩残余气孔，形成高致密度的部件。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。