激光熔覆修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)試驗研究_圖文

1、激光熔覆修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)試驗研究牛奶 243毫升 小米棗粥 小米25克 棗泥5克 雞蛋1個熊忠琪，周春燕，高 賓（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240 ）摘要：激光熔覆修復(fù)技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一項新的零件修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)有許多非常突出的優(yōu)點。本文對激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)性的試驗研究，模擬實際零件的修復(fù)情況，在基體材料上加工了一個“U”形缺口并用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。把激光熔覆修復(fù)的試件制作成力學(xué)性能試件，獲得了相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，為激光熔覆修復(fù)技術(shù)的實際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。桃子：激光熔覆克；力學(xué)性能15 克 中圖分類號：TG665Basic Ex

2、perimental Researches On Repairing Technology of Laser Cladding二米軟飯 大米25克 小米15克 燉魚 魚50克 西紅柿炒肉末 西紅柿30克 瘦豬肉20克Deng Qilin，Xiong Zhongqi，Zhou Chunyan，Gaobin糖酥餅 面粉35克 白菜肉末炒木耳 白菜25克 木耳15克 瘦豬肉20克（ 紫菜10克 蝦皮China 克Abstracts: Laser cladding repairing is a new developing technology of parts repairing. It has m

3、any advantages. The basic experimental researches on the laser cladding repairing technology have been carried out. Simulating the actual parts repairing, a “U” shape of groove has been machined on a substrate of 2Cr12 and repaired by laser cladding. The testing pieces of mechanics properties have b

4、een made with the laser cladding part. The experimental results have been obtained and the analyses on the experimental results have been carried out. A theory reliance of laser cladding repairing on actual parts has been provided. 牛奶 243毫升星期日牛奶 243毫升 青菜豆粥 小米10克 綠豆5克 青菜5克Key 雞蛋軟餅 面粉10克零件的修復(fù)技術(shù)具有非常廣闊的

5、應(yīng)用前景。零件的修復(fù)方法很多，如電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂和電鍍等。近年來，在國內(nèi)外興起了一種新的零件修復(fù)技術(shù)即激光熔覆修復(fù)技術(shù)。激光熔覆修復(fù)技術(shù)通常采用預(yù)置粉末或同步送粉方法加入金屬粉末，利用激光束聚焦能量極高的特點，在瞬間將基體表面微熔，同時使基體表面預(yù)置的金屬粉末（與基體材質(zhì)相同或相近）全部熔化，激光離去后快速凝固，獲得與基體呈冶金結(jié)合的致密熔覆層，使零件表面恢復(fù)幾何外形尺寸并使表面熔覆層強(qiáng)化。激光熔覆修復(fù)技術(shù)解決了電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊等傳統(tǒng)修復(fù)復(fù)方法無法解決的工藝過程熱應(yīng)力和熱變形大的難題。本文對激光熔覆修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)性問題進(jìn)行了試驗研究，為激光熔覆修復(fù)

6、技術(shù)的工程實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。蘋果 20克 點心 15克青菜肉包子 面粉50克 瘦豬肉40克 青菜30克 小白菜蝦皮湯 克 試驗裝置和原理5克激光熔覆修復(fù)的試驗裝置如圖1所示。激光器為一臺3000W橫流CO2激光器，激光器輸出近似均勻光強(qiáng)分布的矩形光束，控制系統(tǒng)為三維數(shù)控系統(tǒng)，如圖（a），送粉器采用JKF-6型側(cè)向送粉器，如圖1（b），激光熔覆修復(fù)過程和原理如圖1（c）和什錦粥（d）所示。送粉器將粉末送入激光束內(nèi)，粉末被加熱至熔化狀態(tài)，并在基體或前一熔覆層上凝固，與基體或前一熔覆層形成冶金結(jié)合。一層熔覆完畢，激光頭上升一定的高度（對應(yīng)熔覆層的厚度），以保持激光熔覆中光斑尺寸大小不變，繼續(xù)進(jìn)行

7、后一層的熔覆修復(fù)。多次循環(huán)上述激光熔覆修復(fù)過程，即可修復(fù)好已磨損的金屬零件。20克 綠豆5克 紅豆10胡蘿11克 菠菜5克 ）激光器和數(shù)控系統(tǒng)30克牛奶 243毫升來源：南方貝貝 （c）激光熔覆修復(fù)過程（d）激光熔覆修復(fù)原理圖1 激光熔覆修復(fù)裝置及原理2 激光熔覆修復(fù)試驗本次激光熔覆修復(fù)試驗所用基體材料為2Cr12馬氏體不銹鋼，激光熔覆修復(fù)的金屬粉末為316L奧氏體不銹鋼粉末。為了更接近于激光熔覆修復(fù)的實際情況，我們在基體材料上加工出一個“U”形的凹槽，激光熔覆修復(fù)就在該“U”形槽內(nèi)進(jìn)行。激光熔覆修復(fù)的激光功率控制在2500W，激光熔覆的道與道之間的搭接率為50%，掃描速度為300mm/min

8、，送粉量為2.5g/min，激光熔覆修復(fù)試驗所得的試件如圖2所示。(a 激光熔覆修復(fù)試件的橫截面 (b激光熔覆修復(fù)試件的縱截面圖2 激光熔覆修復(fù)試件3 試件制備激光熔覆修復(fù)完后，對激光熔覆修復(fù)試件進(jìn)行線切割和其它機(jī)械加工，分別制取拉伸試件和沖擊試件。試件制取目的是測量激光熔覆修復(fù)件縱向和橫向的力學(xué)性能，并與基體材料的力學(xué)性能進(jìn)行對比。試件尺寸如圖3所示，其中圖3（a）為片狀試件，試件的長度方向與激光熔覆修復(fù)時的掃描方向平行，圖3（b）為圓形試件，試件的長度方向與激光熔覆修復(fù)時的掃描方向垂直。片狀試件共制作了13件，標(biāo)記為P1#P13#，圓形試件共制作了9件，標(biāo)記為Y1#Y9#。由于激光熔覆修復(fù)

9、的是“U”形缺口，所以每個試件中激光熔覆修復(fù)部分的長度都不一樣，從P1#P13#或Y1#Y9#激光熔覆修復(fù)部分的長度逐漸減少，如圖3所示。拉伸試件的外形尺寸如圖4（a）和圖4(b所示,拉伸試件照片如圖5（a）和圖5（b）所示。（a）片狀試件（平行激光掃描方向） （b）圓形試件（垂直激光掃描方向）圖3 力學(xué)試件取樣方法（a）片狀拉伸試樣 （b）圓形拉伸試樣 圖4 激光熔覆修復(fù)性能測試試件形狀（a）片狀拉伸試驗 （b）圓形拉伸試樣 圖5 激光熔覆修復(fù)性能測試試件照片4 拉伸試驗拉伸試驗在ZWICK T1-FR020 TN.A50型萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，圖6所示為試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖6（a）為片狀試

10、件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖6（b）為圓柱試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖6可知，基體在縱向和橫向性能表現(xiàn)基本一致，為各向同性材料。激光熔覆修復(fù)部位的縱向和橫向強(qiáng)度都比基體稍底?？v向試件除試件4延伸率在10%左右外，其余試件的延伸率都在18%-30%之間，優(yōu)于基體材料。橫向試件延伸率較低，大部分在10%-16%間。圖7所示為典型試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖，表1為拉伸性能測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計?？芍?，激光熔覆修復(fù)部位的橫向和縱向方向的強(qiáng)度基本相當(dāng)，部分試件橫向強(qiáng)度優(yōu)于縱向。激光熔覆修復(fù)部位的縱向和橫向在延伸率上差別較大。沿激光掃描方向的縱向，激光熔覆修復(fù)部位有較大塑性變形能力，其塑性變形能力明顯優(yōu)于垂直激光掃描方向的

11、橫向和基體材料2Cr12。垂直激光掃描方向的橫向的激光熔覆修復(fù)試件，斷口呈現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征，但該方向試件延伸率明顯低于縱向方向試件。這主要是由于激光熔覆修復(fù)過程中縱橫方向的差異所造成的。激光熔覆修復(fù)過程中，激光沿縱向掃描，形成一條條連續(xù)的熔覆道，橫向為相互搭接的激光熔覆道組成，相互搭接的熔覆道之間彼此雖然形成了冶金結(jié)合，但結(jié)合區(qū)冷卻速度大，明顯可見白色柱狀晶帶的形成，使得道與道之間塑性稍低。增大激光功率，使得相互搭接的道與道之間組織牢固結(jié)合，可以提高搭接強(qiáng)度，使得橫向塑性增大。測試表明，沿橫向方向激光熔覆修復(fù)件其塑變能力稍低于基體材料，少數(shù)試件塑變能力與基體材料相當(dāng)。 (a 片狀試樣(b

12、 圓柱試樣圖7 試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線表1 拉伸件常規(guī)性能試件b(MPa0.2(MPa(%熔覆層縱向(片狀663.82-738.29492.24-595.1918.65-32.05熔覆層橫向(圓柱646.99-752.42547.30-604.6210.39-16.87基體2Cr12818.04-931.45653.11-775.5617.59-18.91316L不銹鋼（鑄態(tài)）55226255拉伸試驗中，試件的斷口位置均沒有在激光熔覆修復(fù)區(qū)和基體的結(jié)合部位，說明熔覆層和基體結(jié)合良好。激光熔覆修復(fù)件縱向和橫向都具有較大的拉伸強(qiáng)度；塑性方面由于縱向和橫向熔覆層堆積方式不同，縱向塑性較好，延伸率可以達(dá)

13、到30%左右，橫向延伸率為15%左右。由表1可見，如果用316L不銹鋼粉末來修復(fù)2Cr12零件，修復(fù)后的強(qiáng)度可達(dá)到原零件的80%。由表1還可以看見，激光熔覆成形的316L材料的強(qiáng)度超過了鑄造成形的316L材料。用Philips掃描電鏡觀察圓形試件斷口形貌如圖8所示。由圖可見，激光熔覆層縱橫向斷裂特征基本相同，主要是韌性斷裂，如圖8（b）所示，試樣的斷口主要是以韌窩為主，存在大量的白色撕裂棱，且這些韌窩和撕裂棱在斷口上大面積地呈網(wǎng)狀相連。韌窩和撕裂棱是韌塑性變形的特征，它是在各單獨裂紋擴(kuò)展至相互連接，最后由于撕裂而形成，在撕裂棱處產(chǎn)生較大量的塑性變形。這說明激光熔覆層為延塑性斷裂。圖8（c）所示

14、為基體材料斷口的SEM掃描圖，圖8（d）為局部放大圖，可知，基體2Cr12材料斷口為大的麻點狀形貌，局部放大圖顯示斷口為層片狀和河流狀花樣，呈現(xiàn)比較明顯的脆性斷裂特征。拉伸試驗顯示，基體材料具有稍低的塑性變形能力。(a 316L熔覆層材料斷口 (b 圖局部放大（c）基體材料斷口 （d）圖局部放大圖8 圓形試樣拉伸斷面組織5 結(jié)論（1）采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)，用316L不銹鋼粉末成功地修復(fù)了2Cr12基體上的“U”形缺口。（2）對激光熔覆修復(fù)試件的拉伸試驗表明，采用316L奧氏體不銹鋼粉末修復(fù)馬氏體不銹鋼2Cr12基體，修復(fù)后零件的強(qiáng)度可以達(dá)到原基體強(qiáng)度的80%。（3）由于激光熔覆修復(fù)部分的組織具

15、有定向凝固特性，激光熔覆修復(fù)零件的力學(xué)性能與激光修復(fù)時的掃描方向有一定的關(guān)系。熔覆層沿激光掃描方向的延伸率較大(可達(dá)30%，優(yōu)于垂直激光掃描方向的延伸率(15%左右。（4）激光熔覆成形的316L材料的強(qiáng)度高于鑄造的316L材料的強(qiáng)度。（5）熔覆層材料試樣的拉伸斷口主要是以韌窩為主，存在大量的白色撕裂棱，其斷裂為韌性斷裂，沖擊韌性較好。參考文獻(xiàn)：1 J.Mazumder, D.Dutta, N.Kikuchi, A.Ghosh, Closed loop direct metal deposition: art to partJ. Optics and Lasers in Engineering,

16、 2000, 34(4-6: 397-414.第四課時課 題2.3.1 運用公式法（一）教學(xué)目標(biāo)（一）教學(xué)知識點1.使學(xué)生了解運用公式法分解因式的意義；2.使學(xué)生掌握用平方差公式分解因式.3.使學(xué)生了解，提公因式法是分解因式的首先考慮的方法，再考慮用平方差公式分解因式.（二）能力訓(xùn)練要求1.通過對平方差公式特點的辨析，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力.2.訓(xùn)練學(xué)生對平方差公式的運用能力.（三）情感與價值觀要求在引導(dǎo)學(xué)生逆用乘法公式的過程中，培養(yǎng)學(xué)生逆向思維的意識，同時讓學(xué)生了解換元的思想方法.教學(xué)重點讓學(xué)生掌握運用平方差公式分解因式.教學(xué)難點將某些單項式化為平方形式，再用平方差公式分解因式；培養(yǎng)學(xué)生多步驟分

17、解因式的能力.教學(xué)方法引導(dǎo)自學(xué)法教具準(zhǔn)備投影片兩張第一張（記作2.3.1 A）第二張（記作2.3.1 B）教學(xué)過程.創(chuàng)設(shè)問題情境,引入新課師在前兩節(jié)課中我們學(xué)習(xí)了因式分解的定義，即把一個多項式分解成幾個整式的積的形式，還學(xué)習(xí)了提公因式法分解因式，即在一個多項式中，若各項都含有相同的因式，即公因式，就可以把這個公因式提出來，從而將多項式化成幾個因式乘積的形式.如果一個多項式的各項，不具備相同的因式，是否就不能分解因式了呢？當(dāng)然不是，只要我們記住因式分解是多項式乘法的相反過程，就能利用這種關(guān)系找到新的因式分解的方法，本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)另外的一種因式分解的方法公式法.新課講解師1.請看乘法公式（a+

18、b）（ab）=a2b2 （1）左邊是整式乘法，右邊是一個多項式，把這個等式反過來就是a2b2=（a+b）（ab） （2）左邊是一個多項式，右邊是整式的乘積.大家判斷一下，第二個式子從左邊到右邊是否是因式分解？生符合因式分解的定義，因此是因式分解.師對，是利用平方差公式進(jìn)行的因式分解.第（1）個等式可以看作是整式乘法中的平方差公式，第（2）個等式可以看作是因式分解中的平方差公式.2.公式講解師請大家觀察式子a2b2,找出它的特點.生是一個二項式，每項都可以化成整式的平方，整體來看是兩個整式的平方差.師如果一個二項式，它能夠化成兩個整式的平方差，就可以用平方差公式分解因式，分解成兩個整式的和與差的

19、積.如x216=（x）242=（x+4）（x4）.9 m 24n2=（3 m ）2（2n）2=（3 m +2n）（3 m 2n）3.例題講解例1把下列各式分解因式：（1）2516x2;（2）9a2b2.解：（1）2516x2=52（4x）2=（5+4x）（54x）;（2）9a2 b2=（3a）2（b）2=（3a+b）（3ab）.例2把下列各式分解因式:（1）9（m+n）2（mn）2;（2）2x38x.解：（1）9（m +n）2（mn）2=3（m +n）2（mn）2=3（m +n）+（mn）3（m +n）（mn）=（3 m +3n+ mn）（3 m +3nm +n）=（4 m +2n）（2 m

20、+4n）=4（2 m +n）（m +2n）（2）2x38x=2x（x24）=2x（x+2）（x2）說明：例1是把一個多項式的兩項都化成兩個單項式的平方，利用平方差公式分解因式；例2的（1）是把一個二項式化成兩個多項式的平方差，然后用平方差公式分解因式，例2的（2）是先提公因式，然后再用平方差公式分解因式，由此可知，當(dāng)一個題中既要用提公因式法，又要用公式法分解因式時，首先要考慮提公因式法，再考慮公式法.補(bǔ)充例題投影片（2.3.1 A）判斷下列分解因式是否正確.（1）（a+b）2c2=a2+2ab+b2c2.（2）a41=（a2）21=（a2+1）（a21）.生解：（1）不正確.本題錯在對分解因式

21、的概念不清，左邊是多項式的形式，右邊應(yīng)是整式乘積的形式，但（1）中還是多項式的形式，因此，最終結(jié)果是未對所給多項式進(jìn)行因式分解.（2）不正確.錯誤原因是因式分解不到底，因為a21還能繼續(xù)分解成（a+1）（a1）.應(yīng)為a41=（a2+1）（a21）=（a2+1）（a+1）（a1）.課堂練習(xí)（一）隨堂練習(xí)1.判斷正誤解：（1）x2+y2=（x+y）（xy）; （）（2）x2y2=（x+y）（xy）; （）（3）x2+y2=（x+y）（xy）; （）（4）x2y2=（x+y）（xy）. （）2.把下列各式分解因式解：（1）a2b2m2=（ab）2m 2=（ab+ m）（abm）;（2）（ma）2（n

22、+b）2=（ma）+（n+b）（ma）（n+b）=（ma+n+b）（manb）;（3）x2（a+bc）2=x+（a+bc）x（a+bc）=（x+a+bc）（xab+c）;（4）16x4+81y4=（9y2）2（4x2）2=（9y2+4x2）（9y24x2）=（9y2+4x2）（3y+2x）（3y2x）3.解：S剩余=a24b2.當(dāng)a=3.6,b=0.8時，S剩余=3.6240.82=3.621.62=5.22=10.4（cm2）答：剩余部分的面積為10.4 cm2.（二）補(bǔ)充練習(xí)投影片（2.3.1 B）把下列各式分解因式（1）36（x+y）249（xy）2;（2）（x1）+b2（1x）;（3）

23、（x2+x+1）21.解：（1）36（x+y）249（xy）2=6（x+y）27（xy）2=6（x+y）+7（xy）6（x+y）7（xy）=（6x+6y+7x7y）（6x+6y7x+7y）=（13xy）（13yx）;（2）（x1）+b2（1x）=（x1）b2（x1）=（x1）（1b2）=（x1）（1+b）（1b）;（3）（x2+x+1）21=（x2+x+1+1）（x2+x+11）=（x2+x+2）（x2+x）=x（x+1）（x2+x+2）.課時小結(jié)我們已學(xué)習(xí)過的因式分解方法有提公因式法和運用平方差公式法.如果多項式各項含有公因式，則第一步是提公因式，然后看是否符合平方差公式的結(jié)構(gòu)特點，若符合則繼續(xù)進(jìn)行.第一步分解因式以后，所含的多項式還可以繼續(xù)分解，則需要進(jìn)一步分解因式，直到每個多項式都不能分解為止.課后作業(yè)習(xí)題2.41.解：（1）a281=（a+9）（a9）;（2）36x2=（6+x）（6x）;（3）116b2=1（4b）2=（1+4b）（14b）;（4）m 29n2=（m +3n）（m3n）;（5）0.25q2121p2=（0.5q+11p）（0