CN101469424A - 高热导率基体激光熔覆加工方法及所用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光熔覆技术，具体是一种高热导率基体激光熔覆加工方法及所用系统，为了防止高热导率基体在激光熔覆过程中迅速冷却，本发明建立了一套均匀预热的恒温控制系统，对高热导率材料在激光熔覆步骤前加入预热步骤，且通过智能PID温度控制方式在激光熔覆过程中保持温度的稳定性。所用恒温控制系统由基体预热器、温控装置和上位机监测系统构成。基体预热器为箱体结构，由加热管、导热板、耐火瓷板、保温层和垫块构成。温控装置由温控器、固体继电器和热电偶组成。本发明可以连续调节预热温度的范围在常温～900℃之间，能实现温度曲线的实时在线显示，基体预热均匀性好，控制精度高，自动化程度高。

Description

高热导率基体激光熔覆加工方法及所用系统

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术，具体地说是一种能在激光熔覆过程中通过基体预热器、相应的硬件集成控制单元和软件操作界面，实现基体在不同预热温度下和激光熔覆过程中的均匀预热和恒温控制的高热导率基体激光熔覆的加工方法及所用系统。

背景技术

激光熔覆始于20世纪70年代，是将熔覆材料预置在基体材料上，利用激光的高能量作用，在基体材料表面制备耐磨涂层的技术。而现在激光熔覆是指利用高功率密度激光束局部熔化基材表面形成熔池，同时添加金属合金粉末熔化凝固形成新的合金涂层，其特征是涂层与基材实现了牢固的冶金结合，基材的可控少量熔化使其对熔覆材料的稀释率很低，保证了熔覆材料自身的成分与冶金体系，能达到极好的表面耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳、抗高温氧化等多种性能。

利用激光熔覆技术熔覆热导率低的材料研究开始得较早，而高热导率基材的激光熔覆研究则是最近才发展起来的。热导率低的材料，在激光熔覆时因其导热慢、冷却慢，所以在金属粉末熔化凝固时，加工表面易与熔覆粉末形成新的冶金涂层；而热导率高的材料，因其导热快加工表面很难熔融，致使加工表面很难与熔覆粉末形成紧密结合的冶金涂层，实际加工涂层与基材之间会产生很多气孔，同时也容易脱落。为了减缓高热导率的基材在激光熔覆过程中对激光能量的快速传导，在激光熔覆前对高热导率基材进行预热处理是很有必要的；同时为了保证熔覆后涂层性能的均匀性，在激光熔覆过程中保持基材预热温度的稳定性也很重要，因此需要建立一套适用于高热导率基材的激光熔覆恒温控制系统，但目前尚未见合适的、均匀预热的恒温控制系统的成功报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效减缓高热导率基体在激光熔覆过程中迅速传导激光能量，实现加工表面与激光熔覆涂层之间形成高致密度冶金结合的高热导率基体激光熔覆加工方法及所用恒温控制系统。

本发明的技术方案包括：

高热导率基体激光熔覆加工方法：包括熔覆步骤，为了防止高热导率基体在激光熔覆过程中迅速冷却，建立了一套均匀预热的恒温控制系统，对高热导率材料在激光熔覆步骤前加入预热步骤，且通过智能PID温度控制方式在激光熔覆过程中保持温度的稳定性；其恒温温度控制在600～700度范围内，加温速率为20～35度/分；

其中：所述PID温度控制通过PID温控器来设定基体预热温度并进行控制得以实现，当检测到基体的预热温度低于设定温度时，发出控制信号，接通基体的加热电源，对基体进行均匀加热；当加热温度达到设定温度时，断开基体的加热电源，形成对基体温度的控制。

所述加工方法所用的恒温控制系统，包括：

—基体预热器，为敞口箱体结构，由加热管、导热板、耐火瓷板、保温层和垫块组成，耐火瓷板通过保温层置于箱体内壁，容置有预热基体的导热板通过垫块置于耐火瓷板的底部表面，加热管安装在耐火瓷板和导热板之间的预留空隙里；

—温控装置，由温控器、热电偶和固体继电器组成，热电偶置于所述箱体内部，并且紧贴预热基体设置，用于将采集预热基体的温度信号送至温控器实时显示温度值；通过固体继电器将加热管与电源相连接，通过温控器控制固体继电器的开断，来接通断开加热管与电源的连接，从而反馈调节预热温度的高低；

还可以包括：上位机监测系统，上位机监测系统由温度监测程序和温度输入转换模块两部分组成，所述温度输入转换模块通过插入所述箱体内的热电偶采集预热基体温度的模拟信号，将预热基体温度模拟信号转换为数字信号，送至存于上位机的温度监测程序中，由温度监测程序控制信号的采集和接收过程，其运行在线显示预热基体温度的变化。

本发明所述保温层为隔热石棉材料。

所述加热管为内装石英粉末的不锈钢钢管，由内置加热电阻丝、两自由端的陶瓷隔热头和接电头组成，加热管在箱体内呈立体“M”字形排布，并且加热管弯折处互相正交；加热电阻丝采用4Cr28Ni48W6或0Cr25Ni20Si2丝；陶瓷隔热头采用氧化铝陶瓷材料；导热板为倒置板凳结构，采用紫铜材料；

所述温度监测程序的执行同时进行采集控制和显示两任务，其中采集控制过程步骤如下：

步骤1)初始化，设置端口号、传输速度、数据类型和自动发送时间间隔；

步骤2)选择温度传输类型，手动发送或者自动发送；

步骤3)温度数据接收和处理；

采集显示步骤：在选择接收数据的类型后接收数据，对温度数据进行接收和处理，实时在线显示温度曲线。

本发明具有以下特点：

1.温度场稳定。为了防止高热导率基体在激光熔覆过程中迅速冷却，本发明建立了一套均匀预热的恒温控制系统，对高热导率材料在激光熔覆步骤前加入预热步骤，且通过智能PID温度控制方式为高热导率基体的激光熔覆提供了稳定的温度场。温度场是反映加工过程条件的一个重要参数，稳定的温度场能够保证成形零件的质量及尺寸精度。利用本发明的恒温控制系统给基体预热，不但可以获取与基体高致密结合的激光熔覆冶金涂层，而且可以保证激光熔覆过程中温度场的稳定性，从而获得内部组织性能均匀的涂层。

2.自动化程度高。本发明是以热传导理论和高热导率基体的激光熔覆理论为依据，所采用的高热导率基体激光熔覆恒温控制系统，包括基体预热器、温控装置、上位机监测系统。温控装置的温度控制采用单路设计，即智能PID控制，实现基板预热温度在常温～900℃范围内连续调节，控制在600～700度范围内进行稳定预热过程。控制过程全自动进行，不需人为干预，通过上位机监测系统实现了对基板预热温度的实时检测和记录，温度监测程序7具有参数设置，根据采集数据描绘并显示曲线，自动、手动实时采集等功能。

3.基体预热均匀性好，控制精度高。本发明采用PID温度控制方法，使基体预热过程反映速度快、精度高，可达到±0.01℃；同时，利用导热板8置于电加热管11上方，形成的温度场均匀、稳定，并为高热导率基体的激光熔覆技术中存在的熔覆层多气孔、易脱落等问题提供了一个有效的解决途径。

附图说明

图1是本发明恒温控制系统总体结构图。

图2是图1中基体预热器结构示意图。

图3是图2中加热管结构示意图。

图4是图2中导热板结构示意图。

图5是温度监测程序流程图。

图6是本发明一个实施例温度监测界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明高热导率基体的激光熔覆加工方法，包括熔覆步骤，为了防止高热导率的基体在激光熔覆过程中迅速冷却，建立了一套均匀预热的恒温控制系统，对高热导率材料在激光熔覆步骤前加入预热步骤，且通过PID控制在激光熔覆过程中保持温度的稳定性；其中恒温控制温度控制在600～700度范围内，加温速率为20～35度/分(本实施例分别为600，650，680，700度，加温速率分别为20、25、30、35度/分)。

参见图1和图2，本发明中所用恒温控制系统由基体预热器1、温控装置2、上位机监测系统3三个部分组成。基体预热器1为一便于下一工序加工的敞口箱体结构，箱体里设加热管11、导热板8、耐火瓷板10、保温层13和垫块12，由加热管11、导热板8、耐火瓷板10、保温层13和垫块12组成，耐火瓷板10通过保温层13置于箱体内壁，容置有预热基体的导热板8通过垫块12置于耐火瓷板10的底部表面，加热管11安装在耐火瓷板10和导热板8之间的预留空隙里；保温层13为隔热石棉材料。温控装置2由温控器4、热电偶9和固体继电器5组成，热电偶9置于所述箱体内部，并且紧贴预热基体设置，用于将采集预热基体的温度信号送至温控器4实时显示温度值；通过固体继电器5将加热管11与电源相连接，通过温控器4控制固体继电器5的开断，来接通断开加热管11与电源的连接，从而反馈调节预热温度的高低；上位机监测系统3由温度监测程序7和温度输入转换模块6两部分组成。一方面温度输入转换模块6通过热电偶9采集基体温度信号，并将基体温度信号送至存有温度监测程序7的上位机监测系统3；另一方面温控器4通过控制固体继电器5与加热管11电源导通，来控制加热管11的工作。所述温度输入转换模块6通过插入所述箱体内的热电偶9采集预热基体温度的模拟信号，将预热基体温度模拟信号转换为数字信号；送至存于上位机的温度监测程序7中，由温度监测程序7控制信号的采集和接收过程，其运行在线显示预热基体温度的变化。

在工作过程中，作为预热基体的加工材料首先被放置在基体预热器1的导热板8上进行加热。如果不需要记录预热基体预热温度的变化曲线，可以直接采用智能PID温控器4来设定基体预热温度并进行控制：当智能PID温控器4通过热电偶9检测到基体的预热温度低于设定温度时，智能PID温控器4向固态继电器5输出控制信号，由固态继电器5的输出信号接通加热管11(不锈钢电加热管)的电源，从而对导热板8进行均匀加热；当导热板8的温度达到设定温度时，智能PID温控器4断开固态继电器5，固态继电器5又断开加热管11的电源，从而停止对导热板8加热，形成对基体预热器1温度的控制。如果要观察和记录基体预热温度随时间的变化，则将热电偶9检测到的温度信号直接通过温度输入转换模块6采集到上位机中，然后通过温度监测程序7的人机交互界面进行显示。

参见图3，加热管11为内装石英粉末的不锈钢钢管，由内置加热电阻丝15、两自由端的陶瓷隔热头17和接电头18组成；加热管11在箱体内呈立体“M”字形排布，并且加热管11弯折处都互相正交；加热器11采用不锈钢无缝钢管；加热电阻丝15采用4Cr28Ni48W6或0Cr25Ni20Si2丝；陶瓷隔热头17采用氧化铝陶瓷。

加热管11的工作情况直接决定预热系统的量程，从而影响基体和材料的激光熔覆。加热管11要能把待加工材料加热到常温～900℃。因此存储石英砂16的管状容器采用耐高温、变形小的材料，还要防止其开裂，所以本实施例管状容器的材料选用无缝钢管。

加热电阻丝15为4Cr28Ni48W6或0Cr25Ni20Si2丝，适用于工业中各种高温高强度、高温耐磨环境，具有优良抗氧化及腐蚀性能同时，具有极高的高温强度(900～1200℃)。

所述石英砂16选用耐高温石英砂，按重量百分比计，其化学成分包括95～98％二氧化硅，0.08～0.03％三氧化二铁(为市购产品，本实施例采用：漳州开发区炽昌砂业有限公司生产的70目-100目耐高温石英砂)，密度为2.66(g/cm3)，熔点为1750℃，莫氏硬度为7。

参见图4，所述导热板8为倒置板凳式结构，本实施例设有两个加热管11；每一加热管11的一个自由端置于凳腿外侧，另一个自由端置于凳面下方，两个加热管11的另一端在箱体内呈立体“M”字形一体排布，并且加热管11“M”字形弯折处互相正交。导热板8的工作原理是把加热管11发出的热量均匀的传导给待加工零件。因此采用快速升温、热容量大的材料的导热板8，本发明采用紫铜材料的导热板8。由于紫铜的导热性能优异，可以满足快速升温的需要。同时，一定厚度紫铜板的热容量很大，这样既可以让基体受热更均匀，还可以降低预热温度变化的速率，减少加热管11的启动频率，增加加热器11的使用寿命。

本发明的温度控制采用单路控制方式，也是最常用的控制方式。所述温控器4采用以单片机为控制核心的智能PID控制器，将监测的预热温度的模拟信号转换为数字信号，在控制回路中通过控制固体继电器5与加热管11电源的导通，实现基板预热温度在室温～900℃之间连续可调，精度可以达到±0.01℃。智能PID温控器4通过直流电源供电。本实施例采用的温控器4为OMRON的E5AR型号数字调节仪，采样时间可达50ms，分辨率可达0.01℃；采用的固体继电器5为OMRON的G3NB一240B—UTU型号，安全性极高；采用的热电偶15为铠装K型热电偶，温度测量范围为0℃～1300℃。

所述的温度输入转换模块6，本实施例采用研华的ADAM-4018和ADAM-4520模块。ADAM-4018模块是8路热电偶输入模块，16位采样，精度大于0.1％，采样速率大于10HZ/S，6路差分输入，2路单端输入，可接J、K、E、T、R、S等类型的热电偶；ADAM-4520模块是带隔离的RS232/RS485转换模块，具有隔离500VDC的能力，传输速率1200BIT～38.4KBIT/S。

参见图1和图5，上位机监测系统3由温度监测程序7和温度输入转换模块6两部分组成。温度监测程序7是基于VC++6.0中的MSComm通信控件开发的，具有参数设置功能，并可根据采集数据描绘并显示曲线，自动、手动实时进行温度采集，并对基体预热器1的预热温度监测、记录和显示。具体流程如下：所述温度监测程序的执行同时进行采集控制和显示两任务，其中采集控制过程步骤如下：

步骤1)初始化，设置端口号、传输速度、奇偶校验位、数据位、停止位、自动发送间隔时间(可使用缺省值)；

步骤2)选择温度传输类型，手动发送或者自动发送；

步骤3)温度数据接收和处理；

采集显示步骤：在选择接收数据的类型后接收数据，对温度数据进行接收和处理，实时在线显示温度曲线(所处理的数据可以通过人机交互界面进行显示，参见图6)。

本发明恒温预热系统装置的主要技术参数指标：

外型尺寸：1400mm×230mm×330mm(大小根据需要加工)

温度调节范围：室温～900℃

温度调节增量：±0.1℃

消耗功率：最大6KW

温度稳定性：±10℃

采样速率：≥10HZ/S。

Claims (9)

1.一种高热导率基体激光熔覆加工方法，包括熔覆步骤，其特征在于：为了防止高热导率基体在激光熔覆过程中迅速冷却，建立了一套均匀预热的恒温控制系统，对高热导率材料在激光熔覆步骤前加入预热步骤，且通过智能PID温度控制方式在激光熔覆过程中保持温度的稳定性；其恒温温度控制在600～700度范围内，加温速率为20～35度/分。

2.按照权利要求1所述高热导率基体激光熔覆加工方法，其特征在于：所述PID温度控制通过温控器来设定基体预热温度并进行控制得以实现，当检测到基体的预热温度低于设定温度时，发出控制信号，接通基体的加热电源，对基体进行均匀加热；当加热温度达到设定温度时，断开基体的加热电源，形成对基体温度的控制。

3.按照权利要求1所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于包括：

—基体预热器(1)，为敞口箱体结构，由加热管(11)、导热板(8)、耐火瓷板(10)、保温层(13)和垫块(12)组成，耐火瓷板(10)通过保温层(13)置于箱体内壁，容置有预热基体的导热板(8)通过垫块(12)置于耐火瓷板(10)的底部表面，加热管(11)安装在耐火瓷板(10)和导热板(8)之间的预留空隙里；

—温控装置(2)，由温控器(4)、热电偶(9)和固体继电器(5)组成，热电偶(9)置于所述箱体内部，并且紧贴预热基体设置，用于将采集到的预热基体温度信号送至温控器(4)，并实时显示温度值；通过固体继电器(5)将加热管(11)与电源相连接，通过温控器(4)控制固体继电器(5)的开断，来接通断开加热管(11)与电源的连接，从而反馈调节预热温度的高低。

4.按照权利要求3所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：还包括上位机监测系统(3)，由温度监测程序(7)和温度输入转换模块(6)两部分组成，所述温度输入转换模块(6)通过插入所述箱体内的热电偶(9)采集预热基体温度的模拟信号，并将预热基体温度模拟信号转换为数字信号，送至存于上位机的温度监测程序(7)中，由温度监测程序(7)控制信号的采集和接收过程，其运行在线显示预热基体温度的变化。

5.按照权利要求3所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：保温层(13)为隔热石棉材料。

6.按照权利要求3所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：加热管为内装石英粉末的不锈钢钢管(14)，由内置加热电阻丝(15)、两自由端的陶瓷隔热头(17)和接电头(18)组成，加热管(11)在箱体内呈立体“M”字形排布，并且加热管(11)弯折处互相正交。

7.按照权利要求6所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：加热电阻丝(15)采用4Cr28Ni48W6或0Cr25Ni20Si2丝；陶瓷隔热头(17)采用氧化铝陶瓷材料。

8.按照权利要求3所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：导热板(8)为倒置板凳结构，采用紫铜材料。

9.按照权利要求3所述高热导率基体激光熔覆加工方法所用的恒温控制系统，其特征在于：所述温度监测程序的执行同时进行采集控制和显示两任务，其中采集控制过程步骤如下：

步骤1)初始化，设置端口号、传输速度、数据类型和自动发送时间间隔；

步骤2)选择温度传输类型，手动发送或者自动发送；

步骤3)温度数据接收和处理；

采集显示步骤：在选择接收数据的类型后接收数据，对温度数据进行接收和处理，实时在线显示温度曲线。

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