CN102719822A - 一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法及其装置，用常规同步送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，其特征在于：所述同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ进行送粉。送粉装置包括角度测量板、送粉管支架、角度指针、送粉管和夹持装置，其中，送粉管通过夹持装置设置在送粉管支架上，送粉管支架与水平面垂直且在送粉管倾斜的一侧上设置角度测量板，送粉管上装有角度指针。在激光熔覆过程中，通过改变送粉角度能提高熔覆粉末的有效利用率，获得表面光滑、无缺陷、且与基体冶金结合良好的熔覆层。本发明的装置结构简单、操作非常简便、成本低，可实现不同送粉角度时的激光熔覆过程，简化了激光熔覆工艺流程，成型效益高。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法及其专用装置。
背景技术
激光熔覆技术是材料表面改性技术的一种重要方法，其是在基体表面添加一种不同于基底材质的特殊合金粉末，并利用高能密度的激光束使之与基材表面的薄层一起熔凝的快速凝固过程，其目的是改善基体的耐磨、耐蚀及抗氧化等性能。
激光熔覆的材料供给方式有预置法和同步送粉法。与预置法相区别，送粉式激光熔覆实际上是激光束、熔覆粉末颗粒以及基体相互作用的过程，因其具有涂层质量高、稀释率易于控制、热变形小、熔覆带表面光滑、熔覆区组织精细、易于实现自动化和全向性等优点以及送粉激光熔覆软硬件的开发与完善，必将成为今后激光熔覆中材料掭加方式的主流。
目前，国内外学者采用理论分析和数值计算的研究方法，大量研究了激光工艺参数（如激光功率、激光模式、光斑形状和大小、离焦量及扫描速度等）、基体材料与熔覆材料的性质和送粉器参数（如送粉率、喷嘴几何尺寸及送粉方式等）对熔覆件质量的影响。但针对送粉器另一个不可忽略的重要参数——送粉角度，其对熔覆层的作用研究甚少。
经对国内外公开发表的相关文献检索，尚未发现同步送粉式激光熔覆的送粉方法及其装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法及其专用装置，以提高熔覆件质量、简化激光熔覆工艺流程。
本发明通过下列技术方案实现：一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法，用常规同步送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，所述同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ进行送粉。
所述熔覆使用的送粉粉末为Fe55合金粉末，其化学成分（质量分数，%）为0.8～3.5 C、15～30 Cr、2.0～5.0 Si、2.0～3.5 B、10～20 Ni、余量为Fe；基材是尺寸为100mm×10mm×10mm的碳钢。
使用上述熔覆粉末和基材时激光熔覆的激光工艺参数：功率为3～5kW，扫描速度为300～500mm/min，离焦量为55mm，激光光束直径为6mm，喷嘴距基材表面的距离为12mm，送粉速率为7～9g/min，保护气体为氩气；此时θ为40～68°。
本发明的另一个目的在于提供一种同步送粉式激光熔覆的送粉装置，包括角度测量板、送粉管支架、角度指针、送粉管和夹持装置，其中，送粉管通过夹持装置设置在送粉管支架上，送粉管支架与水平面垂直且在送粉管倾斜的一侧上设置角度测量板，送粉管上装有角度指针用于在角度测量板上读出倾斜的角度。
所述送粉管支架上设置槽，夹持装置带动送粉管可在槽上运动。
所述角度测量板的量程为0～90°。
使用时，将待熔覆基体放置于水平面上，送粉管倾斜向其表面喷覆熔覆粉末，倾斜角度可按实际所需通过角度指针指定，并能使送粉管通过夹持装置在送粉管支架上移动。
本发明的优点和效果：在激光熔覆过程中，通过改变送粉角度能提高熔覆粉末的有效利用率，获得表面光滑、无缺陷、且与基体冶金结合良好的熔覆层。本发明的装置结构简单、操作非常简便、成本低，可实现不同送粉角度时的激光熔覆过程，简化了激光熔覆工艺流程，成型效益高。
附图说明
图1为本发明同步送粉式激光熔覆的送粉装置的结构示意图；图中，1-角度测量板、2-送粉管支架、3-角度指针、4-送粉管、5-夹持装置、6-熔覆基体；θ-送粉角度、h-喷嘴与基材表面的距离；
图2为实施例1激光熔覆Fe55涂层的表面形貌；
图3为实施例2激光熔覆Fe55涂层的表面形貌；
图4为实施例3激光熔覆Fe55涂层的表面形貌；
图5为实施例4激光熔覆Fe55涂层的表面形貌；
图6为实施例5激光熔覆Fe55涂层的表面形貌；
图7为实施例1激光熔覆Fe55涂层的横截面形貌；
图8为实施例2激光熔覆Fe55涂层的横截面形貌；
图9为实施例3激光熔覆Fe55涂层的横截面形貌。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
熔覆使用的粉末为Fe55合金粉末，其化学成分（质量分数，%）为0.8～3.5 C、15～30 Cr、2.0～5.0 Si、2.0～3.5 B、10～20 Ni、余量为Fe；基材是尺寸为100mm×10mm×10mm的碳钢。如图1，用常规同步送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，激光工艺参数：功率为3.8kW，扫描速度为450mm/min，离焦量为55mm，激光光束直径为6mm，喷嘴距基材表面的距离h为12mm，送粉速率为8g/min，保护气体为氩气；同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ=68°进行送粉。将不同送粉角度获得的试样沿垂直于扫描方向，在始、末端切开，利用LEICA DFC280光学图像分析系统对涂层截面形貌进行拍照分析。所获得涂层形貌见图2、7所示。
如图1，同步送粉式激光熔覆的送粉装置，包括角度测量板1、送粉管支架2、角度指针3、送粉管4和夹持装置5，其中，送粉管4通过夹持装置5设置在送粉管支架2上，送粉管支架2与水平面垂直且在送粉管4倾斜的一侧上设置角度测量板1，送粉管4上装有角度指针3用于在角度测量板1上读出倾斜的角度；送粉管支架2上设置槽，夹持装置5带动送粉管4可在槽上运动；且角度测量板1的量程为0～90°。
使用时，将待熔覆基体放置于水平面上，送粉管倾斜向其表面喷覆熔覆粉末，倾斜角度可按实际所需通过角度指针指定，并能使送粉管通过夹持装置在送粉管支架上移动。
实施例2
方法和装置均与实施例1相同，仅送粉角度θ=60°，所获得涂层形貌图如图3、8所示。
实施例3
方法和装置均与实施例1相同，仅送粉角度θ=55°，所获得涂层形貌图如图4、9所示。
实施例4
方法和装置均与实施例1相同，仅送粉角度θ=50°，所获得涂层形貌图如图5所示。
实施例5
方法和装置均与实施例1相同，仅送粉角度θ=40°，所获得涂层形貌图如图6所示。
实施例6
方法和装置均与实施例1相同，仅激光工艺参数：功率为5kW，扫描速度为300mm/min，离焦量为55mm，激光光束直径为6mm，喷嘴距基材表面的距离h为12mm，送粉速率为7g/min，保护气体为氩气；同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ=45°进行送粉。
实施例7
方法和装置均与实施例1相同，仅激光工艺参数：功率为3kW，扫描速度为500mm/min，离焦量为55mm，激光光束直径为6mm，喷嘴距基材表面的距离h为12mm，送粉速率为9g/min，保护气体为氩气；同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ=60°进行送粉。
图2～6不同送粉角度时激光熔覆Fe55涂层的表面形貌，可以看出，送粉角度为60°时，熔覆层表面质量最好。在激光熔覆过程中，送粉角度过大或过小都会导致涂层表面出现不光滑、凹坑等缺陷。当送粉角度过小时，在基体表面出现无涂层的现象。
图7～9不同送粉角度时激光熔覆Fe55涂层的横截面形貌，也可看出，送粉角度为60°时，熔覆层高度和横截面面积最大。
以上所述实例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明专利构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种同步送粉式激光熔覆的送粉方法，用常规同步送粉式激光熔覆在基材表面制备复合涂层，其特征在于：所述同步送粉时送粉管倾斜，且与基材表面的夹角为θ进行送粉。
2.根据权利要求1所述同步送粉式激光熔覆的送粉方法，其特征在于：所述熔覆使用的送粉粉末为Fe55合金粉末，其化学成分（质量分数，%）为0.8～3.5 C、15～30 Cr、2.0～5.0 Si、2.0～3.5 B、10～20 Ni、余量为Fe；基材是尺寸为100mm×10mm×10mm的碳钢。
3.根据权利要求2所述同步送粉式激光熔覆的送粉方法，其特征在于：所述熔覆粉末和基材时激光熔覆的激光工艺参数：功率为3～5kW，扫描速度为300～500mm/min，离焦量为55mm，激光光束直径为6mm，喷嘴距基材表面的距离为12mm，送粉速率为7～9g/min，保护气体为氩气；此时θ为40～68°。
4.一种权利要求1～3所述同步送粉式激光熔覆送粉方法的送粉装置，其特征在于：包括角度测量板、送粉管支架、角度指针、送粉管和夹持装置，其中，送粉管通过夹持装置设置在送粉管支架上，送粉管支架与水平面垂直且在送粉管倾斜的一侧上设置角度测量板，送粉管上装有角度指针。
5.根据权利要求4所述的同步送粉式激光熔覆的送粉装置，其特征在于：所述送粉管支架上设置槽。
6.根据权利要求4所述的同步送粉式激光熔覆的送粉装置，其特征在于：所述角度测量板的量程为0～90°。
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