CN107904595A - 一种带有微波辅助加热装置的熔覆装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波辅助加热的装置，包括微波辅助上平台和微波加热下平台，二者之间限定一加热区域；所述微波辅助上平台能够在空间内移动，并适于朝向所述加热区域发射一个点状微波束；所述微波加热下平台能够在垂直方向上下移动，并适于朝向所述加热区域提供一面状微波加热源；所述微波辅助上平台还包括一适配结构，用于与一外接的热源发生器接合以使所述外接的热源发生器朝向所述加热区域提供点状主加热源。本发明提供的微波辅助加热装置，通过点面结合的微波装置，能一站式解决加工前干燥和预热，加工中搅拌和空化，加工后热处理等问题。还提供了采用此装置辅助熔覆的方法。

Description

一种带有微波辅助加热装置的熔覆装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种熔覆装置，尤其是一种带有一站式点面结合的微波辅助加热装置的熔覆装置。

本发明还提供了一种微波辅助熔覆的方法。

背景技术

近些年，激光熔覆作为一种先进的表面改性和再制造技术，通过在基材表面添加金属粉末与基体形成良好的冶金结合，可以用于制造复杂结构的零部件，又可以对失效的零部件进行修复，激光熔覆具有稀释率小，组织致密、涂层与基体结合好、无污染等特点，成为材料表面改性领域的研究热点，同时也开始应用于各领域。

激光束是一种能量密度极高的高能束，粉末的快速融化和快速凝固使得温度梯度过大大，造成热应力，最终容易出现气孔、变形和裂纹缺陷，这也是制约激光熔覆难以广泛应用于实际的主要原因。同时，激光熔覆热量传递方向性很强，散热方向引起了晶体组织形态的差别(如等轴晶、柱状晶、树枝晶等)，晶体形态的差别就造成了性能上的差异。

微波加热属于分子层面上，有别于其它热源通过热传导方式，有着其独有的特点，如加热均匀，没有方向性，体积加热，热梯度小，粉末对微波的吸收具有差异性。基于此，将激光和微波两者热源结合起来，优势互补，有助于发挥两种热源各自的优势，改善熔覆层的质量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供带有一站式点面结合的微辅助加热装置的熔覆装置。还提供一种微波辅助熔覆的方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其包括：微波辅助上平台和微波加热下平台，二者之间限定一加热区域；

所述微波辅助上平台能够在空间内内移动，并适于朝向所述加热区域发射一个点状微波束；所述微波加热下平台能够在垂直方向上移动，用于调节离焦量，所述离焦量为初始状态下粉束和激光焦点与基板间的距离，并适于朝向所述加热区域提供一面状微波加热源；所述微波辅助上平台还包括一适配结构，用于与一外接的热源发生器接合以使所述外接的热源发生器朝向所述加热区域提供点状主加热源。

优选的，还包括xyz三向平移机构、Z向升降机构、工作台和防护装置；所述工作台的一部分为凹槽，适于放置待熔覆基板，所述防护装置包括微波屏蔽罩和微波聚集腔；

所述微波辅助上平台包括上微波装置；所述上微波装置包括发射点状微波束的微波发射端，所述微波发射端位于所述微波聚集腔内；所述微波辅助上平台和所述微波聚集腔安装在xyz三向平移机构上；

所述微波加热下平台包括下微波装置和波导腔；所述下微波装置安装在升降台钣金件的下面，所述波导腔聚集并向上引导所述下微波装置产生的微波，形成所述面状微波加热源；所述微波加热下平台安装于Z向升降机构上，可Z向升降。

进一步的，还包括若干旋钮，每个所述旋钮适于调节至少一个所述上微波装置和/或下微波装置的功率。

进一步的，所述防护装置还包括外罩，所述微波屏蔽罩为可折叠式，覆盖面为环状；所述微波屏蔽罩内孔适于所述适配结构，所述微波屏蔽罩外周连接至外罩的侧壁，所述微波屏蔽罩与所述外罩组成一个相对密闭的空间。

进一步的，所述微波聚集腔包括至少一块透明的屏蔽玻璃，用于观察熔覆过程中的实时情况；所述工作台的凹槽由耐火砖堆砌。

进一步的，所述xyz三向平移机构包括x向光轴，所述x向光轴安装在y向光轴上，所述y向光轴安装在第一z向光轴上；所述x向光轴和所述微波辅助上平台滑动连接；所述Z向升降机构包括第二z向光轴和滚珠丝杠，滚珠丝杠上配合安装一个丝杠螺母，所述丝杠螺母与所述微波加热下平台固连。

进一步的，周向布置至少两个所述上微波装置，其产生的微波束照在同一点。

进一步的，还包括管接头，所述管接头一端连接保护气气源，另一端向所述加热区域供气。

进一步的，所述热源发生器中/外集成有送料机构，所述送料机构喷射的原料束从四周向中心喷射；所述送料机构喷射的原料束、所述热源发生器发射的点状主加热源、所述点状微波束相交于同一点；所述热源发生器包括：电弧、电子束、离子束、激光束发生装置。

本发明还提供了一种用微波辅助加热装置辅助熔覆的方法：

用微波专用平底容器盛装待熔覆原料，放置于所述加热区域内，用所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台干燥所述待熔覆原料；

将待熔覆基板放置于所述加热区域范围内，利用所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台预热；

将外接的热源发生器与所述适配结构固连；所述点状主加热源、所述点状微波束与原料束共聚一点；移动所述热源发生器和/或所述微波加热下平台，使所述共聚点形成加工轨迹；

关闭所述外接的热源发生器，根据熔覆原料的性能和产品的用途，调节所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台中微波功率，对加工得到的产品热处理。

(三)有益效果

本发明提供的微波辅助加热装置，通过点面结合的微波装置，能一站式解决加工前干燥和预热，加工中搅拌和空化，加工后热处理等问题。

微波辅助搅拌作用效果好，防止加工中部分氧化，加工后产品的组织均匀、细化；可以针对性的做加工后热处理。

设备效率高、损耗小，易于操作。

本发明提供的微波辅助加工方法，操作简单、快捷，预热时间短，加工时间短，加工效果好。

附图说明

图1是一种内部结构的等轴视图。

图2是一种微波辅助激光熔覆装置与激光熔覆头配合使用的效果图。

图3是一种微波辅助激光熔覆装置的主视图。

图4是一种微波辅助激光熔覆装置的俯视图。

图5是一种微波辅助激光熔覆装置的A向半剖视图。

图6是一种微波辅助上平台的等轴视图。

图7是一种微波辅助上平台的俯视图。

图8是一种微波辅助上平台的B向半剖视图。

图9是一种微波辅助上平台的C向半剖视图。

图10是一种微波辅助激光熔覆的原理图。

【附图标记说明】

11：微波屏蔽罩；111：微波屏蔽罩支架；113：T型连接螺栓；114：支撑板；12：x向光轴；121：直线轴承；13：磁控管；131：主微波调节旋钮；132：磁控管支架；14：y向光轴；15：管接头；16：微波聚集腔；161：屏蔽玻璃；162：连接板；17：第一z向光轴；211：耐火砖；212：波导腔；221：升降台钣金件；222：手轮；223：滚珠丝杠；224：第二z向光轴；225：丝杠螺母；226：带菱形座轴承；227：光轴固定座；23：下微波装置；231：副微波调节旋钮；41：上钣金；42：侧钣金；43：防护玻璃；44：前仓门；45：下钣金；5：激光熔覆头；6：基板；a：激光束；b：粉末束；c：微波束。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1展示了本发明的内部结构示意图，图2展示了本发明的整体外观。包括热源发生器、激光辅助上平台、激光加热下平台、xyz三向平移机构、z向升降机构、工作台和防护装置。

如图3显示了本发明的主视图。可看出，外罩包括上板金41，侧板金42，下钣金45和前仓门44，前仓门44上有透明的防护玻璃43。外罩上还有主微波调节旋钮131和副微波调节旋钮231。本例中，主微波调节旋钮131调节所有的上微波装置，副微波调节旋钮231调节所有的下微波装置。实际可以一个所述上微波装置/下微波装置对应设置一个旋钮。

图3内配合图5显示的剖视图(A向)，可以看出微波加热下平台中Z向升降机构的结构：一根滚珠丝杠223借助其两端的带菱形座轴承226、两根第二z向光轴224借助其两端的光轴固定座227各自纵向布置在下钣金45和上板金41之间。优选的，滚珠丝杠223与两根第二z向光轴224直线布置，滚珠丝杠223在中间。滚珠丝杠223的上端固连(本说明书中，所有固连都是指使用时连接件相对静置，但其具体连接结构可能是螺接等可拆卸连接)有手轮222，还匹配的设置有丝杠螺母225。

升降台钣金件221的一端与丝杠螺母225固连，其上有堆砌成槽型的耐火砖211(二者即工作台)。升降台钣金件221的同一端还固连有四个直线轴承，关于滚珠丝杠左右对称布置成两对，两对所述直线轴承分别滑动连接于两根z向光轴224。优选的，第二z向光轴224上还包括限位块，用于确定Z向最低点，利于标注空间坐标；还可以调节初始离焦量，即初始状态下粉束和激光焦点与基板间的距离。进一步的，在侧板金42上标有刻度，便于调节激光熔覆头下端与基板间的距离。

如此布置，滚珠丝杠223的转动可以转化为工作台的上下移动，第二z向光轴主要用来防止工作台旋转，也具有导向的作用。

微波加热下平台包括设置在升降台钣金件221之下的波导腔212。波导腔212的一侧连接下微波装置23，下微波装置23发射的微波被波导腔212聚集和向上导出，可面状的对槽底位置加热。所述副微波调节旋钮231可调节下微波装置23的功率。

图5结合图3还显示了xyz三向平移机构。4根第一z向光轴17各自借助其两端的光轴固定座纵向布置在矩形的四角。每根第一z向光轴17上匹配设置一个直线轴承。y向光轴14的两端固连光轴固定座，所述光轴固定座固连于矩形一边的两根第一z向光轴17上的直线轴承上，y向光轴14垂直于z向光轴17，可在直线轴承的导引下z向平移；另一根y向光轴14同样的方式安装在对面两根z向光轴17上。

两根x向光轴12各自的两端固连光轴固定座，光轴固定座上固连直线轴承，两根x向光轴12的一端同直线轴承安装到一根y向光轴14上。x向光轴12垂直于y向光轴14，可整体y向平移。

图6是防护装置和上微波装置组装在一起的示意图，图7是图6的俯视图。如图8所示，支撑板114固连于直线轴承121上表面，将四个直线轴承121连为一个整体，其整体可沿x向平移。微波屏蔽罩支架111固连在支撑板114上。微波屏蔽罩支架111成框型，所述框型四周连接在图5所示的微波屏蔽罩11内孔(微波屏蔽罩11俯视图如图4所示)处。微波屏蔽罩11的四周延伸至侧板金42，与外罩一同构成了相对密闭的空间，减少微波的泄露。

当微波辅助上平台在x向和/或y向平移时，微波屏蔽罩11可实时的折叠或展开，保证微波屏蔽罩支架111和侧板金42之间全部为微波屏蔽罩11的覆盖之下。这样可以防止加工过程中微波的泄露。

直线轴承121下表面依次固连有连接板162、磁控管支架132和微波聚集腔16。磁控管支架132的一部分弯折，弯折部固连有上微波装置。本例中上微波装置时是磁控管13，实际上也可以是其它类型的微波发生装置。图示弯折部是固定的，也可以设置一个调节装置，可调节微波束与竖直方向的夹角。

有一个竖向的通孔从支撑板114贯穿至微波聚集腔16，用于配合外接的热源发生器(例如图2所示的激光熔覆头5)使其伸入微波聚集腔16内部。在所述通孔两侧的支撑板114上开设有腰形槽，配合T型连接螺栓113可以固连所述激光熔覆头5。本例适配结构适于连接激光熔覆头，可以根据待配合的热源发生器而调整。

本实施例的微波辅助上平台随着激光熔覆头5而xyz三向平移，激光熔覆头5可在安装在机器人末端执行器或机床主轴(当作刀具，禁止旋转)上实现驱动。也可以本发明自带动力机构，如用直线电机驱动xyz三向平移机构，由xyz三向平移机构带动微波辅助上平台和外接的热源发生器(激光熔覆头)运动。

如图8所示，两个磁控管13相对倾斜布置，二者的发射端伸入微波聚集腔16之内，二者发射的微波束聚会在一点。如果采用其他类型的微波发射装置，可以在发射端设置波导管，使得发射的微波成束。配合外接的热源发生器，例如激光熔覆头5，其发射的激光束也经过此聚会点。

激光熔覆头5也可以为其他热源发生器，如：电弧、电子束、离子束等高能束的发生装置。所述热源发生器前端集成送料机构，可以送粉、送丝等以形成原料束；也可以还集成有保护气通道。

还包括管接头15，其输出端设置在微波聚集腔16之内，其输入端外接惰性气体的气源。惰性气体可以流动到微波聚集腔16内形成对成形部位的保护气氛。

微波辅助上平台与微波加热下平台相对安装，二者间限定一加热区域。以限位块所限定的z面为参考面，x向光轴12和y向光轴14的方向为x轴、y轴，可以用三坐标值标记微波束交点在空间内的位置。利于编程，自动化加工。

如图9所示，微波聚集腔16的一部分可以由透明的屏蔽玻璃161构成，其位置对应于防护玻璃43。这样操作者可以实时通过屏蔽玻璃161观察到微波聚集腔16内部的状态。

结合本说明书所提供的设备，叙述一种微波辅助激光熔覆的方法：

S1：将待熔覆粉末放置于微波专用平底容器中，最好是平铺，再将所述微波专用平底容器放置于工作台上。通过主微波调节旋钮131或副微波调节旋钮231对应调节温度所述上微波装置或下微波装置，对待熔覆粉末干燥。

待熔覆粉末量少时只需下微波装置即可；量多时可同时使用上、下微波装置，优选的调整微波束交点距离粉末60mm。只需很短的时间就可以将粉末干燥。

S2：如图5所示，将基板6放置在耐火砖211搭制的槽内，利用下微波装置预热；如果需要缩短预热时间，可同时使用上微波装置，需在开启下微波装置后数十秒后再开启上微波装置，优选的调整微波束交点位于基板上面。基板6的预热能够减小初始熔覆时的温度梯度，可适当的抑制熔覆层的开裂。基板6放置在凹槽中可以减少对微波的反射，使得基板6加热的更好。

S3：利用T型连接螺栓113，将激光熔覆头5与所述适配结构固连；激光熔覆头5受外部驱动力驱动，带动xyz三向平移机构在空间内移动。开始加工时，打开并调节主微波旋钮131，控制点状微波束的功率。如图10所示，上微波装置发射的微波束、激光熔覆头中间的激光束、激光熔覆头四周的粉末束三束共聚加熔覆点。

微波束c与激光束a、粉末束b三束共聚时，微波的搅拌作用和空化作用有助于实现组织均匀、无气孔和裂纹的熔覆层。微波对一些粉末(如陶瓷粉末、SiC、WC等硬质相)吸收率的不同，利用这种“选择性”加热功能可以制备功能梯度熔覆层。保护气的通入可抑制熔覆过程中的部分氧化；均化和细化熔覆层的组织，提高熔覆层的性能。

S4：关闭所述加工装置，调节所述上微波装置和/或所述下微波装置，对加工后的零件热处理。

根据热处理的不同方式处理：若熔覆层是常温，则需要先调节副微波旋钮231，当温度上升至一定温度后方可调节主微波旋钮131；若熔覆层的温度非常温，则可同时调节主微波旋钮131和副微波旋钮231至合适的功率，并旋转手轮222将工作台调整至离熔覆层一定的距离即可。

上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于，其包括：微波辅助上平台和微波加热下平台，二者之间限定一加热区域；

所述微波辅助上平台能够在空间内移动，并适于朝向所述加热区域发射一个点状微波束；

所述微波加热下平台能够在垂直方向上移动，用于调节离焦量，并适于朝向所述加热区域提供一面状微波加热源；

所述微波辅助上平台还包括一适配结构，用于与一外接的热源发生器接合以使所述外接的热源发生器朝向所述加热区域提供点状主加热源。

2.如权利要求1所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：还包括xyz三向平移机构、Z向升降机构、工作台和防护装置；所述工作台的一部分为凹槽，用于放置待熔覆基板，所述防护装置包括微波屏蔽罩和微波聚集腔；

所述微波辅助上平台包括上微波装置；所述上微波装置包括发射点状微波束的微波发射端，所述微波发射端位于所述微波聚集腔内；

所述微波辅助上平台和所述微波聚集腔安装在xyz三向平移机构上；

所述微波加热下平台包括下微波装置和波导腔；所述下微波装置安装在升降台钣金件的下面，所述波导腔聚集并向上引导所述下微波装置产生的微波，形成所述面状微波加热源；

所述微波加热下平台安装于Z向升降机构上，可Z向升降。

3.如权利要求2所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：还包括若干旋钮，每个所述旋钮适于调节至少一个所述上微波装置和/或下微波装置的功率。

4.如权利要求2所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：所述防护装置还包括外罩；

所述微波屏蔽罩为可折叠式，覆盖面为环状；

所述微波屏蔽罩内孔适应于所述适配结构，所述微波屏蔽罩外周连接至外罩的侧壁，所述微波屏蔽罩与所述外罩组成一个相对密闭的空间。

5.如权利要求2所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：所述微波聚集腔包括至少一块透明的屏蔽玻璃；所述工作台的凹槽由耐火砖堆砌。

6.如权利要求2所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：所述xyz三向平移机构包括x向光轴，所述x向光轴安装在y向光轴上，所述y向光轴安装在第一z向光轴上；所述x向光轴和所述微波辅助上平台滑动连接；

所述Z向升降机构包括第二z向光轴和滚珠丝杠，滚珠丝杠上配合安装一个丝杠螺母，所述丝杠螺母与所述微波加热下平台固连。

7.如权利要求2所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：周向布置至少两个所述上微波装置，其产生的微波束照在同一点。

8.如权利要求1所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：还包括管接头，所述管接头一端连接保护气气源，另一端向所述加热区域供气。

9.一种包括权利要求1至权利要求8任一所述的带有微波辅助加热装置的熔覆装置，其特征在于：所述热源发生器集成有送料机构及保护气通道，所述送料机构喷射的原料束从四周向中心喷射；

所述送料机构喷射的原料束、所述热源发生器发射的点状主加热源、所述点状微波束相交于同一点；

所述热源发生器包括：电弧、电子束、离子束、激光束发生装置。

10.一种利用权利要求1至权利要求9任一所述的微波辅助加热装置的微波辅助熔覆方法，其特征在于：包括以下过程：

用微波专用平底容器盛装待熔覆原料，放置于所述加热区域内，用所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台干燥所述待熔覆原料；

将待熔覆基板放置于所述加热区域范围内，利用所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台预热；

将外接的热源发生器与所述适配结构固连；所述点状主加热源、所述点状微波束与原料束共聚一点；移动所述热源发生器和/或所述微波加热下平台，使所述共聚点形成加工轨迹；

关闭所述外接的热源发生器，根据熔覆原料的性能和产品的用途，调节所述微波辅助上平台和/或微波加热下平台中微波的功率，对加工得到的产品热处理。