CN109023350A - 一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置及其方法，该装置包括水冷系统、操控系统、激光熔覆系统、送粉系统和喷雾增强系统，装置简单、成本低；利用该装置进行激光熔覆的方法，在增加吸收层后进行激光熔覆，可提高激光能量利用率及熔覆效率，增强激光熔覆层和基材的冶金结合性。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置及其方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们越来越多的采用表面改性技术修复破损零件或提高零件表面性能。激光熔覆是一种先进的表面改性技术，利用激光辐照基材表面，使基材和熔覆材料同时熔化并快速凝固形成稀释率极低并与基材呈冶金结合的表面熔覆层。该技术具有升降温速度快，容易得到细晶组织或产生平衡态无法得到的新相，界面结合强度高；热输入小，畸变小，基本无热变形；熔覆粉末几乎没有限制，可制备梯度涂层；能进行选区熔覆，材料消耗少等特点，在航空航天、电子、电气、交通运输等行业中有着广泛的应用。
激光熔覆过程中由于温度梯度大，导致激光熔覆层中易出现组织不均匀现象、易产生较大的残余应力，使得熔覆层性能大大降低。另外，某些材料如铜及其合金由于对激光的吸收率极低，需采用大功率激光器才能进行激光熔覆。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置及其方法，解决了上述背景技术中减小残余应力、增大基材对激光吸收率、获得性能优异的涂层的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置，包括水冷系统、操控系统、激光熔覆系统、送粉系统和喷雾增强系统；
所述操控系统包括控制柜、机器手和平台，所述平台用于放置基材，所述控制柜和机械手电连接，所述机械手用于控制激光熔覆系统、基材、平台的相对运动以实现相应图案的制备；
所述激光熔覆系统包括光纤激光器、光纤和第一喷嘴，所述第一喷嘴设置于平台上方并通过光纤与光纤激光器连接；
所述送粉系统包括同步送粉器、气瓶和送粉管，所述气瓶与同步送粉器通过送粉管连通，所述送粉管经过同步送粉器后连接至第一喷嘴，并于第一喷嘴的出口连接至气瓶，形成气体回路；
所述喷雾增强系统包括喷雾装置、第二喷嘴、支架、送气管和第二气瓶，所述支架架设于平台旁，所述支架的自由端设有第二喷嘴，所述第二喷嘴通过送气管与第二气瓶连通，所述第二喷嘴的尾端与喷雾装置连接，所述喷雾装置内储存有增强吸收液体；
所述水冷系统设置冷水循环管路并与激光熔覆系统连通，用于激光熔覆时的基材降温。
在本发明一较佳实施例中，所述第一气瓶和第二气瓶为氩气瓶。
在本发明一较佳实施例中，所述操控系统包括六轴工业机器人，所述六轴工业机器人包括所述机器手，所述控制柜为机器人控制柜，所述机器人控制柜通过管线驱动六轴工业机器人的六个关节轴的旋转，控制第一喷嘴、平台和基材的相对运动，实现复杂图案的激光熔覆。
本发明还提供了一种喷雾增强吸收激光熔覆的方法，采用上述的装置，具体步骤如下：
(1)预处理：对待熔覆基材进行除油、去除氧化层；
(2)增强吸收层的制备：将基材置于平台上，将喷雾装置中的增强吸收液体通过送气管喷射到基材表面，在基材表面上形成一薄层增强吸收层，室温干燥5-10min；所述增强吸收液体为乙醇、二正丁胺、EDTA和叔丁醇铝的混合溶液，形成的增强吸收层厚度50-150um；
(3)激光熔覆：采用光纤激光器在增强吸收层表面直接进行激光熔覆，所述光纤激光器功率为250-2500w，扫描速度1-20mm/s，涂层厚度为0.3-2mm。
在本发明一较佳实施例中，所述激光熔覆过程中，同步送粉器通过送粉管、并由第一喷嘴向基材喷送熔覆粉末。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明在激光熔覆前增加了增强吸收层，可显著增加基材对激光的吸收率，提高基材对激光能量的利用率；
2.本发明通过制备增强吸收层的中间涂层，可解决难以直接制备与基体形成冶金结合的激光熔覆层；
3.本发明喷雾增强吸收激光熔覆的装置简单、成本低；
4.本发明工艺适用范围广，中间层材料选择多样。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明基材表面涂层的示意图。
图3为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体说明本发明的内容：
实施例1
请查阅图1，本实施例的提供了一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置，包括水冷系统1、操控系统、激光熔覆系统、送粉系统和喷雾增强系统；
所述操控系统包括控制柜4、机器手3和平台1212，所述平台1212用于放置基材1111，所述控制柜4和机械手3电连接，所述机械手3用于控制激光熔覆系统、基材1111、平台1212的相对运动以实现相应图案的制备；
所述激光熔覆系统包括光纤激光器2、光纤1414和第一喷嘴9，所述第一喷嘴9设置于平台12上方并通过光纤14与光纤激光器2连接；
所述送粉系统包括同步送粉器13、气瓶和送粉管，所述气瓶与同步送粉器13通过送粉管连通，所述送粉管经过同步送粉器13后连接至第一喷嘴9，并于第一喷嘴9的出口连接至气瓶，形成气体回路；
所述喷雾增强系统包括喷雾装置、第二喷嘴7、支架8、送气管18和第二气瓶6，所述支架8架设于平台12旁，所述支架8的自由端设有第二喷嘴7，所述第二喷嘴7通过送气管18与第二气瓶6连通，所述第二喷嘴7的尾端与喷雾装置连接，所述喷雾装置内储存有增强吸收液体；所述增强吸收液体为乙醇、二正丁胺、EDTA和叔丁醇铝的混合溶液，形成的增强吸收层厚度50-150um；
所述水冷系统1设置冷水循环管路15并与激光熔覆系统连通，用于激光熔覆时的基材11降温。
本实施例中，所述操控系统包括六轴工业机器人，所述六轴工业机器人包括所述机器手，所述控制柜4为机器人控制柜4，所述机器人控制柜4通过管线驱动六轴工业机器人的六个关节轴的旋转，所述六轴工业机器人与光纤激光器2、第一喷嘴9相连，用于控制第一喷嘴9、平台12和基材11的相对运动，实现复杂图案的激光熔覆。所述第一气瓶5和第二气瓶6均采用氩气瓶。所述氩气气瓶和所述同步送粉器13相连，所述同步送粉器13通过所述同轴送粉喷嘴向所述熔覆基材11喷送熔覆粉末，喷雾装置可以手动执行或通过自动化装备来执行。
实施例2
请查阅图3，采用实施例1的装置进行喷雾增强吸收激光熔覆的方法，在基材11表面制备增强吸收层111，通过同轴送粉式光纤激光器2熔覆设备在基材11的电镀层表面制备熔覆层，其具体包括如下步骤：步骤一、对待熔覆基材11进行除油、去除氧化皮等预处理；步骤二、将喷雾装置中的增强吸收液体通过送气管18喷射到基材11表面，在基材11表面上形成一薄层增强吸收层111，室温干燥0.5h；步骤三、采用光纤激光器2在增强吸收层111表面直接进行激光熔覆，光纤激光器2功率为250-2500w，扫描速度1-20mm/s，涂层厚度为0.3-2mm。
请查阅图2，基材11表面分布有增强吸收层111和熔覆层，通过制备增强吸收层111构建梯度涂层，提高零件的使用寿命和表面质量。激光熔覆过程中，增强吸收层111可显著增加基材11对激光的吸收率，提高基材11对激光能量的利用率；解决难以直接制备与基体形成冶金结合的激光熔覆层112。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (5)
1.一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置，其特征在于：包括水冷系统、操控系统、激光熔覆系统、送粉系统和喷雾增强系统；
所述操控系统包括控制柜、机器手和平台，所述平台用于放置基材，所述控制柜和机械手电连接，所述机械手用于控制激光熔覆系统、基材、平台的相对运动以实现相应图案的制备；
所述激光熔覆系统包括光纤激光器、光纤和第一喷嘴，所述第一喷嘴设置于平台上方并通过光纤与光纤激光器连接；
所述送粉系统包括同步送粉器、气瓶和送粉管，所述气瓶与同步送粉器通过送粉管连通，所述送粉管经过同步送粉器后连接至第一喷嘴，并于第一喷嘴的出口连接至气瓶，形成气体回路；
所述喷雾增强系统包括喷雾装置、第二喷嘴、支架、送气管和第二气瓶，所述支架架设于平台旁，所述支架的自由端设有第二喷嘴，所述第二喷嘴通过送气管与第二气瓶连通，所述第二喷嘴的尾端与喷雾装置连接，所述喷雾装置内储存有增强吸收液体；
所述水冷系统设置冷水循环管路并与激光熔覆系统连通，用于激光熔覆时的基材降温。
2.根据权利要求1所述的一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置，其特征在于：所述第一气瓶和第二气瓶为氩气瓶。
3.根据权利要求1所述的一种喷雾增强吸收激光熔覆的装置，其特征在于：所述操控系统包括六轴工业机器人，所述六轴工业机器人包括所述机器手，所述控制柜为机器人控制柜，所述机器人控制柜通过管线驱动六轴工业机器人的六个关节轴的旋转，控制第一喷嘴、平台和基材的相对运动，实现复杂图案的激光熔覆。
4.一种喷雾增强吸收激光熔覆的方法，其特征在于：采用如权利要求1～3任一项所述的装置，具体步骤如下：
(1)预处理：对待熔覆基材进行除油、去除氧化层；
(2)增强吸收层的制备：将基材置于平台上，将喷雾装置中的增强吸收液体通过送气管喷射到基材表面，在基材表面上形成一薄层增强吸收层，室温干燥5-10min；所述增强吸收液体为乙醇、二正丁胺、EDTA和叔丁醇铝的混合溶液，形成的增强吸收层厚度50-80um；
(3)激光熔覆：采用光纤激光器在增强吸收层表面直接进行激光熔覆，所述光纤激光器功率为250-2500w，扫描速度1-20mm/s，涂层厚度为0.3-2mm。
5.根据权利要求4所述的一种喷雾增强吸收激光熔覆的方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中，同步送粉器通过送粉管、并由第一喷嘴向基材喷送熔覆粉末。
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