CN109183028A - 用于高速激光熔覆的侧向送粉装置及其熔覆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于高速激光熔覆的侧向送粉装置及其熔覆工艺，侧向送粉装置包括外壳、粉末载送气通道、粉末喷嘴以及粉末出口端，粉末载送气通道设在外壳侧面，粉末喷嘴与外壳的出料端，粉末出口端折弯设在粉末喷嘴的末端，在外壳的顶端的壳身内壁上开有一圈往复槽，在往复槽内设置弹性往复式可拆过滤组件；按照上述的送粉装置以及使用该送粉装置进行熔覆的工艺，其有益效果是：熔覆层厚度大大降低，可以达到250µm以下；熔覆速度显著提升，可以达到150m/min。以下比传统激光熔覆快100‑250倍。同时稀释层降低，保证熔覆层性能优异；在重力作用下送粉，所以送粉均匀，粉末利用率高；结构简单，送粉灵活，适用于各种形式结构件及多种熔覆环境下。

Description

用于高速激光熔覆的侧向送粉装置及其熔覆工艺

技术领域

本发明涉及一种用于高速激光熔覆的侧向送粉装置及其熔覆工艺。

背景技术

材料损坏的过程特别是材料的腐蚀、磨损以及疲劳是从材料的表面开始。为了防止材料腐蚀和磨损，在材料表面形成一层涂层，加强材料表面的耐腐蚀和耐磨性。在材料表面形成涂层常用的方法是电镀铬、热喷涂以及激光熔覆。电镀铬是一种镀铬技术，将酸中的铬镀到材料表面，其在工件表面形成涂层的厚度在10-25µm之间，而且形成涂层的速度很快但是这种技术并不是最完美理想的。一方面，在用电镀铬形成涂层时基体和涂层不是冶金结合涂层容易脱落，另一方面是在电镀过程中需要消耗大量的能量，成本比较高。最重要的不足是环境保护，铬是重金属有毒对环境有较大危害。热喷涂是继电镀铬技术以后发展起来的一种形成涂层的技术。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂设备轻便，工艺灵活、操作程序少，涂层厚度可以控制但是通过热喷涂技术形成的涂层有气孔而且热喷涂技术对资源利用率较低只有一半的材料覆盖到工件的表面同时热喷涂过程中浪费很多的燃料。

激光熔覆是继电镀铬、热喷涂以后在20世纪70年代试验研究的一种新的表面改性技术。它以不同的添料方式在被涂覆基体表面放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面一薄层同时熔化并快速凝固形成与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著提高基体表面耐磨、耐蚀性能的工艺方法。激光熔覆形成的熔覆层热影响区小，气孔少甚至没有气孔，基体与熔覆层为冶金结合不容易脱落，对环境没有污染。但是激光熔覆形成的熔覆层比较厚在500µm以上，稀释层较大，形成熔覆层的速率比较慢不适合大组件的激光熔覆，并且熔覆过程中粉末随气体送出，速度较快，使得单位时间内激光熔覆效率下降，带走一部分能量损耗的同时，造成粉末极高的浪费，同时还增加工作环境中粉尘含量，不利于技术人员的健康。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供用于高速激光熔覆的侧向送粉装置及其熔覆工艺，该熔覆工艺所使用的侧向送粉装置能够解决熔覆层比较厚、熔覆速度慢、粉末利用率低的问题。

为了解决传统激光熔覆中熔覆层过后，熔覆速度慢，不能熔覆大型组件，稀释层高，热影响区大，粉末利用率低等问题，本发明设计了一种高速激光熔覆的侧向送粉装置研究了其熔覆工艺；使用这种高速激光熔覆侧向送粉装置可以使熔覆速度大幅度提高可以达到150 m/ min。比传统激光熔覆快100-250倍，同时熔覆层质量保持良好无裂纹气孔等缺陷且热影响区小，稀释层低。

本发明的技术思路是：一种高速激光熔覆侧向送粉装置包括送粉头外壳、过滤排气网、粉末载送气通道和粉末喷嘴，粉末喷嘴有粉末通道，粉末出口在粉末喷嘴下端。所述的粉末喷嘴用螺纹固定在送粉头的下端，粉末喷嘴的上部为粉末入口、下部为粉末出口，在粉末出口和入口之间设有粉末通道；在送粉头上端有过滤排气网（保证送粉头内部的气压与外部气压相同，使粉末在重力作用下被送出），过滤排气网可以手动更换，熔覆不同目数的粉末，更换不同的过滤排气网；粉末喷嘴采用分体式设计，可以使粉末的均匀送出并降低粉末速度以增加粉末与激光的接触时间，使粉末快速熔化形成熔覆层以加快熔覆速度，本发明还进一步的将上述侧向送粉装置使用在熔覆工艺中，同时提高了粉末的利用效率，并降低空气中粉尘含量，减少吸入，保护技术人员健康。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，所述侧向送粉装置包括外壳、粉末载送气通道、粉末喷嘴以及粉末出口端，所述粉末载送气通道设在所述外壳侧面，所述粉末喷嘴与所述外壳的出料端，所述粉末出口端折弯设在所述粉末喷嘴的末端，在所述外壳的顶端的壳身内壁上开有一圈往复槽，在所述往复槽内设置所述弹性往复式可拆过滤组件。

作为优选，所述外壳内部沿粉末出料方向依次设置不同曲率的过渡漏斗。

作为优选，所述弹性往复式可拆过滤组件包括往复式弹簧以及过滤排气网，所述往复槽内设置一圈所述往复式弹簧，在一圈所述往复式弹簧顶端设置所述过滤排气网。

作为优选，所述往复槽的顶边不贯通所述外壳壳身顶边，且所述往复槽的顶边离所述外壳壳身的顶边距离为2-3cm。

作为优选，在一圈所述往复式弹簧顶端一体连接一磁性环，并在所述过滤排气网上设置一圈与磁性环相吸的磁性边。

作为优选，在所述往复槽的槽壁上还加工有导向槽，并在所述过滤排气网的磁性边上设置与导向槽配合的导向块。

用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，包括以下步骤：

步骤一：待熔覆材料为柱状的金属材料，熔覆前用砂纸除掉待熔覆材料表面的氧化膜以及锈，用丙酮清洗掉材料表面的油污，之后使用酒精冲洗后吹干；

步骤二：使用机床将待熔覆材料固定，使待熔覆材料沿着轴中心做高速转动；

步骤三：调节激光头和侧向送粉头的距离使粉末聚集处为激光光斑直径为1mm的位置，然后将送粉头和激光头固定在一起。移动激光头使送粉头距离工件表面的距离为10mm，粉末聚集处在待熔覆材料的上方1mm。激光光斑的直径为1mm，粉末聚集处粉斑的尺寸为0.8~1mm；

步骤四：使用送粉器将粉末送出，调节送粉器中转盘的转速来改变送粉速度，设定激光功率，扫描速度和搭接率然后进行熔覆；

步骤五：熔覆结束后，对熔覆层进行检验。

作为优选，固定工件之前将工件在加热炉里面预热，使工件表面的温度达到90℃，减小工件和激光之间的温度梯度，保证获得的熔覆层中应力较小防止裂纹的产生。

作为优选，所述步骤四中所使用的粉末是镍基、钴基和铁基合金粉末，粉末的粒度在500目以上，粉末在温度150℃的干燥箱里预热半个小时以上，使粉末充分干燥，送粉速度为15g/min。

作为优选，所述步骤四中激光功率P=1100W、搭接率为30%、激光光斑的直径为0.3mm，工件每转一圈，激光送粉装置沿工件轴向方向前进0.3mm，使用的保护气为氩气，其气流量为15L/min。

本发明的有益效果是：

（1）熔覆层厚度大大降低，可以达到250 µm以下。

（2）熔覆速度显著提升，可以达到150 m/ min。以下比传统激光熔覆快 100-250倍。同时稀释层降低，保证熔覆层性能优异。

（3）在重力作用下送粉，所以送粉均匀，粉末利用率高。

（4）结构简单，送粉灵活，适用于各种形式结构件及多种熔覆环境下。

附图说明

图1为本发明高速激光熔覆侧向送粉装置的结构示意图。

图2为本发明弹性往复式可拆过滤组件与外壳的连接关系图。

图3为图2虚线框内的放大图。

图4为本发明过滤排气网的结构示意图。

图5为熔覆过程图。

图6为本发明熔覆过程中粉末熔化进入熔池示意图。

图7为本发明实施例1在45#钢表面进行镍基合金粉末的熔覆效果图。

图8为本发明实施例2在轴承表面进行IN625合金粉末的熔覆效果图。

其中：1-外壳，2-粉末载送气通道，3-过滤排气网，4-粉末喷嘴，5-粉末出口，6-漏斗，7-激光热源，8-粉末流，9-热影响区，10-基体，11-熔覆层，12-熔池，13-稀释层，14-激光光斑，15-磁性环，16-磁性边，17-导向槽，18-导向块，19-往复槽，20-往复式弹簧。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-6所示的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，所述侧向送粉装置包括外壳1、粉末载送气通道2、粉末喷嘴4以及粉末出口5端，所述粉末载送气通道2设在所述外壳1侧面，所述粉末喷嘴4与所述外壳1的出料端，所述粉末出口5端折弯设在所述粉末喷嘴4的末端，在所述外壳1的顶端的壳身内壁上开有一圈往复槽19，在所述往复槽19内设置所述弹性往复式可拆过滤组件。

在本发明中，所述外壳1内部沿粉末出料方向依次设置不同曲率的过渡漏斗6，通过设置不同曲率的漏斗6可以延缓粉末的下料速度，降低粉末速度，进而提高粉末与激光的接触时间。

在本发明中，所述弹性往复式可拆过滤组件包括往复式弹簧20以及过滤排气网3，所述往复槽19内设置一圈所述往复式弹簧20，在一圈所述往复式弹簧20顶端设置所述过滤排气网3，所述往复槽19的顶边不贯通所述外壳1壳身顶边，且所述往复槽19的顶边离所述外壳1壳身的顶边距离为2-3cm，在一圈所述往复式弹簧20顶端一体连接一磁性环15，并在所述过滤排气网3上设置一圈与磁性环15相吸的磁性边16，在所述往复槽19的槽壁上还加工有导向槽17，并在所述过滤排气网3的磁性边16上设置与导向槽17配合的导向块18；首先，在实际送粉过程中，虽然过滤排气网3的目的是拦截粉末使气体排出，但是在排出气体的过程中会有部分的粉末粘在过滤排气网3上，这样使用久了不仅会影响过滤排气网3的过滤效果，还会造成粉末的浪费，因此，在送粉过程中就需要保证过滤排气网3上的粉末随时被清理下来，故本发明设计了上述弹性往复式可拆过滤组件，其一，在送粉过程中，随着气流的影响，往复式弹簧20会带动过滤排气网3往复式运动，在运动的过程中可将粉末随时抖落下来，实际使用过程中还可以设置振动部件来带动往复式弹簧20做往复运动，其二，为了适应不同目数的过滤网的更换，本发明设计了磁性环15和磁性边16相吸的原理，方便快速更换，同时为了保证更换后过滤排气网3不容易掉落出来，故本发明的往复槽19顶边不贯通外壳1顶边，也就是往复槽19嵌入在外壳1内壁上，这样在往复运动过程中过滤排气网3始终是在往复槽19内上下运动，不会越过外壳1顶边，既保证了粉末不外漏，又保证了过滤排气网3往复运动过程中不偏移，其三，为了进一步的保证过滤排气网3往复运动不偏移，且具有很好的导向性，并减少往复运动的阻力，故本发明还设计了导向槽17与导向块18的导向作用来减少往复运动过程中阻力以及避免过滤排气网3偏移。

该高速激光熔覆侧向送粉装置的工作原理：粉末载送气通过粉末载送气通道2将粉末送进粉末缓冲腔体，载送气体进入粉末腔体使其内部气压上升，在送粉头后端预装可更换目数粉末过滤排气网3（如粉末为300目~500目，过滤排气网3选择为600目或更细，从而使得仅有气体排出而无粉末排出，让大部分气体在后端排出，降低腔体内的气体压力使得粉末在重力及少量气体推动下下落，降低送粉头内的粉末送出速度。同时在粉末腔体内有不同曲率的漏斗6，如附图1所示，可以进一步对粉末进行缓冲降低粉末送出的速度。粉末喷嘴44采用分体式设计，粉末进入粉末喷嘴4内首先在此处集合进一步降低了粉末的送出速度，而后在重力及少量气体联合作用力下缓慢均匀的送出，确保粉末和激光有较长的作用时间。粉末喷嘴4末端送出粉末和激光之间的夹角较小（约20度），从而进一步提高粉末和激光之间的接触时间。输出粉末的喷嘴端部孔径较小（直径0.2~0.4mm），保证送出粉末能被激光斑点全部覆盖。喷嘴送出粉末流8线与激光交叉，且交点距离板子表面有一定距离使得粉末在熔池12上方熔化降低了稀释层。缓慢的送粉速度，较长的接触时间保证粉末可以快速熔化，同时粉末在熔池12上方与激光接触并熔化，可以形成熔覆层11达到高速熔覆和降低稀释层的效果。并且本装置在配合高速激光熔覆时，可提高粉末利用率，减少粉末浪费，降低成本，而且减少进入工作环境中的粉末量，保护技术人员健康。

图5是高速激光熔覆过程的示意图。激光器1发出激光经过聚焦以后从激光出口7（直径为1.5mm）出来辐射到基体上，同时送粉装置将粉末送出形成粉末流8，粉末斑点位于激光头下方，熔池上方，使得粉末在未进入熔池中就被熔化，然后在基体上快速冷却形成熔覆层11，实现了高速激光熔覆，由于粉末未进入熔池熔化使得热影响区9很小同时有很低的稀释层13。

图6具体给出了高速激光熔覆过程中粉末流8大量聚集地位置，以及粉末斑点和激光斑点14以及熔池12的相对位置。由图可以看出大部分粉末流8聚集在激光光斑14的下面，在熔池12上方熔化后进入熔池，只有少部分的粉末颗粒进入熔池12中在熔池12内熔化，这样使得激光能量大部分用来熔化粉末只有少部分用来加热基体使得基体10温度低，可以使熔池快速凝固形成熔覆层实现高速激光熔覆同时保证热影响区很小。

用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，包括以下步骤：

步骤一：待熔覆材料为柱状的金属材料，熔覆前用砂纸除掉待熔覆材料表面的氧化膜以及锈，用丙酮清洗掉材料表面的油污，之后使用酒精冲洗后吹干；所选用的待熔覆材料为45#钢及其他不锈钢，其尺寸为：直径为150mm，长度为1500mm；

步骤二：使用机床将待熔覆材料固定，使待熔覆材料沿着轴中心做高速转动；固定工件之前将工件在加热炉里面预热，使工件表面的温度达到90℃，减小工件和激光之间的温度梯度，保证获得的熔覆层中应力较小防止裂纹的产生；

步骤三：调节激光头和侧向送粉头的距离使粉末聚集处为激光光斑14直径为1mm的位置，然后将送粉头和激光头固定在一起。移动激光头使送粉头距离工件表面的距离为10mm，粉末聚集处在待熔覆材料的上方1mm。激光光斑14的直径为1mm，粉末聚集处粉斑的尺寸为0.8~1mm；

调节激光头和侧向送粉头的距离，使得激光光斑14覆盖粉斑同时使粉末在基体10上方1~2mm处熔化，然后进入熔池12这样可以降低基体10的热影响区9以及稀释区域，同时由于激光辐射大部分集中在粉末上，基体10的温度很低可以使粉末很快冷却，覆盖在基体10表面；如附图4所示，可以看到当粉末送出时绝大多数的粉末颗粒聚集在离基体10上方直径为1mm的激光光斑14下，在激光的辐射下使得大部分粉末熔化后进入熔池12，只有少部分的粉末进入熔池12内被熔化相比于传统的粉末进入熔池12内熔化，这种方法熔池12的冷却速度快可以快速形成熔覆层11实现高速激光熔覆同时大大降低了热影响区9和稀释层保证了熔覆层11的质量；

步骤四：使用送粉器将粉末送出，调节送粉器中转盘的转速来改变送粉速度，设定激光功率，扫描速度和搭接率然后进行熔覆；所述步骤四中所使用的粉末是镍基、钴基和铁基合金粉末，粉末的粒度在500目以上，粉末在温度150℃的干燥箱里预热半个小时以上，使粉末充分干燥，这样粉末在送出的时候不易结块，可以使粉末均匀送出；送粉速度为15g/min；所述步骤四中激光功率P=1100W、搭接率为30%、激光光斑14的直径为0.3mm，工件每转一圈，激光送粉装置沿工件轴向方向前进0.3mm，使用的保护气为氩气，其气流量为15L/min；在此参数下粉末的利用率可以达到80%以上。

步骤五：熔覆结束后，对熔覆层11进行检验，具体是对对熔覆层11表面进行渗透、耐磨以及硬度测试，对熔覆层11横截面进行金相观察。

实施例1：参照附图7所示，利用本装置在45#钢表面进行镍基合金粉末高速激光熔覆，所使用的参数为：激光功率为1200W，扫描速度为120m/min，光斑直径为1mm，保护气为氩气，保护气流量为15g/L,送粉速度为15g/min，搭接率为30%，离焦量为10mm。在此参数下利用光纤激光器在45#钢表面进行熔覆；熔覆层11如下图所示。可以看到涂层表面平整，没有夹杂孔洞等缺陷。对熔覆层11做渗透，没有发现裂纹，熔覆层11表面的硬度是基体10的三倍左右；熔覆层11与基体10达到冶金结合，熔覆层11的厚度在20-60μm之间，稀释区域的稀释层13小于5μm且粉末利用率高。

实施例2：参照附图8所示，采用本装置在轴承表面进行IN625合金粉末高速激光熔覆，熔覆头保持不动，轴承一边转动，一边前进，所使用的熔覆参数为1100W，光斑直径为1mm，保护气为氩气，保护气流量为15g/L,送粉速度为15g/min，搭接率为30%，离焦量为10mm，轴承转速为120r/min，轴承行进速度为120m/min；熔覆层11如下图所示。可以看到熔覆层11厚度很薄与轴承为冶金结合，表面平整光滑，没有未熔化的粉末颗粒存在，也没有夹杂小孔等缺陷。对熔覆层11进行渗透，表面没有发现裂纹，熔覆层11的耐磨性相比轴承本身大大的提高，增加了轴承的使用性，可以使轴承在较恶劣的环境下使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：所述侧向送粉装置包括外壳、粉末载送气通道、粉末喷嘴以及粉末出口端，所述粉末载送气通道设在所述外壳侧面，所述粉末喷嘴与所述外壳的出料端，所述粉末出口端折弯设在所述粉末喷嘴的末端，在所述外壳的顶端的壳身内壁上开有一圈往复槽，在所述往复槽内设置所述弹性往复式可拆过滤组件。

2.根据权利要求1所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：所述外壳内部沿粉末出料方向依次设置不同曲率的过渡漏斗。

3.根据权利要求2所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：所述弹性往复式可拆过滤组件包括往复式弹簧以及过滤排气网，所述往复槽内设置一圈所述往复式弹簧，在一圈所述往复式弹簧顶端设置所述过滤排气网。

4.根据权利要求3所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：所述往复槽的顶边不贯通所述外壳壳身顶边，且所述往复槽的顶边离所述外壳壳身的顶边距离为2-3cm。

5.根据权利要求4所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：在一圈所述往复式弹簧顶端一体连接一磁性环，并在所述过滤排气网上设置一圈与磁性环相吸的磁性边。

6.根据权利要求5所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置，其特征在于：在所述往复槽的槽壁上还加工有导向槽，并在所述过滤排气网的磁性边上设置与导向槽配合的导向块。

7.如权利要求1-6任一项所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：待熔覆材料为柱状的金属材料，熔覆前用砂纸除掉待熔覆材料表面的氧化膜以及锈，用丙酮清洗掉材料表面的油污，之后使用酒精冲洗后吹干；

步骤二：使用机床将待熔覆材料固定，使待熔覆材料沿着轴中心做高速转动；

步骤三：调节激光头和侧向送粉头的距离使粉末聚集处为激光光斑直径为1mm的位置，然后将送粉头和激光头固定在一起；

移动激光头使送粉头距离工件表面的距离为10mm，粉末聚集处在待熔覆材料的上方1mm；

激光光斑的直径为1mm，粉末聚集处粉斑的尺寸为0.8~1mm；

步骤四：使用送粉器将粉末送出，调节送粉器中转盘的转速来改变送粉速度，设定激光功率，扫描速度和搭接率然后进行熔覆；

步骤五：熔覆结束后，对熔覆层进行检验。

8.根据权利要求7所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，其特征在于，固定工件之前将工件在加热炉里面预热，使工件表面的温度达到90℃，减小工件和激光之间的温度梯度，保证获得的熔覆层中应力较小防止裂纹的产生。

9.根据权利要求7所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤四中所使用的粉末是镍基、钴基和铁基合金粉末，粉末的粒度在500目以上，粉末在温度150℃的干燥箱里预热半个小时以上，使粉末充分干燥，送粉速度为15g/min。

10.根据权利要求7所述的用于高速激光熔覆的侧向送粉装置的熔覆工艺，其特征在于，所述步骤四中激光功率P=1100W、搭接率为30%、激光光斑的直径为0.3mm，工件每转一圈，激光送粉装置沿工件轴向方向前进0.3mm，使用的保护气为氩气，其气流量为15L/min。