CN111501039A - 一种多物理场辅助激光熔覆的装置 - Google Patents

Abstract

一种多物理场辅助激光熔覆的装置,包括机架、磁场发生装置、超声发生装置、应力张紧装置、电场发生装置。其中,机架由底板、L型臂架和滑轨组成,滑轨固定于底板中间，其可固定锁死，两L型臂架一端装配于滑轨上，另一端与应力张紧装置连接；应力张紧装置由夹具、绝缘垫片、液压缸组成，夹具夹紧试样后，由液压缸施拉力，绝缘垫片置于试样与夹具间，隔绝电流；磁场发生装置由三对大小相近相互垂直的线圈焊接而成，其可在形成XYZ三向形成可调节的磁场；超声发生装置由超声发生器、换能器、Y形连接杆组成，超声发生器置于底板上，与换能器、Y形连接杆与试样依次相连，Y形连接杆上部为涂有绝缘层的凹槽，依靠螺钉与压板与试样紧固；电场发生装置由电源、导线组成，导线与试样两端相连。本发明具有结构简单、实用稳定、力‑电‑磁‑声多参数可调的优点。

Description

一种多物理场辅助激光熔覆的装置

技术领域：

本发明属于先进制造技术领域，特别涉及适用于激光熔覆的一种可调节的力-电-磁-声多物理场发生装置。

背景技术：

激光熔覆是一种提高基材表面硬度，改善基材表层耐磨性、耐腐蚀性、耐高温、抗氧化性能和电气特性的激光加工方法。它是指以特定的填料方式将合金粉末置于被熔覆基材表面上，经过激光束一定强度的辐照，使粉末和少部分的基材表层同时熔化在零件表面，与基材快速凝固成一层呈冶金结合状态的熔覆层。激光熔覆技术与其他再制造技术相比具有许多优点，例如熔覆层组织细小，覆层与基材结合力强且被基材稀释程度低，熔覆效率高且基材变形量小等。然而激光熔覆过程中，由于金属粉末与基材的熔化和冷凝都是在较短的时间内完成的，因此，受到粉末与基材在热物性以及成形工艺方面差异的影响，熔覆层中容易形成气孔、裂纹和夹杂以及熔覆层与基材结合不良等缺陷。这些因素在一定程度上限制了激光熔覆技术的进一步发展。

单磁场辅助熔覆时，其通过洛伦兹力作用于材料的成型过程,改变材料内部的传热和传质过程,实现优化金属成型过程,提高材料的宏观质量,细化其微观组织的作用,进而提高金属制品的最终使役性能。稳态磁场方面，其可在一定程度上限制对流速度，以均匀温度和溶质元素，从而提高覆层质量。交变磁场方面，其对熔池主要影响是机械作用、促进传热、改变传质。

单声场辅助熔覆时，超声波功率密度高，穿透性强，在可通过在熔池中产生声空化效应、声流效应等，改变熔池的流动、组织结构、元素分布、应力及温度，继而改变覆层形貌结构。

单声场辅助熔覆时，超声波功率密度高，穿透性强，在可通过在熔池中产生声空化效应、声流效应等，改变熔池的流动、组织结构、元素分布、应力及温度，继而改变覆层形貌结构。

单应力场通过对试样施加预拉应力，控制工件残余应力从而有效抑制工件熔覆后裂纹的产生。

超声在熔池中传播距离的增加会发生超声强度衰减现象,故其有效作用范围局限于工具头附近，进而导致熔覆层的组织不均匀，虽然超声振动可以细化熔覆层显微组织及减小裂纹的产生，但超声波频率、强度以及在传播中的衰减都对熔覆试验结果有重要影响，熔覆层中的裂纹虽然大大减少，但并未完全消除。

磁场虽然拥有足够作用区域，但熔覆即热骤冷的特性使液态熔池存在时间非常短暂，即磁场对熔池的搅拌作用时间有限，导致对熔覆层组织性能调控效果不显著。若一味追求电磁场对熔覆层组织的作用效果而增大能场强度，将会在凝固体系内产生巨大焦耳热效应，从而使过冷度减小，形核率下降，造成晶粒粗化，熔池表面形态恶化。

电场存在集肤效应，作用范围仅在覆层表面，搅拌作用极其有限。

应力场仅对覆层残余应力起作用，并不能减少气孔、消除偏析、细化组织，作用也极其有限。

鉴于单一能场在各自领域应用中存在的不足，本发明将四者进行复合。根据声场、电场、磁场、力场各自特点，利用超声声流效应在轴向与电-磁场在切向的耦合协同作用，促使整个熔池内部产生强烈搅动，提高形核率的同时降低了熔池温度梯度。并利用预应力的施加改善试样受力情况，减少残余应力。由此通过四个能场的协同作用，对熔覆层凝固组织的细化与均化、成分偏析程度的减轻及力学和高温性能的改善有很大益处。

现有激光熔覆场外辅助装置多为单物理场，且参数多为固定值。强度、频率、振幅、方向亦不能自由调节，普适性差，故而不能满足于有多种参数要求的生产要求。但本装置采用的电磁感应生磁、超声振动的方式亦伴随有产热过高的缺陷。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简单、环保，实用，参数可调的多物理场辅助激光熔覆的装置。

本发明包括机架、磁场发生装置、超声发生装置、应力张紧装置、电场发生装置。其结构如附图1所示。

机架由底板、L型臂架和滑轨组成,滑轨固定于底板中间，其可固定锁死，两L型臂架一端装配于滑轨上，另一端与应力张紧装置连接。其结构如附图2所示。

应力张紧装置由夹具、绝缘垫片、液压缸组成，夹具夹紧试样后，由液压缸施拉力，绝缘垫片置于试样与夹具间，隔绝电流。其结构如附图3所示。

磁场发生装置由三对大小相近相互垂直的线圈焊接而成，其可在XYZ 三向形成可调节的磁场。其结构如附图2所示。

超声发生装置由超声发生器、换能器、Y形连接杆组成，超声发生器置于底板上，与换能器、Y形连接杆与试样依次相连，Y形连接杆上部为涂有绝缘层的凹槽，依靠螺钉与压板与试样紧固。其结构如附图3所示。

电场发生装置由电源、导线组成，导线与试样两端相连。其结构如附图3所示。

附图说明：

图1多物理场辅助激光熔覆的装置正向示意图。

图2多物理场辅助激光熔覆的装置侧向示意图。

图3应力、电场、超声装置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1为多物理场辅助激光熔覆的装置正向示意图。其由机架、磁场发生装置、超声发生装置、应力张紧装置、电场发生装置四部分组成。

机架部分由底板、L型臂架和滑轨组成,滑轨固定于底板中间，其可固定锁死，两L型臂架一端装配于滑轨上，另一端与应力张紧装置连接。张紧装置的位移可通过L型臂架传递，最终于滑轨处释放。

磁场部分由XYZ方向的三对大小相近相互垂直的线圈焊接而成，通过调节三对线圈中通入的电流大小、方向、频率，其可在线圈内腔形成大小、方向、频率均匀可调节的磁场。

电场部分由电源、导线组成，导线与试样两端相连。电源采用电流、电压、方向可调节的直流方波大电流电源。

声场部分由超声发生器、换能器、Y形连接杆组成，超声发生器置于底板上，与换能器、Y形连接杆与试样依次相连，Y形连接杆上部为涂有绝缘层的凹槽，依靠螺钉与压板与试样紧固。

张紧部分由夹具、绝缘垫片、液压缸组成，拧紧螺栓使夹具夹紧试样后，由液压缸施拉力，绝缘垫片置于试样与夹具间，隔绝电流影响。

熔覆前，通过张紧装置先给与试样一个适当的拉应力。熔覆时，电流通过试样，熔池在磁场作用下，产生洛伦兹力，从而对熔池进行多方向的搅拌。超声振动通过换能器与Y形连接杆传入熔池，在熔池进行垂直方向的搅拌。熔覆后，卸载拉应力，使覆层恢复静定状态。

Claims (4)

1.一种多物理场辅助激光熔覆的装置,其特征在于：其耦合了力-电-磁-声4种物理场，并可对激光熔覆熔池产生有益影响。其包括机架、磁场发生装置、超声发生装置、应力张紧装置、电场发生装置。

2.一种多物理场辅助激光熔覆的装置,其特征在于：可依靠向其三对线圈通入直流电，在装置内腔产生分布均匀、大小可控、方向可调的稳定磁场；也可改直流电为方波电流，在装置内腔产生交变磁场。

3.一种多物理场辅助激光熔覆的装置,其特征在于：其可通过应力张紧装置向试样预施加拉应力，通过预应力的施加减少裂纹的产生。

4.一种多物理场辅助激光熔覆的装置,其特征在于：其超声发生装置通过Y形连接杆与试样连接，容易夹紧，利于拆卸。

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