CN113215568A - 一种具有在线加热功能的激光熔覆设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有在线加热功能的激光熔覆设备，包括激光发生器、送丝机构及感应加热机构，激光发生器包括激光熔覆头，送丝机构包括送丝嘴，送丝嘴与激光熔覆头固定连接，金属焊丝穿过送丝嘴后被输送至轴类母材的表面，金属焊丝接入电路后自身通电产热或/和送丝嘴通电产热后对金属焊丝加热，感应加热机构包括感应加热圈，感应加热圈沿轴类母材的轴向可移动地套设在轴类母材的外部，激光熔覆头位于感应加热圈的后方，且激光熔覆头与感应加热圈同步移动。本发明的激光熔覆设备，通过对金属焊丝及轴类母材进行预热，在提高激光熔覆的线速度的基础上，保证了熔覆质量。本发明还公开了一种基于上述激光熔覆设备的激光熔覆方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别地，涉及一种具有在线加热功能的激光熔覆设备及方法。
背景技术
在我国，工程应用中钢铁基的金属材料占主导位置，同时，金属材料的腐蚀、磨损及疲劳等大多发生在零部件的工作表面，因此需要对金属母材表面进行强化。激光熔覆是一种替代传统表面处理技术的表面增材技术，该技术采用高能激光做为热源，以高性能粉末或丝材做为涂料，通过激光产生的瞬间高温使粉末或丝材与待处理母材表面发生熔融，形成具有超高耐磨性和耐腐蚀性的熔覆层，从而显著提高金属母材的耐腐蚀、耐磨损、耐高温、抗氧化等性能，达到延长零件使用寿命的目的。
做为一种经济效益很高的技术，激光熔覆可以在廉价金属母材上制造出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低了成本，节约了贵重稀有金属材料，即便激光熔覆具有较好的前景，但现实发展规模依旧很小，主要原因是加工效率低，传统的激光熔覆加工时，熔覆线速度一般为600-2000mm/min，熔覆效率一般为0.15m2/h。
实现中发现，增加送丝速度可提高激光熔覆效率，但也必须相应的实时提高激光熔覆的线速度，而熔覆线速度的提升会使得金属母材的表面因热量较低而发生熔池过小、深度不足等问题，导致熔覆质量不高。因此，如何提升激光熔覆设备的熔覆效率及熔覆质量成为了亟待解决的课题。
发明内容
基于此，有必要提供一种效率高、质量好且具有在线加热功能的激光熔覆设备；
还有必要提供一种适用于上述具有在线加热功能的激光熔覆设备的激光熔覆方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有在线加热功能的激光熔覆设备，用于对安装在回转工作台上的轴类母材进行激光熔覆，所述具有在线加热功能的激光熔覆设备包括激光发生器、送丝机构及感应加热机构，所述激光发生器包括激光熔覆头，所述激光熔覆头内开设有送粉通道，所述送丝机构包括送丝嘴，所述送丝嘴与所述激光熔覆头固定连接，金属焊丝穿过所述送丝嘴后被输送至所述轴类母材的表面，所述金属焊丝接入电路后自身通电产热/和所述送丝嘴通电产热后对所述金属焊丝加热，所述感应加热机构包括感应加热圈，所述感应加热圈沿所述轴类母材的轴向可移动地套设在所述轴类母材的外部，所述激光熔覆头位于所述感应加热圈的后方，且所述激光熔覆头与所述感应加热圈同步移动。
进一步地，所述金属焊丝与电源的正极连接，所述轴类母材与所述电源的负极连接，所述金属焊丝通电后自身产生电阻热以对所述金属焊丝加热。
进一步地，所述送丝嘴呈两端贯通的中空管状结构，所述金属焊丝穿过所述送丝嘴的内腔，所述送丝嘴的壁体内设置有发热件，所述发热件用于在电驱动作用下发热以加热所述送丝嘴。
进一步地，所述具有在线加热功能的激光熔覆设备还包括导轨，所述导轨与所述轴类母材的中轴线相互平行，所述感应加热机构还包括支撑架，所述感应加热线圈安装在所述支撑架上，所述支撑架与所述导轨可滑动地连接。
进一步地，所述导轨上开设有导槽，所述导槽的侧壁上可转动地安装有丝杆，所述丝杆的一端与驱动电机的输出轴连接，所述丝杆的另一端伸入至所述导槽内并与所述支撑架螺纹连接。
进一步地，所述激光熔覆头通过连接杆固定连接在所述支撑架上。
进一步地，所述激光发生器还包括光纤，所述光纤与所述激光熔覆头连接，所述激光熔覆头的中心开设有激光通道，所述激光发生器发射的激光经由所述光纤通过所述激光通道后照射在所述轴类母材的表面形成熔池，所述送粉通道相对所述激光通道倾斜设置，且经由所述送粉通道输送的粉末喷出至所述熔池内。
进一步地，所述送粉通道具有多个，多个所述送粉通道均匀分布在所述激光通道的周围。
一种基于前述任一项所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备的激光熔覆方法，该方法包括以下步骤，
S10：装夹轴类母材，将所述轴类母材固定装夹在所述回转工作台上，所述激光熔覆头移动至所述轴类母材的顶部，所述感应加热圈套设在所述轴类母材的外部；
S20：预加热，将所述感应加热圈通电，对所述轴类母材进行预热；
S30：激光熔覆，所述轴类母材被加热至预设温度后，启动所述回转工作台，带动所述轴类母材转动，所述激光发生器发射的激光照射在所述轴类母材的表面形成熔池，将所述金属焊丝接入电路后自身通电产热或/和所述送丝嘴通电产热后对所述金属焊丝加热，所述金属焊丝和粉末被送入熔池内，形成熔覆层，同时，控制所述激光熔覆头和所述感应加热圈沿所述轴类母材的轴向同步移动；
S40：复位，完成对所述轴类母材的激光熔覆后，所述感应加热线圈停止加热，然后，所述激光熔覆头、所述送丝嘴和所述感应加热圈回到初始位置。
进一步地，所述步骤S30中，所述轴类母材被所述感应加热圈加热至400～800°时，开始激光熔覆，激光功率设置为1000～3800W，激光光斑设置为3～5mm，所述感应加热圈的电源功率设置为500W～3000W。
本发明的有益效果是：本发明提供的具有在线加热功能的激光熔覆设备及方法，在激光熔覆之前，通过感应加热圈通电对轴类母材进行预加热，减少了激光熔覆中在轴类母材上形成熔池时对激光功率的消耗，保证了熔池的大小以及熔池的深度，进而使得激光熔覆加工时，在提高激光熔覆的线速度的基础上，保证了熔覆质量，同时，对金属焊丝进行预加热，进一步地减少了激光功率的消耗，便于推广使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的具有在线加热功能的激光熔覆设备的结构示意图；
图2是本发明的具有在线加热功能的激光熔覆方法的流程图。
图中：1、轴类母材，2、金属焊丝，10、激光发生器，11、激光熔覆头，12、送粉通道，13、光纤，14、激光通道，20、送丝机构，21、送丝嘴，30、感应加热机构，31、感应加热圈，32、支撑架，40、导轨，41、导槽。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
请参阅图1，本发明提供了一种具有在线加热功能的激光熔覆设备，用于对安装在回转工作台上的轴类母材1进行激光熔覆，该激光熔覆设备包括激光发生器10、送丝机构20及感应加热机构30，激光发生器10包括激光熔覆头11，激光熔覆头11内开设有送粉通道12，送丝机构20包括送丝嘴21，送丝嘴21与激光熔覆头11固定连接，金属焊丝2穿过送丝嘴21后被输送至轴类母材1的表面，金属焊丝2接入电路后自身通电产热或/和送丝嘴21通电产热后对金属焊丝2加热，感应加热机构30包括感应加热圈31，感应加热圈31沿轴类母材1的轴向可移动地套设在轴类母材1的外部，激光熔覆头11位于感应加热圈31的后方，且激光熔覆头11与感应加热圈31同步移动。
激光熔覆加工时，将轴类母材1固定装夹在回转工作台(例如，卧式机床的三爪卡盘)上，并沿自身的轴心高速转动，激光发生器10发射的激光通过激光熔覆头11照射在轴类母材1上形成熔池，经由激光熔覆头11内部的送粉通道12喷出的金属粉末或合金粉末以及穿过送丝嘴21输出的金属焊丝1被输送至上述熔池内，进而形成熔覆层，随着激光发生器10的轴向移动，最终使得轴类母材1的待加工区域被完全熔覆。另外，此处规定，参照图示方向，感应加热圈31所在的一侧为前方，激光熔覆头11所在的一侧为后方。
在上述熔覆过程中，感应加热圈31的两端分别与电源的正负极连接后，电源为感应加热圈31提供交变电流，流过感应加热圈31的交变电流会产生一个通过轴类母材1的交变磁场，轴类母材1在该磁场的作用下产生涡流进而产生热量，如此，在形成熔池之前，轴类母材1被预热，减少了激光熔覆中在轴类母材1上形成熔池时对激光功率的消耗，同时，保证了熔池的大小以及熔池的深度，进而使得激光熔覆加工时，在提高激光熔覆的线速度的基础上，保证了熔覆质量。进一步地，本实施方式的待加工的轴类母材1为直径较大的轴类，因此，感应加热圈31的感应加热频率选用中频加热，加热频率为1-10KHz。另外，金属焊丝2在达到熔池之前被加热至熔融临界状态，进一步减少了激光功率的消耗。
本实施方式中，金属焊丝2的加热方式依靠接入电路后靠自身产生的电阻热实现。具体地，金属焊丝2与电源的正极连接，轴类母材1与电源的负极连接，如此，金属焊丝2通过轴类母材1被接入至电路中，电流通过金属焊丝2，由于金属焊丝2自身电阻的存在，金属焊丝2通电后实现自身发热。另外，由于轴类母材1也被接入电路中，由于轴类母材1自身电阻的存在，其在通电后也会产生部分热量，进而提升了轴类母材1升温速度，进一步提升了熔覆效率。
在其他未示出的实施方式中，金属焊丝2的加热方式还可以通过送丝嘴21的烘烤实现。具体地，送丝嘴21大致呈两端贯通的中空管状结构，金属焊丝2穿过送丝嘴21的内腔，送丝嘴21的壁体内设置有发热件，所述发热件用于在电驱动作用下发热以加热送丝嘴21，送丝嘴21发热后再对金属焊丝2加热。其中，发热件包括加热片、加热棒等，此处不作限定。可以理解理解地，在其他未示出的实施方式中，所述发热件还可以省略，此时，送丝嘴21自身通电后可产生热量，同时能够对金属焊丝2进行加热。
以上对金属焊丝2进行加热的两种方式，可单独采用其中任意一种，也可以同时采用两种，实际激光熔覆时可视加工需要进行设定。
本实施方式中，具有在线加热功能的激光熔覆设备还包括导轨40，导轨40与轴类母材1的中轴线相互平行，感应加热机构30还包括支撑架32，感应加热线圈31安装在支撑架32上，支撑架32与导轨40可滑动地连接。使用时，通过移动支撑架32进而带动感应加热线圈31沿轴类母材1的轴向移动。
在一个具体的实施方式中，支撑架32通过丝杆传动相对导轨40移动，具体地，导轨40上开设有导槽41，导轨40的侧壁上可转动地安装有丝杆(图未示出)，所述丝杆的一端与驱动电机的输出轴连接，所述丝杆的另一端伸入至导槽41内并与支撑架32螺纹连接。所述驱动电机做为支撑架32的动力驱动源，启动所述驱动电机带动所述丝杆转动，进而驱动支撑架32连同感应加热线圈31沿导槽41移动，使用时，用户可根据需要调整所述驱动电机的转速以及圈数，进而控制感应加热线圈31的移动速度以及移动距离。可以理解地，在其他未示出的实施方式中，支撑架32还可以通过履带传动方式实现移动，具体的移动方式此处不作限定。
进一步地，激光熔覆头11也可以参照上述方式通过丝杆传动或履带传动与轴类母材1之间实现移动，激光熔覆头11具有自由独立的动力驱动源，使用时，只需通过调整激光熔覆头11的动力驱动源以及支撑架32的动力驱动源，使得激光熔覆头11和支撑架32同步移动即可。可以理解地，在其他未示出的实施方式中，激光熔覆头11和支撑架32还可以共用一个动力驱动源，比如，可以将激光熔覆头11通过连接杆固定连接在支撑架32上，此时，支撑架32移动的同时，可直接带动激光熔覆头11同步移动，保证了二者始终同步移动，并且利于实施操作。还可以理解地，激光熔覆头11和支撑架32还可以通过机械手臂实现同步移动。
激光发生器10还包括光纤13，光纤13与激光熔覆头11连接，激光熔覆头11的中心开设有激光通道14，激光发生器10发射的激光经由光纤13通过激光通道14后照射在轴类母材1的表面形成熔池，送粉通道12相对激光通道14倾斜设置，且经由送粉通道12输送的粉末喷出至所述熔池内。
另外，送粉通道12具有多个，多个送粉通道12均匀分布在激光通道14的周围，以实现均匀送粉。本实施方式中，送粉通道12具有三个，可以理解地，送粉通道12还可以具有两个，四个甚至更多个，此处不作限定。
本发明的激光熔覆设备，激光熔覆时同时送丝和送粉，相较于传统加工时仅送丝或仅送粉而言，可根据不同生产的需要，对熔覆层的的成分进行实时控制，使用更加灵活，便于推广使用。
请参阅图2，本发明还提供了一种具有在线加热功能的激光熔覆方法，该方法适用于上述的激光熔覆设备，该方法包括以下步骤，
S10：装夹轴类母材，将轴类母材1固定装夹在所述回转工作台上，激光熔覆头11移动至轴类母材1的顶部，感应加热圈31套设在轴类母材1的外部。为了保证熔覆质量，可将轴类母材1装夹在所述回转工作台之前对轴类母材1进行表面清洁。
S20：预加热，将感应加热圈31通电，对轴类母材1进行预热。
这一步骤的目的，是防止激光熔覆开始时，轴类母材1因未达到感应加热圈31的预热温度，而影响开始加工阶段的熔覆质量。
S30：激光熔覆，轴类母材1被加热至预设温度后，启动所述回转工作台，带动轴类母材1转动，激光发生器10发射的激光照射在轴类母材1的表面形成熔池，将金属焊丝2接入电路后自身通电产热或/和送丝嘴21通电产热后对金属焊丝2加热，金属焊丝2和粉末被送入熔池内，形成熔覆层，同时，控制激光熔覆头11和感应加热圈31沿轴类母材1的轴向同步移动。
该步骤中，轴类母材1被感应加热圈31加热至400～800°时，开始激光熔覆。另外，激光功率设置为1000～3800W，激光光斑设置为3～5mm，感应加热圈31的电源功率设置为500W～3000W。另外，激光熔覆头11和感应加热圈31沿轴类母材1的轴向移动的速度以及距离视实际加工需要设定。
S40：复位，完成对轴类母材1的激光熔覆后，感应加热圈31停止加热，然后，激光熔覆头11、送丝嘴21和感应加热圈31回到初始位置，更换新的轴类母材1后，对换新的轴类母材1进行激光熔覆。回到初始位置的方式可将激光熔覆头11、送丝嘴21和感应加热圈31沿轴类母材1的轴向同步返回。另外，在感应加热圈31与轴类母材1之间的距离相对较小时，由于激光熔覆是一种增材工艺，加工完成后的轴类母材1的直径会增加，因此，当感应加热圈31按照原来路径返回会造成干涉时，优选的方式是在完成工作后通过手动移除并重新安装感应加热圈31。
本发明提供的具有在线加热功能的激光熔覆设备及方法，在激光熔覆之前，通过感应加热圈31通电对轴类母材1进行预加热，减少了激光熔覆中在轴类母材1上形成熔池时对激光功率的消耗，保证了熔池的大小以及熔池的深度，进而使得激光熔覆加工时，在提高激光熔覆的线速度的基础上，保证了熔覆质量，同时，对金属焊丝2进行预加热，进一步地减少了激光功率的消耗，便于推广使用。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种具有在线加热功能的激光熔覆设备，用于对安装在回转工作台上的轴类母材进行激光熔覆，其特征在于：所述具有在线加热功能的激光熔覆设备包括激光发生器、送丝机构及感应加热机构，所述激光发生器包括激光熔覆头，所述激光熔覆头内开设有送粉通道，所述送丝机构包括送丝嘴，所述送丝嘴与所述激光熔覆头固定连接，金属焊丝穿过所述送丝嘴后被输送至所述轴类母材的表面，所述金属焊丝接入电路后自身通电产热或/和所述送丝嘴通电产热后对所述金属焊丝加热，所述感应加热机构包括感应加热圈，所述感应加热圈沿所述轴类母材的轴向可移动地套设在所述轴类母材的外部，所述激光熔覆头位于所述感应加热圈的后方，且所述激光熔覆头与所述感应加热圈同步移动。
2.如权利要求1所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述金属焊丝与电源的正极连接，所述轴类母材与所述电源的负极连接，所述金属焊丝通电后自身产生电阻热以对所述金属焊丝加热。
3.如权利要求1所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述送丝嘴呈两端贯通的中空管状结构，所述金属焊丝穿过所述送丝嘴的内腔，所述送丝嘴的壁体内设置有发热件，所述发热件用于在电驱动作用下发热以加热所述送丝嘴。
4.如权利要求1所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述具有在线加热功能的激光熔覆设备还包括导轨，所述导轨与所述轴类母材的中轴线相互平行，所述感应加热机构还包括支撑架，所述感应加热线圈安装在所述支撑架上，所述支撑架与所述导轨可滑动地连接。
5.如权利要求4所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述导轨上开设有导槽，所述导槽的侧壁上可转动地安装有丝杆，所述丝杆的一端与驱动电机的输出轴连接，所述丝杆的另一端伸入至所述导槽内并与所述支撑架螺纹连接。
6.如权利要求5所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述激光熔覆头通过连接杆固定连接在所述支撑架上。
7.如权利要求1所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述激光发生器还包括光纤，所述光纤与所述激光熔覆头连接，所述激光熔覆头的中心开设有激光通道，所述激光发生器发射的激光经由所述光纤通过所述激光通道后照射在所述轴类母材的表面形成熔池，所述送粉通道相对所述激光通道倾斜设置，且经由所述送粉通道输送的粉末喷出至所述熔池内。
8.如权利要求1所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备，其特征在于：所述送粉通道具有多个，多个所述送粉通道均匀分布在所述激光通道的周围。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的具有在线加热功能的激光熔覆设备的激光熔覆方法，该方法包括以下步骤，
S10：装夹轴类母材，将所述轴类母材固定装夹在所述回转工作台上，所述激光熔覆头移动至所述轴类母材的顶部，所述感应加热圈套设在所述轴类母材的外部；
S20：预加热，将所述感应加热圈通电，对所述轴类母材进行预热；
S30：激光熔覆，所述轴类母材被加热至预设温度后，启动所述回转工作台，带动所述轴类母材转动，所述激光发生器发射的激光照射在所述轴类母材的表面形成熔池，将所述金属焊丝接入电路后自身通电产热或/和所述送丝嘴通电产热后对所述金属焊丝加热，所述金属焊丝和粉末被送入熔池内，形成熔覆层，同时，控制所述激光熔覆头和所述感应加热圈沿所述轴类母材的轴向同步移动；
S40：复位，完成对所述轴类母材的激光熔覆后，所述感应加热线圈停止加热，然后，所述激光熔覆头、所述送丝嘴和所述感应加热圈回到初始位置。
10.如权利要求9所述的具有在线加热功能的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S30中，所述轴类母材被所述感应加热圈加热至400～800°时，开始激光熔覆，激光功率设置为1000～3800W，激光光斑设置为3～5mm，所述感应加热圈的电源功率设置为500W～3000W。
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