CN113249720B - 一种激光熔覆涂层设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光熔覆涂层设备，包括工作台以及分别设置在所述工作台旁的激光熔覆装置、搅拌装置、锤打装置和测温装置，所述搅拌装置包括搅拌针和用于带动所述搅拌针移动的搅拌移动组件，所述测温装置包括用于贴设在工件表面的热电偶传感器和位于所述搅拌针上方且与所述搅拌针相对固定布置的红外温度传感器。本发明还提供了一种激光熔覆涂层方法，包括填料、熔覆、搅拌和锤打等步骤。通过设置搅拌装置和锤打装置，或者通过进行搅拌步骤或锤打步骤，有助于减少熔覆层缺陷，使熔覆层微观组织明显细化，显微硬度提高，熔覆层质量相对较好。

Description

一种激光熔覆涂层设备及方法

技术领域

本发明涉及一种涂层加工设备即加工方法，尤其是一种激光熔覆涂层设备及方法。

背景技术

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，在激光束的高能量作用下，涂层材料和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

目前的激光熔覆中还存在一些缺陷，如裂纹、气孔、夹杂等，对熔覆层的组织与性能产生了很大的影响。这是因为激光熔覆在熔覆过程中熔池内的温度场和流场将影响对流、传热和传质，进而影响着凝固过程和成分分布，最终显著影响着熔覆层质量，且加热和冷却过程中产生的残余应力，也会影响熔覆层质量。由于熔覆中产生的熔池存在体积小、温度变化快等特点，难以用常规实验的方法跟踪动态过程中的温度分布去解决上述问题。

有鉴于此，本申请人对上述问题进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔覆层质量相对较好的激光熔覆涂层设备及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光熔覆涂层设备，包括工作台以及分别设置在所述工作台旁的激光熔覆装置、搅拌装置、锤打装置和测温装置，所述搅拌装置包括搅拌针和用于带动所述搅拌针移动的搅拌移动组件，所述测温装置包括用于贴设在工件表面的热电偶传感器和位于所述搅拌针上方且与所述搅拌针相对固定布置的红外温度传感器。

作为本发明的一种改进，所述搅拌移动组件包括搅拌支架、水平滑动连接在所述搅拌支架上的搅拌滑架、用于驱动所述搅拌滑架滑动的第一横移电机、竖直滑动连接在所述搅拌滑架上的升降座、用于驱动所述升降座滑动的第一升降电机、竖直布置且转动连接在所述升降座上的搅拌杆以及用于驱动所述搅拌杆转动的搅拌电机，所述搅拌杆的下端安装有夹头，所述搅拌针被夹持在所述夹头上，所述红外温度传感器安装在所述升降座上。

作为本发明的一种改进，所述搅拌电机的输出轴上传动连接有水平布置的偏心轮，所述搅拌杆固定连接在所述偏心轮上，且所述偏心轮的中心轴和所述搅拌杆的中心轴错位布置。

作为本发明的一种改进，所述搅拌针为搅拌针的横截面为圆形、三角形或方形。

作为本发明的一种改进，所述锤打装置包括水平滑轨或十字滑台、安装在所述水平滑轨或十字滑台上的升降柱、用于驱动所述升降柱滑动的第二横移电机、竖直滑动连接在所述升降柱上的支撑座、安装在所述支撑座上的曲柄连杆滑块机构以及用于驱动所述曲柄连杆滑块机构的曲柄转动的锤打电机，所述曲柄连杆滑块机构的滑块竖直滑动连接在所述支撑座上，且所述曲柄连杆滑块的滑块下端安装有锤头。

作为本发明的一种改进，所述锤头和所述滑块之间设置有压力提供组件。

作为本发明的一种改进，所述锤头呈锥台状。

一种激光熔覆涂层方法，包括以下步骤：

S1、填料，在工件的上表面均匀放置涂层材料；

S2、熔覆，利用激光熔覆装置发射的激光束扫描所述工件的上表面，使得被扫描位置的所述涂层材料和所述工件的上表面的表层一起熔化形成熔池；

S3、搅拌，在所述熔池凝固前对的所述熔池进行搅拌；

S4、锤打，所述熔池凝固之后形成包覆层，在所述包覆层形成之后立即对所述包覆层进行锤打。

作为本发明的一种改进，在步骤S1之前，还进行了以下步骤：

A1，通过实验测量所述工件在不同的扫描速率、功率或占空比条件下所述熔池的表面温度以及所述工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，并评价对应条件下制备出的熔覆层的质量，获得实验数据；

A2，根据所述实验数据建立仿真模型，并通过所述仿真模型确定在所述工件上获得质量合格的熔覆层所使用的扫描速率参数、功率参数或占空比参数、对应的熔池表面温度阈值以及对应的工件温度阈值和温度梯度阈值；

在步骤S2中，实时采集所述熔池的表面温度以及所述工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，获得采集数据；当所述采集数据中的所述熔池的表面温度大于所述熔池表面温度阈值，且所述采集数据中的所述工件的温度梯度高于所述温度梯度阈值，则增加扫描速率、降低功率或者减小占空比；当所述采集数据中的所述熔池的表面温度小于所述熔池表面温度阈值，且所述采集数据中的所述工件的温度梯度低于所述温度梯度阈值，则降低扫描速率、增加功率或者增大占空比。

作为本发明的一种改进，在步骤S4中，当所述采集数据中的所述熔池的表面温度大于所述工件温度阈值，则逐渐等比例降低锤打力度，当所述采集数据中的所述熔池的表面温度小于所述工件温度阈值，则逐渐等比例增大锤打力度。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过设置搅拌装置和锤打装置，或者通过进行搅拌步骤或锤打步骤，有助于减少熔覆层缺陷，使熔覆层晶粒明显细化，显微硬度提高，熔覆层质量相对较好。

2、先进行搅拌后进行锤打，可利用搅拌改善熔覆材料的组织性能，给后续的锤打提供更好的条件，有助于提高熔覆层的质量。同时能够增加的熔覆材料的利用率，比现有的激光熔覆技术具有更高的经济效益以及效率，降低了成本，节省了稀有金属。

3、通过锤打有助于修复熔覆材料的裂纹，提高了熔覆层力学性能，改善微观组织，使微观组织明显细化，显微硬度提高。

附图说明

图1为本发明激光熔覆涂层设备的结构示意图；

图2为本发明中搅拌装置的主视结构示意图；

图3为本发明中搅拌装置的侧视结构示意图；

图4为本发明中敲打装置的结构示意图。

图中标示对应如下：

10-工作台； 20-激光熔覆装置；

30-搅拌装置； 31-搅拌针；

32-搅拌支架； 33-搅拌滑架；

34-第一横移电机； 35-升降座；

36-第一升降电机； 37-搅拌杆；

38-搅拌电机； 39-夹头；

40-锤打装置； 41-十字滑套；

42-升降柱； 43-第二横移电机；

44-支撑座； 45-曲柄连杆滑块机构；

46-锤打电机； 47-锤头；

48-压力提供装置； 50-预热器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明做进一步的说明：

如图1-图4所示，本实施例提供一种激光熔覆涂层设备，包括工作台10以及分别设置在工作台10上的激光熔覆装置20、搅拌装置30、锤打装置40和测温装置(图中未示出)，其中工作台10和激光熔覆装置20可采用现有的激光熔覆机所采用的工作台和激光熔覆装置，即本实施例提供的激光熔覆涂层设备可以在现有的激光熔覆机的基础上进行改进获得。在本实施例中，激光熔覆装置20采用可从市场上直接购买获得的固定式光纤激光器，其激光输出功率为500W-1200W，光斑的大小为1.5mm-3mm，扫描速度4mm/s-8mm/s，搭接率为30％-70％，工作台10采用常规的激光熔覆机所使用的可移动工作台，即该工作台可在水平面上移动。优选的，在本实施例中，工作台10上设置有预热器50，使用时工件通过放置在预热器10上间接放置在工作台10，以便根据不同工件的的材料设置预热温度30～300℃。

搅拌装置30包括搅拌针31和用于带动搅拌针31移动的搅拌移动组件，其中，搅拌针31优选为钨钢搅拌针，在高温下可保持较高的强度，并且搅拌相对长的时间后搅拌头的磨损、变形相对较少，原材料易获取，加工方法简单。搅拌针31的针尖直径为0.5μm-2μm，本体直径为0.05mm-0.2mm。搅拌针31的横截面可以根据实际需要设置，例如，搅拌针的横截面为圆形、三角形或方形。搅拌针31可以竖直布置，也可以相对于水平面倾斜布置。

搅拌移动组件可以采用常规的激光雕刻机所使用的探针移动组件，在本实施例中，搅拌移动组件包括固定连接在工作台10上的搅拌支架32、水平滑动连接在搅拌支架32上的搅拌滑架33、用于驱动搅拌滑架33滑动的第一横移电机34、竖直滑动连接在搅拌滑架33上的升降座35、用于驱动升降座35滑动的第一升降电机36、竖直布置且转动连接在升降座35上的搅拌杆37以及用于驱动搅拌杆37转动的搅拌电机38，其中，搅拌杆37的下端安装有夹头39，搅拌针31被夹持在夹头39上，夹头39可以为机械夹头，也可以为磁吸夹头。

需要说明的是，为了使得搅拌针31实现三维移动，必要时，可在升降座35上水平滑动连接一横移座，搅拌杆37通过转动连接在横移座上间接转动连接在升降座35上，当然，此时，横移座的滑动方向和搅拌滑架33的滑动方向相互垂直，且升降座35上设置有用于驱动横移座滑动的横移电机。上述滑动驱动结构都采用常规的丝杆机构实现，即利用电机驱动丝杆转动，带动套设而在丝杆上的丝杆螺母移动，进而使得与丝杆螺母固定连接的搅拌滑架、升降座或横移座滑动，这样移动位置较为准确。

优选的，搅拌电机38的输出轴上传动连接有水平布置的偏心轮(图中未示出)，搅拌杆37固定连接在偏心轮上，且偏心轮的中心轴和搅拌杆37的中心轴错位布置，这样有助于提高搅拌效果。此外，升降座35上还设置有与搅拌针31配合的超声波发生器，以便利用超声波提高搅拌效率，当然，超声波发生器为可从市场上购买获得的超声波发生器。

锤打装置40包括安装在工作台10上的水平滑轨或十字滑台41、安装在水平滑轨或十字滑台41上的升降柱42、用于驱动升降柱42滑动的第二横移电机43、竖直滑动连接在升降柱42上的支撑座44、安装在支撑座44上的曲柄连杆滑块机构45以及用于驱动曲柄连杆滑块机构45的曲柄转动的锤打电机46，当锤打装置40采用水平滑轨时，该水平滑轨水平布置且与搅拌滑架33的滑动方向平行布置，在本实施例中锤打装置40采用十字滑台41，则第二横移电机43有两个，分别用于驱动两个相互垂直的水平滑动。曲柄连杆滑块机构45的滑块竖直滑动连接在支撑座44上，且曲柄连杆滑块机构45的滑块下端安装有锤头47，这样可利用锤打电机46带动锤头47往复运动实现锤打。在本实施例中，曲柄连杆滑块机构的初设行程为12mm。

优选的，在本实施例中，锤头47和曲柄连杆滑块机构45的滑块之间设置有压力提供组件48，以便调节锤头的锤打力度，该压力提供组件48为从市场上直接购买获得的装置，并非本实施例的重点，此处不再详述。此外，锤头47呈锥台状，其材料最好为硬质合金YG3或YG6。

测温装置包括用于贴设在工件表面的热电偶传感器和位于搅拌针31上方且与搅拌针31相对固定布置的红外温度传感器，在本实施例中，热电偶传感器多个，以便根据实际需要分布在工件的表面，红外温度传感器安装在升降座35上，用于检测熔池表面温度。

使用时，将热电偶传感器采用多点分别的方式贴设在工件表面，以检测工件表面的温度以及温度分布。激光熔覆装置20提供热源，通过发射能量密度激光融化预置在工件表面作为涂层材料的粉末(或者同步送料的粉末)形成熔池，搅拌装置30的搅拌针31对熔池进行智能搅拌，以细化晶粒，锤打装置40通过曲柄连杆滑块机构45的滑块往复运动提供锤打力对熔池凝固后形成的熔覆层及半凝固层进行锤打，以减少拉应力。

本实施例还提供了一种激光熔覆涂层方法，可采用上述激光熔覆涂层设备实现，该方法包括以下步骤：

A1，通过实验测量工件在不同的扫描速率、功率或占空比条件下利用激光熔覆装置进行激光熔覆时所产生的熔池的表面温度以及工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，并评价对应条件下制备出的熔覆层的质量，获得实验数据，当然，不同的工件需要进行不同的实验，即通过实验测量不同激光熔覆加工下的工件表面温度场分布及熔池表面温度，并评价制备出的熔覆层质量。

A2，根据实验数据建立仿真模型或者修正现有的仿真模型，并通过仿真模型确定在工件上获得质量合格的熔覆层所使用的扫描速率参数、功率参数或占空比参数、对应的熔池表面温度阈值以及对应的工件温度阈值和温度梯度阈值，并存入数据库。

S1、填料，在工件的上表面均匀放置涂层材料，具体的放置方式可以为常规的方式，在本实施例中，将粉状的涂层材料利用有机粘结剂Ni45平铺至工件表面。

S2、熔覆，利用激光熔覆装置发射的激光束扫描工件的上表面，使得被扫描位置的涂层材料和工件的上表面的表层一起熔化形成熔池。实时采集该熔池的表面温度以及工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，获得采集数据；当采集数据中的熔池的表面温度大于所述熔池表面温度阈值，且采集数据中的工件的温度梯度高于所述温度梯度阈值，则增加扫描速率、降低功率或者减小占空比；当采集数据中的所述熔池的表面温度小于熔池表面温度阈值，且采集数据中的所述工件的温度梯度低于温度梯度阈值，则降低扫描速率、增加功率或者增大占空比，除此之外则保持原有的扫描速率、功率或者占空比。

S3、搅拌，在步骤S2中的熔池凝固前对的该熔池进行搅拌。当熔池温度低于预警温度(该预警温度为预先设置的温度，具体温度需根据工件材质的不同进行确定)，移除搅拌针，防止搅拌针凝结在熔覆层而不能移除。

S4、锤打，步骤S2中的熔池凝固之后形成熔覆层，在熔覆层形成之后立即对熔覆层进行锤打。当采集数据中的熔池的表面温度大于工件温度阈值，则逐渐等比例降低锤打力度，当数据中的所述熔池的表面温度小于所述工件温度阈值，则逐渐等比例增大锤打力度，除此之外，则保持原来的锤打力度。优选的，敲击力为2500N-3000N，敲击频率为3Hz-5Hz。

需要说明的是，由于熔覆、搅拌和锤打之间的时间间隔很短，因此三者几乎是同时进行的，整个过程用氩气保护。

本实施例提供的激光熔覆涂层方法，通过实时监测工件表面温度场及熔池表面温度，基于恒定熔池温度的准则智能调节激光加工参数，从而减少激光熔覆加工产生的缺陷，使晶粒明显细化，显微硬度提高。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光熔覆涂层设备，其特征在于，包括工作台以及分别设置在所述工作台旁的激光熔覆装置、搅拌装置、锤打装置和测温装置，所述搅拌装置包括搅拌针和用于带动所述搅拌针移动的搅拌移动组件，所述测温装置包括用于贴设在工件表面的热电偶传感器和位于所述搅拌针上方且与所述搅拌针相对固定布置的红外温度传感器；

所述锤打装置包括水平滑轨或十字滑台、安装在所述水平滑轨或十字滑台上的升降柱、用于驱动所述升降柱滑动的第二横移电机、竖直滑动连接在所述升降柱上的支撑座、安装在所述支撑座上的曲柄连杆滑块机构以及用于驱动所述曲柄连杆滑块机构的曲柄转动的锤打电机，所述曲柄连杆滑块机构的滑块竖直滑动连接在所述支撑座上，且所述曲柄连杆滑块的滑块下端安装有锤头。

2.如权利要求1所述的激光熔覆涂层设备，其特征在于，所述搅拌移动组件包括搅拌支架、水平滑动连接在所述搅拌支架上的搅拌滑架、用于驱动所述搅拌滑架滑动的第一横移电机、竖直滑动连接在所述搅拌滑架上的升降座、用于驱动所述升降座滑动的第一升降电机、竖直布置且转动连接在所述升降座上的搅拌杆以及用于驱动所述搅拌杆转动的搅拌电机，所述搅拌杆的下端安装有夹头，所述搅拌针被夹持在所述夹头上，所述红外温度传感器安装在所述升降座上。

3.如权利要求2所述的激光熔覆涂层设备，其特征在于，所述搅拌电机的输出轴上传动连接有水平布置的偏心轮，所述搅拌杆固定连接在所述偏心轮上，且所述偏心轮的中心轴和所述搅拌杆的中心轴错位布置。

4.如权利要求1所述的激光熔覆涂层设备，其特征在于，所述搅拌针为搅拌针的横截面为圆形、三角形或方形。

5.如权利要求1所述的激光熔覆涂层设备，其特征在于，所述锤头和所述滑块之间设置有压力提供组件。

6.如权利要求1所述的激光熔覆涂层设备，其特征在于，所述锤头呈锥台状。

7.一种激光熔覆涂层方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、填料，在工件的上表面均匀放置涂层材料；

S2、熔覆，利用激光熔覆装置发射的激光束扫描所述工件的上表面，使得被扫描位置的所述涂层材料和所述工件的上表面的表层一起熔化形成熔池；

S3、搅拌，在所述熔池凝固前对的所述熔池进行搅拌；

S4、锤打，所述熔池凝固之后形成熔覆层，在所述熔覆层形成之后立即对所述熔覆层进行锤打。

8.如权利要求7所述的激光熔覆涂层方法，其特征在于，

在步骤S1之前，还进行了以下步骤：

A1，通过实验测量所述工件在不同的扫描速率、功率或占空比条件下所述熔池的表面温度以及所述工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，并评价对应条件下制备出的熔覆层的质量，获得实验数据；

A2，根据所述实验数据建立仿真模型，并通过所述仿真模型确定在所述工件上获得质量合格的熔覆层所使用的扫描速率参数、功率参数或占空比参数、对应的熔池表面温度阈值以及对应的工件温度阈值和温度梯度阈值；

在步骤S2中，实时采集所述熔池的表面温度以及所述工件的温度场分布、最高温度、最低温度和温度梯度，获得采集数据；当所述采集数据中的所述熔池的表面温度大于所述熔池表面温度阈值，且所述采集数据中的所述工件的温度梯度高于所述温度梯度阈值，则增加扫描速率、降低功率或者减小占空比；当所述采集数据中的所述熔池的表面温度小于所述熔池表面温度阈值，且所述采集数据中的所述工件的温度梯度低于所述温度梯度阈值，则降低扫描速率、增加功率或者增大占空比。

9.如权利要求8所述的激光熔覆涂层方法，其特征在于，在步骤S4中，当所述采集数据中的所述熔池的表面温度大于所述工件温度阈值，则逐渐等比例降低锤打力度，当所述采集数据中的所述熔池的表面温度小于所述工件温度阈值，则逐渐等比例增大锤打力度。

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