CN201053029Y

CN201053029Y - 一种自动送粉激光感应复合熔覆装置

Info

Publication number: CN201053029Y
Application number: CN 200720085225
Authority: CN
Inventors: 曾晓雁; 胡乾午; 黄永俊; 周圣丰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2017-06-13

Abstract

本实用新型公开了一种自动送粉激光感应复合熔覆装置。本实用新型将激光束与高频电磁感应加热耦合起来，实现激光与感应加热复合熔覆的过程。装置包括激光器、激光导光装置、激光聚集系统、高频感应加热器、数控机床和工件夹持装置。工作时，工件待处理表面与感应加热线圈之间的距离为1－10毫米。本实用新型通用性强，可在各种材质的实心部件的表面及管状零件的内外表面进行激光感应复合熔覆高性能材料涂层的表面处理。该熔覆方法的特征在于用高频感应加热器对工件进行同步加热，采用自动送粉器将熔覆粉末送至工件表面的激光辐照区，合金粉末在激光束的作用下瞬间发生熔化，形成合金层，最大熔覆速度达10m/min，熔覆效率比常规激光熔覆提高了1－10倍，粉末利用率超过90％，适用的熔覆材料范围广，包括各种耐磨、耐蚀材料，或者耐高温氧化材料，也包括复合材料，而且熔覆层无气孔与裂纹。

Description

一种自动送粉激光感应复合熔覆装置

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，具体涉及一种自动送粉激光感应复合熔覆装置。

背景技术

激光熔覆技术是采用高能量密度的激光束在工件表面熔覆一层特殊性能的材料，以改善其表面性能的工艺。与传统的堆焊与热喷涂工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点：(1)激光束能量密度高，在熔覆过程中可以将工件的热影响区与热变形降低到最小程度；(2)通过调节工艺参数，可以获得稀释率小于10％wt的熔覆层；(3)熔覆层与基材形成冶金结合，结合强度高，不易剥落；(4)通过专门设计的导光系统，可以对深孔、内孔和凹槽等部位进行激光熔覆处理，结合多道多层技术可以获得满足不同尺寸要求的熔覆层；(5)激光熔覆技术对环境无污染，自动化程度高。因此，在汽车、冶金、航空航天、船舶、轨道运输等领域具有十分广阔的应用前景。

然而，到目前为止，激光熔覆技术在工业中得到的应用程度并未达到早期预想的目标，主要原因在于：(1)高功率激光加工设备的一次性投资较大，且维护费用昂贵；(2)激光熔覆效率远低于传统工艺，如堆焊与热喷涂，因此单位面积涂层的制造成本偏高；(3)虽然可以将激光与热喷涂结合起来实现激光热喷涂复合熔覆技术(J.Suutala，J.Tuominen，P.Vuoristo.Laser-assisted spraying and laser treatment of thermally sprayed coatings，Surface & Coatings Technology，201(2006)：1981-1987)，可以提高激光熔覆效率，但由于激光熔覆过程的快速加热与快速冷却凝固、热应力大的特点，在大块材料表面进行激光熔覆时，熔覆层极易产生裂纹。特别是在可焊性差的基材表面，裂纹问题一直是激光熔覆加工难以逾越的主要障碍，制约了该技术的工业化应用。

对基材进行预热处理，降低熔覆层的冷却速度及与基材间温度梯度，被认为是消除裂纹的最有效方法。Yoshiwara与Kawaname(Method forsurface alloying metal with a high density energy beam and an alloy steel，United States，United States Patent，4750947，1988)采用加热炉或氧乙炔火焰将工件预热到600-800℃，在激光熔覆速度达5.4m/min的条件下，获得了无裂纹的熔覆层。这种预热基材的复合熔覆技术与传统激光熔覆相比较，在相同工艺参数条件下熔覆效率提高了225％。但是，对于形状复杂与尺寸大的工件，该技术需要复杂的加热炉长时间进行保温，在工件表面容易产生氧化铁皮，严重影响了激光熔覆层的质量。经过炉中预热之后的工件有相当高的温度，在高温的环境中装卸与夹持工件及送粉加工头也很不方便，不但工作效率低，还容易灼伤操作人员。而采用氧乙炔火焰进行预热，工件的受热过程慢，热影响区较大，导致基材组织粗大，机械性能恶化。此外，上述两种复合熔覆方法只能够对外观简单的零部件进行激光熔覆加工，无法对复杂零部件或者空心部件的内壁进行激光熔覆处理，其装置的通用性不强。

另一方面，近年来，操作方便的感应加热熔覆技术，引起了人们的广泛兴趣。感应熔覆加工技术可以获得大面积的熔覆层，生产成本低，效率高。但感应熔覆技术存在如下缺点：(1)待熔覆材料需要预涂于基材表面，熔覆准备工作量较大；(2)熔化必须控制在液-固两相之间，易出现熔覆层流失，因而熔覆层的致密性稍差；(3)感应熔覆过程中，所能够达到的最高温度有限，因此对于一些高熔点的合金层难以实现熔覆加工；(4)单纯感应熔覆所需要消耗的能量大，易产生基体过热，产品质量不易控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种自动送粉激光感应复合熔覆装置，该装置通用性强，操作方便，并且粉末利用率高。

本实用新型提供的自动送粉激光感应复合熔覆装置，包括激光器、导光系统和聚焦系统、自动送粉器和激光加工数控工作台；激光器、导光系统和聚焦系统位于同一光路上，激光器发出的激光束经过导光系统传输到聚焦系统加以聚焦，聚焦系统用于将激光束转换成椭圆形或者矩形光斑照射至工件表面；导气管的出气口位于聚焦系统与待处理工件之间；激光加工数控工作台包括数控机床和工件夹持装置；工件夹持装置固定在数控机床上，用于安装待处理工件；其特征在于：

该装置还包括感应加热装置，感应加热装置包括高频感应加热电源和感应加热线圈，感应加热线圈与高频感应加热电源电连接；工作时，感应加热线圈与待处理工件的待处理面之间的距离为1-10mm内，自动送粉器的粉末喷嘴与激光光轴的夹角为30°-70°。

本实用新型将高频感应加热和激光熔覆技术相结合，可在大型工件表面获得满足尺寸要求且无裂纹的熔覆层，而且可以大幅度提高熔覆速度和效率。为了避免常规加热方法如加热炉或气体火焰加热等的加热效率低而且易造成重要部件损坏等缺点，本实用新型将激光与感应加热组合起来，采用同步自动送粉的多道多层搭接熔覆技术，在工件表面快速获得大面积、无气孔、无裂纹、性能优良的熔覆层。具体而言，本实用新型具有以下技术效果：

(1)高功率激光器和高功率感应加热装置相组合，可使激光感应复合熔覆过程中的金属粉末沉积效率可达到3-10kg/h或者更高(取决于所采用感应功率、感应线圈的分布方式以及所采用激光器的功率等)，粉末利用率可超过90％。

(2)本实用新型中的感应加热装置安装定位方便；根据不同的感应加热线圈形状及线圈与激光束的相对位置分布，感应加热装置可以对工件完成预热、后热或与激光同时作用的加热处理；被加热的工件不需要与感应热源接触，加热时间短，装卸方便。由于感应热源的引入，工件表面的温度显著提高，使得激光能量用于加热基材的比例降低，而更多地消耗在粉末的加热与熔化方面，因此激光能量的利用率大大提高，不仅使得激光熔覆速度大幅度提高(范围一般在1-10m/min甚至更高)，熔覆效率(指单位时间所能熔覆的合金粉末质量)也得到大幅度提高。依据所熔覆的材料、基材的体积和厚度等参数的不同，激光感应复合熔覆效率比单纯激光熔覆的效率可以提高1-10倍。

(3)本实用新型装置易于实现对需要加热的区域可准确定位和控制，而不必对工件进行整体加热，因此对工件的尺寸与形状无限制。

(4)本实用新型装置结构简单，操作简便，不需要操作人员近距离手工操作，属于同步加热方式，克服了常规预热方法加热速度慢、加热温度不高、操作人员无法靠近的缺点。

(5)本实用新型装置适合的熔覆材料范围很广，包括各种耐磨、耐蚀材料，或者耐高温氧化材料和复合材料。

附图说明

图1为激光感应复合熔覆小型轴类实心部件表面的装置示意图；

图2为激光感应复合熔覆大型轴类实心部件表面的装置示意图；

图3为图2中感应加热线圈与工件表面的相对位置示意图；

图4为采用单匝感应线圈的激光感应复合熔覆加工管材部件外表面的装置示意图；

图5为采用多匝感应线圈的激光感应复合熔覆加工管材部件外表面的装置示意图；

图6为采用单匝感应线圈的激光感应复合熔覆加工管材部件内表面的装置示意图；

图7为采用多匝感应线圈的激光感应复合熔覆加工管材部件内表面的装置示意图；

图8为激光感应复合熔覆加工管材部件内表面时连接感应加热线圈和送粉喷嘴的装夹示意图；

图9为图6和图7中感应加热线圈与工件表面的相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型装置包括激光器1、导光系统3和聚焦系统2、自动送粉器13、感应加热装置和激光加工数控工作台。

激光器1、导光系统3和聚焦系统2位于同一光路上，激光器1发出的激光束经过导光系统3传输到聚焦系统2加以聚焦，聚焦系统2将激光束转换成椭圆形或者矩形光斑照射至工件表面，聚焦系统2可以根据不同的需求安装不同规格的非球面反射镜或者积分镜予以实现。与保护气体气源相连的导气管4出气口位于聚焦系统2与待处理工件10之间，并对准激光光斑在工件表面的作用区。

自动送粉器13的粉末喷嘴15与激光光轴的夹角为30°-70°。加工时，粉末喷嘴末端与工件的垂直距离为2-15mm。

感应加热装置包括高频感应加热电源5和感应加热线圈9，感应加热线圈9与高频感应加热电源5相连，用于对待处理工件10进行加热。感应加热线圈9根据待处理工作的处理部位不同，可以位于待处理工件10的外表面处，也可以位于待处理工件的内壁内。加工时，将工件待处理面与感应加热线圈之间的距离控制在1-10mm内。

激光加工数控工作台包括数控机床6和工件夹持装置。数控机床6采用四轴联动数控工作台为宜，这样X、Y、Z轴作直线运动，A轴作旋转运动。工件夹持装置固定在数控机床6上，用于将待处理工件10安装在数控机床6。

工件夹持装置根据待处理工件10的不同作相应的选择。

如图1、图2所示，工件夹持装置由一对旋转工作台7、11和一对三爪卡盘8、12构成。旋转工作台7和11均固定在数控机床6上，一对三爪卡盘8、12分别安装在旋转工作台7、11上，用于装夹待加工工件10。

如图4-7所示，工件夹持装置由旋转工作台7、三爪卡盘8和顶针16构成。旋转工作台7和顶针16分别固定在数控机床6上，三爪卡盘8安装在旋转工作台7上。

根据待处理工件的尺寸与感应加热线圈9的功率，感应加热线圈9可以是单匝(如图2、图4所示)或多匝(如图1、图5所示)，感应加热线圈9也可以是圆形(如图1、图4、5所示)或半圆形(如图2、3所示)，感匝数和形状可以根据工况要求进行选择。

当加工管件内壁时，本实用新型装置如图6、图7所示，感应加热线圈9和送粉喷嘴15通过夹具18安放在管材内。如图8所示，夹具18分别夹持感应加热线圈9和送粉喷嘴15，送粉喷嘴15通过夹具18可以调整角度，夹具18与感应加热线圈9和送粉喷嘴15的连接部位经过绝缘处理，使感应加热线圈9和送粉喷嘴15彼此绝缘。激光束通过导光系统3和聚焦系统2作用于管材内壁，聚焦系统2由一个平面反射镜和一个聚焦镜组成，平面反射镜与工件轴向成45。夹角并通过连接杆放置于管材内。如图9所示，感应加热线圈9上安装有导磁体17，置于待加工工件10内。

实例

实例1：小型轴类实心部件表面的激光感应复合熔覆处理

对于小型轴类实心部件，具体实施方式以辊径为325mm的轧辊为例进行说明，其它小型轴类实心部件的激光感应复合熔覆方法类似。

采用如图1所示的装置，根据辊径选择转速，对于辊径325mm的轧辊，其转速设置为0.5-10转/分钟，可以对轧辊等实心部件进行快速熔覆强化与修复处理。

实施基本步骤如下：

(1)材料选择。熔覆材料采用碳化钨+镍基金属复合材料，其中碳化钨粒度为-140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为-140+320目的镍基自熔合金Ni60。碳化钨与镍基自熔合金混合均匀，碳化钨质量百分含量为50％wt，轧辊基材采用高碳合金钢。

(2)感应加热装置采用多匝圆环线圈，将轧辊与感应加热线圈之间的距离调节为5mm，激光束辐照在工件(轧辊)表面的位置处于感应线圈之间。调整激光熔覆喷嘴的粉末落点位置，使其与聚焦激光束辐照在轧辊表面的位置相同或者略微靠前，以便使得合金粉末以一定速度通过激光束斑，并且快速发生熔化，形成熔覆层。同时，调节粉末喷嘴15的位置，使其与激光光轴成30°夹角，粉末喷嘴15的末端与轧辊10表面的距离为12mm。

(3)用高频感应线圈对轧辊进行加热，通过调节感应加热功率，使轧辊表面温度在900-1100℃范围内，同时通过导气管将N₂吹入感应加热区防止其氧化。

(3)启动高功率CO₂激光器，使其输出功率达到5KW。采用自动送粉器将熔覆粉末送至工件表面感应区域，同时利用激光束将粉末材料熔覆在工件表面上。激光束经聚焦系统2的非球面反射镜将光斑聚焦成椭圆形光斑(或者通过积分镜将光斑聚焦为矩形光斑)。调节送粉器13的粉末流量为7.6kg/h，激光扫描速度3.2m/min。

(4)对于轧辊等圆形零部件，激光熔覆过程采用螺旋扫描方式，即轧辊旋转一周的同时，沿着轴向(x轴)移动一段距离，具体值一般为x轴方向光斑直径的30-70％。对于本实验条件下，控制熔覆层的搭接率为50％，经过不断的螺旋扫描，直至完成一层熔覆层加工。

(5)重复步骤(2)-(4)，直到熔覆层的厚度达到所要求的厚度。获得的熔覆层可以完全满足尺寸与性能要求，并且完全没有气孔与裂纹，粉末利用率达94％。

实例2：大型轴类实心部件表面的激光感应复合熔覆处理

对于大型轴类实心部件，具体实施方式以辊径为650mm的轧辊为例进行说明，其它大尺寸轴类实心部件表面的激光感应复合熔覆处理方法类似。

采用如图2所示的装置，根据辊径的大小选择转速，主要是确保激光加工时的线速度在所需要的范围内。对于辊径650mm的轧辊，其转速设置为0.3-5转/分，可以对大型轧辊等实心部件进行快速熔覆强化与修复处理。

实施基本步骤如下：

(1)材料选择。熔覆材料采用碳化钨+镍基金属复合材料，其中碳化钨粒度为-140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为-140+320目的镍基自熔合金Ni60。碳化钨与镍基自熔合金混合均匀，碳化钨质量百分含量40％wt，轧辊基材采用中碳合金钢。

(2)感应加热装置采用半圆形线圈，将轧辊与感应加热线圈之间的距离调节为2mm，感应加热区域略超前于激光辐照区域。调整激光熔覆粉末喷嘴的粉末落点位置，使其与聚焦激光束辐照在轧辊表面的位置相同或者略微靠前，以便使得合金粉末以一定速度通过激光束斑，并且快速发生熔化，形成熔覆层。同时，调节粉末喷嘴15的位置，使其与激光光轴成45°夹角，粉末喷嘴15的末端与轧辊10表面的距离为14mm。

(3)用高频感应线圈对轧辊进行加热，通过调节感应加热功率，使轧辊表面温度在800-1000℃范围内，同时通过导气管将N₂吹入感应加热区防止其氧化。

(3)采用自动送粉器将熔覆粉末送至工件表面感应区域，同时利用激光束将粉末材料熔覆在工件表面上。将激光束经聚焦系统2中的非球面反射镜调节成椭圆形光斑，或者采用积分镜调节成矩形光斑。调节送粉器13的粉末流量为6.5kg/h，激光熔覆功率选择5KW，激光扫描速度2.8m/min。

(4)激光熔覆过程采用螺旋扫描方式，在本实验中控制熔覆层的搭接率为40％，直至完成一层熔覆层加工。

(5)重复步骤(2)-(4)，直到熔覆层厚度达到所要求的熔覆层厚度(例如5mm)。获得的熔覆层可以完全满足尺寸与性能要求，并且完全没有气孔与裂纹，粉末利用率达94％。

实例3：管状部件外壁的激光感应复合熔覆处理

对于管状部件，以外径为108mm，且壁厚为5mm的管材为例进行说明，其它管状部件的外表面激光感应加热复合熔覆处理的方法类似。

采用如图4所示的装置，其实施基本步骤如下：

(1)材料选择。熔覆材料采用碳化钨+镍基金属复合材料，其中碳化钨粒度为-140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为-140+320目的镍基自熔合金Ni45。碳化钨与镍基自熔合金混合均匀，碳化钨质量百分含量60％。基体采用低碳钢管材。

(2)将管材与感应加热线圈之间的距离调节为4mm，感应加热装置由多匝圆环线圈组成，感应加热区域略超前于激光辐照区域。调整激光熔覆喷嘴的粉末落点位置，使其与聚焦激光束辐照在管材表面的位置相同或者略微靠前，同时调节粉末喷嘴10的位置，使其与激光光轴成50°夹角，粉末喷嘴10的末端与管材9的距离为15mm。

(3)用高频感应线圈对管材进行预热，通过调节感应加热功率，使管材表面温度在700-800℃范围内，同时，通过导气管4将N₂吹入感应加热区防止其氧化。

(4)启动激光器，将其输出功率调至5KW。采用自动送粉器将熔覆粉末送至工件外表面感应区域，同时利用激光束将粉末材料熔覆在工件表面。激光束经聚焦系统2中的非球面反射镜聚焦成椭圆形光斑，或者采用积分镜调节成矩形光斑。同时调节送粉器13的粉末流量为4.5kg/h，激光扫描速度2.3m/min。

(5)在本实验中控制熔覆层的搭接率为40％，激光熔覆过程采用螺旋扫描方式，直至完成一层熔覆层加工。

(6)重复步骤(2)-(5)，直到熔覆层厚度达到所要求的技术指标(如2.5mm)。获得的熔覆层可以完全满足尺寸与性能要求，并且没有气孔与裂纹，粉末利用率达94％。

实例4：管状部件内壁的激光感应复合熔覆处理

对于管状部件，以内径为98mm，且壁厚为5mm的管材为例进行说明，其它管状部件的内表面激光感应加热复合熔覆加工的方法类似。

采用如图6所示的装置，其实施基本步骤如下：

(1)材料选择。熔覆材料采用碳化钨+镍基金属复合材料，其中碳化钨粒度为-140+240目的烧结碳化钨，粘结相使用粒度为-140+320目的镍基自熔合金Ni45。碳化钨与镍基自熔合金混合均匀，碳化钨质量百分含量30％wt。基体采用低碳钢管材。

(2)将管材与感应加热线圈之间的距离调节为3mm，感应加热装置为一个安装有导磁体的圆环线圈，感应加热区域略超前于激光辐照区域。调整激光熔覆喷嘴的粉末落点位置，使其与激光束辐照在管材内表面的位置相同或者略微靠前，同时调节粉末喷嘴10的位置，使其与激光光轴成70°夹角，粉末喷嘴10的末端与管材9的距离为8mm。

(2)将管材与感应加热线圈之间的距离调节为4mm，用高频感应线圈10对管材8进行预热，通过调节感应加热功率，使轧辊表面温度在500-700℃范围内。

(3)采用自动送粉器将熔覆粉末送至管材内表面感应区域，同时利用激光束将粉末材料熔覆在工件内表面。将激光束经聚焦系统2中的非球面反射镜调节成椭圆形光斑，或者采用积分镜调节成矩形光斑。调节送粉器13的粉末流量为3.6kg/h，激光熔覆功率选择4KW，激光扫描速度3.5m/min。

(4)激光熔覆过程采用螺旋扫描方式。当熔覆完一道后，管材同时沿着轴向移动一个螺距，控制熔覆层的搭接率为40％，直至完成一层熔覆层加工。

此实施例共熔覆一层熔覆层，达到所要求的熔覆层厚度0.8mm。获得的熔覆层可以完全满足尺寸与性能要求，并且完全没有气孔与裂纹，粉末利用率达90％。

本实用新型的范围并不局限于上述实施例，本领域一般人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种方式实现本实用新型的技术方案。

Claims

1.一种自动送粉激光感应复合熔覆装置，包括激光器、导光系统和聚焦系统、自动送粉器和激光加工数控工作台；激光器、导光系统和聚焦系统位于同一光路上，激光器发出的激光束经过导光系统传输到聚焦系统加以聚焦，聚焦系统用于将激光束转换成椭圆形或者矩形光斑照射至工件表面；导气管的出气口位于聚焦系统与待处理工件之间；激光加工数控工作台包括数控机床和工件夹持装置；工件夹持装置固定在数控机床上，用于将待处理工件安装在数控机床；其特征在于：该装置还包括感应加热装置，感应加热装置包括高频感应加热电源(5)和感应加热线圈(9)，感应加热线圈(9)与高频感应加热电源(5)电连接；工作时，感应加热线圈(9)与待处理工件(10)的待处理面之间的距离为1-10mm内，自动送粉器(13)的粉末喷嘴(15)与激光光轴的夹角为30-70°。

2.根据权利要求1所述的复合熔覆装置，其特征在于：所述工件夹持装置由一对旋转工作台(7、11)和一对三爪卡盘(8、12)构成，旋转工作台(7、11)均固定在数控机床(6)上，一对三爪卡盘(8、12)分别安装在旋转工作台(7、11)上，用于装夹待加工工件(10)。

3.根据权利要求1所述的复合熔覆装置，其特征在于：所述工件夹持装置由旋转工作台(7)、三爪卡盘(8)和顶针(16)构成；旋转工作台(7)和顶针(16)分别固定在数控机床(6)上，三爪卡盘(8)安装在旋转工作台(7)上。

4.根据权利要求3所述的复合熔覆装置，其特征在于：感应加热线圈(9)和送粉喷嘴(15)通过夹具(18)放置于待加工工件(10)的管壁内，感应加热线圈(9)上安装有导磁体(17)，聚焦系统(2)由一个平面反射镜和一个聚焦镜组成；加工时，平面反射镜与待加工工件(10)轴向成45°夹角，平面反射镜和感应加热线圈(9)置于待加工工件(10)的管壁内。