CN207498471U - 基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，包括激光设备、组合电源、夹持部件、调节机构和控制器，夹持部件设置于激光设备的激光头的下端，以夹持熔覆基体，夹持部件包括设置有导电片的底板和两个面向设置的夹持板，夹持板在调节机构的作用下实现在水平面移动，与激光设备对准，形成稳定夹持力；组合电源向夹持部件的导电片进行通电，通过控制器控制组合电源的通电类型、顺序与/或正负，在基体表面形成旋转的电流场，使基体产生旋转的电流场、移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，实现对熔池的搅拌。

Description

基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置。

背景技术

随着大功率激光器的发展，激光熔覆作为一种新的表面改性技术而兴起，利用激光使合金粉末熔化于基体表面后凝固成性能优异的涂层，可显著改善工件表面的力学性能。由于熔覆层的形成是一个快速熔化和凝固的化学冶金过程，激光束对基体材料的热影响区范围小，引起的变形也少，从而可降低零件的报废率和提高其使用寿命，因此激光熔覆技术得到大规模的应用。

但是，快速的熔化和冷却过程会造成熔覆层内部过大的温度梯度，导致熔池内部流动不均匀，冷却凝固后会在熔覆层内部残留大量的气孔、裂纹和过大的残余应力，导致熔覆层中组织不均匀，整体性能下降，影响零件的品质。已有研究表明，在激光熔覆的同时加入磁场、电场等辅助方式，有利于均匀熔覆层中的晶粒组织，从而提高熔覆层的质量。

专利号为CN 106637200 A的中国实用新型专利公开了一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法，其特征在于采用多层能场辅助激光熔覆，能获得较好性能的熔覆层，但是该方法步骤太多，过于繁琐复杂，且采用单一方向的感应加热线圈对基体进行间接加热，将使基体表面受热不均匀。

专利号为CN 103602977 B的中国实用新型专利公开了一种实现脉冲电流细化熔覆层金属涂层凝固组织方法的装置，其特征是在激光熔覆的过程中采用脉冲电流对基体供电，对细化熔覆层组织有一定的效果，但是该方法功能太单一，对减少气孔、裂纹效果不太明显，且装置过于简单，无夹持固定装置。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，本实用新型通采用基于夹持通电的方式，熔覆前后都对基体通入多方向循环单相交流电，分别实现对基体表面相对均匀的预热和缓冷以及大多数零件的夹持，并且熔覆时对基体通入三相交流电，使基体产生旋转的电流场、移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，实现对熔池的搅拌，从而一定程度上控制熔覆层中金属流体的对流情况，能够减少熔覆层中的裂纹、气泡和残余应力。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，包括激光设备、组合电源、夹持部件、调节机构和控制器，所述夹持部件设置于激光设备的激光头的下端，以夹持熔覆基体，所述夹持部件包括设置有导电片的底板和两个面向设置的夹持板，所述夹持板在调节机构的作用下实现在水平面移动，与激光设备对准，形成稳定夹持力；

所述组合电源向夹持部件的导电片进行通电，通过控制器控制组合电源的通电类型、顺序与/或正负，在基体表面形成旋转的电流场，使基体产生旋转的电流场、移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，实现对熔池的搅拌。

所述组合电源通过转换开关连接夹持部件，所述控制器控制转换开关对应的开断。

所述组合电源包括单相交流电源和三相交流电源。

所述调节机构包括X轴和Y轴调节机构，通过X轴和Y轴调节机构使相对设置的夹持部件在水平面上移动，以精确定位在激光头下端。

所述X轴和Y轴调节机构为螺纹调节机构。

所述调节机构包括丝杆螺母机构，设置在两个对立设置的夹持板上，以调整夹持板之间的间距。

当然，本领域技术人员能够在本实用新型的工作原理下，将调节机构设置为其他形式，这些理应属于本领域的常规替换。

所述底板和夹持板均为复合通电头，形成多方向复合通电模块，所述复合通电头包括带孔绝缘陶瓷板和空心绝缘陶瓷管，带孔绝缘陶瓷板内侧设置有导电片，通电导线的一端分别穿过空心绝缘陶瓷管和带孔绝缘陶瓷板与复合通电头相连，另一端分别连接在转换开关的不同接头上，接头的另一方通过导线与组合电源相连。

所述复合通电头下端设置有绝缘板，绝缘板通过绝缘螺钉和夹持板本体的底部连接固定。

根据熔覆的阶段，选择组合电源类型，让熔覆基体通入单相交流电或三相交流电，控制各个复合通电头的电流方向和通/断路，使通电在熔覆基体上构成一个循环，通过组合电源控制电流的大小和频率，通过对基体通入不同类型电流的方式，进行基体的预热/缓冷和产生旋转的电流场、移动的感应电磁场或变换的感应电磁力，实现在一定程度上细化熔覆层晶粒，提高熔覆效果。

进一步的，在熔覆前，选择组合电源类型，让熔覆基体通入单相交流电，控制各个复合通电头的电流方向和通/断路，使单相交流电在熔覆基体上构成一个循环，通过组合电源控制电流的大小和频率，根据焦耳效应和趋肤效应，实现对基体表面较为均匀的循环预热；

进一步的，在熔覆时，改变组合电源类型，让熔覆基体通入三相交流电，使全部复合通电头全部通路，使用组合电源控制电流的大小和频率，根据电迁徙效应、电磁感应原理和磁致收缩效应，在熔覆基体上形成旋转的电流场、移动的感应电磁场和变换的感应电磁力，实现搅拌熔池；

进一步的，在熔覆后，选择组合电源类型，让熔覆基体通入单相交流电，控制复合通电头的电流方向和通/断路，使单相交流电在熔覆基体上构成一个循环，通过组合电源随时间慢慢减小电流的大小和频率，根据逐步降低温度梯度差的方法，实现对基体表面熔覆后的缓冷处理。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用不同类型电流的不同特性，分别实现了对基体的预热/缓冷和对熔池的搅拌，为减少熔覆层内部的裂纹、气泡等缺陷提供了一种途径和方法；

本实用新型采用多重电流法，对环境友好，没有使用对环境有影响的物质和方法，且无其它有害物质或气体产生，实现了绿色、环保、无污染；

本实用新型可以平面移动，具有精度高、结构灵活、成本低等优点，通电机构可靠性强，采用部分绝缘和协同工作的方式，实现基体的准确定位和电流的稳定不扩散。

本实用新型操作灵活、通用性强，能装夹大部分小型的零部件，减少了零件装夹和拆卸的时间，且可调型性高，对电流大小、频率、种类都可调，可满足不同的使用需求，实现了装置使用的多样性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型装置的整体结构图。

图2是本实用新型装置的3复合通电头结构图。

其中，10.激光器支撑；20.导气管；30.激光器；40.保护气体装置；50.熔覆基体；60.夹持前部机身复合通电头；70.夹持前部机身；80.底部绝缘板；90.X轴螺纹调节机构；100.夹持底座；110.夹持底座复合通电头；120.夹持中部机身复合通电头；130.Y轴螺纹调节机构；140.电源线；150.组合电源；160.电流方向转换开关；170.通电导线；180.后部机身；190.丝杆螺母机构；200.夹持中部机身；

61.前部机身通电铜片；62.前部机身带孔陶瓷板；63.前部机身空心陶瓷管；64.前部机身通电导线；111.夹持底座陶瓷板；112.夹持底座通电铜片；113.夹持底座通电导线；121.中部机身通电铜片；122.中部机身带孔陶瓷板；123.中部机身通电导线；124.中部机身空心陶瓷管；170.通电导线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在快速的熔化和冷却过程会造成熔覆层内部过大的温度梯度，导致熔池内部流动不均匀，冷却凝固后会在熔覆层内部残留大量的气孔、裂纹和过大的残余应力，导致熔覆层中组织不均匀，整体性能下降，影响零件的品质的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆工艺方法及其装置，实用新型采用基于夹持通电的方式，熔覆前后都对基体通入三方向循环单相交流电，分别实现对基体表面相对均匀的预热和缓冷以及大多数零件的夹持，并且熔覆时对基体通入三相交流电，使基体产生旋转的电流场、移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，实现对熔池的搅拌，从而一定程度上控制熔覆层中金属流体的对流情况，为减少熔覆层中的裂纹、气泡和残余应力提供了一种途径和方法。

如图1所示，一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，由激光组件模块、X-Y平面移动调节模块、三方向复合通电模块组成；其中激光组件模块包含激光器、保护气体装置、导气管等；X-Y平面移动调节模块包含X轴螺纹调节机构、Y轴螺纹调节机构等；三方向复合通电模块包含3个复合通电头、绝缘陶瓷板、绝缘陶瓷管、通电导线、电流方向转换开关、组合电源、夹持前部机身、夹持中部机身、后部机身、夹持底座、绝缘板、丝杆螺母机构等；其中三方向复合通电模块是本装置的核心模块。

如图2所示，三方向复合通电模块位于激光器的正下方，夹持前部机身、夹持中部机身与后部机身用光轴、螺钉、丝杆螺母连接固定，夹持底座位于夹持前部机身和夹持中部机身之间，3个复合通电头分别用绝缘螺钉安装在夹持前部机身、夹持中部机身和夹持底座上，复合通电头后面装有带孔绝缘陶瓷板和空心绝缘陶瓷管，三根通电导线的一端分别穿过空心绝缘陶瓷管和带孔绝缘陶瓷板与复合通电头相连，另一端分别连接在电流方向转换开关的不同接头上，接头的另一方通过导线与组合电源相连，整个模块底部装有绝缘板，通过绝缘螺钉和夹持机身底部连接固定；

X-Y平面移动调节模块位于三方向复合通电模块下方，Y轴螺纹调节机构的上部移动滑块通过螺栓与三方向复合通电模块底部相连，下部底座通过螺栓与X轴螺纹调节机构的上部移动滑块相连，从而可通过控制X轴螺纹调节机构和Y轴螺纹调节机构，来调节三方向复合通电模块中的熔覆基体在激光器下方的位置。

具体操作过程：

(1)用砂纸打磨基体表面，去除基体表面氧化物，用脱脂棉蘸取无水乙醇擦拭基体表面，去除油污及打磨碎屑等后，将基体放入干燥箱烘干，干燥时间为6—10h；

(2)将预置混合粉末放入球磨机进行混合磨匀，球磨时间为1—2h，球磨后的粉末放入干燥箱中进行干燥烘干，干燥时间为6—10h；

(3)将干燥好的基体和粉末取出，用无水乙醇将熔覆粉末预置在基体上，粉末预置厚度为0.5mm—2mm，待无水乙醇挥发后，将预置好粉末的基体再次放入干燥箱中干燥烘干，干燥时间为3—6h；

(4)将干燥后并预置好粉末的基体取出，固定在三方向复合通电模块的夹持复合导电头上；

(5)打开装置电源开关，对基体通入单相交流电，通过夹持通电和电流方向转换的方式，采用三方向循环通电对基体进行预热，每方向通电时间为3min—10min，3个方向构成一个循环，并调节其频率和电流大小，频率调节范围为20Hz—200Hz，电流调节范围为0A—100A；

(6)预热完成后，对基体通入三相交流电，在基体表面形成旋转的电流场，同时由于电磁感应效应，基体周围也会形成移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，从而实现对熔池的搅拌；

(7)调节激光器参数开始激光熔覆，激光功率200W—2000W、扫描速度100mm/min—500mm/min、光斑直径2mm—5mm、保护气体为氮气或氩气，搭接率为20％—60％，离焦量为5mm—50mm，激光熔覆完成后关闭激光器；

(8)基体熔覆完成后，对基体再次通入单相交流电，按(5)中的方法对基体进行缓冷处理，缓冷处理的过程中，单相交流电的频率和大小根据时间依次减小，缓冷处理的时间为30min—120min；

(9)最后，关闭电源，将熔覆基体取出。

实用新型采用三方向复合通电模块，将3个复合通电头集成在夹持机构上，可对大多数形状的熔覆基体进行夹持，根据螺纹的自锁原理和金属的导电原理，实现熔覆基体与复合通电头的紧密结合和导电固定，并可通过X-Y平面移动调节模块调节基体在激光器下的位置，实现熔覆基体在X-Y平面内的位置调节；

在熔覆前，选择组合电源类型，让熔覆基体通入单相交流电，通过电流方向转换开关控制3个复合通电头的电流方向和通/断路，使单相交流电在熔覆基体上构成一个循环，通过组合电源控制电流的大小和频率，根据焦耳效应和趋肤效应，实现对基体表面较为均匀的循环预热；

在熔覆时，改变组合电源类型，让熔覆基体通入三相交流电，通过电流方向转换开关将3个复合通电头全部通路，使用组合电源控制电流的大小和频率，根据电迁徙效应、电磁感应原理、磁致收缩效应，在熔覆基体上形成旋转的电流场、移动的感应电磁场和变换的感应电磁力，实现搅拌熔池，并一定程度上影响熔池内部的对流；

在熔覆后，再次选择组合电源类型，让熔覆基体通入单相交流电，通过电流方向转换开关控制3个复合通电头的电流方向和通/断路，使单相交流电在熔覆基体上构成一个循环，通过组合电源随时间慢慢减小电流的大小和频率，根据逐步降低温度梯度差的方法，实现对基体表面熔覆后的缓冷处理；

从而装置可通过对基体通入不同类型电流的方式，进行基体的预热/缓冷和产生旋转的电流场、移动的感应电磁场、变换的感应电磁力等，实现在一定程度上细化熔覆层晶粒，减少熔覆层裂纹和气孔等缺陷的效果。

作为另一种典型方式，先选择熔覆基体，本次以40mm×70mm×40mm的长方体45号钢材作为熔覆基体为例，但并不局限于这一例子；

(1)依次用500#、800#金相砂纸打磨基体表面，去除基体表面氧化物，用脱脂棉蘸取无水乙醇擦拭基体表面，去除油污及打磨碎屑等后，将基体放入干燥箱烘干，干燥时间为6h；

(2)将预置的Ni基粉末与5％的CeO₂稀土氧化物的混合粉末放入球磨机进行混合磨匀，球磨时间为2h，球磨后的粉末放入干燥箱中进行干燥烘干，干燥时间为6h；

(3)将干燥好的基体和粉末取出，用无水乙醇将熔覆粉末预置在基体上，粉末预置厚度为1mm，待无水乙醇挥发后，将预置好粉末的基体再次放入干燥箱中干燥烘干，干燥时间为3h；

(4)将干燥后并预置好粉末的基体取出，放在夹持底座的复合通电头上，旋转丝杆螺母机构使基体夹紧，同时使夹持前部机身和夹持中部机身的两个复合通电头与基体紧密接触；

(5)打开装置电源开关，选择组合电源中的单相交流电，准备对基体进行预热，并调节其频率和电流大小，频率为50Hz，电流为10A；

调节电流方向转换开关，使夹持前部机身的复合通电头带正电，夹持后部机身的复合通电头带负电，夹持底座的复合通电头断路，对基体进行前后方向通电预热；

5min后，调节电流方向转换开关，使夹持前部机身的复合通电头断路，夹持中部机身的复合通电头带正电，夹持底座的复合通电头带负电，对基体进行后部斜方向通电预热；

5min后，再次调节电流方向转换开关，使夹持前部机身的复合通电头带负电，夹持后部机身的复合通电头断路，夹持底座的复合通电头带正电，对基体进行前部斜方向通电预热；

5min后，构成一个循环，几十个循环之后，使基体表面预热基本均匀；

(6)预热完成后，选择组合电源中的三相交流电，并调节电流方向转换开关，使3个通电头同时通电，在基体表面形成旋转的电流场，同时由于电磁感应效应，基体周围也会形成移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，从而实现对熔池的搅拌；

(7)调节激光器参数开始激光熔覆，激光功率900W、扫描速度360mm/min、光斑直径4mm、保护气体为氮气，搭接率为50％，离焦量为20mm，激光熔覆完成后关闭激光器；

(8)基体熔覆完成后，选择组合电源中的单相交流电，并调节电流方向转换开关，按(5)中的步骤对基体进行缓冷处理，缓冷处理的过程中，单相交流电的大小根据时间依次减小，缓冷处理的时间为30min；

(9)最后，关闭电源，松开丝杆螺母机构将熔覆基体取出。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：包括激光设备、组合电源、夹持部件、调节机构和控制器，所述夹持部件设置于激光设备的激光头的下端，以夹持熔覆基体，所述夹持部件包括设置有导电片的底板和两个面向设置的夹持板，所述夹持板在调节机构的作用下实现在水平面移动，与激光设备对准；

所述组合电源向夹持部件的导电片进行通电，控制器控制组合电源的通电类型、顺序与/或正负，在基体表面形成旋转的电流场，使基体产生旋转的电流场、移动的感应电磁场和变化的感应电磁力，实现对熔池的搅拌。

2.如权利要求1所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述组合电源通过转换开关连接夹持部件，所述控制器控制转换开关对应的开断。

3.如权利要求1所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述组合电源包括单相交流电源和三相交流电源。

4.如权利要求1所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述调节机构包括X轴和Y轴调节机构，通过X轴和Y轴调节机构使相对设置的夹持部件在水平面上移动，以精确定位在激光头下端。

5.如权利要求4所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述X轴和Y轴调节机构为螺纹调节机构。

6.如权利要求5所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述调节机构包括丝杆螺母机构，设置在两个对立设置的夹持板上，以调整夹持板之间的间距。

7.如权利要求1所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述底板和夹持板均为复合通电头，形成多方向复合通电模块。

8.如权利要求7所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述复合通电头包括带孔绝缘陶瓷板和空心绝缘陶瓷管，带孔绝缘陶瓷板内侧设置有导电片，通电导线的一端分别穿过空心绝缘陶瓷管和带孔绝缘陶瓷板与复合通电头相连，另一端分别连接在转换开关的不同接头上，接头的另一方通过导线与组合电源相连。

9.如权利要求7所述的一种基于夹持通电加热和旋转电场搅拌的激光熔覆装置，其特征是：所述复合通电头下端设置有绝缘板，绝缘板通过绝缘螺钉和夹持板本体的底部连接固定。