CN210104078U - 一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种超声振动辅助高频感应熔覆的装置及工作方法，尤其是用于工件的表面处理及强化。其包括：卧式机床、PLC控制器、溜板箱、三角卡盘、电源控制器、除烟系统、感应电源、红外测温仪、工业水冷循环系统、导轨、滚珠丝杠、喷嘴、顶针、感应线圈、变幅杆、支架、超声波发生器。在开启感应线圈进行加热的过程中，用PLC控制器控制电机使工件以一定的速度旋转，可以避免在熔覆过程中，熔覆金属由于重力原因向下流，从而造成工件上下熔覆层厚度不均。通过在高频感应熔覆的过程中增加超声波辅助设备，最大程度上改善了熔覆层的质量，减少了气泡、裂纹的产生，消除了残余应力，采用该设备可显著提高熔覆层的综合性能，并且提高生产效率，降低成本。

Description

一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备。

背景技术

在实际的工业生产中，一部分工件处于交变载荷、高应力以及强腐蚀的环境中，由于长期工作于恶劣工况，工件表面易产生各种失效形式，这将会大大缩短工件的实际使用寿命。由于工件表面往往直接接触不利因素，所以工件的整体失效基本是从表面开始。

熔覆涂层技术是一种常见的金属材料表面处理技术，可以大幅度改善工件表面性能，具有生产效率高、生产成本低、可获得大面积熔覆层等优点，在工业生产中具有广泛的应用。熔覆涂层的制备技术主要有激光熔覆、氩弧熔覆、等离子熔覆以及高频感应熔覆。相比于其他熔覆涂层技术，高频感应熔覆技术的应用成本较低，具有广泛的应用价值。

感应熔覆技术作为高效快速的表面强化技术，基于电磁场的交变理论在金属零部件表面产生强大涡流，从而在靠近表层部分产生大量热。感应熔覆技术相比其它熔覆方法具有以下优势：涂层与基体发生元素扩散，形成冶金结合，不易脱落，涂层熔化后再结晶，能形成高质量的抗蚀耐磨组织；成型效率高，相对于激光熔覆和氧乙炔喷焊来说，感应熔覆的速度可以达到前者的几倍，甚至十几倍，特别是对于圆柱类零件，极易实现批量化、自动化生产；熔覆涂层厚度大；熔覆成本低，感应熔覆所需要的设备相对激光熔覆和等离子熔覆来说价格要低得多。基于此，近年来各国的专家学者做了大量关于高频感应熔覆的研究，但熔覆层仍然存在一些缺陷，比如：熔覆层结合不充分，表面质量过差，熔覆层出现气泡、裂纹，存有残余应力。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备，它能最大程度上改善结合层的质量，减少气泡、裂纹的产生，消除残余应力，提高熔覆层的使用性能，延长工件的使用寿命，其采用的技术方案如下：

一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备，包括：卧式机床、PLC控制器、溜板箱、三角卡盘、电源控制器、除烟系统、感应电源、红外测温仪、工业水冷循环系统、导轨、滚珠丝杠、喷嘴、顶针、感应线圈、变幅杆、支架、超声波发生器。所述PLC控制器与所述电源控制器、红外测温仪相连，所述溜板箱内有电机且电机的输出轴与三角卡盘相连，所述电源控制器与感应电源连接，所述除烟系统的管道固定在屋顶上，所述感应电源与感应线圈连接，所述红外测温仪作用于所述感应线圈内部的工件上，所述工业水循环系统与感应线圈相连，所述导轨固定在卧式机床的平台上，所述滚珠丝杠固定在卧式机床的平台上并与溜板箱相连，所述喷嘴通过细管与氩气罐相连，所述顶针与导轨、滚珠丝杆相连，所述变幅杆通过支架固定并与超声波发生器相连。

一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备，包括以下步骤：

(1)将工件预处理，然后把熔覆粉末通过结剂粘结到工件上，把黏有熔覆粉末的工件固定到卧式机床的三角卡盘上；

(2)启动水循环系统和除烟系统；

(3)通过PLC控制器控制溜板箱内的电机带动卧式机床中的滚珠丝杠实现工件的左右移动，调整工件到合适的位置，并用PLC控制系统控制电机转速，使三角卡盘带动工件以一定的速度旋转；

(4)调整红外测温仪的测温头、气体保护装置的喷嘴以及超声波发射器对准工件；

(5)开启气体保护装置，使氩气以一定速率通过喷嘴喷到感应线圈中的工件上；

(6)开启感应线圈对工件进行加热，打开红外测温仪对熔覆过程中的温度进行实时监控，将温度反馈到PLC控制器内从而控制熔覆过程的温度；

(7)在工件距加热时间还有5—10s时，启动超声波发生器；

(8)熔覆结束后关闭超声波发生器、感应电源、红外测温仪，取出工件进行热处理；

(9)关闭气体保护装置停止氩气的喷射；

(10)关闭除烟系统和水循环系统。

特别的,在开启感应线圈进行加热的过程中，用PLC数控系统控制电机使工件以一定的速度(具体速度数值根据熔池在超声波辅助状态下的流动性和工件的直径所得)旋转，避免在熔覆过程中，熔覆金属由于重力原因向下流，从而造成工件上下熔覆层厚度不均。

特别的，气体保护装置要在感应加热前开启，先通氩气，使工件在加热前处于氩气环境中，在工件完全冷却后再停止喷射氩气，可以很好的防止熔覆层以及熔覆层影响区(熔覆层两侧区域)被氧化。

本发明具有如下优点：

通过在高频感应熔覆的过程中增加超声波辅助设备，使得熔池(工件表面与熔覆材料在感应加热时融化成为熔池)温度均化，降低在熔覆冷却过程中极易产生的拉应力，使得工件在完成熔覆过程后不会产生过大的残余应力，从而降低工件的裂纹敏感性；由于熔覆过程中部分气泡在熔池冷凝后不能及时逸出，使工件的熔覆层产生气孔，利用超声波会加速熔池中气泡的逸出，提高材料的致密性；超声波可以打断长枝晶，抑制柱状晶生长，从而提高了晶粒的各向同性，细化了晶粒。

附图说明

图1：本专利的整体示意图

符号说明

1.卧式机床 2.PLC控制器 3.溜板箱 4.三角卡盘 5.电源控制器 6.除烟系统 7.感应电源 8. 红外测温仪 9.工业水冷循环系统 10.导轨 11.滚珠丝杠 12.喷嘴 13.顶针14.感应线圈 15.变幅杆 16.支架 17.超声波发生器

具体实施方式

下面结合附图对本专利作进一步说明：

如图1所示，本专利是一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备，包括：1.卧式机床2.PLC 控制器3.溜板箱4.三角卡盘5.电源控制器6.除烟系统7.感应电源8.红外测温仪9.工业水冷循环系统10.导轨11.滚珠丝杠12.喷嘴13.顶针14.感应线圈15.变幅杆16.支架17.超声波发生器。所述PLC控制器2与所述电源控制器5、红外测温仪8相连，所述溜板箱3内有电机且电机的输出轴与三角卡盘4相连，所述电源控制器5与感应电源7连接，所述除烟系统6的管道固定在屋顶上，所述感应电源7与感应线圈14连接，所述红外测温仪8作用于所述感应线圈14内部的工件上，所述工业水循环系统9与感应线圈14相连，所述导轨10固定在卧式机床1的平台上，所述滚珠丝杠11固定在卧式机床1的平台上并与溜板箱3相连，所述喷嘴12通过细管与氩气罐相连，所述顶针13与导轨10、滚珠丝杆11相连，所述变幅杆 15通过支架16固定并与超声波发生器17相连。

下面以45钢为基体，Ni60为熔覆材料为例，结合图1说明超声振动辅助高频感应熔覆的具体方法及主要工艺参数的选择。其中，基体材质为45钢，尺寸为：Φ20mm×200mm；感应频率：50KHz；感应电源：最大输出功率118KW；水冷循环系统的型号为FSL-150RS，工作流量10m³/h，工作水压0.2MPa，具体实施实例如下：

(1)涂层制备。首先，将45刚在砂轮上打磨去除铁锈和其他杂质，选用34％的硅酸钠溶液作为粘结剂，硅酸钠溶液与Ni60粉末按照3:100的重量比搅拌均匀，然后将材料均匀的涂在基体表面，涂层厚度为3mm，之后放在烤箱中烘干。

(2)固定工件。将烘干后的工件套装上夹具，通过PLC控制器调节溜板箱到合适的位置，将工件固定在三角卡盘上，再通过PLC控制器移动顶针，使工件固定。

(3)启动水循环系统和除烟系统。

(4)通过PLC控制系统控制电机转速，使三角卡盘带动工件以20r/min的速度旋转。

(5)设定加热温度1600℃，加热时间14s，调整并开启红外测温仪。

(6)打开氩气罐的开关，让工件尽量处在无氧环境下，以减少氧化带来的不利影响。

(7)开启感应线圈对工件进行加热。

(8)在工件加热结束时间还有5s时，启动超声波发生器，超声波作用时间为8s。

(9)通过PLC控制器停止三角卡盘旋转，熔覆结束。

(9)熔覆结束后关闭超声波发生器、感应电源、红外测温仪，迅速取出工件，放在热处理油中冷却。

(10)关闭气体保护装置停止氩气的喷射。

(11)除烟系统一直到看不到烟雾时关闭，水循环系统在加热工件10min后关闭。

上述实施例仅用于说明本申请，而非对本发明申请的限定，只要在本发明申请实质技术和方法范围内，对以上所述实施例的变化、增减都将落入本发明权利要求书的范围内。

Claims (2)

1.一种超声振动辅助高频感应熔覆的设备，包括：卧式机床、PLC控制器、溜板箱、三角卡盘、电源控制器、除烟系统、感应电源、红外测温仪、工业水冷循环系统、导轨、滚珠丝杠、喷嘴、顶针、感应线圈、变幅杆、支架、超声波发生器；所述PLC控制器与所述电源控制器、红外测温仪相连，所述溜板箱内有电机且电机的输出轴与三角卡盘相连，所述电源控制器与感应电源连接，所述除烟系统的管道固定在屋顶上，所述感应电源与感应线圈连接，所述红外测温仪作用于所述感应线圈内部的工件上，所述工业水循环系统与感应线圈相连，所述导轨固定在卧式机床的平台上，所述滚珠丝杠固定在卧式机床的平台上并与溜板箱相连，所述喷嘴通过细管与氩气罐相连，所述顶针与导轨、滚珠丝杆相连，所述变幅杆通过支架固定并与超声波发生器相连。

2.根据权利要求1所述的超声振动辅助高频感应熔覆的设备，其特征在于：在高频感应熔覆的过程中增加超声波辅助设备，使得工件表面与熔覆材料在感应加热时形成的熔池温度分布更加均匀，利用超声波会加速熔池中气泡的逸出，打断长枝晶，抑制柱状晶生长，从而提高晶粒的各向同性，细化晶粒。