CN211311592U - 基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置 - Google Patents

Abstract

基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置，包括激光出光系统，激光出光系统包括安装筒、挡板，挡板连接安装筒下方，安装筒内装有冷却装置，中心内孔贯通安装筒、挡板；平行光束通过的所述的中心内孔的轴线，中心内孔的出光口对准工件表面；挡板安装粉末输送管，粉末输送管倾斜于中心内孔的轴线；中心内孔在临近出光口处安装有凸透镜，粉末输送管的轴心线与中心内孔的轴心线相交于凸透镜的聚焦点，凸透镜的聚焦点设置在工件表面；粉末输送管上安装有电阻线圈。本实用新型的优点是：可以实现低功率激光熔覆制备界面结合力强、质量高、稀释率低的熔覆层。

Description

基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置。

背景技术

激光熔覆是一种新的表面改性技术。原理是通过激光照射将熔覆材料熔化在基体表面上，使得熔覆材料与基体形成冶金结合。并在基体表面形成一层具有特殊性能的涂层，从而提高零部件的使用寿命。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

激光功率越大，熔化的熔覆金属量越多，产生气孔的概率越大。根据比能量Es公式：Es＝P/(DV)激光功率P、光斑直径D和扫描速度V，当扫描速度和光斑直径一定时，熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大，熔覆层深度将逐步增加。当熔覆层深度达到极限后，熔覆过程中的等离子体会随着功率的增加而增大，基体表面温度升高，变形和开裂现象加剧。然而，激光功率过小，仅表面涂层融化，基体难以熔化，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等，冶金结合差，达不到熔覆目的。

因此，实现低功率条件下激光熔覆，制备界面结合力强、质量高，稀释率低的熔覆层。则需要一种新的快速熔覆工艺及装置，本实用新型针对低功率激光熔覆提出一种基于电磁感应加热的激光快速熔覆工艺及装置

发明内容

为解决低功率激光熔覆出现熔覆层表面出现局部起球、空洞、冶金结合不良等问题，高功率激光熔覆稀释率大、变形和开裂现象加剧的问题，本实用新型提供了一种基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置。

本实用新型通过凸透镜将激光器产生的平行光聚焦，电阻加热装置预热粉末，再进行激光熔覆，从而实现低功率条件下激光熔覆，制备界面结合力强、质量高，稀释率低的熔覆层。

基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置，其特征在于：包括激光出光系统，激光出光系统包括安装筒3、挡板4，挡板4连接安装筒 3下方，安装筒3内装有冷却装置2，中心内孔1贯通安装筒3、挡板4；平行光束12通过的所述的中心内孔1的轴线，中心内孔1的出光口7对准工件表面；挡板4安装粉末输送管10，粉末输送管10 倾斜于中心内孔1的轴线；中心内孔1在临近出光口7处安装有凸透镜5，粉末输送管10的轴心线与中心内孔1的轴心线相交于凸透镜5 的聚焦点，凸透镜5的聚焦点设置在工件表面；粉末输送管10上安装有电阻线圈9。

优选地，挡板4上沿周向均布有多个粉末输送管10。

本实用新型的激光出光系统1的出光口设有凸透镜5，将出光系统1产生的平行光束12聚焦，粉末输送管10与凸透镜5聚焦的光汇集于一点，经过加热装置11预热的粉末再通过激光作用使粉末8与工件6熔化，形成良好的冶金结合。

本实用新型的优点是：可以实现低功率激光熔覆制备界面结合力强、质量高、稀释率低的熔覆层。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型的基于电磁感应加热的激光快速熔覆工装置，使用方法如下：

(1)根据粉末对激光的吸收系数、粉末粒子比热、粉末粒子半径、环境温度、激光输出功率、激光束半径，通过计算得出粉末颗粒熔化所需要的温度。

其中，吸收的激光能量为：

粉末散热量：

令Q_in＝Q-E

根据能量平衡计算粉末熔化所需最高温度：

式中：T_a为环境温度；α_p为粉末对激光吸收系数；c为比热容；ρ为粉末密度；v为粉末颗粒运动速度；θ_jet为粉管与激光束之间的夹角；r_t为光源半径；r_p为送粉管半径；P为激光功率；ε为全发射系数；σ为斯蒂芬—玻尔兹曼系数常数；l_p为熔化潜热；

从式中进行迭代可以计算达到光束辐照下粉末颗粒熔化所需温度；

(2)连接加热系统，将粉末预热至其熔化温度的0.2-0.7倍；

(3)将激光器产生的平行光经过凸透镜聚焦，将工件表面的熔覆部位设定为激光光速的聚焦点；

(4)将经过预热的粉末吹送到工件表面的熔覆部位，使粉末和工件表面的熔覆部位一起熔化。

步骤(4)中粉末粒子速度范围低于音速，大于60m/s；激光光斑直径是10mm。

本实用新型的基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置，包括激光出光系统，激光出光系统包括安装筒3、挡板4，挡板4连接安装筒 3下方，安装筒3内装有冷却装置2，中心内孔1贯通安装筒3、挡板4；平行光束12通过的所述的中心内孔1的轴线，中心内孔1的出光口7对准工件表面；挡板4安装粉末输送管10，粉末输送管10 倾斜于中心内孔1的轴线；中心内孔1在临近出光口7处安装有凸透镜5，粉末输送管10的轴心线与中心内孔1的轴心线相交于凸透镜5 的聚焦点，凸透镜5的聚焦点设置在工件表面；粉末输送管10上安装有电阻线圈9。

挡板4上沿周向均布有多个粉末输送管10。在实际使用时粉末输送管10连接高压气源，将粉末沿粉末输送管10的方向吹送到工件 6的熔覆部位。

粉末输送管10上安装有电阻线圈9，形成电阻线圈加热装置11。

粉末颗粒在穿过激光束时，吸收了部分激光能量，从而使自身的温度升高，由于粉末颗粒足够小，粒子的热导率为无限大，即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的，假设粉末颗粒迎光面和背光面没有差异，忽略激光的反射、折射和粒子之间的相互加热，对流换热，粉末颗粒对外辐射发生在颗粒表面，不吸收基体的反光。

电阻线圈环绕在粉末输送管四周，通过电阻线圈加热粉末的温度，使粉末预热到一定温度，不熔化，再通过激光作用下使之和工件的基体形成冶金结合。

其中，所述的凸透镜放置在激光出光系统内，将激光器产生的平行光聚焦于一点。

其中，所述粉末输送管呈一定角度，粉末汇聚的中心和激光出光口的焦点重合。

其中，所述的电阻线圈环绕在粉末输送管四周，粉末输送管采用耐高温材料。

其中，计算出粉末和基体的熔点，通过电阻线圈加热粉末颗粒，再经过激光加热，使粉末颗粒与工件的基体熔化，形成良好的冶金结合。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置，其特征在于：包括激光出光系统，激光出光系统包括安装筒(3)、挡板(4)，挡板(4)连接安装筒(3)下方，安装筒(3)内装有冷却装置(2)，中心内孔(1)贯通安装筒(3)、挡板(4)；平行光束(12)通过的所述的中心内孔(1)的轴线，中心内孔(1)的出光口(7)对准工件表面；挡板(4)安装粉末输送管(10)，粉末输送管(10)倾斜于中心内孔(1)的轴线；中心内孔(1)在临近出光口(7)处安装有凸透镜(5)，粉末输送管(10)的轴心线与中心内孔(1)的轴心线相交于凸透镜(5)的聚焦点，凸透镜(5)的聚焦点设置在工件表面；粉末输送管(10)上安装有电阻线圈(9)。

2.如权利要求1所述的基于电磁感应加热的激光快速熔覆装置，其特征在于：挡板(4)上沿周向均布有多个粉末输送管(10)。

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