自动送粉激光感应复合熔覆方法及装置的利记博彩app

专利名称：自动送粉激光感应复合熔覆方法及装置的利记博彩app
技术领域：
本发明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 熔覆方法及其装置。
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(l)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, R 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 for surface 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°C，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)熔化必须控制在液一固两相之间，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。发明内容本发明的目的在于提供一种自动送粉激光感应复合熔覆方法，该方法 的熔覆效率高，熔覆层产生气孔与裂纹的几率大幅度下降，整体质量全面 提高；本发明还提供了实现该方法的装置，该装置通用性较强，可以对实 心部件的表面及空心部件的内外表面进行激光熔覆处理。
本发明提供的自动送粉激光感应复合熔覆方法，其步骤包括① 将待加工工件与感应加热线圈之间的距离控制在l一10mm内，调 整聚焦激光束，使激光聚焦光斑作用于待加工工件的感应加热区或者略滞 后于感应加热区；② 通过感应加热线圈对工作进行加热，使待加工工件表面的温度为 500-1100°C ，同时往感应加热区吹入惰性保护气体；③ 采用自动送粉器将所要熔覆的合金粉末送至待加工工件表面的激 光辐照区，同时利用激光束对待加工工件内或外表面进行激光熔覆，合金 粉末在激光束的作用下瞬间发生熔化，形成合金层；熔覆过程中，粉末喷 嘴与激光光轴的夹角控制在30°-70°，粉末喷嘴末端与待加工工件的垂直距 离为2-15mm，粉末流量为l-10kg/h，激光束光斑为椭圆形光斑或者矩形光 斑，激光功率为3-10KW，感应功率为20 — 300KW，激光熔覆速度为 l-10m/min,单层熔覆层厚为0.1-3mm;④判断熔覆层厚度是否达到所要求的熔覆层厚度，如果是，结束激 光一感应复合熔覆过程，否则重复步骤②- 。本发明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l一10mm内，自动送粉器的粉末喷嘴与激光光轴的夹角为30°-70°。本发明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，本发明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，本发明具有以下技术效果
(1) 高功率激光器和高功率感应加热装置相组合，其中激光光斑采用椭 圆形光斑或者矩形光斑，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) 本发明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l一10m/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1一10倍。
(3) 本发明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) 本发明装置结构简单，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) 对感应加热区通入保护气体，防止温度大于30(TC时工件表面出现 氧化或者发蓝现象。
(6) 本发明方法和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。例如镍基合金与WC颗粒的金属 陶瓷复合材料，熔覆层中碳化钨的质量百分含量的调节范围达0-65%wt，而且熔覆层可以基本排除气孔与裂纹。co对于高铬铸铁、锻钢与高碳高合金钢等可焊性差的材质，本发明方法可以获得无气孔、无裂纹和高硬度的熔覆层。总之，本发明的主要功能有两个 一是可大幅度提高激光熔覆效率； 二是可有效解决可焊性差的合金材料激光熔覆过程中熔覆层易开裂的难 题。本发明可用于各种实心部件的外表面和管状零件的内、外表面的激光 熔覆处理，尤其是对于加工大尺寸工件如轧辊、曲轴等轴类零件以及大型 管类零部件的表面强化与修复优势明显，应用前景广阔。


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发明进一步说明。 本发明方法采用以下步骤实现的 (l)将工件与专用感应加热线圈之间的距离控制在l一10mm内，调整
聚焦激光束作用在工件表面的位置，使激光聚焦光斑作用于感应加热区域 内，也可以使感应加热区域略超前或滞后于激光辐照区域。根据激光束与 感应加热区域的不同位置关系，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。对于高脆性基材，聚焦后的激光束定位到感应加热线圈之间，实现激 光感应同时加热及工件的后热缓冷，降低熔覆层的冷却速度，因此可以减 少熔覆层的开裂敏感性，提高熔覆层的质量和性能。对于有一定塑性的基 材，可以使激光聚焦光斑作用于感应加热区域内，也可以使感应加热区域 略超前于激光辐照区域。当激光束定位到感应加热线圈的线圈之间时，具 体感应加热线圈的匝数及用于预热与后热的线圈匝数比根据工况要求选 择。(2) 调节感应加热功率，使工件表面的温度为500-110(TC。同时，采 用金属管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其氧化。采用高频感应加 热装置对工件进行加热，由于工件表面的感应电磁场在通电的瞬时即可建 立，利用高频感应作用的集肤效应，在大功率感应电源作用下，工件表面 的温度可以很快达到红热状态。(3) 采用自动送粉器将所要熔覆的合金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。熔覆粉末材 料为Ni45、 Ni60等性能优良的自熔性合金粉末，或者在自熔性合金粉末中 掺入质量百分含量为0-65%wt的碳化物(如碳化钛、碳化钩等)金属陶瓷 复合粉末，也可以是stellite 6及其它非自熔合金粉末。熔覆过程中，粉末 喷嘴与激光光轴的夹角控制在30°-70°，粉末喷嘴末端与工件的垂直距离为 2-15mm,粉末流量为3-10kg/h。激光束光斑为椭圆形光斑或者矩形光斑， 激光功率为3-10KW，感应功率为20—300KW，激光熔覆速度为l-10m/min， 单层熔覆层厚为0.1-3mm。在激光感应复合熔覆加工过程中，由于感应加热可以在工件表面及一 定深度内产生具有一定温度梯度的温度场，大大减小了激光熔覆层在凝固 过程中与基材的温度差，即降低了熔覆层在凝固过程中的温度梯度，延长 了熔覆层形成过程中熔池的存在时间，不但有利于熔覆层中气泡的溢出，
而且可以将残余应力降低到最小值，有效地抑制裂纹的产生。(4) 对于圆形零部件，激光熔覆过程采用螺旋扫描方式。换句话说，当 熔覆完一道后，工件沿着轴向(x轴)同时移动一个螺距，具体值一般为x轴 方向光斑直径的30—70%,即控制熔覆层的搭接率为70—30%。(5) 当单层熔覆层厚度不能达到所预期的要求时，可以重复步骤(2)-(4)， 直至达到所要求的熔覆层厚度。如图1所示，实现上述方法的装置包括激光器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l、导光系统3和聚焦系统2位于同一光路上，激光器l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l一10mm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l、图2所示，工件夹持装置由一对旋转工作台7、 ll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IO。 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l、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，本发明装置如图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l: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l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 钨粒度为一 140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为一 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900-110(TC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C02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
钨粒度为一 140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为一 140+320目的 镍基自熔合金Ni60。碳化钩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800-100(TC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 钨粒度为一 140+240目的铸造碳化钨，粘结相使用粒度为一 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。C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 钨粒度为一 140+240目的烧结碳化钨，粘结相使用粒度为一 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。C 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%。'本发明的范围并不局限于上述实施例，本领域一般人员根据本发明公 开的内容，可以采用其它多种方式实现本发明的技术方案。
权利要求
1、一种自动送粉激光感应复合熔覆方法，其步骤包括①将待加工工件与感应加热线圈之间的距离控制在1-10mm内，调整聚焦激光束，使激光聚焦光斑作用于待加工工件的感应加热区或者略滞后于感应加热区；②通过感应加热线圈对工作进行加热，使待加工工件表面的温度为500-1100℃，同时往感应加热区吹入惰性保护气体；③采用自动送粉器将所要熔覆的合金粉末送至待加工工件表面的激光辐照区，同时利用激光束对待加工工件内或外表面进行激光熔覆，合金粉末在激光束的作用下瞬间发生熔化，形成合金层；熔覆过程中，粉末喷嘴与激光光轴的夹角控制在30-70°，粉末喷嘴末端与待加工工件的垂直距离为2-15mm，粉末流量为3-10kg/h，激光束光斑为椭圆形光斑或者矩形光斑，激光功率为3-10KW，感应功率为20-300KW，激光熔覆速度为1-10m/min，单层熔覆层厚为0.1-3mm；④判断熔覆层厚度是否达到所要求的熔覆层厚度，如果是，结束激光感应熔覆过程，否则重复步骤②-④。
2、 根据权利要求1所述的复合熔覆方法，其特征在于熔覆粉末材料为自熔性合金粉末，或者在自熔性合金粉末中掺入质量百分含量为0-65%wt 的碳化物的金属陶瓷复合粉末。
3、 根据权利要求1或者2所述的复合熔覆方法，其特征在于当待加 工工件为圆形零部件时，在完成步骤③的同时，x轴方向移动待加工工件， 其移动距离为x轴方向光斑直径的30—70。％。
4、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在进行步骤③时， 将聚焦后的激光束定位到多匝感应加热线圈之间。
5、 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l一10mm内，自动送粉器(13)的粉末喷嘴(15)与激光光轴的夹角 为30-70。。
6、 根据权利要求5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)。
7、 根据权利要求5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。
8、 根据权利要求7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。
全文摘要
本发明公开了一种自动送粉激光感应复合熔覆方法及其装置。本发明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。本发明通用性强，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。
文档编号C23C24/00GK101125394SQ20071005245
公开日2008年2月20日 申请日期2007年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者周圣丰, 曾晓雁, 胡乾午, 黄永俊 申请人:华中科技大学