專利名稱：激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光熔覆技術(shù)是采用高能量密度的激光束在工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善其表面性能的工藝。與傳統(tǒng)的堆焊與熱噴涂工藝相比，激光熔覆技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)激光束光斑小且能量密度高，在熔覆過程中可以將工件的熱影響區(qū)與熱變形降低到最小程度；(2)通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以獲得稀釋率小于10％的熔覆層；(3)熔覆層與基材為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不易剝落；(4)通過專門設(shè)計(jì)的激光導(dǎo)光裝置，可以對(duì)深孔、內(nèi)孔和凹槽等部位進(jìn)行激光熔覆處理，結(jié)合多道多層技術(shù)可以獲得滿足不同尺寸要求的熔覆涂層；(5)激光熔覆技術(shù)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，自動(dòng)化程度高。因此，在汽車、冶金、航空航天、船舶、軌道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
然而，到目前為止，激光熔覆技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用程度并未達(dá)到早期預(yù)想的目標(biāo)，主要原因包括(1)高功率激光加工設(shè)備的一次性投資較大，且維護(hù)費(fèi)用昂貴；(2)激光熔覆效率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝，如堆焊與熱噴涂，因此單位面積涂層的制造成本偏高；(3)雖然可以將激光與熱噴涂結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)激光熱噴涂復(fù)合熔覆技術(shù)(J.Suutala，J.Tuominen，P.Vuoristo.Laser-assisted spraying and laser treatment of thermally sprayedcoatings，Surface & coatings Technology，201(2006)1981-1987)，使激光熔覆效率提高，但由于激光熔覆過程的快速加熱與快速冷卻凝固、熱應(yīng)力大的特點(diǎn)，在大塊材料表面進(jìn)行激光熔覆時(shí)，熔覆層極易產(chǎn)生裂紋。特別是在可焊性差的基材表面，裂紋問題一直是激光熔覆層難以逾越的障礙之一，制約了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱處理，降低熔覆層的冷卻速度及與基材間的溫度梯度，被認(rèn)為是消除裂紋的最有利方法。Yoshiwara與Kawaname(Method forsurface alloying metal with a high density energy beam and an alloysteel，United States，United States Patent，4750947，1988)采用加熱爐或氧乙炔火焰將工件預(yù)熱到600-800℃，在激光熔覆速度達(dá)5.4米/分鐘的條件下，獲得了無(wú)裂紋的熔覆層。這種采用預(yù)熱的激光熔覆技術(shù)與單純的激光熔覆技術(shù)相比較，在相同工藝參數(shù)條件下熔覆效率提高了225％。但是，對(duì)于形狀復(fù)雜與尺寸大的工件，預(yù)熱時(shí)需要復(fù)雜的加熱爐，而且長(zhǎng)時(shí)間的保溫在工件表面會(huì)產(chǎn)生氧化皮，嚴(yán)重影響激光熔覆層的質(zhì)量。此外，經(jīng)過預(yù)熱之后在高溫的環(huán)境中裝卸與夾持工件也很不方便，不但工作效率低，還容易灼傷操作人員。而采用氧乙炔火焰進(jìn)行預(yù)熱，工件的受熱過程慢，熱影響區(qū)較大，導(dǎo)致基材組織粗大，機(jī)械性能惡化。此外，采用上述兩種方法只能夠?qū)ν庥^簡(jiǎn)單的零部件進(jìn)行激光熔覆加工，無(wú)法對(duì)復(fù)雜零部件或者空心部件的內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆處理。而且在激光熔覆處理的同時(shí)無(wú)法對(duì)難焊接或大型工件進(jìn)行后熱緩冷處理，因此，其裝置的通用性不強(qiáng)。
近年來(lái)，操作方便的感應(yīng)加熱熔覆技術(shù)，引起了人們的廣泛興趣。感應(yīng)熔覆加工技術(shù)可以獲得大面積的熔覆層，生產(chǎn)成本低，效率高。該技術(shù)的不足之處在于(1)待熔覆材料需要預(yù)涂于基材表面，熔覆準(zhǔn)備工作量較大；(2)熔化必須控制在液一固兩相之間，易出現(xiàn)熔覆層流失，因而熔覆層的致密性稍差；(3)感應(yīng)熔覆過程中，所能夠達(dá)到的最高溫度有限，因此對(duì)于一些高熔點(diǎn)的合金層難以實(shí)現(xiàn)熔覆加工；(4)單純感應(yīng)熔覆所需要消耗的能量大，易產(chǎn)生基體過熱，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的方法，該方法的熔覆效率高，熔覆層產(chǎn)生氣孔與裂紋的幾率大幅度下降，整體質(zhì)量全面提高；本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，該裝置通用性較強(qiáng)，可以對(duì)實(shí)心部件的表面及空心部件的內(nèi)外表面進(jìn)行激光熔覆處理。
本發(fā)明提供的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的方法，其步驟包括①在已進(jìn)行過噴砂處理的待加工工件表面噴涂一層厚度為0.1-3.0毫米的涂層，涂層材料為合金粉末，或者合金粉末與陶瓷相顆粒形成的金屬陶瓷復(fù)合粉末，其中陶瓷相顆粒的質(zhì)量百分含量小于等于70％；②將待加工工件表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在1-10毫米范圍內(nèi)，利用高頻感應(yīng)加熱器往感應(yīng)加熱線圈內(nèi)通入電流，使工件表面的溫度為500-1200℃，并通入保護(hù)氣體；③將激光束聚焦之后輻照在感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，對(duì)涂層進(jìn)行激光熔覆處理，激光功率為1-10KW，激光束的光斑直徑為2-30毫米，激光熔覆線速度為0.5-10米/分鐘，感應(yīng)加熱功率為10-300KW；④在熔覆完一層合金涂層之后，檢測(cè)熔覆層的厚度是否達(dá)到設(shè)定的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟①-③，直到熔覆層達(dá)到所需要的厚度，否則，工作結(jié)束。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括激光器、激光導(dǎo)光裝置、激光聚焦裝置、數(shù)控機(jī)床與工件夾持裝置，激光器、激光導(dǎo)光裝置和激光聚焦裝置位于同一光路上，激光器發(fā)射出來(lái)的激光束經(jīng)激光導(dǎo)光裝置傳輸?shù)郊す饩劢寡b置，經(jīng)聚焦后照射至工件表面的預(yù)置涂層，導(dǎo)氣管的出氣口位于激光聚焦裝置的出光口處，工件夾持裝置安裝在數(shù)控機(jī)床上；其特征在于該裝置還包括高頻感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱線圈與高頻感應(yīng)加熱器相連，工作時(shí)，感應(yīng)加熱線圈與待加工工件涂層之間的距離為1-10毫米。
本發(fā)明避免了常規(guī)加熱方法(如加熱爐或氣體火焰等)預(yù)熱實(shí)現(xiàn)激光熔覆時(shí)存在的效率低、易造成重要部件損壞等問題，利用熱噴涂、冷噴涂以及超音速火焰噴涂技術(shù)效率高的優(yōu)點(diǎn)，將高能激光束與高頻電磁感應(yīng)加熱器結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)激光與感應(yīng)加熱復(fù)合熔覆的過程。與單純的激光熔覆技術(shù)或感應(yīng)熔覆技術(shù)等工藝方法相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(1)本發(fā)明的感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，開啟迅速，可以避免常規(guī)加熱方法如加熱爐或氣體火焰等易造成重要部件損壞以及熔覆效率低的問題；
(2)本發(fā)明中的感應(yīng)加熱器由單匝或多匝感應(yīng)加熱線圈組成，感應(yīng)加熱線圈的形狀為圓環(huán)或一段圓弧，安裝定位方便；感應(yīng)加熱器可以對(duì)工件完成預(yù)熱、后熱或預(yù)熱與后熱同時(shí)進(jìn)行的加熱處理；被加熱的工件不需要與感應(yīng)加熱線圈接觸，加熱時(shí)間短，裝卸方便。具體而言，感應(yīng)加熱源的引入實(shí)際上有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)一是對(duì)工件實(shí)現(xiàn)預(yù)熱，使工件的溫度提高之后，激光的能量主要消耗在熔化合金粉末上，因此激光能量利用率大大提高，熔覆速度也可以得到大幅度提升，達(dá)到0.5-10米/分鐘甚至更高，比現(xiàn)有的激光熔覆的速度提高了1-10倍。粉末沉積率為1-15千克/小時(shí)，比現(xiàn)有的激光熔覆的沉積率提高了1-15倍；二是感應(yīng)加熱線圈可以對(duì)激光熔覆之后的工件表面實(shí)現(xiàn)后熱緩冷，降低其冷卻速度，因此可以減少熔覆層的開裂敏感性，提高熔覆層的質(zhì)量和性能。
(3)采用本發(fā)明裝置易于將需要加熱的區(qū)域限定在工件的局部區(qū)域，而不必對(duì)工件進(jìn)行整體加熱，因此對(duì)工件的尺寸、形狀、需要處理的部位無(wú)限制。
(4)可以制備各種高性能涂層，例如高溫合金涂層、耐磨合金涂層或者金屬陶瓷復(fù)合涂層等。其中陶瓷相的質(zhì)量百分含量高達(dá)70％，而且整個(gè)金屬陶瓷復(fù)合涂層與基材呈冶金結(jié)合，且?guī)缀醪划a(chǎn)生氣孔與裂紋。
(5)對(duì)于可焊性差的材質(zhì)如高鉻鑄鐵、鍛鋼與高碳高合金鋼等，利用本發(fā)明方法可以獲得無(wú)氣孔、無(wú)裂紋、高性能的材料涂層。因此，對(duì)于加工大尺寸工件如大型軋輥、曲軸與管狀零件等優(yōu)勢(shì)十分明顯，應(yīng)用前景十分廣闊。
本發(fā)明可用于各種實(shí)心部件的表面與空心部件內(nèi)外壁的表面處理。


圖1a為激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間時(shí)對(duì)空心部件的外表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的裝置示意圖；圖1b為激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之后時(shí)對(duì)空心部件的外表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的裝置示意圖；圖2為專用于空心部件外表面激光感應(yīng)復(fù)合熔覆裝置各個(gè)主要部件的布置示意圖；圖3為專用于實(shí)心部件表面激光感應(yīng)復(fù)合熔覆的半圓形感應(yīng)加熱線圈與工件的布置示意圖；圖4為對(duì)實(shí)心部件表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的裝置示意圖；圖5為對(duì)空心部件內(nèi)表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的裝置示意圖；圖6為專用于空心部件內(nèi)表面激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的激光導(dǎo)光裝置示意圖；圖7為專用于空心部件內(nèi)表面激光感應(yīng)復(fù)合熔覆裝置各個(gè)主要部件的布置示意圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明方法利用激光感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)，通過多道多層搭接熔覆方式，可在工件內(nèi)外表面快速獲得滿足工件尺寸規(guī)格要求、無(wú)氣孔與無(wú)裂紋、與基材呈冶金結(jié)合的高性能材料涂層。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提出的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的方法，其實(shí)施步驟包括(1)先將待加工工件的表面進(jìn)行噴砂處理，為熱噴涂、冷噴涂或超音速火焰噴涂預(yù)置合金涂層奠定基礎(chǔ)；(2)在待加工工件表面噴涂一層厚度為0.1-3.0毫米的涂層，待加工工件為已進(jìn)行過噴砂處理的實(shí)心部件或空心管件，涂層材料為合金粉末(包括自熔合金粉末或其它非自熔合金粉末)、或者在上述合金粉末中摻入最大質(zhì)量百分含量可達(dá)70％的陶瓷相顆粒(如碳化鎢、碳化鈦、碳化硅等高硬度陶瓷材料)而形成的金屬陶瓷復(fù)合粉末。噴涂預(yù)置層可以采用冷噴涂、熱噴涂或者超音速火焰噴涂等；(3)將待加工工件表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在1-10毫米范圍內(nèi)，利用高頻感應(yīng)加熱器往感應(yīng)加熱線圈內(nèi)通入電流，使待加工工件表面的溫度為500-1200℃。
對(duì)待加工工件的外壁進(jìn)行處理時(shí)，在待加工工件的處理區(qū)域通入保護(hù)氣體，可防止工件氧化。也可以先對(duì)已進(jìn)行過噴砂處理的待加工工件表面進(jìn)行感應(yīng)加熱，然后在感應(yīng)加熱區(qū)利用熱噴涂、冷噴涂或超音速火焰噴涂技術(shù)在待加工工件表面噴涂0.1-3毫米的涂層，最后進(jìn)行激光熔覆處理。在進(jìn)行激光熔覆處理的過程中，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使待處理的區(qū)域溫度在500-1200℃范圍內(nèi)。
(4)將激光束聚焦之后輻照在感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，對(duì)涂層進(jìn)行激光熔覆處理，激光功率為1-10KW，激光束的光斑直徑為2-30毫米，激光熔覆線速度為0.5-10米/分鐘，感應(yīng)加熱功率為10-300KW。
對(duì)于難焊接材料或大型工件，聚焦后的激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間，實(shí)現(xiàn)工件激光熔覆處理后的后熱緩冷，降低熔覆層的冷卻速度，因此可以減少熔覆層的開裂敏感性，提高熔覆層的質(zhì)量和性能。對(duì)于小型工件，可以將激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之后(相對(duì)于工件的軸向運(yùn)動(dòng)方向)一定距離的感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)。當(dāng)激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間時(shí)，具體感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)及用于預(yù)熱與后熱的線圈匝數(shù)根據(jù)工況要求選擇。
對(duì)于軸類零件，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿工件的軸向移動(dòng)數(shù)控機(jī)床，使激光束在工件的表面呈螺旋線方式掃描。通過調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床移動(dòng)的距離，從而控制熔覆層的搭接率，工件每旋轉(zhuǎn)一周，則數(shù)控機(jī)床沿工件的軸向移動(dòng)的距離一般為激光光斑直徑的30％-70％。對(duì)于平板類零部件，當(dāng)熔覆完一道之后，沿垂直于激光掃描方向移動(dòng)數(shù)控機(jī)床，使相鄰激光熔覆道次的搭接率控制在激光束光斑直徑的30％-70％。具體值取決于對(duì)激光加工工藝的要求。
(5)在熔覆完一層合金涂層之后，檢測(cè)熔覆層的厚度是否達(dá)到設(shè)定的厚度要求。如果沒有，在原有第一層熔覆層的基礎(chǔ)上，重復(fù)步驟(2)-(4)，直到熔覆層達(dá)到所需要的厚度。在重復(fù)上述步驟時(shí)，所要注意的是調(diào)整激光聚焦裝置與工件表面涂層之間的距離，并注意感應(yīng)加熱線圈與工件表面涂層之間間隙大小的調(diào)節(jié)，以便確保激光熔覆時(shí)光斑大小和感應(yīng)加熱線圈加熱時(shí)的熱效應(yīng)不變。如果熔覆層已經(jīng)達(dá)到所需要的厚度，則工作結(jié)束。
在激光感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，由于感應(yīng)加熱可以在工件表面一定厚度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一定的溫度場(chǎng)，大大地降低了熔覆層在凝固過程中與基材之間的溫度梯度，不但有利于熔覆層中氣泡的溢出，而且可以將熔覆層中的殘余應(yīng)力降低到最小值，有利于抑制熔覆層中裂紋的產(chǎn)生。
如圖1a與1b所示的裝置，本發(fā)明裝置包括激光器1、激光導(dǎo)光裝置4、激光聚焦裝置3、高頻感應(yīng)加熱器2、數(shù)控機(jī)床6與工件夾持裝置。
激光器1、激光導(dǎo)光裝置4和激光聚焦裝置3位于同一光路上，激光器1發(fā)射出來(lái)的激光束經(jīng)激光導(dǎo)光裝置4傳輸?shù)郊す饩劢寡b置3，經(jīng)聚焦后照射至待加工工件表面的預(yù)置涂層。
感應(yīng)加熱線圈8與高頻感應(yīng)加熱器2相連，用于對(duì)待加工工件9進(jìn)行加熱。導(dǎo)氣管11的出氣口位于激光聚焦裝置3的出光口處，在導(dǎo)氣管11中通入保護(hù)氣體，可避免待加工工件氧化。
工件夾持裝置安裝在數(shù)控機(jī)床6上，數(shù)控機(jī)床6可以采用三軸或四軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。工件夾持裝置由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5、三爪卡盤7和頂針10構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5固定在數(shù)控機(jī)床6上，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5上安裝有三爪卡盤7。頂針10固定在數(shù)控機(jī)床6上，其位置與三爪卡盤7相對(duì)。三爪卡盤7和頂針10用于夾持待加工工件9。
如圖2所示，激光感應(yīng)復(fù)合熔覆時(shí)，感應(yīng)加熱線圈8套在待加工工件9外，感應(yīng)加熱線圈8與待加工工件9外表面涂層之間的距離為1-10毫米。加工完成后，在待加工工件9的外壁形成高性能熔覆材料層12。
感應(yīng)加熱線圈8可以是單匝或多匝，線圈的形狀可以是圓形(如圖2所示)或半圓環(huán)形(如圖3所示)。為操作方便，半圓環(huán)形多匝感應(yīng)加熱線圈8位于待加工工件9的下方，激光束的出光口位于待加工工件9的上方，并定位到感應(yīng)加熱區(qū)，也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱與后熱同時(shí)進(jìn)行的激光熔覆處理。
對(duì)于大型的管狀工件或?qū)嵭牟考?，如圖4所示，工件夾持裝置由一對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5、5’和一對(duì)三爪卡盤7、7’構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5、5’安裝在數(shù)控機(jī)床6上，三爪卡盤7、7’分別安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5、5’。二個(gè)三爪卡盤7、7’將待加工工件9的兩端固定，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)5、5’帶動(dòng)待加工工件9旋轉(zhuǎn)，并隨數(shù)控機(jī)床6一起移動(dòng)。
如圖5所示，當(dāng)對(duì)待加工工件的內(nèi)壁進(jìn)行處理時(shí)，感應(yīng)加熱線圈8和激光聚焦裝置3的出光口應(yīng)位于待加工工件9的內(nèi)壁內(nèi)，感應(yīng)加熱線圈8與待加工工件9的內(nèi)壁涂層間的距離為1-10毫米。需要利用專用的激光導(dǎo)光裝置將激光束引入管件內(nèi)腔。激光導(dǎo)光裝置4如圖6所示，由“”型的導(dǎo)光管15和兩個(gè)反射鏡13與14構(gòu)成。第一反射鏡14位于導(dǎo)光管15的拐角處，第二反射鏡13位于導(dǎo)光管15出光端，反射鏡13、14的鏡面相互平行，并且與激光光軸的夾角均為45°。激光器1發(fā)射出的激光束經(jīng)導(dǎo)光裝置4傳輸?shù)郊す饩劢寡b置3聚焦后輻照在待加工工件9的涂層表面。
如圖7所示，為提高感應(yīng)加熱線圈8對(duì)待加工工件9的加熱效率，在感應(yīng)加熱線圈8上安裝有導(dǎo)磁體16。
實(shí)例實(shí)例1選擇連續(xù)CO2激光器，采用如圖1a所示的裝置對(duì)外徑為110毫米、壁厚為10毫米的管狀金屬零部件的外表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆處理。
(1)先對(duì)管狀金屬零部件的外表面進(jìn)行噴砂處理；(2)采用熱噴涂或者冷噴涂技術(shù)，在外表面噴涂厚度為0.1毫米的涂層。涂層材料可以選擇耐磨、耐蝕或者耐高溫的鐵基、鎳基或者鈷基合金粉末，也可以選擇上述合金粉末與碳化鎢、碳化鈦、碳化硅等陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末。
(3)將管狀金屬零部件外表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié)為1毫米，感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)為3匝，在感應(yīng)加熱線圈中通入電流，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使管狀金屬零部件表面的溫度為500-750℃。
(4)將激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)管狀金屬零部件表面涂層的預(yù)熱與后熱同時(shí)進(jìn)行的激光熔覆加工，用于預(yù)熱與后熱的線圈匝數(shù)分別為2匝與1匝。激光聚焦裝置將經(jīng)過激光導(dǎo)光裝置傳輸來(lái)的激光束聚焦后輻照在管狀金屬零部件外表面的涂層上，光斑的直徑為30毫米，聚焦光斑的位置位于感應(yīng)加熱區(qū)的幾何中心處。激光器的輸出功率為5KW，激光熔覆的線速度為3米/分鐘。采用多道搭接方式，完成管狀金屬零部件外表面的大面積熔覆。激光熔覆過程中，相鄰激光熔覆層之間的搭接率為30％。
(5)當(dāng)熔覆完一層之后，繼續(xù)采用熱噴涂、冷噴涂或者其它涂覆方式在管材外壁預(yù)置一層厚0.1毫米的涂層，然后重復(fù)步驟(3)-(4)。如此反復(fù)，直到熔覆層的厚度達(dá)到所需要的工況要求。
實(shí)例2選擇二極管激光器，采用如圖1b所示的裝置對(duì)外徑為300毫米、壁厚為15毫米的管狀金屬零部件的外表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆處理。
(1)先對(duì)管狀金屬零部件的外表面進(jìn)行噴砂處理；(2)采用熱噴涂、冷噴涂技術(shù)或超音速火焰噴涂技術(shù)，在外表面噴涂厚度為3.0毫米的涂層。涂層材料可以選擇耐磨、耐蝕或者耐高溫的鐵基、鎳基或者鈷基合金粉末，也可以選擇上述合金粉末與碳化鎢、碳化鈦、碳化硅等陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末。
(3)將管狀金屬零部件外表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié)為10毫米，感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)為3匝，在感應(yīng)加熱線圈中通入電流，高頻感應(yīng)加熱器可以在數(shù)秒鐘之內(nèi)將管狀金屬零部件表面加熱到紅熱狀態(tài)，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使管狀金屬零部件外表面的溫度為1000-1200℃。
(4)將激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之后25毫米的感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，進(jìn)行激光熔覆處理。激光聚焦裝置將經(jīng)過激光導(dǎo)光裝置傳輸來(lái)的激光束聚焦后輻照在管狀金屬零部件外表面的涂層上，光斑的直徑為2毫米，聚焦光斑的位置位于感應(yīng)加熱區(qū)的幾何中心處。激光器的輸出功率為5KW，激光熔覆的線速度為10米/分鐘。采用多道搭接方式，完成管狀金屬零部件外表面的大面積熔覆。激光熔覆過程中，相鄰激光熔覆層之間的搭接率為70％。
(5)當(dāng)熔覆完一層之后，繼續(xù)采用熱噴涂、冷噴涂或者其它涂覆方式在管材外壁預(yù)置一層厚3.0毫米的涂層，然后重復(fù)步驟(3)-(4)。如此反復(fù)，直到熔覆層的厚度達(dá)到所需要的工況要求。
實(shí)例3選擇連續(xù)CO2激光器，采用如圖4所示的裝置對(duì)輥徑D＝600毫米的軋輥表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆處理，同時(shí)該裝置也適用于曲軸、石油鉆桿等實(shí)心部件。
(1)先對(duì)軋輥表面進(jìn)行噴砂處理；(2)采用熱噴涂、冷噴涂技術(shù)或超音速火焰噴涂技術(shù)，在軋輥表面噴涂厚度為1毫米的涂層。涂層材料可以選擇耐磨、耐蝕或者耐高溫的鐵基、鎳基或者鈷基合金粉末，也可以選擇上述合金粉末與碳化鎢、碳化鈦、碳化硅等陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末。
(3)將軋輥金屬零部件表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié)為5毫米，感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)為4匝，在感應(yīng)加熱線圈中通入電流，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使軋輥金屬零部件表面的溫度為700-900℃。
(4)將激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥表面涂層的預(yù)熱與后熱同時(shí)進(jìn)行的激光熔覆加工，用于預(yù)熱與后熱的線圈匝數(shù)都為2匝。激光聚焦裝置將經(jīng)激光導(dǎo)光裝置傳輸來(lái)的激光束聚焦后輻照在軋輥金屬零部件表面，光斑的直徑為20毫米，聚焦光斑的位置位于感應(yīng)加熱區(qū)的幾何中心區(qū)。激光器的輸出功率為8KW，激光熔覆的線速度8米/分鐘。采用多道搭接方式，完成軋輥金屬零部件的大面積熔覆。激光熔覆過程中，相鄰激光熔覆層之間的搭接率為50％。
(5)當(dāng)熔覆完一層之后，繼續(xù)采用熱噴涂、冷噴涂或者其它涂覆方式在軋輥表面預(yù)置一層厚1毫米的涂層材料，然后重復(fù)步驟(3)-(4)。如此反復(fù)，直到軋輥表面熔覆層厚度達(dá)到所需要的工況要求。
實(shí)例4選擇連續(xù)CO2激光器，采用如圖5所示的裝置對(duì)外徑為110毫米、壁厚為10毫米的管材內(nèi)表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆處理。
(1)先將管材內(nèi)表面進(jìn)行噴砂處理；(2)采用熱噴涂技術(shù)、冷噴涂或者其它技術(shù)在管材的內(nèi)表面預(yù)置厚度為2.0毫米的涂層，涂層材料可根據(jù)實(shí)際工況的需求，選擇高性能鐵基、鎳基或者鈷基合金粉末。
(3)調(diào)整內(nèi)表面涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離，使其間距為8毫米，感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)為2匝，在感應(yīng)加熱線圈中通入電流，感應(yīng)加熱線圈可以在數(shù)秒內(nèi)將管材內(nèi)表面加熱到紅熱狀態(tài)，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使管材內(nèi)表面的溫度為900℃-1100℃。
(4)將激光束經(jīng)激光導(dǎo)光裝置輸入到管材內(nèi)壁，激光聚焦裝置將經(jīng)激光導(dǎo)光裝置傳輸來(lái)的激光束聚焦后輻照在管材內(nèi)壁表面的涂層上，光斑的直徑為10毫米，然后將激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之后15毫米的感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆處理。激光輸出功率為5KW，激光熔覆的線速度為5米/分鐘，利用多道搭接技術(shù)在管材內(nèi)壁均勻熔覆一層高性能材料涂層，激光熔覆過程中，單道激光熔覆層之間的搭接率為60％。
(5)當(dāng)熔覆完一層之后，繼續(xù)熱噴涂一層厚為2毫米的涂層材料，然后重復(fù)步驟(3)到(4)，直到內(nèi)壁熔覆層的厚度達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。
本發(fā)明的范圍并不局限于上述實(shí)例，本領(lǐng)域一般人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案。
權(quán)利要求
1.一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的方法，其步驟包括①在已進(jìn)行過噴砂處理的待加工工件表面噴涂一層厚度為0.1-3.0毫米的涂層，涂層材料為合金粉末，或者合金粉末與陶瓷相顆粒形成的金屬陶瓷復(fù)合粉末，其中陶瓷相顆粒的質(zhì)量百分含量小于等于70％；②將待加工工件表面的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在1-10毫米范圍內(nèi)，利用高頻感應(yīng)加熱器往感應(yīng)加熱線圈內(nèi)通入電流，使工件表面的溫度為500-1200℃，并通入保護(hù)氣體；③將激光束聚焦之后輻照在感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，對(duì)涂層進(jìn)行激光熔覆處理，激光功率為1-10KW，激光束的光斑直徑為2-30毫米，激光熔覆線速度為0.5-10米/分鐘，感應(yīng)加熱功率為10-300KW；④在熔覆完一層合金涂層之后，檢測(cè)熔覆層的厚度是否達(dá)到設(shè)定的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟①-③，直到熔覆層達(dá)到所需要的厚度，否則，工作結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)待加工工作為軸類零件，步驟③與步驟④之間，待加工工件每旋轉(zhuǎn)一周，軸向移動(dòng)待加工工件或數(shù)控機(jī)床，其移動(dòng)距離為激光光斑直徑的30％-70％，使激光束在待加工工件的表面呈螺旋線方式掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在進(jìn)行步驟③時(shí)，將聚焦后的激光束定位到感應(yīng)加熱線圈之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于步驟③時(shí)，相對(duì)于待加工工件的軸向運(yùn)動(dòng)方向，聚焦后的激光束定位于整個(gè)感應(yīng)加熱線圈后面。
5.一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆制備材料涂層的裝置，包括激光器、激光導(dǎo)光裝置、激光聚焦裝置、數(shù)控機(jī)床與工件夾持裝置，激光器、激光導(dǎo)光裝置和激光聚焦裝置位于同一光路上，激光器發(fā)射出來(lái)的激光束經(jīng)激光導(dǎo)光裝置傳輸?shù)郊す饩劢寡b置，經(jīng)聚焦后照射至待加工工件表面的預(yù)置涂層，導(dǎo)氣管的出氣口位于激光聚焦裝置的出光口處，工件夾持裝置安裝在數(shù)控機(jī)床上；其特征在于該裝置還包括高頻感應(yīng)加熱器(2)，感應(yīng)加熱線圈(8)與高頻感應(yīng)加熱器(2)相連，工作時(shí)，感應(yīng)加熱線圈與待加工工件的涂層之間的距離為1-10毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于工件夾持裝置由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)、三爪卡盤(7)和頂針(10)構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)固定在數(shù)控機(jī)床(6)上，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)上安裝有三爪卡盤(7)；頂針(10)固定在數(shù)控機(jī)床(6)上，其位置與三爪卡盤(7)相對(duì)；三爪卡盤(7)和頂針(10)用于夾持待加工工件(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于工件夾持裝置由一對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)、(5)’和一對(duì)三爪卡盤(7)、(7)’構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)、(5)’安裝在數(shù)控機(jī)床(6)上，三爪卡盤(7)、(7)’分別安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(5)、(5)’；二個(gè)三爪卡盤(7)、(7)’將待加工工件(9)的兩端固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于感應(yīng)加熱線圈(8)和激光聚焦裝置(3)的出光口應(yīng)位于待加工工件(9)的內(nèi)壁內(nèi)，激光導(dǎo)光裝置(3)由“ ”型的導(dǎo)光管(15)和兩個(gè)反射鏡(13)與(14)構(gòu)成；第一反射鏡(14)位于導(dǎo)光管(15)的拐角處，第二反射鏡(13)位于導(dǎo)光管(15)出光端，反射鏡(13)、(14)的鏡面相互平行，并且與激光光軸的夾角均為45°。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于在感應(yīng)加熱線圈(8)上安裝有導(dǎo)磁體(16)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的方法及裝置。本發(fā)明將激光束與高頻電磁感應(yīng)加熱耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)激光與感應(yīng)加熱復(fù)合熔覆的過程。裝置包括激光器、激光導(dǎo)光裝置、激光聚集裝置、高頻感應(yīng)加熱器、數(shù)控機(jī)床和工件夾持裝置。工作時(shí)，工件待處理表面上的涂層與感應(yīng)加熱線圈之間的距離為1－10毫米。本發(fā)明通用性強(qiáng)，可在各種材質(zhì)的實(shí)心部件的表面及管狀零件的內(nèi)外表面進(jìn)行激光感應(yīng)復(fù)合熔覆高性能材料涂層的表面處理，熔覆方法的特征在于利用熱噴涂、冷噴涂或超音速火焰噴涂效率高的優(yōu)點(diǎn)，并將感應(yīng)加熱與激光熔覆同步進(jìn)行，最大熔覆線速度達(dá)0.5－10米/分鐘，熔覆速度比常規(guī)激光熔覆提高了1－10倍，粉末沉積率比現(xiàn)有的激光熔覆的沉積率提高了1－15倍，而且熔覆層無(wú)氣孔與裂紋。
文檔編號(hào)B23K26/00GK101070595SQ200710052458
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者曾曉雁, 胡乾午, 周圣豐, 黃永俊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)