專利名稱：一種激光感應復合熔覆制備材料涂層的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光加工技術領域，具體涉及一種激光感應復合熔覆 制備材料涂層的裝置。
背景技術：
激光熔覆技術是釆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， 激光熔覆技術具有如下優(yōu)點(l)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合，結 合強度高，不易剝落；(4)通過專門設計的激光導光裝置，可以對深孔、內(nèi) 孔和凹槽等部位進行激光熔覆處理，結合多道多層技術可以獲得滿足不同 尺寸要求的熔覆涂層；(5)激光熔覆技術對環(huán)境無污染，自動化程度高。因 此，在汽車、冶金、航空航天、船舶、軌道運輸?shù)阮I域具有十分廣闊的應 用前景。然而，到目前為止，激光熔覆技術在工業(yè)中的應用程度并未達到早期 預想的目標，主要原因包括(1)高功率激光加工設備的一次性投資較大， 且維護費用昂貴；(2)激光熔覆效率遠低于傳統(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合起 來實現(xiàn)激光熱噴涂復合熔覆技術(J. Suutala， J. T麵i腦，P. Vuoristo, Laser-assisted spraying and laser treatment of thermally sprayed coatings, 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、 熱應力大的特點，在大塊材料表面進行激光熔覆時，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，制約了該技術的工業(yè)化應用。對基材進行預熱處理，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)采用力口熱爐或氧乙炔火焰將工件預熱到600-800°C，在激光熔覆速度達5. 4米/分鐘的條件下，獲得了無裂紋的熔覆層。這種采用預熱的激光熔覆技術與單純的激光熔覆技術相比較，在相同工藝參數(shù)條件下熔覆效率提高了 225%。但是，對于形狀復雜與尺寸大的工件，預熱時需要復雜的加熱爐，而且長時間的保溫在工件表面會產(chǎn)生氧化皮，嚴重影響激光熔覆層的質(zhì)量。此外，經(jīng)過預熱之后在高溫的環(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行預熱，工件的受熱過程慢，熱影響區(qū)較大，導致基材組織粗大，機械性能惡化。此外，采用上述兩種方法只能夠?qū)ν庥^簡單的零部件進行激光熔覆加工，無法對復雜零部件或者空心部件的內(nèi)壁進行激光熔覆處理。而且在激光熔覆處理的同時無法對難焊接或大型工件進行后熱緩冷處理，因此，其裝置的通用性不強。近年來，操作方便的感應加熱熔覆技術，引起了人們的廣泛興趣。感應熔覆加工技術可以獲得大面積的熔覆層，生產(chǎn)成本低，效率高。該技術的不足之處在于(1)待熔覆材料需要預涂于基材表面，熔覆準備工作量較大；(2)熔化必須控制在液-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)感應熔覆過程中，所能夠達到的最高溫度有限，因 此對于一些高熔點的合金層難以實現(xiàn)熔覆加工；(4)單純感應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)容本實用新型的目的在于提供激光感應復合熔覆制備材料涂層的裝置， 該裝置通用性較強，可以對實心部件的表面及空心部件的內(nèi)外表面進行激
本實用新型提供的激光感應復合熔覆制備材料涂層的裝置包括激光 器、激光導光裝置、激光聚焦裝置、數(shù)控機床與工件夾持裝置，激光器、 激光導光裝置和激光聚焦裝置位于同一光路上，激光器發(fā)射出來的激光束 經(jīng)激光導光裝置傳輸?shù)郊す饩劢寡b置，經(jīng)聚焦后照射至工件表面的預置涂 層，導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)控機床上；其特征在于該裝置還包括高頻感應加熱器，感應加熱線圈 與高頻感應加熱器相連，工作時，感應加熱線圈與待加工工件涂層之間的 距離為1-IO毫米。本實用新型避免了常規(guī)加熱方法(如加熱爐或氣體火焰等)預熱實現(xiàn) 激光熔覆時存在的效率低、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效率高的優(yōu)點，將高能激光束與高頻電磁感應 加熱器結合起來，實現(xiàn)激光與感應加熱復合熔覆的過程。與單純的激光熔 覆技術或感應熔覆技術等工藝方法相比，本實用新型具有以下技術效果(1) 本實用新型的感應加熱裝置結構簡單，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) 本實用新型中的感應加熱器由單匝或多匝感應加熱線圈組成，感 應加熱線圈的形狀為圓環(huán)或一段圓弧，安裝定位方便；感應加熱器可以對 工件完成預熱、后熱或預熱與后熱同時進行的加熱處理；被加熱的工件不 需要與感應加熱線圈接觸，加熱時間短，裝卸方便。具體而言，感應加熱 源的引入實際上有兩個優(yōu)點 一是對工件實現(xiàn)預熱，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，比 現(xiàn)有的激光熔覆的沉積率提高了 1-15倍；二是感應加熱線圈可以對激光熔 覆之后的工件表面實現(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) 采用本實用新型裝置易于將需要加熱的區(qū)域限定在工件的局部區(qū)
域，而不必對工件進行整體加熱，因此對工件的尺寸、形狀、需要處理的 部位無限制。(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 者金屬陶瓷復合涂層等。其中陶瓷相的質(zhì)量百分含量高達70%，而且整個金 屬陶瓷復合涂層與基材呈冶金結合，且?guī)缀醪划a(chǎn)生氣孔與裂紋。(5) 對于可焊性差的材質(zhì)如高鉻鑄鐵、鍛鋼與高碳高合金鋼等，利用 本實用新型裝置可以獲得無氣孔、無裂紋、高性能的材料涂層。因此，對 于加工大尺寸工件如大型軋輥、曲軸與管狀零件等優(yōu)勢十分明顯，應用前 景十分廣闊。本實用新型可用于各種實心部件的表面與空心部件內(nèi)外壁的表面處理o
圖la為激光束定位到感應加熱線圈之間時對空心部件的外表面進行激 光感應復合熔覆高性能材料涂層的裝置示意圖；圖lb為激光束定位到感應加熱線圈之后時對空心部件的外表面進行激 光感應復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復合熔覆裝置各個主要部件的 布置示意圖；圖3為專用于實心部件表面激光感應復合熔覆的半圓形感應加熱線圈 與工件的布置示意圖；圖4為對實心部件表面進行激光感應復合熔覆高性能材料涂層的裝置 示意圖；圖5為對空心部件內(nèi)表面進行激光感應復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)表面激光感應復合熔覆髙性能材料涂層的激 光導光裝置示意圖；圖7為專用于空心部件內(nèi)表面激光感應復合熔覆裝置各個主要部件的 布置示意具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖la與lb所示的裝置，本實用新型裝置包括激光器1、激光導光裝 置4、激光聚焦裝置3、高頻感應加熱器2、數(shù)控機床6與工件夾持裝置。激光器1、激光導光裝置4和激光聚焦裝置3位于同一光路上，激光器 1發(fā)射出來的激光束經(jīng)激光導光裝置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置涂層。感應加熱線圈8與高頻感應加熱器2相連，用于對待加工工件9進行 加熱。導氣管11的出氣口位于激光聚焦裝置3的出光口處，在導氣管11 中通入保護氣體，可避免待加工工件氧化。工件夾持裝置安裝在數(shù)控機床6上，數(shù)控機床6可以采用三軸或四軸 聯(lián)動的數(shù)控機床。工件夾持裝置由旋轉(zhuǎn)工作臺5、三爪卡盤7和頂針10構 成。旋轉(zhuǎn)工作臺5固定在數(shù)控機床6上，旋轉(zhuǎn)工作臺5上安裝有三爪卡盤7。 頂針10固定在數(shù)控機床6上，其位置與三爪卡盤7相對。三爪卡盤7和頂 針10用于夾持待加工工件9。如圖2所示，激光感應復合熔覆時，感應加熱線圈8套在待加工工件9 外，感應加熱線圈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， 并定位到感應加熱區(qū)，也可以實現(xiàn)預熱與后熱同時進行的激光熔覆處理。對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 旋轉(zhuǎn)工作臺5、 5，和一對三爪卡盤7、 7，構成。旋轉(zhuǎn)工作臺5、 5，安裝在 數(shù)控機床6上，三爪卡盤7、 7，分別安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺5、 5，。 二個三爪 卡盤7、 7，將待加工工件9的兩端固定，旋轉(zhuǎn)工作臺5、 5'帶動待加工工 件9旋轉(zhuǎn)，并隨數(shù)控機床6—起移動。如圖5所示，當對待加工工件的內(nèi)壁進行處理時，感應加熱線圈8和 激光聚焦裝置3的出光口應位于待加工工件9的內(nèi)壁內(nèi)，感應加熱線圈8 與待加工工件9的內(nèi)壁涂層間的距離為1-IO毫米。需要利用專用的激光導 光裝置將激光束引入管件內(nèi)腔。激光導光裝置4如圖6所示，由"」" 型的導光管15和兩個反射鏡13與14構成。第一反射鏡14位于導光管15 的拐角處，第二反射鏡13位于導光管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l發(fā)射出的激光束經(jīng)導 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，為提高感應加熱線圈8對待加工工件9的加熱效率，在 感應加熱線圈8上安裝有導磁體16。實例 實例1:選擇連續(xù)C(V激光器，采用如圖la所示的裝置對外徑為110毫米、壁 厚為10毫米的管狀金屬零部件的外表面進行激光感應復合熔覆處理。(1) 先對管狀金屬零部件的外表面進行噴砂處理；(2) 采用熱噴涂或者冷噴涂技術,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 屬陶瓷復合粉末。(3) 將管狀金屬零部件外表面的涂層與感應加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié) 為1毫米，感應加熱線圈的匝數(shù)為3匝，在感應加熱線圈中通入電流，調(diào) 節(jié)感應加熱功率，使管狀金屬零部件表面的溫度為500-750°C。(4) 將激光束定位到感應加熱線圈之間，實現(xiàn)對管狀金屬零部件表面涂 層的預熱與后熱同時進行的激光熔覆加工，用于預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)過激光導光裝置傳輸來的激光束聚焦 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 管材外壁預置一層厚0.1毫米的涂層，然后重復步驟(3) - (4)。如此反 復，直到熔覆層的厚度達到所需要的工況要求。實例2:選擇二極管激光器，采用如圖lb所示的裝置對外徑為300毫米、壁 厚為15毫米的管狀金屬零部件的外表面進行激光感應復合熔覆處理。(1) 先對管狀金屬零部件的外表面進行噴砂處理；(2) 采用熱噴涂、冷噴涂技術或超音速火焰噴涂技術，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鉤、碳化鈦、碳 化硅等陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷復合粉末。(3) 將管狀金屬零部件外表面的涂層與感應加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié) 為10毫米，感應加熱線圈的匝數(shù)為3匝，在感應加熱線圈中通入電流，高 頻感應加熱器可以在數(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)感應加熱功率，使管狀金屬零部件外表面的溫度為1000-1200°C。(4) 將激光束定位到感應加熱線圈之后25毫米的感應加熱區(qū)內(nèi)，進行 激光熔覆處理。激光聚焦裝置將經(jīng)過激光導光裝置傳輸來的激光束聚焦后 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 管材外壁預置一層厚3.0毫米的涂層，然后重復步驟(3) - (4)。如此反 復，直到熔覆層的厚度達到所需要的工況要求。實例3:選擇連續(xù)C(V激光器，采用如圖4所示的裝置對輥徑D=600毫米的軋輥 表面進行激光感應復合熔覆處理，同時該裝置也適用于曲軸、石油鉆桿等 實心部件。 (1) 先對軋輥表面進行噴砂處理；(2) 采用熱噴涂、冷噴涂技術或超音速火焰噴涂技術，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合粉末。(3) 將軋輥金屬零部件表面的涂層與感應加熱線圈之間的距離調(diào)節(jié)為5 毫米，感應加熱線圈的匝數(shù)為4匝，在感應加熱線圈中通入電流，調(diào)節(jié)感 應加熱功率，使軋輥金屬零部件表面的溫度為700-90(TC。(4) 將激光束定位到感應加熱線圈之間，實現(xiàn)對軋輥表面涂層的預熱與 后熱同時進行的激光熔覆加工，用于預熱與后熱的線圈匝數(shù)都為2匝。激 光聚焦裝置將經(jīng)激光導光裝置傳輸來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 軋輥表面預置一層厚1毫米的涂層材料，然后重復步驟(3) - (4)。如此 反復，直到軋輥表面熔覆層厚度達到所需要的工況要求。實例4:選擇連續(xù)C()2激光器，采用如圖5所示的裝置對外徑為110亳米、壁厚 為IO毫米的管材內(nèi)表面進行激光感應復合熔覆處理。(1) 先將管材內(nèi)表面進行噴砂處理；(2) 采用熱噴涂技術、冷噴涂或者其它技術在管材的內(nèi)表面預置厚度為 2.0毫米的涂層，涂層材料可根據(jù)實際工況的需求，選擇高性能鐵基、鎳基 或者鈷基合金粉末。(3) 調(diào)整內(nèi)表面涂層與感應加熱線圈之間的距離，使其間距為8毫米， 感應加熱線圈的匝數(shù)為2匝，在感應加熱線圈中通入電流，感應加熱線圏 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)感應加熱功率，使管材
內(nèi)表面的溫度為900°C-1100°C。(4) 將激光束經(jīng)激光導光裝置輸入到管材內(nèi)壁，激光聚焦裝置將經(jīng)激光 導光裝置傳輸來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加熱線圈之后15毫米的感應加熱 區(qū)內(nèi)，進行激光感應復合熔覆處理。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 重復步驟(3)到(4)，直到內(nèi)壁熔覆層的厚度達到所需要的技術指標。本實用新型的范圍并不局限于上述實例，本領域一般人員根據(jù)本實用 新型公開的內(nèi)容，可以采用其它多種方式實現(xiàn)本實用新型的技術方案。
權利要求1、一種激光感應復合熔覆制備材料涂層的裝置，包括激光器、激光導光裝置、激光聚焦裝置、數(shù)控機床與工件夾持裝置，激光器、激光導光裝置和激光聚焦裝置位于同一光路上，激光器發(fā)射出來的激光束經(jīng)激光導光裝置傳輸?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置涂層，導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)控機床上；其特征在于該裝置還包括高頻感應加熱器(2)，感應加熱線圈(8)與高頻感應加熱器(2)相連，工作時，感應加熱線圈與待加工工件的涂層之間的距離為1-10毫米。
2、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于工件夾持裝置由一對旋 轉(zhuǎn)工作臺(5)、 (5)，和一對三爪卡盤(7)、 (7)，構成；旋轉(zhuǎn)工作臺(5)、(5)，安裝在數(shù)控機床(6)上，三爪卡盤(7)、 (7)，分別安裝在旋轉(zhuǎn)工作 臺(5)、 (5)，； 二個三爪卡盤(7)、 (7)，將待加工工件(9)的兩端固定。
3、 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其特征在于工件夾持裝置由旋轉(zhuǎn)工 作臺(5)、三爪卡盤(7)和頂針(10)構成；旋轉(zhuǎn)工作臺(5)固定在數(shù) 控機床(6)上，旋轉(zhuǎn)工作臺(5)上安裝有三爪卡盤(7);頂針(10)固 定在數(shù)控機床(6)上，其位置與三爪卡盤(7)相對；三爪卡盤(7)和頂 針(10)用于夾持待加工工件(9)。
4、 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于感應加熱線圈(8)和 激光聚焦裝置(3)的出光口應位于待加工工件(9)的內(nèi)壁內(nèi)，激光導光 裝置(3)由"_j "型的導光管(15)和兩個反射鏡(13)與(14)構成; 第一反射鏡(14)位于導光管(15)的拐角處，第二反射鏡(13)位于導 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。。
5、 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于在感應加熱線圈(8) 上安裝有導磁體(16)。
專利摘要本實用新型公開了一種激光感應復合熔覆高性能材料涂層的裝置。本實用新型將激光束與高頻電磁感應加熱耦合起來，實現(xiàn)激光與感應加熱復合熔覆的過程。裝置包括激光器、激光導光裝置、激光聚集裝置、高頻感應加熱器、數(shù)控機床和工件夾持裝置。工作時，工件待處理表面上的涂層與感應加熱線圈之間的距離為1-10毫米。本實用新型通用性強，可在各種材質(zhì)的實心部件的表面及管狀零件的內(nèi)外表面進行激光感應復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，并將感應加熱與激光熔覆同步進行，最大熔覆線速度達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，而且熔覆層無氣孔與裂紋。
文檔編號C23C24/10GK201053030SQ20072008522
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權日2007年6月13日
發(fā)明者周圣豐, 曾曉雁, 胡乾午, 黃永俊 申請人:華中科技大學