一种激光感应复合熔覆制备材料涂层的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种激光感应复合熔覆高性能材料涂层的装置。本实用新型专利技术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、激光聚集装置、高频感应加热器、数控机床和工件夹持装置。工作时，工件待处理表面上的涂层与感应加热线圈之间的距离为１－１０毫米。本实用新型专利技术通用性强，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，熔覆方法的特征在于利用热喷涂、冷喷涂或超音速火焰喷涂效率高的优点，并将感应加热与激光熔覆同步进行，最大熔覆线速度达０．５－１０米／分钟，熔覆速度比常规激光熔覆提高了１－１０倍，粉末沉积率比现有的激光熔覆的沉积率提高了１－１５倍，而且熔覆层无气孔与裂纹。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光加工
，具体涉及一种激光感应复合熔覆 制备材料涂层的装置。
技术介绍
激光熔覆技术是釆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)激光束光斑小且能量密度高，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%的熔覆层；(3)熔覆层与基材为冶金结合，结 合强度高，不易剥落；(4)通过专门设计的激光导光装置，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 尺寸要求的熔覆涂层；(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的应用程度并未达到早期 预想的目标，主要原因包括(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. 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层难以逾越的障碍之一，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的温度梯度，被认为是消除裂纹的最有利方法。Yoshiwara与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. 4米/分钟的条件下，获得了无裂纹的熔覆层。这种采用预热的激光熔覆技术与单纯的激光熔覆技术相比较，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，预热时需要复杂的加热炉，而且长时间的保温在工件表面会产生氧化皮，严重影响激光熔覆层的质量。此外，经过预热之后在高温的环境中装卸与夹持工件也很不方便，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，采用上述两种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。而且在激光熔覆处理的同时无法对难焊接或大型工件进行后热缓冷处理，因此，其装置的通用性不强。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。该技术的不足之处在于(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-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。
技术实现思路
本技术的目的在于提供激光感应复合熔覆制备材料涂层的装置， 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本技术提供的激光感应复合熔覆制备材料涂层的装置包括激光 器、激光导光装置、激光聚焦装置、数控机床与工件夹持装置，激光器、 激光导光装置和激光聚焦装置位于同一光路上，激光器发射出来的激光束 经激光导光装置传输到激光聚焦装置，经聚焦后照射至工件表面的预置涂 层，导气管的出气口位于激光聚焦装置的出光口处，工件夹持装置安装在 数控机床上；其特征在于该装置还包括高频感应加热器，感应加热线圈 与高频感应加热器相连，工作时，感应加热线圈与待加工工件涂层之间的 距离为1-IO毫米。本技术避免了常规加热方法(如加热炉或气体火焰等)预热实现 激光熔覆时存在的效率低、易造成重要部件损坏等问题,利用热喷涂、冷喷 涂以及超音速火焰喷涂技术效率高的优点，将高能激光束与高频电磁感应 加热器结合起来，实现激光与感应加热复合熔覆的过程。与单纯的激光熔 覆技术或感应熔覆技术等工艺方法相比，本技术具有以下技术效果(1) 本技术的感应加热装置结构简单，使用方便，开启迅速，可 以避免常规加热方法如加热炉或气体火焰等易造成重要部件损坏以及熔覆 效率低的问题；(2) 本技术中的感应加热器由单匝或多匝感应加热线圈组成，感 应加热线圈的形状为圆环或一段圆弧，安装定位方便；感应加热器可以对 工件完成预热、后热或预热与后热同时进行的加热处理；被加热的工件不 需要与感应加热线圈接触，加热时间短，装卸方便。具体而言，感应加热 源的引入实际上有两个优点 一是对工件实现预热，使工件的温度提高之 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，达到0.5-10米/分钟甚至更高，比 现有的激光熔覆的速度提高了 1-10倍。粉末沉积率为1-15千克/小时，比 现有的激光熔覆的沉积率提高了 1-15倍；二是感应加热线圈可以对激光熔 覆之后的工件表面实现后热缓冷，降低其冷却速度，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。(3) 采用本技术装置易于将需要加热的区域限定在工件的局部区域，而不必对工件进行整体加热，因此对工件的尺寸、形状、需要处理的 部位无限制。(4) 可以制备各种高性能涂层，例如高温合金涂层、耐磨合金涂层或 者金属陶瓷复合涂层等。其中陶瓷相的质量百分含量高达70%，而且整个金 属陶瓷复合涂层与基材呈冶金结合，且几乎不产生气孔与裂纹。(5) 对于可焊性差的材质如高铬铸铁、锻钢与高碳高合金钢等，利用 本技术装置可以获得无气孔、无裂纹、高性能的材料涂层。因此，对 于加工大尺寸工件如大型轧辊、曲轴与管状零件等优势十分明显，应用前 景十分广阔。本技术可用于各种实心部件的表面与空心部件内外壁的表面处理o附图说明图la为激光束定位到感应加热线圈之间时对空心部件的外表面进行激 光感应复合熔覆高性能材料涂层的装置示意图；图lb为激光束定位到感应加热线圈之后时对空心部件的外表面进行激 光感应复合熔覆高性能材料涂层的装置示意图；图2为专用于空心部件外表面激光感应复合熔覆装置各个主要部件的 布置示意图；图3为专用于实心部件表面激光感应复合熔覆的半圆形感应加热线圈 与工件的布置示意图；图4为对实心部件表面进行激光感应复合熔覆高性能材料涂层的装置 示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光感应复合熔覆制备材料涂层的装置，包括激光器、激光导光装置、激光聚焦装置、数控机床与工件夹持装置，激光器、激光导光装置和激光聚焦装置位于同一光路上，激光器发射出来的激光束经激光导光装置传输到激光聚焦装置，经聚焦后照射至待加工工件表面的预置涂层，导气管的出气口位于激光聚焦装置的出光口处，工件夹持装置安装在数控机床上；其特征在于：该装置还包括高频感应加热器（２），感应加热线圈（８）与高频感应加热器（２）相连，工作时，感应加热线圈与待加工工件的涂层之间的距离为１－１０ 毫米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，胡乾午，周圣丰，黄永俊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]