本发明专利技术提出一种高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法，所述装置包括熔覆床身（1）、激光头（4）、丝材加热电源（6）、送丝咀（8）和送丝盘（10），丝材加热电源（6）对送丝咀（8）和工件（2）之间的丝材进行预加热形成预热丝材段，预热丝材段的前端与工件表面接触，激光头（4）提供的激光束（5）聚焦于预热丝材段与工件表面接触点位置附近，并在预热丝材段与工件表面接触点的前侧形成熔池，通过熔池在工件表面移动形成激光熔覆层，且所述预热丝材段位于激光束的输出光路和工件表面形成的激光熔覆层之间。本发明专利技术通过对丝材、激光束、熔池的相对位置进行创新布置，使得激光的利用率、热丝的利用率和对熔池热量的利用率发挥到最大。
【技术实现步骤摘要】
一种高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法
本专利技术属于先进制造
，具体涉及一种使用金属丝材的高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法。
技术介绍
激光熔覆技术作为一种先进的表面成型制造技术，通过近年来的发展已经得到了广泛的应用，尤其在轴类零件表面替代电镀和再制造修复解决方案中得到广泛的应用，如液压支架油缸、活塞杆的激光熔覆再制造修复、钢厂轴类零件的激光熔覆再制造修复等。激光熔覆技术按照使用的材料类型的不同可分为两类，一类为粉末激光熔覆技术，一类为丝材激光熔覆技术。其中粉末激光熔覆技术已经非常成熟，并在不同的行业中进行了大量的应用。丝材激光熔覆技术，各个大学中对其熔覆的基本性能和参数进行了研究，但是没有得到批量化的应用。现有的各种丝材激光熔覆工艺中的熔覆速度和送丝速度均较低，因此整体的熔覆效率较低。其中北京工业大学肖荣诗在申请号201810047415.2的专利技术专利中提出常用的熔覆速度为1.5m/min，即25mm/s，常用的送丝速度为4m/min,即67mm/s。李治（中国船舶重工集团公司第七二五研究所）在《材料开发与应用》中发表的扫描激光-热丝焊接过程焊丝熔入行为分析中，采用的焊接速度为0.75m/min,即16.5mm/s。南昌大学在申请号为201811490891.8的专利技术专利申请中使用的工艺参数中送丝速度为20mm/s,扫描速度为4mm/s。清华大学的温鹏等在《焊接学报》2015年5月发表的《激光热丝焊表面修复成形质量分析和控制》中采用的工艺参数中扫描速度为5.0-11.0mm/s,送丝速度为1.0-3.0m/min，即16-50mm/s。陕西天元智能再制造股份有限公司在前期的专利技术专利申请2018115687096中，针对细长轴类工件的丝材激光熔覆工艺中采用的熔覆速度为20-80mm/s，送丝速度为20-100mm/s。以上专利和文章中提到的丝材激光熔覆技术中熔覆速度和熔覆效率均比较低。上述现有的丝材激光熔覆技术原理均如附图1所示，预热后的丝材沿着未熔覆的基材表面一侧直接送入熔池中，熔覆头向送丝方向的后方移动（即送丝方向与熔覆头移动方向相反），即沿熔池前侧进行送丝，如附图1所示，这样激光束在照射到熔池前先照射到熔池前侧的丝材表面，仅有透过丝材的部分激光和绕过丝材的部分激光用来加热母材，丝材被送至母材表面光斑位置后经过激光光束的照射将其熔化，并形成熔池。经实际评测有超过70%的激光能量被熔池前侧的丝材表面阻挡和吸收，约15%的激光能量透过丝材后对母材进行了加热形成熔池，另外大约15%的激光能量对已经形成的熔池继续加热，形成熔覆过程。现有的这种熔覆过程因为大部分激光用来加热到达熔池前的丝材，且丝材对激光同时存在一定的遮蔽作用，使得激光能量大部分照射到进入熔池前的丝材表面，尽管这部分激光能量能够使提前预热过的丝材很容易达到熔化的状态，但会在丝材进入熔池前迅速散失，仅有不到30%的激光能量对丝材下方的母材进行加热，因此现有的这种送丝熔覆方式大大降低了入射到熔池上的激光能量，这会导致在熔覆速度较高的情况下，熔池极不稳定，或很难形成连续的熔覆层，熔化的丝材以液滴形式覆于工件表面，形成不连续的熔覆层，进而整体造成了激光熔覆效率和熔覆速度的降低。
技术实现思路
本专利技术提出一种全新的高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法，从丝材激光熔覆的基本原理出发进行创新，改变了现有丝材激光熔覆的方式和方法，对丝材、激光束、熔池的相对位置进行了创新布置，使得激光的利用率、热丝的利用率和对熔池热量的利用率发挥到最大，从而实现丝材激光熔覆熔覆速度成倍的提升，真正实现了高速丝材激光熔覆。并且本专利技术下熔覆层金属的稀释率比现有熔覆工艺下降了50%以上，且经过试验验证，熔覆层表面质量更加平整，熔覆层内部组织致密无缺陷，大大提升了丝材激光熔覆的效率和质量。本专利技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种高速丝材激光熔覆装置，包括：熔覆床身1、激光头4、丝材加热电源6、送丝咀8和送丝盘10，待熔覆的工件2装夹于所述熔覆床身1上，所述丝材加热电源6分别与熔覆床身1和送丝咀8通过导线电性连接，所述工件2与熔覆床身1电性接触，所述送丝盘10提供丝材输出，且所提供的丝材穿过送丝咀8后伸出至工件2的表面，所述丝材加热电源6对送丝咀8和工件2之间的丝材进行预加热形成预热丝材段，所述预热丝材段的前端与工件表面接触，所述激光头4提供的激光束5聚焦于预热丝材段与工件表面接触点位置附近，并在预热丝材段与工件表面接触点的前侧形成熔池，通过熔池在工件表面移动形成激光熔覆层，且所述预热丝材段位于激光束的输出光路和工件表面形成的激光熔覆层之间。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，且预热丝材段与激光束之间的夹角为锐角。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述工件为平板状工件，形成于工件表面的激光熔覆层为平面层，所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，其中夹角顶点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，夹角一边为预热丝材段，夹角另一边为激光熔覆层。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述工件为圆柱状工件，形成于工件表面的激光熔覆层为圆弧层，所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，其中夹角顶点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，夹角一边为预热丝材段，夹角另一边为激光熔覆层的切线，且切点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，切线向着激光熔覆层一侧延伸。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述夹角处于15°至70°，优选的处于30°至60°之间。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中预热丝材段的送丝方向与激光熔覆方向相同，其中预热丝材段的送丝方向为预热送丝段沿工件表面的丝材输送方向，激光熔覆方向为熔池在工件表面的移动方向。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述激光头输出激光束的激光能量同时作用于所述熔池和位于熔池前侧的工件的母材上，所述预热丝材段不会对激光束造成阻挡。进一步的根据本专利技术所述的高速丝材激光熔覆装置，其中所述激光头4输出激光束中超过70%的激光能量作用于所述熔池上，大约20%的激光能量作用于熔池前侧的工件母材上，预热丝材段经电阻加热后直接被送至熔池与激光束聚焦光斑交界处，并通过熔池热传导将丝材熔化，预热丝材段的送丝速度为50-200mm/s，激光熔覆线速度为50-200mm/s。一种高速丝材激光熔覆方法，包括以下步骤：步骤一、将激光头设置于待熔覆的工件表面上方，激光头投射的激光束在工件表面形成聚焦光斑；步骤二、将丝材通过丝材加热电源进行预加热后形成预热丝材段并输送至工件表面，调节激光束的聚焦光斑位于预热丝材段与工件表面接触点位置附近，并在预热丝材段与工件表面接触点的前侧形成熔池；步骤三、在工件表面形成熔池后将激光头相对于工件表面进行适当抬高，将预热丝材段的送入位置调节至激光束与熔池的界面处，使得预热丝材段前端直接送入形成的熔池表面而不接触工件母材，激光头输出激光能量本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，包括：熔覆床身（1）、激光头（4）、丝材加热电源（6）、送丝咀（8）和送丝盘（10），待熔覆的工件（2）装夹于所述熔覆床身（1）上，所述丝材加热电源（6）分别与熔覆床身（1）和送丝咀（8）通过导线电性连接，所述工件（2）与熔覆床身（1）电性接触，所述送丝盘（10）提供丝材输出，且所提供的丝材穿过送丝咀（8）后伸出至工件（2）的表面，所述丝材加热电源（6）对送丝咀（8）和工件（2）之间的丝材进行预加热形成预热丝材段，所述预热丝材段的前端与工件表面接触，所述激光头（4）提供的激光束（5）聚焦于预热丝材段与工件表面接触点位置附近，并在预热丝材段与工件表面接触点的前侧形成熔池，通过熔池在工件表面移动形成激光熔覆层，且所述预热丝材段位于激光束的输出光路和工件表面形成的激光熔覆层之间。/n
【技术特征摘要】
1.一种高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，包括：熔覆床身（1）、激光头（4）、丝材加热电源（6）、送丝咀（8）和送丝盘（10），待熔覆的工件（2）装夹于所述熔覆床身（1）上，所述丝材加热电源（6）分别与熔覆床身（1）和送丝咀（8）通过导线电性连接，所述工件（2）与熔覆床身（1）电性接触，所述送丝盘（10）提供丝材输出，且所提供的丝材穿过送丝咀（8）后伸出至工件（2）的表面，所述丝材加热电源（6）对送丝咀（8）和工件（2）之间的丝材进行预加热形成预热丝材段，所述预热丝材段的前端与工件表面接触，所述激光头（4）提供的激光束（5）聚焦于预热丝材段与工件表面接触点位置附近，并在预热丝材段与工件表面接触点的前侧形成熔池，通过熔池在工件表面移动形成激光熔覆层，且所述预热丝材段位于激光束的输出光路和工件表面形成的激光熔覆层之间。
2.根据权利要求1所述的高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，其中所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，且预热丝材段与激光束之间的夹角为锐角。
3.根据权利要求1-2任一项所述的高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，所述工件为平板状工件，形成于工件表面的激光熔覆层为平面层，所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，其中夹角顶点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，夹角一边为预热丝材段，夹角另一边为激光熔覆层。
4.根据权利要求1-2任一项所述的高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，所述工件为圆柱状工件，形成于工件表面的激光熔覆层为圆弧层，所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角为锐角，其中夹角顶点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，夹角一边为预热丝材段，夹角另一边为激光熔覆层的切线，且切点为预热丝材段与激光熔覆层的接触点，切线向着激光熔覆层一侧延伸。
5.根据权利要求2-4任一项所述的高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，所述夹角处于15°至70°，优选的处于30°至60°之间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高速丝材激光熔覆装置，其特征在于，预热丝材段的送丝方向与激光熔覆方向相同，其中预热丝材段的送丝方向为预热送丝段沿工件表面的丝材输送方向，激光熔覆方向为熔池在工件表面的移动方向。
7.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹鹏，苏成明，李建勋，
申请(专利权)人：陕西天元智能再制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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