[发明专利]自动送粉激光感应复合熔覆方法及装置

说明书

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：(1)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，P.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 forsurface 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℃，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-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；