磁控激光熔覆成形设备与方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种磁控激光熔覆成形设备与方法。

背景技术：

金属材料的熔覆成形技术往往是采用金属材料熔化沉积而实现，相比于传统的等离子、电弧等熔覆技术，激光熔覆技术由于具有加热冷却速率快、热影响区小、热变形小等一系列优点，广泛应用于材料表面改性、修复强化等技术领域，同时也是激光三维制造和激光增材制造的基础。

熔覆成形层的性能将直接影响到材料表面性能和成形零件的整体性能，然而仅仅依靠单一载能束很难得到没有缺陷或者缺陷较少的熔覆成形层，例如激光熔覆技术冷却速度过快则会导致裂纹、气孔以及成分偏析等缺陷，这些缺陷仅仅通过调节工艺参数很难得到有效的控制。

针对上述激光熔覆过程中存在的各类问题，国内外学者研究了外加磁场对激光熔池的影响，用以消除熔覆层的缺陷，提高熔覆层综合性能。外加磁场的形式主要包括静态磁场、交变磁场以及旋转磁场。

静态磁场（如中国专利文献CN103741138A）只能在特定方向上起到作用，从而存在较大的局限性。交变磁场（如中国专利文献CN102703898A）对激光熔池的作用范围有限，无法实现磁场对熔池的搅拌作用。旋转磁场（如中国专利文献CN102703897A）能够在多个方向上起到作用，适用范围较广。

但是现有文献公开的旋转磁场存在磁场强度分布不均匀、磁场参数难以有效调节、稳定性较差、散热难等问题，从而导致成形效率低，无法应用于零件的直接快速堆积成形或者增材制造成形。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的旋转磁场存在的问题，提供一种磁场强度分布均匀、能够有效调节工艺参数、稳定性较好的磁控激光熔覆成形设备与方法。

实现本发明上述目的的技术方案是：一种磁控激光熔覆成形设备，包括激光熔覆装置、旋转磁场发生装置以及工作平台；所述激光熔覆装置包括激光器、送粉装置、惰性气体保护装置、机器人以及用于控制所述机器人运动的第一控制柜；所述旋转磁场发生装置包括环形壳体、安装在所述环形壳体内的呈一体件的三对高导磁率半封闭C形铁磁回路、围绕在所述三对高导磁率半封闭C形铁磁回路上的励磁线圈以及用于控制所述励磁线圈中的电流和频率的第二控制柜；所述工作平台包括横向平台、设置在所述横向平台上方的纵向旋转平台、设置在所述纵向旋转平台上方的零件熔覆成形平台、用于支撑所述环形壳体的空心支架以及用于控制所述零件熔覆成形平台的三维及旋转运动的第三控制柜；所述三对高导磁率半封闭C形铁磁回路中间设有适于所述纵向旋转平台穿过的通路，所述零件熔覆成形平台通过该通路置于所述环形壳体内。

所述激光器为同轴送粉的Nd∶YAG固体激光器；所述惰性气体保护装置中的惰性气体为氩气；所述机器人为六自由度机器人。

所述环形壳体为铝合金环形壳体；所述第二控制柜为低频交变电源控制柜。

为了解决现有技术中的旋转磁场散热难的问题，上述磁控激光熔覆成形设备进一步包括冷却系统；所述冷却系统包括冷却水源、冷却水管路以及用于监测和控制冷却水的流量和温度的第四控制柜；所述冷却水管路包括设置在所述冷却水源与所述环形壳体之间的第一管路以及设置在所述冷却水源与所述横向平台之间的第二管路；所述环形壳体和所述横向平台上均设有进水口和出水口；所述环形壳体、横向平台、纵向旋转平台以及零件熔覆成形平台均为设于冷却水流动的空心结构。

采用上述设置进行磁控激光熔覆成形的方法，具体如下：将待熔覆的基体固定在零件熔覆成形平台上，启动激光器进行激光熔覆成形，同时向三组励磁线圈中通入三相交流电以形成磁场；激光熔覆成形过程中，通过第一控制柜控制机器人带动激光器按照设定的熔覆成形路径在基体上进行激光熔覆成形；同时，通过第二控制柜控制励磁线圈中的电流以及频率以控制旋转磁场的强度及转速，在熔池水平面上产生均匀旋转磁场，使熔池持续受到磁场力的搅拌作用；同时，通过第三控制柜控制零件熔覆成形平台的三维及旋转运动。

进一步地，在激光熔覆成形过程中，将冷却水源中的冷却水通过冷却水管路通入环形壳体以及横向平台、纵向旋转平台、零件熔覆成形平台中，并由第四控制柜监测和控制冷却水的流量和温度。

本发明具有的积极效果：（1）本发明的磁控激光熔覆成形设备与方法通过设置能够进行三维及旋转运动的工作平台以及采用特殊结构的旋转磁场发生装置，从而能够确保在水平方向上产生更加均匀稳定的旋转磁场，同时通过控制励磁线圈的电流和频率能够实时控制磁场强度及转速，实现与激光工艺参数的最佳匹配，可以调控零件进行逐层堆积过程中熔池金属流动，打破枝晶、增加形核质点、细化晶粒并减小温度梯度，从而能够细化熔覆层内部组织，改善甚至消除熔覆层中裂纹、偏析、气孔等缺陷，明显提高熔覆层质量，从而使每层熔覆组织具有最佳性能。（2）本发明的磁控激光熔覆成形设备与方法利用冷却系统对熔覆过程中的零件进行散热，避免了已堆积层因过热而造成的塌陷、变形等问题，从而保证了逐层堆积的顺利进行；而且通过对磁场的冷却，可保证电磁设备能够长时间运行，因此能够大大提高零件的熔覆成形效率。

附图说明

图1为本发明的磁控激光熔覆成形设备示意图。

图2为图1中的旋转磁场发生装置的俯视图。

图3为图1中的旋转磁场发生装置的垂直截面示意图。

图4为一个周期旋转磁场对熔覆成形零件的作用示意图。

具体实施方式

（实施例1）

参见图1～图2，本实施例的磁控激光熔覆成形设备包括激光熔覆装置1、旋转磁场发生装置2、工作平台3以及冷却系统4。

激光熔覆部件1包括同轴送粉的Nd∶YAG固体激光器11、送粉装置12、氩气保护装置13、六自由度机器人14以及用于控制所述六自由度机器人14运动的第一控制柜10。

旋转磁场发生装置2包括空心环形铝合金壳体21、安装在空心环形铝合金壳体21内的呈一体件的三对高导磁率半封闭C形铁磁回路22、围绕在三对高导磁率半封闭C形铁磁回路22上的励磁线圈23以及用于控制励磁线圈23中的电流和频率的第二控制柜20。励磁线圈23由直径为2.5mm的漆包线绕制而成，励磁线圈23层与层之间用硅胶带隔开。第二控制柜20为低频交变电源控制柜，低频交变电源输出电流范围：0～100A，输出频率范围：5～50Hz。

工作平台3包括横向平台31、设置在横向平台31上方的纵向旋转平台32、设置在纵向旋转平台32上方的零件熔覆成形平台33、用于支撑空心环形铝合金壳体21的空心支架34以及用于控制零件熔覆成形平台33的三维及旋转运动的第三控制柜30。

三对高导磁率半封闭C形铁磁回路22中间设有适于纵向旋转平台32穿过的通路，零件熔覆成形平台33通过该通路置于空心环形铝合金壳体21内。

冷却系统4包括冷却水源41、冷却水管路42以及用于监测和控制冷却水的流量和温度的第四控制柜40。

冷却水管路42包括设置在冷却水源41与空心环形铝合金壳体21之间的第一管路以及设置在冷却水源41与横向平台31之间的第二管路，并由第四控制柜40监测和控制冷却水的流量和温度。

空心环形铝合金壳体21和横向平台31上均设有进水口和出水口，横向平台31、纵向旋转平台32以及零件熔覆成形平台33均为设于冷却水流动的空心结构。

（实施例2）

本实施例为采用实施例1的磁控激光熔覆成形设备对某型飞机钛合金支座进行磁控激光熔覆成形的方法，具有以下步骤：

①首先对该钛合金支座5进行CAD建模，结合激光熔覆堆积工艺进行合理分层，得到每个分层的三维数字模型，然后在主控计算机通过编程优化设计熔覆成形路径。

②将待熔覆的钛合金支座5固定在零件熔覆成形平台33上，从而使该钛合金支座5置于空心环形铝合金壳体21内。

③将同轴送粉的Nd∶YAG固体激光器11垂直于该钛合金支座5上表面，启动激光器11将粉体经送粉装置12喷涂到该钛合金支座5上，同时向三组励磁线圈23中通入三相交流电以形成磁场。

激光熔覆成形过程中，通过第一控制柜10控制六自由度机器人14带动激光器11按照步骤①设计的熔覆成形路径在该钛合金支座5表面往复运动进行多道多层熔覆成形，熔覆过程中使用侧吹氩气对熔池进行保护。激光熔覆具体工艺参数为：激光功率为2000W，扫描速度为5.5mm/s，光斑直径为3mm，送粉速率为7g/min。

激光熔覆成形过程中，同时通过第二控制柜42控制励磁线圈23中的电流以及频率以控制旋转磁场的强度及转速，从而在熔池水平面上产生均匀旋转磁场，使熔池持续受到磁场力的搅拌作用。

见图3和图4，当某一组励磁线圈中通入电流时则C形铁磁回路线圈内部的磁力线通过磁回路到另一励磁线圈的一个磁极（两个磁极的磁性相反）；线圈外部的磁力线通过两磁极间空气回到另一磁极，从而在二个磁极空间区域内形成一个磁力线为水平方向分布、磁场强度均匀的横向磁场。由于磁场结构的对称性，因此在两磁极之间空间区域内产生的磁场是以几何中心为对称的。

激光熔覆成形过程中，同时通过第三控制柜30控制零件熔覆成形平台33的三维及旋转运动，进一步保证旋转磁场的强度分布均匀。

激光熔覆成形过程中，同时将冷却水源41中的冷却水通过冷却水管路42分别通入空心环形铝合金壳体21和横向平台31、纵向旋转平台32、零件熔覆成形平台33中，分别对励磁线圈23冷却以防止其过热以及对钛合金基座5进行冷却以防止已堆积层因热量累积造成过热塌陷，减小零件热变形和残余应力，最终提高成形效率和质量，冷却水的流量和温度由第四控制柜40监测和控制。