一种高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，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。

背景技术：

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的发明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的发明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发明专利申请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。

技术实现要素：

本发明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。并且本发明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。

本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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。

进一步的根据本发明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同时作用于熔池和位于熔池前侧的工件的母材上，预热丝材段不会对激光束造成阻挡；

步骤四、通过熔池在工件表面移动形成激光熔覆层，且控制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，并使得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。

进一步的根据本发明所述的高速丝材激光熔覆方法，其中步骤一中，激光头投射的激光束与工件表面成90°±20°；步骤二中，激光束的聚焦光斑的边缘距离预热丝材段与工件表面接触点0-10mm；步骤三中，激光头相对于工件表面抬高1-5mm，激光头输出激光能量的70%作用于所述熔池上，输出激光能量的20%作用于熔池前侧的工件母材上，预热丝材段的送丝速度为50-200mm/s；步骤四中，所述预热丝材段与激光熔覆层之间形成15°至70°的夹角，所形成的激光熔覆层的成分稀释率降低至5%以内。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下创新技术效果：

本发明所述的高速丝材激光熔覆装置和熔覆方法，创新的设置送丝方向与熔覆方向，使得中间熔覆过程激光不能直接作用在丝材上，只有在熔覆初始阶段激光会作用于已经加热的丝材上，将丝材熔化后熔覆于基材表面，并沿丝材送丝方向相同方向进行熔覆，沿熔覆方向，丝材始终处于熔池的后方，这样在形成熔池后激光能量的约70%主要作用于熔池上，并有大约20%的能量作用于熔池前方的母材上，用来加热母材，丝材通过电阻加热后被送至熔池与光斑交界处，通过熔池的热传导和极少量的激光能量（约5-10%）将丝材进一步加热至熔化，通过熔覆头的运动或工件的相对移动形成熔池。通过本发明的创新设计和布局，使得激光主要用于对已经形成的熔池和母材进行加热，提高了熔池温度和加热效率，丝材利用电阻加热后直接送入到熔池中，利用熔池的热量和极少量的激光能量将加热的丝材进一步熔化，并形成新的熔池。本发明中激光的作用主要是用来加热熔池和母材，由于激光对母材的提前加热使得新形成的熔池可以快速的与母材发生冶金反应，形成具有冶金结合特征的熔覆层，并且激光能量主要作用于熔池，保证了熔池完全的冶金反应。本发明中丝材进入熔池的位置布置减少了丝材与母材的直接接触，大大降低了丝材送丝过程对母材的搅拌作用，使得熔覆层的稀释率极低。激光能量、熔池热量、丝材热丝的合理利用可以使熔覆的速度和效率成倍的提高。通过本发明使得丝材激光熔覆后熔覆效率较原来成倍的进行了提高，并且熔覆质量更加稳定。

附图说明

附图1为现有技术中的丝材激光熔覆原理示意图；

附图2为本发明提出的高速丝材激光熔覆装置的整体结构示意图；

附图3为本发明提出的高速丝材激光熔覆方法的原理示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1-熔覆床身、2-工件、3-熔池、4-激光头、5-激光束、6-丝材加热电源、7-熔覆层、8-送丝咀、9-丝材、10-送丝盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明的目的在于提出一种新的丝材激光熔覆装置和熔覆方法，解决了以往丝材激光熔覆技术稀释率高、熔覆速度低的问题。本发明在丝材激光熔覆处理方法中：创新采用多种加热方式加热丝材进行熔覆，丝材在进入熔池时采用电阻加热进行了预加热，更为重要的是通过创新设置送丝方向和熔覆方向，使得利用熔池的热传导作用和极少量的激光能量将通过电阻预加热并插入熔池的丝材快速的熔化，同时也有效的避免了激光直接加热丝材时丝材对激光的遮蔽效应；创新的改变了普通丝材激光熔覆送丝方向和熔覆方向的相对位置，实现了对激光能量、熔池热量的有效利用和对母材的有效预热，在增强熔覆层结合性能的同时有效的避免了丝材对母材的搅拌作用，极大的降低了熔覆层的稀释率。本发明所述方法促进了激光熔覆技术在高速熔覆和极低稀释率要求方面的应用，具有广阔的推广应用前景。

具体的如附图2所示，本发明提出的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，所述熔覆床身1用来装夹工件2，并控制工件2的旋转运动，所述丝材加热电源6分别与熔覆床身1和送丝咀8通过导线进行电性连接，所述工件2与所述熔覆床身1直接接触（电性接触），所述送丝盘10提供丝材输出，所述丝材加热电源6、送丝咀8、送丝咀8与工件2之间的丝材9、工件2、熔覆床身1和丝材加热电源6形成回路，利用丝材电阻对送丝咀8与工件2之间的丝材进行了预加热，所述工件2包含了熔池3和熔覆层7，所述激光头4产生激光束5并通过光路传输后照射在熔池3与工件2的基材表面，缠绕于送丝盘10上的丝材穿过送丝咀8伸出至激光束5与熔池3的交界位置，所述工件2沿着与送丝方向相反的方向进行旋转，在送丝方向的前侧形成熔池3。

为进一步更加明确的说明本发明的技术工艺原理，采用附图3进行进一步的说明，本发明的高速丝材激光熔覆原理为：激光头4产生的激光束5投射位置位于熔池3和工件2的表面，所述丝材9穿过送丝咀8并经过预加热后送至激光束5与熔池3的结合处，熔覆头整体向送丝方向的前方移动，在送丝方向的后方形成熔覆层7。本发明的工艺创新在于：（1）送丝方向与熔覆方向相同，所述熔覆方向为熔覆层前进方向，也就是激光熔覆头相对于工件表面的移动方向，送丝方向为丝材自送丝盘的输出方向；如果激光头固定不动，则送丝方向与工件移动或旋转方向相反；（2）在送丝方向的前侧形成熔池，激光束的激光能量超过70%作用于熔池上，并有大约20%的激光能量作用于熔池前方的母材上，使得丝材通过电阻加热后被送至熔池与光斑交界处，通过熔池的热传导和极少量的激光能量将丝材进一步加热至熔化，而且熔池前方母材被20%的激光能量预热，使得丝材在向熔池前方熔覆移动能够快速形成新的熔池。熔池即为丝材在工件母材表面的熔化熔覆点；（3）本发明中控制激光束的光轴方向与工件表面呈90°±20°布置，预热丝材段位于工件表面激光熔覆层和激光束光路之间，该预热丝材段为处于送丝咀8和工件2表面之间的通过电阻加热方式被预加热的丝材段，且该预热丝材段与激光熔覆层之间形成为锐角（夹角顶点为丝材在熔覆层表面接触点、夹角两边为预热丝材段和激光熔覆层），若激光熔覆层为圆弧层，则预热丝材段与激光熔覆头自丝材接触点的沿激光熔覆层方向延伸的表面切线之间形成为锐角，进一步优选的预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角和预热丝材段与激光束光轴方向之间的夹角之和为90°±20°，优选的为90°即互补直角关系。进一步优选的所述预热丝材段与激光熔覆层之间的夹角处于15°至70°，更进一步优选的处于30°至60°。

本发明通过采用上述熔覆方法有效的将激光能量用来加热熔池和工件的母材部分，丝材经过电阻预热后直接进入熔池中，利用熔池的热量和极少部分的激光能量进一步将加热过的丝材熔化，激光对熔池的持续加热保证了熔池金属的持续冶金反应，并形成了平整的熔覆层表面。采用本发明的熔覆方式避免了如附图1所示的常规丝材激光熔覆方法中激光束直接加热丝材造成的丝材对丝材下方母材的遮蔽效应，减少了熔覆缺陷的产生，并且在丝材送入的过程中丝材直接送入熔池后熔化，丝材对熔池表面有一定的搅拌作用，极大的减少了丝材对熔化母材的搅拌作用，因此极大的降低了熔覆层的稀释率。

下面给出本发明所述的高速丝材激光熔覆方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将通过激光头投射的激光束5与丝材9和工件2表面呈一定角度布置，使丝材的送丝方向与激光熔覆头相对于工件表面的移动方向一致。

步骤二、开始熔覆时丝材9穿过送丝咀8，且穿过送丝咀并达到工件表面的丝材9通过热丝电源6进行预加热，作为预热丝材段，预加热后的丝材9通过激光束的照射将丝材加热至熔化状态，在工件表面形成熔池；

步骤三、在工件表面形成熔池后将熔覆头的位置整体抬高1-2mm，使得丝材9的送入位置为激光束5与熔池3的界面处，即丝材直接送入已经形成的熔池表面，避免了直接将丝材送入母材部位；

步骤四、丝材9不断的送入，当工件固定时，保持送丝方向与激光熔覆头相对于工件表面移动方向一致向前推进送丝，当激光熔覆头固定时，保持送丝方向与工件移动方向或旋转方向相反，在工件2表面形成熔覆层7。

进一步的根据本发明所述的高速丝材激光熔覆方法，其中步骤一中，激光束与工件表面呈90°±20°布置，预热丝材段9与工件表面形成的激光熔覆层（或激光束5）呈15°至70°布置；其中步骤二中，丝材在送丝咀中以电阻加热方式进行预加热，加热电压≤5v、加热电流处于50-400a；其中步骤三中，送丝速度为50-200mm/s；其中步骤四中，工件旋转时其旋转线速度为50-200mm/s，工件旋转方向与送丝方向相反。

本发明的激光熔覆方法在激光熔覆过程中控制熔覆工艺参数为：激光熔覆的送丝速度为50-200mm/s、熔覆线速度为50-200mm/s、激光输出功率为1000-4000w、激光光斑直径为2-5mm、保护气流量5-15l/min。

通过本发明的技术方案能够达到以下有益效果：

1）本发明为提高对激光能量的有效利用，改变了激光束、熔池位置、与送丝方向的位置，使得激光能量主要用来加热熔池和母材，利用电阻热和熔池的热量加热和熔化丝材，大大提高了激光能量利用率，并有效的利用了熔池的热量对焊丝进行熔化，促进了整个熔覆过程中对熔池、母材、和丝材的加热及熔化效率，从而可以有效的提高熔覆效率，本发明的熔覆效率较常规的丝材激光熔覆效率提升至少一倍以上，按熔覆面积计算可将熔覆效率由原来的20dm²/h，提升至40dm²/h以上

2）本发明为降低激光熔覆层表面的化学成分稀释率，改变了熔覆的方向，被加热后的丝材直接送入已经形成的熔池表面，避免了直接将丝材送入母材部位，减少了丝材对熔化母材的搅动，降低了母材化学元素向熔覆层的过渡，减小了熔覆层的稀释率，采用本发明后熔覆层的成分稀释率较原来的5%-15%之间可降低至5%以内；

本发明为降低激光熔覆对工件的热影响，改变了激光能量、熔池热量的作用范围和位置，从而减少了能量对工件的直接加热作用，能量主要用来加热熔池和丝材，从而降低了对母材的热输入，进而降低了熔覆过程中热应力所导致的工件的变形。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。