一种电-磁复合场协同激光熔覆装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、待熔覆基体和磁场发生装置，待熔覆基体两端安装有工件夹持器，两个工件夹持器分别通过导线与低压大电流电源连接。本方案在进行激光熔覆过程中，将外加电场和外加磁场同时耦合在工件中，使熔池区域的导电流体受到电-磁复合场的协同作用，产生可控洛仑兹力，以调控激光熔覆过程中的传热传质行为，可实现熔池对流的趋向性控制，达到调控凝固组织、优化工件力学性能，调整溶质元素或外加硬质相分布、改善熔覆层表面形貌等目的。实现了电-磁复合场对激光所致熔池的协同控制，具有调控能力强、调控类型灵活、适用范围广等特点。
【专利说明】一种电-磁复合场协同激光溶覆装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于激光制造【技术领域】，具体涉及一种电-磁复合场协同激光熔覆的 装直。
【背景技术】
[0002] 激光熔覆技术是指以采用不同的溶质元素或硬质相的添加方法，在基体表面添加 熔覆材料，经过激光辐照后，使熔覆材料和基体表面同时熔化产生熔池，经过快速凝固形成 低稀释率且与基体呈冶金结合的表面覆层。激光熔覆技术同时也是激光组合増材制造和激 光3D打印技术的基础。激光熔覆具有的主要特点是：热输入和工件变形较小；熔覆层与基 体呈冶金结合；熔覆材料消耗少，具有较好的性价比；熔覆过程容易实现自动化等优点。但 激光熔覆同时也存在一些共性问题：
[0003] (1)激光工艺参数的调节只能改变熔覆层熔池的外部传热边界，无法控制熔池内 部流体的运动方向，因此通过单纯调节激光工艺参数难以控制凝固层组织和性能的趋向 性；
[0004] (2)在激光熔覆的快速凝固条件下，熔覆层极易形成形态、大小和方向各异的不 均匀凝固组织，且熔覆层内的气孔和夹杂等微观缺陷往往难以及时排出而残留在熔覆组织 中，严重影响了熔覆层的质量；
[0005] (3)在激光高能束的辐照作用下，熔覆层熔池发生强烈地搅动，造成溶质元素或硬 质相无序分布，在单层激光熔覆过程中难以实现其分层或梯度控制。
[0006] 针对上述问题，国内外学者尝试着利用外加磁场来对激光焊接和熔覆过程进行了 调控。M.Bachmann等学者研究了利用永磁铁提供的稳态磁场和用电磁铁提供的交变磁场对 铝合金深熔焊过程的影响。研究结果表明稳态磁场可抑制熔池的对流，进而改善焊缝的截 面和表面形貌，抑制焊接过程中的飞溅现象，而交变磁场影响了焊缝熔池上下表面的压强 分布，可优化焊缝质量。国内刘洪喜等人采用附加旋转磁场的方法得到了晶粒较细化的熔 覆层，并研究了旋转磁场条件下熔覆层柱状树枝晶向等轴晶转化的机理。
[0007] 在单纯稳态磁场作用下，由于洛伦兹力方向始终与熔池流动方向相反，因此单纯 稳态磁场只能对熔池流动起抑制作用，对熔池运动的方向性无明显作用。旋转磁场在熔池 中所形成的交变洛伦兹力无法在熔池内部形成单向的体积力，无法对熔池流动产生趋向性 影响，只能起到均匀化组织的作用。因此，现有的单纯磁场对激光熔覆过程的调控形式单一 且调控能力有限，本实用新型的提出将有效解决上述问题。
【发明内容】
[0008] 为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种电-磁复合场协同激光 熔覆装置，通过改变外加磁场和电场的强度、方向和频率，对所形成的洛伦兹力进行有效控 制，以实现对熔覆层熔池传热传质行为的有效控制，达到调控凝固组织、优化工件力学性 能，调整溶质元素或外加硬质相分布、改善熔覆层表面形貌等目的。
[0009] 为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：
[0010] 一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、待熔 覆基体和磁场发生装置，所述待熔覆基体两端安装有工件夹持器，两个工件夹持器分别通 过导线与低压大电流电源连接。
[0011] 作为优选，所述磁场发生装置为永磁铁，永磁铁布置在待熔覆基体两侧或底部。
[0012] 作为优选，所述磁场发生装置为励磁装置，励磁装置与激光传输通道同轴装配，送 粉头与激光传输通道同轴组合。
[0013] 本实用新型由于采用了以上的技术方案，具有下述优点：
[0014] (1)克服了单一磁场作用下，无法控制熔池对流趋向性的缺陷，通过调节电-磁复 合场的不同协同方式，配合合适的激光工艺参数，可实现熔覆层组织、溶质元素、硬质相和 性能的选区定制强化；
[0015] (2)由于外加电场的引入，大大提高了单纯磁场对激光所致熔池的作用力和作用 效率；
[0016] (3)附加电场所需的大电流的获取和控制相对强磁场来说要容易且廉价得多，而 且电-磁复合场的协同可实现洛伦兹力的方向、大小、和频率的灵活调控。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是实施例1的装置结构示意图；
[0018] 图2是实施例2的装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做一个详细的说明。
[0020] 实施例1 :
[0021] 如图1所示的一种利用励磁装置提供垂直方向稳态磁场的电-磁复合场协同激光 熔覆的装置，包括激光器1、激光传输通道2、送粉头3、励磁装置、工件夹持器5、导线7、低压 大电流电8,其中激光器1与激光传输通道2可通过柔性光纤或飞行光路连接，送粉头3、激 光传输通道2和励磁装置同轴配合，工件夹持器6根据要求布置在工件（待熔覆基体）5两 侦牝工件夹持器6通过导线7与低压大电流电源8连接。
[0022] 实施例2 :
[0023] 如图2的利用永磁铁提供水平方向稳态磁场的电-磁复合场协同激光熔覆的装 置，包括激光器1、激光传输通道2、送粉头3、永磁铁9、工件夹持器6、导线7、低压大电流电 源8,其中激光器1与激光传输通道2可通过柔性光纤或飞行光路连接，送粉头3和激光传 输通道2同轴配合，永磁铁9布置在工件（待熔覆基体）5两侧，工件夹持器6布置在工件 5两端，工件夹持器6通过导线7与低压大电流电源8连接。
[0024] 需要强调的是：以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任 何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等 同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
【权利要求】
1. 一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器（1)、激光传输通道（2)、送粉头 (3)、待熔覆基体（5)和磁场发生装置，其特征在于，所述待熔覆基体（5)两端安装有工件夹 持器（6)，两个工件夹持器（6)分别通过导线（7)与低压大电流电源（8)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种电_磁复合场协同激光熔覆装置，其特征在于，所述磁场 发生装置为永磁铁（9)，永磁铁（9)布置在待熔覆基体（5)两侧或底部。
3. 根据权利要求1所述的一种电_磁复合场协同激光熔覆装置，其特征在于，所述磁场 发生装置为励磁装置，励磁装置与激光传输通道（2)同轴装配，送粉头（3)与激光传输通道 (2)同轴组合。
【文档编号】C23C24/10GK204022940SQ201420450911
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】姚建华, 王梁, 胡勇 申请人:浙江工业大学