一种防止激光熔覆时基材变形的装置的制作方法

本实用新型涉及激光熔覆技术领域，更具体地，涉及一种防止激光熔覆时基材变形的装置。

背景技术：

激光熔覆技术已成功应用于黑色金属、有色金属等,使材料表面获得了高硬度、低导热性,解决了材料耐磨损性、耐腐蚀性、抗氧化和耐高温性的问题。但是,在激光熔覆中仍然会出现某些类似于焊接过程中的冶金缺陷问题,如气孔、变形、成分偏析、裂纹等。

激光熔覆层变形的根本原因在于熔覆层中存在拉应力。由于激光熔覆层和基材之间产生很大的温度梯度,在随后的快速冷却过程,基材和熔覆材料热膨胀系数的差异,在熔覆层中形成残余应力如果熔覆材料在冷却过程中发生组织变化,还将产生组织应力。在这些应力的共同作用下,可能导致激光熔覆层特别是工件的整体变形。一般来说,熔覆层越厚,熔化所需要的激光能量越多,引起的基材热变形相应增大。激光熔覆前预热和激光熔覆后后热可有效地减少激光熔覆层的热应力,因而可以减小金属零部件的变形。激光熔覆时,激光能量通过辐射和热传导传递给基体,在基材的厚度方向形成温度梯度,由于上下表面的温度不同,在熔覆层横截面形成的热应力分布不均匀,如图1所示。

图1中a是激光熔覆后熔覆层截面的示意图图，图中b是激光熔覆过程中熔池中心截面温度场的分布图,Tm是上表面的温度,因上表面熔覆过程中被熔化,可以认为上表面的温度等于材料的熔点。Tn是下表面的温度,它与材料的物理性能和激光熔覆工艺参数有关。T0是环境温度。图中c是冷却过程中冷却收缩产生的拉应力F,其大小可用式1-1表达：

Fm＝E*α*(Tm-T0)

Fn＝E*α*(Tn-T0)(1-1)

式中为E基材的弹性模量,α为基材的热膨胀系数。综合所有应力作用的结果,我们可以假想在距基材截面中心轴距离为Z的位置形成大小为P的应力作用于基体,如图中d所示。Z的大小与基材熔化情况、激光熔覆工艺参数和材料的物理性能等因素有关。由于在基材截面中心轴的位置形成了大小为P的应力存在,因而产生弯矩M,如图中e所示,弯矩的大小与应力P的大小和距基材截面中心轴距离为Z有关。在弯矩M的作用下,基材产生了弯曲变形。

为了解决这一难题，目前通常采取了以下四种方法：

第一，从激光功率、光斑直径、扫描速度、搭接率、扫描策略等方面优化工艺参数，改变制件内部的应力分布从而减小残余应力，但是不能兼顾制件的力学性能；

第二，在成形基材上增加预热模块，在激光扫描基材之前在基材底部加热，降低成形件与基材制件的温度梯度，从而减小因温度梯度过大而产生的残余应力，但是对基材进行预热会增加设备的复杂性和控制的难度；

第三，将成形件进行热等静压、去应力退火等后处理，消除成形件内部残余应力，虽然可以在一定程度上减小残余应力，但是制件加工完成后依然会变形开裂，不能起到预防作用；

第四，熔覆过程中掺入MgO、CeO2、Y2O3等氧化物以减少残余应力，但是氧化物掺入使得工艺复杂、生产效率低、加工成本大。

综上所述，现有技术中没有一种简单且成本低廉的方法，能够有效减少残余应力，避免金属熔融层开裂的方法和装置。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，对激光熔覆基材收缩时对其两端进行力学抑制，防止其按图1e式的变形，提供一种防止激光熔覆时基材变形的装置。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

提供一种防止激光熔覆时基材变形的装置，包括工件台架，所述工件台架两侧分别设有第一夹持工件在垂直方向固定待熔覆基材的两端，所述工件台架另外两侧分别设有第二夹持工件在水平方向固定待熔覆基材，所述第一夹持工件为U型工件，所述U型工件端口处通过螺钉连接有接触片用于将待熔覆基材固定在工件台架上，所述第二夹持工件包括固定架、螺栓和夹板，所述固定架固定在工件台架上，所述螺栓穿过固定架并与夹板连接；通过夹板将待熔覆基材在水平方向固定；

所述工件台架下方设有加热保温装置用于待熔覆基材底部预热，所述加热保温装置包括加热箱和温度控制器，所述温度控制器与加热箱连接，所述加热箱包括加热电阻丝和温度测控探头。

进一步地，所述U型工件材料为合金钢或碳钢，防止收缩变形。

进一步地，所述接触片外表面设有防滑纹，增大接触面摩擦力。

进一步地，所述接触片材料为碳钢，防止收缩变形。

进一步地，所述固定架通过螺钉可拆卸连接在工件台架上，可以根据需要灵活拆卸来增加或减少第二夹持工件。

进一步地，所述夹板材料为合金钢或碳钢，防止收缩变形。

进一步地，所述夹板外表面设有防滑纹，增大接触面摩擦力。

进一步地，所述加热箱内表面还设有保温层。

进一步地，所述加热电阻丝固定在加热箱内底部或/和侧面。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型主要是解决激光熔覆时基材的变形问题，对激光熔覆基材收缩时对其两端进行力学抑制，提高激光熔覆效率，减少熔覆成本，本实施例从力学方面抑制基材的变形，相比于其他控制激光熔覆变形的方法，其具有结构简单、携带方便、易学易用、减少成本等优点。

本实用新型对待熔覆基材进行整体预热、加热均匀，解决了激光熔覆过程中热源的局部集中性问题和运动性问题，达到预热防变形的目的，避免了熔覆层裂纹的产生。

本实用新型已经进行成功试验，试验内容为45号钢刀片的激光熔覆，其尺寸为28.7cm*5.8cm，按正常熔覆技术，由于其尺寸巨大，残余应力大，很容易产生变形，采用本申请防止激光熔覆时基材变形的装置进行熔覆，很好的抑制了熔覆过程中的变形。

附图说明

图1激光熔覆层截面温度和热应力分布示意图。

图2第一夹持工件结构示意图。

图3防止激光熔覆时基材变形的装置结构示意图。

图4防止激光熔覆时基材变形的装置俯视图。

其中，1-第一夹持工件，2-上接触片，3-下接触片，4-螺钉，5-工件台架，6-螺钉，7-加热电阻丝，8-温度测控探头，9-固定架，10-螺栓，11-加热箱，12-温度控制器，13-夹板，14-保温层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图2～4所示，本实施例提供一种防止激光熔覆时基材变形的装置，包括工件台架5，工件台架5两侧分别设有第一夹持工件1在垂直方向固定待熔覆基材的两端，工件台架5另外两侧分别设有第二夹持工件在水平方向固定待熔覆基材，如图2所示，第一夹持工件1为U型工件，所述U型工件端口处通过螺钉连接有接触片用于将待熔覆基材固定在工件台架5上，所述第二夹持工件包括固定架9、螺栓10和夹板13，固定架9固定在工件台架5上，螺栓10穿过固定架9并与夹板13连接；通过夹板13将待熔覆基材在水平方向固定；

如图2所示，本实施例中U型工件材料为合金钢或碳钢，所述接触片包括上接触片2和下接触片3，上接触片2直接与U型工件端口连接，下接触片3通过螺钉4与U型工件端口连接，其中上、下接触片至少一个通过螺钉与U型工件端口连接即可通过螺钉收缩将待熔覆基材的两端固定在工件台架5上，上接触片2和下接触片3的材料均为碳钢，防止收缩变形，并且在与待熔覆基材接触的外表面设有防滑纹，增大摩擦力。

如图3所示，工件台架5下方设有加热保温装置用于待熔覆基材底部预热，所述加热保温装置包括加热箱11和温度控制器8，温度控制器8与加热箱11通过电线连接，加热箱11包括加热电阻丝7和温度测控探头8，加热箱11内表面还设有保温层14，加热电阻丝7固定在加热箱11内底部或/和侧面，

本实施例中温度控制器12内部有温度测控仪和电频转换核心组件，具有自动控温功能，能够实现预热温度的设定和加热箱11内部多点实时温度的测量，并由其自带的显示器显示，通常加热箱温度是保持在300～400℃。

如图4所示，本实施例中第二夹持工件在工件台架5两侧一一对应或错开对应，通过相对的夹板13来实现待熔覆基材水平方向上的固定，固定架9通过螺钉6可拆卸连接在工件台架5上，可以根据需要灵活拆卸来增加或减少第二夹持工件，夹板13材料为合金钢或碳钢防止收缩变形，并且在与待熔覆基材接触的外表面设有防滑纹，增大摩擦力。

本实施例工作原理如下：

首先将待熔覆基材放置在工件台架上，然后通过第二夹持工件将待熔覆基材水平方向固定在工件台架上，再通过第一夹持工件将待熔覆基材两端垂直方向固定在工件台架上，其中上接触片固定在待熔覆基材两端接触，下接触片固定在工件台架下表面或者加热箱箱体下端。

本实施例已经进行成功试验，试验内容为45号钢刀片的激光熔覆，其尺寸为28.7cm*5.8cm，按正常熔覆技术，由于其尺寸巨大，残余应力大，很容易产生变形，采用本申请防止激光熔覆时基材变形的装置进行熔覆，很好的抑制了熔覆过程中的变形。

本实施例主要是解决激光熔覆时基材的变形问题，提高激光熔覆效率，减少熔覆成本，本实施例从力学方面抑制基材的变形，相比于其他控制激光熔覆变形的方法，其具有结构简单、携带方便、易学易用、减少成本等优点。

本实施例对待熔覆基材进行整体预热、加热均匀，解决了激光熔覆过程中热源的局部集中性问题和运动性问题，达到预热防变形的目的，避免了熔覆层裂纹的产生。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。