一种激光熔覆用半开放式气氛保护及水冷装置的制作方法

本发明涉及激光加工领域，尤其是涉及一种激光熔覆气氛保护水冷装置。

背景技术：

激光熔覆技术是指以铺粉或送粉的方式，在被熔覆基体表面上放置特定的金属材料粉末，用激光能量使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成与基体成冶金结合的涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

激光熔覆过程中一般会有轴向保护气，这种保护气体可以形成局部的气氛保护，但这种气氛保护并不充分，激光头移开以后，涂层的凝固过程完全暴露在空气中，很容易会发生氧化，影响涂层的表面性能。目前常用的气氛保护装置有尾吹式气氛保护、对吹式气氛保护、完全气氛保护，这些装置存在一定的不足：1)尾吹式气氛保护装置跟随激光头的移动，可以起到一定的保护作用，但当吹气口移开以后，涂层还是可能会发生氧化，且当激光头换移动方向时，需要重新拆装尾吹装置，不是很方便；2)对吹式气氛保护装置没有气氛保护箱，通过两端的多个出气口持续对工作台吹气，使工作台表面始终处于惰性气体保护状态，但持续吹气产生的气流会对送粉的气流发生变化，影响熔池形貌；3)完全气氛保护箱是效果最好的气氛保护装置，整个实验平台和激光头都处于惰性气体保护的环境中，完全排除空气对涂层的影响，但该设备保护箱空间较大，营造气氛保护所需的时间较长，还需要大量的惰性保护气，不适用于小型简单实验研究。

在薄板基体上进行激光熔覆时，受热输入量的影响，基板会发生一定程度的热变形，这种是对基体材料的一种破坏。制备涂层时，应尽量避免基体的变形，保证基体材料的原始形貌与性能。常见的激光熔覆水冷装置存在一些共性问题：1)冷却水流动效率低，冷却效果较差；2)只适用于特定尺寸的基板。

当激光熔覆过程中同时存在气氛保护和水冷的需求时，市场上还没有一款装置能同时满足这两项需求，需要设计一款产品解决气氛保护和水冷存在的不足，并且同时满足这两项需求。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种激光熔覆用半开放式气氛保护及水冷装置。

本发明通过在气氛保护箱1内配备水冷组件2和多个花洒式吹气组件3，在激光熔覆过程中起到显著的控形控性效果，有效控制涂层表面氧化与杂质污染，抑制基体变形，细化涂层内部晶粒，减少缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种激光熔覆用半开放式气氛保护及水冷装置，其特征在于：包括气氛保护箱1、水冷组件2和吹气组件3，所述的气氛保护箱1通过支撑脚13固定于实验台上；所述的水冷组件2固定于气氛保护箱1底部，水冷组件2包括水冷基座21、夹持部件23，水冷基座21内设有多个用于冷却基板的水流槽211，且在水冷基座21上围绕水流槽211设有橡胶垫圈22，夹持部件23将基板固定在水冷基座21上；吹气组件3位于水冷组件2上方，多个所述的吹气组件3呈扇形固定于气氛保护箱1两侧，实现全方位气氛保护，每个所述的吹气组件3设有多个微型出气孔321，所述的微型出气孔321保证出气均匀且温和，在气氛保护箱1中营造气氛保护环境；所述的气氛保护箱1的顶部敞开，呈半开放式。

将基板放置于水冷组件2上，用夹持部件23夹紧，并将冷却水管接入水冷组件2；惰性气体接入花洒式吹气组件3后，通过微型出气孔321均匀进入气氛保护箱1中，可以在短时间内营造出气氛保护的环境。当气氛保护箱1中充满惰性气体后，打开冷却水开关，即可以开始在基板上进行激光熔覆，此时可以根据实验需求调小或者关闭吹气组件3的气流，气氛保护箱1可以保证实验过程中的气氛保护效果，气氛保护和水冷的共同作用使得到的涂层性能更加优异。

本发明进一步设置为：所述的气氛保护箱1底部的支撑脚13上设有水冷组件固定孔12，水冷组件2的水冷基座21上的固定螺纹孔214，螺钉穿过水冷组件固定孔12和固定螺纹孔214，将水冷组件2固定在气氛保护箱1上。

惰性气体会由下而上溢出，能在底部创造一个良好的气氛保护区域，且半开放式的设计不影响激光器的使用，保证激光头可以移动到实验基板表面任意位置。

本发明进一步设置为：所述的夹持部件23包括夹板232，所述的夹板232穿设在螺栓233上，螺栓233固定在水冷基座21上，螺母231在夹板232上侧与螺栓233啮合。

本发明进一步设置为：所述的吹气组件3包括吹气头31、吹气头盖32，相邻的两个所述的吹气组件3中轴线之间呈30°角。

本发明进一步设置为：所述的吹气头31还包括进气口312、气体分流挡板311，所述的进气口312可直接通入保护气。

本发明进一步设置为：所述的吹气头盖32上设有微型出气孔321，所述的吹气头盖32与吹气头31之间有密封圈322。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.多个吹气组件同时向气氛保护箱内吹气，可以短时间内营造出惰性气体保护的环境，且此气氛保护环境可以在停止吹气后维持一段时间，操作简单、气氛保护效果良好，非常适用于激光熔覆；

2.直接接触式水冷组件的设计不仅适用范围广，且水冷效果较好，水冷部件自带夹持部件，不需要额外的夹具，使用方便，能够有效改善激光熔覆组织结构，抑制薄基板变形；

3.水冷组件和吹气组件在箱体中相互融合，共同发挥作用，又可独立使用，针对不同的需求自主选择开关，再次体现该装置的广泛适用性。

附图说明

图1本发明的整体装配结构示意图

图2本发明的气氛保护箱结构示意图

图3本发明的水冷组件结构示意图

图4本发明的吹气组件结构示意图

上述图中：1-气氛保护箱；11-吹气组件固定孔位；12-水冷组件固定孔位；13-支撑脚；2-水冷组件；21-水冷基座；211-水流槽；212-进水口；213-排水口；214-固定螺纹孔；22-橡胶垫圈；23夹持部件；231-螺母；232-夹板；233-螺栓；3-吹气组件；31-吹气头；311-分流挡板；322-进气口；32-吹气头盖；321-微型出气孔；322-密封圈。

具体实施方法

下面结合附图对本说明作进一步描述。

一种激光熔覆用半开放式气氛保护及水冷装置，包括气氛保护箱1、水冷组件2和吹气组件3，所述的气氛保护箱1通过支撑脚13固定于实验台上；所述的水冷组件2通过水冷基座21上的固定螺纹孔214固定于气氛保护箱1底部的支撑脚13上，所述水冷基座21表面放置实验用的基板，且水冷基座21内设有多个水流槽211，用于实现基板的快速冷却；多个所述的吹气组件3呈扇形固定于气氛保护箱1两侧，吹气组件3位于水冷组件2上方，实现全方位气氛保护，每个所述的吹气组件3设有多个微型出气孔321，所述的微型出气孔321保证出气均匀且温和，在气氛保护箱1中营造气氛保护环境。

通过采用上述技术方案，各组件之间相互独立又方便安装，安装完成后，将基板放置于水冷组件2上，用夹持部件23夹紧，并将冷却水管接入水冷组件2；惰性气体接入花洒式吹气组件3后，通过微型出气孔321均匀进入气氛保护箱1中，可以在短时间内营造出气氛保护的环境。当气氛保护箱1中充满惰性气体后，打开冷却水开关，即可以开始在基板上进行激光熔覆，此时可以根据实验需求调小或者关闭吹气组件3的气流，气氛保护箱1可以保证实验过程中的气氛保护效果，气氛保护和水冷的共同作用使得到的涂层性能更加优异。

所述的气氛保护箱1底部的支撑脚13上设有水冷组件固定孔12，水冷组件2的水冷基座21上的固定螺纹孔214，螺钉穿过水冷组件固定孔12和固定螺纹孔214，将水冷组件2固定在气氛保护箱1上。所述的气氛保护箱1的顶部敞开，呈半开放式。

通过采用上述技术方案，惰性气体会由下而上溢出，能在底部创造一个良好的气氛保护区域，且半开放式的设计不影响激光器的使用，保证激光头可以移动到实验基板表面任意位置。

所述的水冷组件2包括水冷基座21、夹具23，在水冷基座21上围绕水流槽211设有橡胶垫圈22。

通过采用上述技术方案，水冷基座21可以使基板与水流直接接触，提高水冷的效果，夹持部件23用于固定基板，橡胶垫圈22保证基板与水冷基座21紧密结合，防止漏水。

所述的水冷基座21中有四个水流槽211，所述的水流槽211两端分别是进水口212和排水口213。

通过采用上述技术方案，四个水流槽211可以提高冷却水流动效率，从而提高了冷却效果，四个水流槽211相互独立，可以启用单个或同时启用多个，适用于宽度从25mm到100mm的基板。

所述的夹持部件23包括夹板232，所述的夹板232靠螺栓233和螺母231限位与夹紧。

通过螺栓233、螺母231限制夹板232的位置，拧紧螺母231可实现对基板的夹持作用，这种夹持方式操作简单、拆卸方便，可以反复更换基板。

所述的吹气组件3包括吹气头31、吹气头盖32，相邻的两个所述的吹气组件3中轴线之间呈30°角。

通过采用上述技术方案，吹气头盖32与吹气头31相互独立，便于生产和安装，相邻吹气组件3的设计安装呈30°角，可以保证每个吹气组件3都面向气氛保护箱1中的水冷组件2，使得水冷组件2上的基板在试验中受到更好的保护。

所述的吹气头31还包括进气口312、气体分流挡板311，所述的进气口312可直接通入保护气。

通过采用上述技术方案，惰性气体可直接通入进气口312中，通过气体分流挡板311使惰性气体散开后均匀进入吹气组件3腔内。

所述的吹气头盖32上设有微型出气孔321，所述的吹气头盖32与吹气头31之间有密封圈322。

通过采用上述技术方案，惰性气体通过微型出气孔321进入气氛保护箱1内，多孔的设计可以使惰性气体迅速充满气氛保护箱，并且气流更加均匀和温和，吹气头盖32与吹气头31之间的密封圈322保证吹气组件不漏气。

使用本发明装置的方法，包括如下步骤：

如图1-4所示，激光熔覆用半开放式气氛保护及水冷装置包括气氛保护箱、吹气组件和水冷组件，气氛保护箱上的支撑脚固定于实验台上，六个吹气组件呈扇形固定于气氛保护箱两侧，水冷组件放置于气氛保护箱的槽口中，通过固定螺纹孔固定于气氛保护箱底部；

拧开螺母并取出夹板，将准备好的实验基板放在水冷基座表面的橡胶垫圈上，放回夹板并拧紧螺母，使基板固定于水冷组件上，保证水冷基座与基板之间不漏水；

将进水管道和出水管道分别接入水冷基座的进水口和出水口，并在六个进气口都接入惰性气体；

打开冷却水开关和惰性气体阀门，冷却水开始循环，惰性气体通过花洒式的吹气组件均匀进入气氛保护箱中，在短时间内营造出气氛保护的环境；

当气氛保护箱中充满惰性气体后，可以开始在基板上进行激光熔覆实验，激光头能够在基板上任意位置进行熔覆，激光头的移动不会受到其他部件的限制与干扰。熔覆过程中可以根据实验需求调小或者关闭吹气组件的气流，气氛保护箱可以保证实验过程中的气氛保护效果，气氛保护和水冷的共同作用使得到的涂层性能更加优异；

吹气头盖与吹气头之间有密封圈，保证吹气组件不漏气。吹气头中还有气体分流挡板，吹气头盖上设有大量微型出气孔，通过气体分流挡板使惰性气体散开后可以从微型出气孔均匀充入气氛保护箱；

水冷基座中有多个水流槽，水流槽两端分别是进水口和排水口。多个水流槽可以提高冷却水流动效率，从而提高了冷却效果，多个水流槽相互独立，可以启用单个或同时启用多个，适用于宽度从25mm到100mm的基板。

激光熔覆实验完成后，关闭惰性气体阀门，持续水冷，等到基板完全冷却后关闭冷却水，达到较好的水冷效果。最后，拧开螺母，取下基板进行后期的研究。

本发明能有效细化激光熔覆组织的晶粒，减小基体材料的变形，并且在惰性气体能有效控制熔覆层的氧化与杂质污染，提高熔覆件综合性能

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些发明进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物。