一种超高速激光熔覆系统的制作方法

本实用新型属于先进制造技术领域，具体涉及一种超高速激光熔覆系统。

背景技术：

粉末类激光熔覆技术作为一种高精度、高性能、低热影响区以及低稀释率的先进制造技术，被广泛应用于金属零件表面制备改性覆层、表面缺陷修复以及金属增材制造等领域。现有的粉末类激光熔覆技术使用金属粉末和激光束作为原材料和热源，通过激光束熔化粉末和基材形成熔池，并同时使熔池与基材做相对运动，从而形成熔覆层。其中金属粉末为常温，热源为纯激光热源。在这种激光熔覆系统中，若要提高激光熔覆效率，只能增加激光功率，而激光功率的增加虽然使熔覆效率得到提升，但也同时带来了熔覆过程热输入以及稀释率增大、合金元素烧损等问题。

因此如何解决现有粉末类激光熔覆技术面临的效率低下难题，是当前粉末类激光熔覆技术发展亟需解决的关键问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种超高速激光熔覆系统，通过创新布置粉末加热激光熔覆方案，首创的在传统粉末类激光熔覆技术的基础上实现了基于提高金属粉末初始温度的超高速激光熔覆装置，解决了目前粉末类激光熔覆技术存在的熔覆效率低下的难题。

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种超高速激光熔覆系统，包括：产生激光束1的激光器、加热电源6、送粉器10和粉末加热管总成12，所述粉末加热管总成12由外陶瓷管13、电磁加热组件14和内陶瓷管15组成，所述内陶瓷管15设置于所述外陶瓷管13之内，所述电磁加热组件14设置于所述内陶瓷管15和外陶瓷管13之间；所述加热电源6通过导线连接于所述电磁加热组件14；所述送粉器10通过送粉管11连通于所述内陶瓷管15，送粉器中的常温金属粉末9通过送粉管11进入内陶瓷管15后，在内陶瓷管15中被电磁加热组件14加热成高温金属粉末；所述激光束1与内陶瓷管15的延长线相交于待熔覆工件表面的熔池3处。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述激光束1的功率为500-20000w，并且所述激光束1在熔池3处形成直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑；所述高温金属粉末的温度为200℃-2000℃。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述送粉器10为重力送粉器或气载送粉器，送粉器10的送粉速率在0-500g/min间可调，送粉器10通过送粉管11与内陶瓷管连接，送粉管11为软管或者硬管。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述激光束1的中心轴线与粉末加热管总成12的中心轴线之间的夹角为10°-60°之间；所述内陶瓷管的前端面与熔池之间的距离为5-20mm。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述内陶瓷管15和外陶瓷管13均具有圆柱管状结构，所述内陶瓷管15的中心形成送粉通道，所述送粉通道为圆管通道，所述送粉通道的内径尺寸在0.5-2mm，内表面粗糙度在ra3.2-ra0.05之间，且所述送粉通道与所述送粉管11连通。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述电磁加热组件14在所述内陶瓷管15和外陶瓷管13之间缠绕于内陶瓷管15的外壁上，且所述电磁加热组件14的第一接线端子沿内陶瓷管15的外壁引出，所述电磁加热组件14的第二接线端子沿外陶瓷管13的外壁引出；所述加热电源6通过第一导线7连接于所述第一接线端子，所述加热电源6通过第二导线8连接于所述第二接线端子。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述电磁加热组件14采用感应加热线圈，所述感应加热线圈由中空铜管制成，中空铜管中通有冷却水，所述加热电源为输出功率在1kw-200kw、交流频率在100khz-2000khz的中频或高频加热电源，输出电流在0-500a可调。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述电磁加热组件14采用电阻加热丝，所述电阻加热丝为镍铬合金电阻丝或铁铬铝合金电阻丝，所述电阻加热丝的直径为0.5-3mm，所述加热电源的输出功率为10kw-100kw、输出电压为0-70v。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述第一导线7和第二导线8均采用通有冷却水的电缆或铜管。

进一步的根据本发明所述的超高速激光熔覆系统，其中所述粉末加热管总成12包括有多组，多组粉末加热管总成12对称布置在激光束1的周围。

通过本实用新型的技术方案至少能够达到以下有益效果：

1）采用感应加热的方式对金属粉末提前进行加热，使金属粉末进入熔池之前已经处于高温状态，只需要很小的激光能量和很短的时间就可以熔化金属粉末，使其在基材表面形成熔池，从而快速移动形成熔覆层，因此使得本实用新型的超高速激光熔覆效率非常高，解决了传统激光熔覆技术效率难以进一步提高的难题。与传统激光熔覆相比，在同样采用4000w激光功率与熔覆1mm厚不锈钢熔覆层的情况下，本实用新型可将传统激光熔覆0.15-0.4㎡/h的熔覆效率提高至0.5-1㎡/h，熔覆效率提升明显。具体的现有传统激光熔覆技术与本实用新型的超高速激光熔覆技术的主要性能对比如下表所示：

2）由于粉末的温度与激光的吸收率成正比，粉末被加热后激光的吸收率增加，激光的反射率减少，因此本实用新型会进一步提高激光能量利用率，并减少了激光反射光所带来的烧损光纤、熔覆头等问题。

3）由于粉末被加热后送入激光熔池，粉末加热过程会提前将粉末表面吸附空气中的水分、灰尘等杂质分解，使得熔覆层中由于水分、灰尘所产生的气孔、夹渣等大大减少，提高了熔覆层的质量。

4）综上所述，本实用新型所述方案通过创新布置的粉末加热管总成和加热电源，将金属粉末加热至高温甚至即将熔化的温度，从而使用很小的激光功率和很短的时间就能熔化粉末，大幅度提高了熔覆效率。而且加热后的粉末可以使激光能量利用率提高，减少激光反光，从而使激光熔覆过程中的激光反射光造成的不利影响降至最低。粉末加热过程也能使吸附在粉末表面的水分、灰尘等分解和挥发，提高了激光熔覆层的质量。本实用新型解决了传统激光熔覆技术存在的效率低下、熔覆质量不高以及反射光危害大等难题，具有非常广泛的产业化应用前景。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型所述超高速激光熔覆系统的结构示意图；

图2为本实用新型采用感应加热线圈的粉末加热管总成结构示意图；

图3为本实用新型采用电阻加热丝的粉末加热管总成结构示意图；

图4为本实用新型所述粉末加热管总成的截面示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1.激光束，2.高温金属粉末，3.熔池，4.熔覆层，5.基材，6.加热电源，7.第一导线，8.第二导线，9.常温金属粉末，10.送粉器，11.送粉管，12.粉末加热管总成，13.外陶瓷馆，14.电磁加热组件，15.内陶瓷管。

具体实施方式

以下对本实用新型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实用新型，但并不因此限制本实用新型的保护范围。

如附图1、图2、图3和图4所示，本实用新型所述的超高速激光熔覆系统包括：提供激光束1的激光器、加热电源6、送粉器10和粉末加热管总成12，所述粉末加热管总成12由外陶瓷管13、电磁加热组件14、内陶瓷管15组成；所述加热电源6通过第一导线7和第二导线8分别与电磁加热组件14的两端连接；所述送粉器10中装有常温金属粉末9，并通过送粉管11与内陶瓷管15连接；激光束1与内陶瓷管15的延长线交于熔池3处。送粉器10和加热电源6开启后，常温金属粉末9会通过送粉管11进入内陶瓷管15，在内陶瓷管15中被电磁加热组件14加热，被加热后的高温金属粉末2从内陶瓷管15的下端送出，与激光束1汇聚于熔池3位置，随着熔池3与基材5的相对运动从而在基材5表面形成熔覆层4。

进一步的根据本实用新型所述的超高速激光熔覆系统，其中所述激光器提供的激光束1的功率为500-20000w，优选的为3000-6000w，并且激光束1在熔池3处形成直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑，优选的为直径1.5-4mm的圆形光斑。

进一步的根据本实用新型所述的超高速激光熔覆系统，其中所述送粉器10为重力送粉器或气载送粉器，优选的为气载送粉器，送粉速率为0-500g/min，优选的为0-300g/min，送粉速率可调。送粉器10通过送粉管11与内陶瓷管连接，送粉管11为软管或者硬管,优选的为软管连接。

进一步的根据本实用新型所述的超高速激光熔覆系统，其中所述激光束1的中心轴线与粉末加热管总成12的中心轴线之间的夹角为10°-60°之间，优选的为15°-45°，并且可以采用多个粉末加热管总成12对称布置在激光束的周围。内陶瓷管15的延长线与激光束1汇聚于熔池3位置，熔池3距离内陶瓷管的端面距离为5-20mm，优选的为10-15mm。

进一步的根据本实用新型所述的超高速激光熔覆系统，其中所述粉末加热管总成12由外陶瓷管13、电磁加热组件14和内陶瓷管15组成，内陶瓷管15和外陶瓷管13均具有圆柱管状结构，内陶瓷管15设置于外陶瓷管13内，电磁加热组件14设置于内陶瓷管15和外陶瓷管13之间。其中外陶瓷管13由氧化锆或者氧化铝等耐高温、绝缘的陶瓷材料制成；其中内陶瓷管15由氧化铬或者氧化铝等耐高温、绝缘的陶瓷材料制成，内陶瓷管15的中心形成送粉通道，送粉通道优选的为圆柱通道，其内径尺寸为0.5-2mm，优选的为0.8-1.2mm，送粉通道内表面粗糙度为ra3.2-ra0.05之间，优选的为ra1.6-ra0.2。内陶瓷管中心的送粉通道与送粉管11连通。电磁加热组件14设置于内陶瓷管15和外陶瓷管13之间，并缠绕于内陶瓷管15外壁，电磁加热组件14的第一接线端子从粉末加热管总成12的上端沿内陶瓷管15外壁引出，电磁加热组件14的第二接线端子从粉末加热管总成12的下端沿外陶瓷管13外壁引出。

进一步具体的所述电磁加热组件14优选的采用感应加热线圈或者电阻加热丝，当所述电磁加热组件14采用感应加热线圈时，如附图2所示，所述感应加热线圈优选的由中空铜管制成，铜管中通有冷却水，中空铜管在内陶瓷管15和外陶瓷管13之间缠绕于内陶瓷管15外壁上，中空铜管的第一接线端子从粉末加热管总成12的上端沿内陶瓷管15外壁引出，中空铜管的第二接线端子从粉末加热管总成12的下端沿外陶瓷管13外壁引出。同时加热电源6的第一导线7连接于中空铜管的第一接线端子，加热电源6的第二导线8连接于中空铜管的第二接线端子，且所述的加热电源6为输出功率1kw-200kw、交流频率为100khz-2000khz的中频或高频加热电源，优选的输出功率为50kw，交流频率为1000khz-1500khz，其输出电流0-500a可调，优选的为100-300a，并且第一导线7和第二导线8均采用通有冷却水的电缆或铜管制成，优选的为铜管制成；在内陶瓷管15中的金属粉末被感应加热线圈基于电磁感应效应进行加热。

当所述电磁加热组件14采用电阻加热丝时，如附图3所示，所述电阻加热丝优选的为镍铬合金或铁铬铝合金材质的电阻加热丝，电阻加热丝的直径为0.5-3mm，优选的直径为1.5-2mm；电阻加热丝在内陶瓷管15和外陶瓷管13之间缠绕于内陶瓷管15外壁上，电阻加热丝的第一接线端子从粉末加热管总成12的上端沿内陶瓷管15外壁引出，电阻加热丝的第二接线端子从粉末加热管总成12的下端沿外陶瓷管13外壁引出。同时加热电源6的第一导线7连接于电阻加热丝的第一接线端子，加热电源6的第二导线8连接于电阻加热丝的第二接线端子，且所述的加热电源6的输出功率为10kw-100kw、输出电压为0-70v，优选的输出功率为10-30kw，输出电压20-50v，并且第一导线7和第二导线8均采用通有冷却水的电缆或铜管制成，优选的为铜管制成。在内陶瓷管15中的金属粉末被电阻加热丝基于电阻加热效应进行加热。

本实用新型所述超高速激光熔覆系统的使用操作过程如下：

步骤一、将常温金属粉末9置于送粉器10中并开启送粉器10，常温金属粉末9会因重力作用或者送粉气吹力通过送粉管11流向粉末加热管总成12中的内陶瓷管15；

其中如上所述，送粉器10为重力送粉器或气载送粉器，送粉速率为0-500g/min，优选的为0-300g/min，送粉速率可调。送粉器10通过送粉管11与内陶瓷管连接，送粉管11为软管或者硬管，优选的为软管。粉末加热管总成12由外陶瓷管13、电磁加热组件14、内陶瓷管15组成。外陶瓷管13由氧化锆或者氧化铝等耐高温、绝缘的陶瓷材料制成。电磁加热组件14为电磁感应线圈或电阻加热丝制成。内陶瓷管15由氧化铬或者氧化铝等耐高温、绝缘的陶瓷材料制成，内部形成送粉通道，送粉通道内径尺寸为0.5-2mm，优选的为0.8-1.2mm，送粉通道内表面粗糙度为ra3.2-ra0.05之间，优选的为ra1.6-ra0.2。

步骤二、开启加热电源6，当电磁加热组件14选用电磁感应线圈时，通过高频率的交流电流产生的交变磁场会使流经内陶瓷管15送粉通道中的常温金属粉末9在电磁感应的作用下加热成为高温金属粉末2，当电磁加热组件14选用电阻加热丝时，电阻加热丝14中通过电流后，由于电阻加热丝具有很高的电阻，在电流流过时会产生电阻热，电阻热进一步加热内陶瓷管15，加热后的内陶瓷管15会使经过的金属粉末9加热，从而形成高温金属粉末2；

步骤三、经加热后的高温金属粉末2与激光束1汇聚于熔池3处，高温金属粉末被激光束1快速熔化后在基材5表面形成熔池，并按照预定路径使熔池3与基材5做相对运动，从而在基材5表面形成熔覆层4。

其中如上所述，激光束1的功率为500-20000w，优选的为3000-6000w。激光束1在熔池3处形成直径0.5-10mm的圆光斑或宽度0.5-4mm、长度2-50mm的矩形光斑，优选的为直径1.5-4mm的圆形光斑。激光束1与粉末加热管总成12之间的夹角为10°-60°之间，优选的为15°-45°，并且可以采用多个粉末加热管总成12对称布置在激光束的周围。内陶瓷管15的延长线与激光束1汇聚于熔池3位置，熔池3距离内陶瓷管的端面为5-20mm，优选的为10-15mm。加热后的高温金属粉末2的温度为200℃-2000℃，优选的为500-1200℃。

本实用新型所述装置通过创新布置的粉末加热管总成和加热电源，将金属粉末加热至高温甚至即将熔化的温度，从而使用很小的激光功率和很短的时间就能熔化粉末，大幅度提高了熔覆效率。而且加热后的粉末可以使激光能量利用率提高，减少激光反光，从而使激光熔覆过程中的激光反光造成的不利影响降至最低。粉末加热过程也能使吸附在粉末表面的水分、灰尘等分解和挥发，提高了激光熔覆层的质量。本实用新型解决了传统激光熔覆技术存在的效率低下、熔覆质量不高以及反射光危害大等难题，具有非常广泛的产业化应用前景。

实施例1

实施例1为基于电磁感应线圈加热对液压支架油缸活塞杆进行激光熔覆的实施例。

1、本实施例为液压支架油缸活塞杆（下称活塞杆）表面激光熔覆，活塞杆直径为260mm，熔覆区域长度为1900mm，材质为27simn。

2、本实施例中活塞杆的超高速激光熔覆方案采用4kw激光束，激光束汇聚在熔池位置的光斑为直径3mm的圆形光斑，调节激光束与内陶瓷管之间的夹角为25°，熔池距离内陶瓷管端面为13mm。

3、选用气载盘式送粉器，选用材质为304l不锈钢粉末，粉末粒度为45-150um，将粉末装入送粉器中，开启送粉器，并调节送粉器的送粉流量为150g/min。

4、选用输出功率为50kw，交流频率为1000khz的加热电源，开启加热电源，并调节感应电流为100a，电磁加热组件开始对流经内陶瓷管的金属粉末进行电磁感应加热，至粉末流出内陶瓷管后，被加热后的高温金属粉末温度为900℃。

5、设置本系统与活塞杆之间的相对运动为螺旋圆周运动，活塞杆转速14.7r/min，螺旋进给1.5mm。

6、系统运行1小时26分钟后，该活塞杆完成激光熔覆。

通过本实施例方案，在该活塞杆上得到的熔覆层厚度为1.1mm，熔覆效率为1.08㎡/h，是传统激光熔覆的2.7~7.2倍，通过熔覆层成分测定及取样观察微观组织，测得熔覆层稀释率为0.8%。并且得到的熔覆层平整、光滑，熔覆层内部致密无缺陷，熔覆层与基材结合良好，完全满足液压支架油缸活塞杆表面激光熔覆的要求。

实施例2

实施例2为基于电阻加热丝加热对液压支架油缸活塞杆进行激光熔覆的实施例。

1、本实施例为液压支架油缸活塞杆（下称活塞杆）表面激光熔覆，活塞杆直径260mm，熔覆区域长度1900mm，材质为27simn。

2、本实施例中活塞杆的超高速激光熔覆方案采用4kw激光束，激光束汇聚在熔池位置的光斑为直径3mm的圆形光斑，调节激光束与内陶瓷管之间的夹角为25°，熔池距离内陶瓷管端面为13mm。

3、选用气载盘式送粉器，选用材质为304l不锈钢粉末，粉末粒度为45-150um，将粉末装入送粉器中，开启送粉器，并调节送粉器的送粉流量为150g/min。

4、选用输出功率为30kw，输出电压为0-70v的电源，开启电源，并调节电压至36v，电阻加热丝14中通过电流，由于电阻加热丝具有很高的电阻，在电流流过时会产生电阻热，电阻热进一步加热内陶瓷管15，加热后的内陶瓷管15会使经过的金属粉末9加热，从而形成加热的金属粉末2，被加热后的金属粉末经检测温度为600℃。

5、设置本系统与活塞杆之间的相对运动为螺旋圆周运动，活塞杆转速12r/min，螺旋进给1.5mm。

6、系统运行1小时45分钟后，该活塞杆完成激光熔覆。

通过本实施例方案，在该活塞杆上得到的熔覆层厚度为1.1mm，熔覆效率为0.89㎡/h，是传统激光熔覆的2.2~5.9倍，通过熔覆层成分测定及取样观察微观组织，测得熔覆层稀释率为0.7%。并且得到的熔覆层平整、光滑，熔覆层内部致密无缺陷，熔覆层与基材结合良好，完全满足液压支架油缸活塞杆表面激光熔覆的要求。

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