CN106381489B - 激光熔覆挤压涂层制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆挤压涂层制备装置及方法，该装置包括用于放置待加工工件的试样座、与高功率激光器连接的激光熔覆头、压辊，所述试样座固定于工作台上，且工作台能够带动试样座实现至少一个方向的平移运动，所述试样座的底部设置有加热模块；所述激光熔覆头和压辊以一定的间隔距离并列置于待加工工件上方，形成激光熔覆和挤压成型两个工位。本发明具有涂层表面平整，工件变形小，涂层力学性能高，材料适应性强，加工方便、效率高、节省能量的优点。

Description

激光熔覆挤压涂层制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制备激光熔覆挤压涂层的制备方法及其装置，采用激光熔覆与挤压成型复合加工技术在金属基体表面制备具有高平整度的合金涂层，属于表面工程技术领域。

背景技术

激光熔覆技术采用高功率激光作为热源，将激光束聚焦并传输到待加工工件表面，使工件表面薄层升温熔化而形成熔池，同时向熔池内添加熔覆材料，随着激光束与工件的相对移动，熔池自然冷却凝固，从而在工件表面制备出一定厚度的合金涂层。熔覆材料目前主要采用合金粉末，根据熔覆材料的添加方式不同，可以分为同步送粉式激光熔覆和预置粉末式激光熔覆。同步送粉是将粉末通过气流作用由跟随激光束运动的喷嘴输送到熔池，而预置粉末式是在激光扫描前将粉末混以粘结剂铺置于工件表面。利用激光熔覆技术，可以制备耐磨性、耐蚀性、耐热性良好的高性能合金涂层，并且涂层具有结合强度高、气孔少、组织致密细小、稀释率低等优点。因而，激光熔覆技术成为一种发展迅速、具有广阔应用前景的涂层制备方法。

目前，激光熔覆制备涂层也有尚未克服的缺点。比如，涂层的表面平整度较差。这一方面是因为熔池的内部流动，使涂层快速凝固后表面产生类似于焊接焊缝的鱼鳞纹，另一方面是在各搭接道之间存在沟壑状表面形貌。由于单道激光熔覆层的宽度受限于激光束光斑尺寸，一般在2mm～8mm 范围内，所以大面积涂层从工艺上都要采用多道搭接的方式制备。激光熔覆直接制备的涂层表面平整度一般达不到零件要求，需要后续安排机械加工工序。再者，持续不均匀的局部激光热输入，导致被加工表面产生较大的变形，对于较薄的板材激光熔覆来说，变形尤为严重。

发明内容

本发明目的是提供一种激光熔覆挤压涂层制备装置及方法，以解决现有激光熔覆涂层表面平整度低、板材变形大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种激光熔覆挤压涂层制备装置，包括用于放置待加工工件的试样座、与高功率激光器连接的激光熔覆头、压辊，所述试样座固定于工作台上，且工作台能够带动试样座实现至少一个方向的平移运动，所述试样座的底部设置有加热模块；所述激光熔覆头和压辊以一定的间隔距离并列置于待加工工件上方，形成激光熔覆和挤压成型两个工位。

进一步的，所述压辊上设置有调节装置，用于控制压辊垂直位置、压辊与涂层之间的挤压力。

进一步的，还包括固定辊，所述固定辊通过伸缩杆固定于工作台上，且压辊前与压辊后至少布置有一个固定辊。

进一步的，所述伸缩杆具有收缩方向的回复力，其回复力通过弹簧或液压方式产生。

进一步的，所述待加工工件通过刚性固定法固定于试样座上。

进一步的，所述加热模块为电阻加热或感应加热设备。

进一步的，所述试样座边缘设置有弧形的导向面。

一种激光熔覆挤压涂层制备方法，包括以下步骤：

步骤1，前期工作：准备熔覆材料、待加工工件；将待加工工件刚性固定于试样座上，再将试样座固定于工作台；确定加工所需的激光功率、扫描轨迹、进给速度、粉末添加率、压辊压力；开启加热模块；

步骤2，激光熔覆涂层：在激光熔覆工位，通过同步送粉法或预置粉末法在待加工试样表面堆积涂层；

步骤3，涂层挤压成型：通过调节装置以设定的挤压力将压辊作用于步骤2堆积的涂层表面，涂层在工作台的带动下移动，在压辊下挤压成型；

步骤4，后处理：当激光关闭，熔覆层完全通过压辊后，关闭加热模块，移开激光熔覆头并抬起压辊，从工作台上取下试样座，进行去应力退火后，将加工工件从试样座中取出。

步骤2中，由激光熔覆头运动而产生激光熔覆涂层所需要的搭接轨迹，根据搭接轨迹的方向不同，分为横向搭接和纵向搭接，横向搭接的搭接方向垂直于压辊轴线，纵向搭接的搭接方向平行于压辊轴线。

步骤3中，工作台以设定的进给速度移动，将激光熔覆涂层输送至挤压成型工位；工作台进给方式分为步进式进给和连续式进给，对于横向搭接轨迹的激光熔覆采用步进式进给，对于纵向搭接轨迹的激光熔覆采用连续式进给；通过调节装置保证压辊与待加工工件表面距离小于步骤2所堆积的激光熔覆涂层厚度，从而对涂层产生有效的挤压；保证激光熔覆头与压辊之间的距离在恒定的范围内，在加热模块的配合下，使涂层在进入压辊挤压时未完全冷到到室温，仍保持在再结晶温度以上；在试样座通过尚未位于涂层上的固定辊时，对应固定辊通过试样座边缘导向面，作用于涂层表面，起限制变形作用。

有益效果：本发明提供的装置聚方法具有以下优点：

涂层表面平整。激光熔覆制备的涂层，其表面不可避免地会有鱼鳞纹、搭接沟壑等特征，致使表面平整度较差。一般为满足工件表面质量的要求，要对涂层表面进行铣削、磨削等机械加工，工序较为复杂。对于硬度较高的耐磨涂层，后续机械加工的难度也非常大。本发明在激光熔覆涂层制备的过程中，利用压辊对涂层进行挤压成型，使涂层表面产生热塑性变形，消除鱼鳞纹和搭接沟壑。该方法制备的熔覆挤压涂层比传统熔覆涂层的平整度有显著提高。

工件变形小。激光熔覆依靠搭接轨迹扫描形成大面积涂层，由于持续的局部热输入，最终会导致工件产生较大的变形。尤其对于厚度较小的板材类工件，会产生较为严重的翘曲变形。本发明将待加工工件刚性固定于试样座，并在熔覆挤压成型过程中，由固定辊限制工件变形，在去应力退火之后，再从试样座中取出工件，有效地降低了工件变形。本发明方法适用于板材乃至薄板的涂层制备。

涂层力学性能高。经过挤压成型后的熔覆涂层，内部组织进一步致密细化，力学性能得到较大提高。

材料适应性强。只要具备一定塑性的合金涂层，都可以采用本发明所述的熔覆挤压涂层方法进行制备。

加工方便、效率高、节省能量。本发明所述的熔覆挤压方法，在涂层制备过程中，激光熔覆和挤压成型同步进行，加工效率较高。同时，激光熔覆后涂层本身处于较高温度，在涂层自然冷却到室温前进行挤压成型，涂层变形抗力小，节省了能量。

附图说明

图1为本发明的装置的示意图；

图2为待加工工件刚性固定于试样座的示意图；

图3为激光熔覆横向搭接轨迹示意图；

图4为激光熔覆纵向搭接轨迹示意图；

图5为激光熔覆涂层表面状态形貌示意图；

图6为激光熔覆挤压涂层表面状态形貌示意图；

图中，1-工作台；2-试样座；3-加热模块；4-待加工工件；5-激光束与粉末流；6-激光熔覆头；7-调整装置；8-压辊；9-固定辊；10-伸缩杆；11涂层；12-导向面，13-固定压块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种激光熔覆挤压涂层制备装置，包括用于放置待加工工件4的试样座2、与高功率激光器连接的激光熔覆头6、压辊8、固定辊9，试样座2固定于工作台1上，且工作台1能够带动试样座2实现至少一个方向的平移运动，在一个实施例中，工作台安装于直线导轨上，工作台可沿直线导轨运动；试样座2的底部设置有加热模块3；所述激光熔覆头6和压辊8以一定的间隔距离并列置于待加工工件4上方，形成激光熔覆和挤压成型两个工位；固定辊9通过伸缩杆10固定于工作台1上，且压辊8前与压辊8后至少布置有一个固定辊9；伸缩杆10一端固连在工作台1上，一端安装固定辊9；伸缩杆10具有收缩方向的回复力，其回复力通过弹簧或液压方式产生。伸缩杆非工作时处于自然收缩状态，在工作状态时处于伸长状态，并产生回复力，通过固定辊作用于工件之上，以防止工件变形。

压辊8上设置有调节装置7，用于控制压辊8垂直位置、压辊与涂层之间的挤压力。

待加工工件4通过刚性固定法固定于试样座2上。如图2所示，具体的固定方式为：通过两个倒U形的固定压块13将待加工工件4固定于试样座 2上。

加热模块3为电阻加热或感应加热设备，对待加工试样进行温度控制。

试样座2边缘设置有弧形的导向面12。

在激光熔覆工位，激光熔覆头6位于工作台1上方，将激光束与粉末5 传输至待加工工件4表面；在挤压成型工位，压辊8位于工作台1上方，由调节装置7控制压辊位置；当工作台1带动试样座2移动到尚未位于涂层上的固定辊9位置时，固定辊9通过导向面12升至试样座2上方，同时伸缩杆10伸长，使固定辊9通过压力作用在待加工工件4之上。图1表示本发明的实施方式使，采用激光熔覆技术以一定的扫描轨迹堆积涂层，并同时将涂层输送至挤压成型工位，在涂层自然冷却到室温之前，利用压辊对已堆积涂层再次挤压成型。

利用上述装置的激光熔覆挤压涂层制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，前期工作：准备熔覆材料、待加工工件；将待加工工件刚性固定于试样座上，再将试样座固定于工作台；确定加工所需的激光功率、扫描轨迹、进给速度、粉末添加率、压辊压力；开启加热模块；

步骤2，激光熔覆涂层：在激光熔覆工位，通过同步送粉法或预置粉末法在待加工试样表面堆积涂层；

如图3和4所示为激光熔覆挤压涂层制备方法中的横向搭接和纵向搭接示意图，图3表示横向搭接，每一道熔覆轨迹垂直于压辊轴线，通过多道搭接堆积涂层面积为m×n。对于横向搭接方式，工作台采用步进工作方式，即在按预定轨迹激光熔覆m×n面积涂层时，工作台保持不动，当涂层堆积结束，工作台以进给速度移动m距离，进行涂层挤压成型，然后工作台继续保持不动，再进行激光熔覆堆积，如此循环。图4表示纵向搭接，每一道熔覆轨迹平行于压辊轴线。对于纵向搭接方式，工作台采用连续进给工作方式，即在激光熔覆涂层的同时，工作台以进给速度连续输送待加工工件及涂层。在连续进给工作方式下，熔覆轨迹速度为激光熔覆头的实际运动速度与工作台进给速度之和。

步骤3，涂层挤压成型：通过调节装置以设定的挤压力将压辊作用于步骤2堆积的涂层表面，涂层在工作台的带动下移动，在压辊下挤压成型；

工作台以设定的进给速度移动，将激光熔覆涂层输送至挤压成型工位；工作台进给方式分为步进式进给和连续式进给，对于横向搭接轨迹的激光熔覆采用步进式进给，对于纵向搭接轨迹的激光熔覆采用连续式进给；通过调节装置保证压辊与待加工工件表面距离小于步骤2所堆积的激光熔覆涂层厚度，从而对涂层产生有效的挤压；保证激光熔覆头与压辊之间的距离在恒定的范围内，在加热模块的配合下，使涂层在进入压辊挤压时未完全冷到到室温，仍保持在再结晶温度以上；在试样座通过尚未位于涂层上的固定辊时，对应固定辊通过试样座边缘导向面，作用于涂层表面，起限制变形作用。

步骤4，后处理：当激光关闭，熔覆层完全通过压辊后，关闭加热模块，移开激光熔覆头并抬起压辊，从工作台上取下试样座，进行去应力退火后，将加工工件从试样座中取出。

图5和6为涂层表面形貌示意图，示意本发明方法制备涂层的表面状态。在激光熔覆后的涂层垂直于搭接方向的截面多呈现出波纹状的不平整表面，经本发明制备的激光熔覆挤压涂层，表面平整度得到显著改善。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光熔覆挤压涂层制备装置，其特征在于：包括用于放置待加工工件（4）的试样座（2）、与高功率激光器连接的激光熔覆头（6）、压辊（8），所述试样座（2）固定于工作台（1）上，且工作台（1）能够带动试样座（2）实现至少一个方向的平移运动，所述试样座（2）的底部设置有加热模块（3）；所述激光熔覆头（6）和压辊（8）以一定的间隔距离并列置于待加工工件（4）上方，形成激光熔覆和挤压成型两个工位；

所述压辊（8）上设置有调节装置（7），用于控制压辊（8）垂直位置、压辊与涂层之间的挤压力；

还包括固定辊（9），所述固定辊（9）通过伸缩杆（10）固定于工作台（1）上，且压辊（8）前与压辊（8）后至少布置有一个固定辊（9）；

所述试样座（2）边缘设置有弧形的导向面（12）。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆挤压涂层制备装置，其特征在于：所述伸缩杆（10）具有收缩方向的回复力，其回复力通过弹簧或液压方式产生。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆挤压涂层制备装置，其特征在于：所述待加工工件（4）通过刚性固定法固定于试样座（2）上。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆挤压涂层制备装置，其特征在于：所述加热模块（3）为电阻加热或感应加热设备。

5.一种利用权利要求1所述的装置的激光熔覆挤压涂层制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，前期工作：准备熔覆材料、待加工工件；将待加工工件刚性固定于试样座上，再将试样座固定于工作台；确定加工所需的激光功率、扫描轨迹、进给速度、粉末添加率、压辊压力；开启加热模块；

步骤2，激光熔覆涂层：在激光熔覆工位，通过同步送粉法或预置粉末法在待加工试样表面堆积涂层；

步骤3，涂层挤压成型：通过调节装置以设定的挤压力将压辊作用于步骤2堆积的涂层表面，涂层在工作台的带动下移动，在压辊下挤压成型；

步骤4，后处理：当激光关闭，熔覆层完全通过压辊后，关闭加热模块，移开激光熔覆头并抬起压辊，从工作台上取下试样座，进行去应力退火后，将加工工件从试样座中取出。

6.根据权利要求5所述的激光熔覆挤压涂层制备方法，其特征在于：步骤2中，由激光熔覆头运动而产生激光熔覆涂层所需要的搭接轨迹，根据搭接轨迹的方向不同，分为横向搭接和纵向搭接，横向搭接的搭接方向垂直于压辊轴线，纵向搭接的搭接方向平行于压辊轴线。

7.根据权利要求5所述的激光熔覆挤压涂层制备方法，其特征在于：步骤3中，工作台以设定的进给速度移动，将激光熔覆涂层输送至挤压成型工位；工作台进给方式分为步进式进给和连续式进给，对于横向搭接轨迹的激光熔覆采用步进式进给，对于纵向搭接轨迹的激光熔覆采用连续式进给；通过调节装置保证压辊与待加工工件表面距离小于步骤2所堆积的激光熔覆涂层厚度，从而对涂层产生有效的挤压；保证激光熔覆头与压辊之间的距离在恒定的范围内，在加热模块的配合下，使涂层在进入压辊挤压时未完全冷到室温，仍保持在再结晶温度以上；在试样座通过尚未位于涂层上的固定辊时，对应固定辊通过试样座边缘导向面，作用于涂层表面，起限制变形作用。