本发明涉及激光喷涂技术领域，具体为一种超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺。
背景技术：
目前，在机械加工行业针对工件实现耐蚀、耐磨等需求，需要对工件进行特殊处理，常见的处理方式为：
1、堆焊技术：利用电弧或等离子弧，通过在工件表面上熔一层耐蚀或耐磨的材料来起到特殊应用的要求，这种涂层的突出特点为：涂层厚度较厚，一般为2-3mm，涂层结合强度较高，为冶金结合，但是局限为：热输入较大，变形量较大会造成涂层和工件的机械性能下降。
2、激光熔覆技术：利用激光，在工件表面上熔覆一层特殊需求的合金涂层，这种涂层的突出特点为：结合强度较高，为冶金结合，热输入较小，变形小，但是突出缺点为：熔覆速度较低一般最大为2m/min，粉末浪费较大，熔覆效率较低，表面平整度较差。
3、热喷涂技术：利用电弧、火焰或等离子弧来实现粉末在工件表面的沉积，这种涂层的突出特点为成本较低，涂层厚度可以控制，但是缺点为：涂层和及基体间的结合力为机械结合，结合强度较低。
4、激光热喷涂：随着激光的发展，促使了热喷涂理论的发展，诞生了激光热喷涂这一工艺领域，该工艺的突出特点为涂层与基体之间的结合为冶金结合，结合强度较高，涂层厚度可以精确可控，热输入较小，基体变形较小；存在的缺点为：与热喷涂相比，加工速度较慢。
本发明的背景是由于目前市场上常用的激光喷涂设备，无论是同轴送粉或旁轴送粉实质上都是粉包裹着激光的光外送粉。由于光外送粉会造成激光和粉末的作用时间较短，会存在对送粉喷嘴的加工精度以及对粉末的利用率较高等问题；相比较光外送粉而言，光内送粉可以根据光斑直径来设计粉斑直径，通过将光斑直径与粉斑直径相匹配，来增加激光与粉末之间的作用时间，提高粉末的利用率，进而提高喷涂的效率和涂层的结合强度。目前能够实现光外送粉一般为圆形光斑，但是使用圆形光斑会造成单道涂层宽度较窄，层道搭接率较高的问题。将中心送粉的光斑变为矩形光斑，然后开发相应的送粉机构，来实现往矩形光斑中心进行送粉，可以将极大的提高加工效率，效率是矩形光斑激光喷涂的5倍以上，是圆形光斑中心送粉的2倍以上，涂层的结合强度较高，同样为冶金结合。
工业上常用的激光器类型为光纤激光器与半导体激光器两种，在这两种光路的基础上，通过使用特殊的光学镜组，可以在焦点位置获得中空的矩形光斑的光路，并增加送粉机构来满足矩形光斑中心送粉的需要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺,包括以下步骤：
a、预处理：选择合适的粗加工设备对相应的基材进行粗加工；
b、检验：对基材粗加工后的表面状态进行表面质量检验，检验工件表面的缺陷，合格后进入到下一步骤；
c、参数选择：根据基材材料和粉末材料选择合适的工艺范围参数；
d、喷涂：根据步骤c选择合适的参数后通过激光喷涂设备对检验合格后的基材表面进行喷涂加工；
e、后处理：对喷涂后的基材表面进行精磨加工。
f、检验：精磨加工后的工件进行表面质量检验，检验表面的缺陷，合格后进入成品仓，不合格进行翻修处理。
优选的，所述步骤b中检验方法如下：
a、工件以一定的速度旋转，通过ccd相机或cmos相机采集工件表面的图像，并将图像传输至运算系统；
b、运算系统通过图像处理来分析工件表面有无缺陷；
c、通过运算处理进行判定，确认是否合格。
优选的，所述步骤c中热喷涂的喷涂设备激光功率为0.8-15kw，激光头扫描速度为1-500m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2-10mm/s，激光能量50％到95％用于熔化粉末，剩余用于熔化基材，在焦点位置附近喷涂，矩形光斑尺寸为(5-30)×(1-3)mm，送粉机构距离工件表面的距离为1-50mm，粉末汇聚点距离光斑焦点位置为0.5-10mm，送粉量为20-100g/min，涂层厚度为10-1500μm。
优选的，所述粉末粒度区间为10-100μm，球形度≥50％。
优选的，所述粉末材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金、金属基复合粉末中的一种或多种混合物。
优选的，所述步骤e中后处理加工方法为精磨或精铣，磨削量为0.1-0.6mm,所述步骤e中精磨加工方法如下：
a、将待打磨工件放置在打磨机上打磨机构的正下方；
b、之后控制打磨机构工作，砂轮盘开始运转，并且向下运动；
c、砂轮盘接触工件表面后对表面进行打磨。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现高速、高效、高质量涂层的制备。根据上述技术方案，在矩形光斑中心送粉激光喷涂过程中，粉末颗粒从送粉管内出来后很快就与激光相遇，因此在到达基体前就能够被激光所加热熔化并加速，以较高的速度撞击到微熔的基体表面形成涂层。因此可以大幅度提高喷涂效率，此外粉末与激光的作用时间较长，因此粉末利用率较高，而且还能够实现涂层间的冶金结合，增加涂层的寿命；由于基体稀释率极低，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下技术方案：一种超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺,包括以下步骤：
a、预处理：选择合适的粗加工设备对相应的基材进行粗加工；
b、检验：对基材粗加工后的表面状态进行表面质量检验，检验工件表面的缺陷，合格后进入到下一步骤；
c、参数选择：根据基材材料和粉末材料选择合适的工艺范围参数；
d、喷涂：根据步骤c选择合适的参数后通过激光喷涂设备对检验合格后的基材表面进行喷涂加工；
e、后处理：对喷涂后的基材表面进行精磨加工。
f、检验：精磨加工后的工件进行表面质量检验，检验表面的缺陷，合格后进入成品仓。
本发明中，步骤b中检验方法如下：
a、工件以一定的速度旋转，通过ccd相机或cmos相机采集工件表面的图像，并将图像传输至运算系统；
b、运算系统通过图像处理来分析工件表面有无缺陷；
c、通过运算处理进行判定，确认是否合格。
本发明中，通过使用ccd相机或cmos相机对工件进行监测，能够快速捕捉到工件表面的状态，不仅能够保证后续的喷涂质量，而且还能够实现激光喷涂的自动化。
本发明中，所述步骤c中热喷涂的喷涂设备激光功率为0.8-15kw，激光头扫描速度为1-500m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2-10mm/s，激光能量50％到95％用于熔化粉末，剩余用于熔化基材，在焦点位置附近喷涂，矩形光斑尺寸为(5-30)×(1-3)mm，送粉机构距离工件表面的距离为1-50mm，粉末汇聚点距离光斑焦点位置为0.5-10mm，送粉量为20-100g/min，涂层厚度为10-1500μm。
本发明中所用粉末粒度区间为10-100μm，球形度≥50％。
本发明中，粉末材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金、金属基复合粉末中的一种或多种混合物。
本发明中，步骤e中后处理加工方法为精磨或精铣，磨削量为0.1-0.6mm；
所述步骤e中精磨加工方法如下：
a、将待打磨工件放置在打磨机上打磨机构的正下方；
b、之后控制打磨机构工作，砂轮盘开始运转，并且向下运动；
c、砂轮盘接触工件表面后对表面进行打磨。
案例一:
本实施例提供了一种使用超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺制造液压杆支架立柱，液压杆支架立柱包括活柱和中缸。材质为27mnsi，粉末成分为316l
设备：6kw光纤耦合光纤激光器，光纤芯径为400μm；回转喷涂机床；输出光斑为10*2mm的矩形光斑中心送粉激光头，送粉机构，送粉器。
工艺流程：
a、将活缸和中缸安装在车床上进行粗车处理，粗车厚度为0.6mm；
b、对粗车后的活缸和中缸进行来料ccd检测，看表面有无开口性缺陷；
c、将通过来料检验的活缸和中缸安装在激光喷涂回转机床上，使用超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺对工件进行喷涂加工；激光器功率为6kw，扫描速度2800mm/min，送粉量为68g/min。
d、对喷涂完的工件进行精磨加工。
最终工件表面的涂层厚度为240μm,基体稀释率＜2％，涂层硬度为44hrc。
案例二:
本实施例提供了一种使用超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺制造汽车离合器片时，基体材质为q235，粉末为ni60a；
设备：6kw半导体光纤耦合激光器，光纤芯径为800μm；6轴机器人加工系统；输出光斑为10*2mm的矩形光斑中心送粉激光头，送粉机构，送粉器。
工艺流程：
a、将离合器片安装在铣床上进行粗铣处理；
b、对粗铣后的离合器片进行来料ccd检测，看表面有无开口性缺陷；
c、将通过来料检验的离合器片安装在6轴机器人加工系统上，使用超音速矩形光斑中心送粉激光喷涂工艺对工件进行喷涂加工；激光器功率为6kw，扫描速度3000mm/min，送粉量为54g/min；
d、对喷涂完的工件进行精磨加工。
最终工件表面的涂层厚度为200μm,单道宽度为10mm，基体稀释率＜2％，涂层硬度为59.5hrc。
综上所述，本发明能够实现高速、高效、高质量涂层的制备。根据上述技术方案，在矩形光斑中心送粉激光喷涂过程中，粉末颗粒从送粉管内出来后很快就与激光相遇，因此在到达基体前就能够被激光所加热熔化并加速，以较高的速度撞击到微熔的基体表面形成涂层。因此可以大幅度提高喷涂效率，而且还能够实现涂层间的冶金结合，增加涂层的寿命；此外粉末与激光的作用时间较长，因此粉末利用率较高；由于基体稀释率极低，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，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实施例进行多种变化、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限定。