一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置及方法与流程

本发明属于金属零件再造加工技术领域，涉及一种利用激光的零件再造修复装置，具体涉及一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置及方法。

背景技术：

金属零件再制造的方法主要有，电弧堆焊修复技术、热喷涂修复技术、电刷镀修复技术、激光熔覆修复技术等。采用电弧堆焊修复技术当两种金属熔点，导热系数差别较大时，焊接热影响区宽大，焊缝质量较差，产生较大的焊接应力与变形；采用热喷涂方法时涂层和基体难以形成冶金结合，使用过程易剥落。

激光熔覆技术是利用高能量密度的激光束将待加工件表面涂层熔化形成与基体具有冶金结合的熔覆层，以提高工件表面性能的工艺。激光熔覆技术具有熔覆层组织均匀细密，热影响区小，稀释率低，结合强度高，熔覆层成分多样等优点，在航空航天、汽车领域铁基金属零件再制造过程中有广阔的应用前景。

然而，激光熔覆技术也存在一些缺点，比如激光加工设备昂贵、熔覆层易产生裂纹等。增加感应加热熔覆技术对基材进行预热处理，降低熔覆层的冷却速度及与基材表面间的温度梯度，可以弥补单纯激光熔覆能量不足及热源分布不利的缺点，易于形成冶金结合，是消除裂纹简便有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置及金属零件再造方法，以解决大型复杂曲面零件的再制造技术问题，该方法的熔覆层产生气孔与裂纹的几率大幅降低，表面质量得到提高。本发明提供的实现装置通用性强，感应熔覆和激光熔覆同步进行，可实现点式连续移动。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置，包括六自由度执行机构、激光器、电磁感应加热器、喷粉器和工作台，其特征在于：所述工作台用于放置待加工的工件，所述喷粉器用于往待加工的工件表面喷洒金属粉末，所述激光器安装于六自由度执行机构的末端，所述激光器用于产生高能激光对置于工作台上工件表面金属粉末进行熔覆，所述电磁感应加热器包括感应线圈和给感应线圈供电的感应电源，所述感应线圈采用空心金属管制成，空心金属管内通冷却水进行冷却，所述感应线圈安装于激光器下方，用于在工件表面金属粉末产生涡流电进行辅助熔覆。

作为改进，所述感应线圈由方形铜管制成，方形铜管在底部绕城一匝形成感应线圈，方形铜管底部的一匝设有供激光通过的通道。

作为改进，所述方形铜管通过固定铜片固定安装在激光器底部，所述固定铜片上设有给激光器吹高压气体的保护气管，保护气管另一端接高压气源或者保护气泵。

作为改进，所述工作台为数控自动翻转台。

作为改进，所述感应线圈底部设有聚磁的u型铁芯，所述u型铁芯中部设有供激光通过的小孔。

作为改进，所述u型铁芯由锌锰合金材料制成。

一种利用上述电磁辅助激光同步熔覆装置进行金属零件再造的电磁辅助激光同步熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待修复工件置于工作台；

步骤2、利用喷粉器在待修复工件表面喷洒修复用的金属粉末；

步骤3、启动激光器和电磁感应加热器，利用六自由度执行机构带动激光器和电磁感应加热器移动对工件表面金属粉末进行熔覆修复；

步骤4、熔覆结束后，待工件冷却后进行打磨处理，完成金属零件再造。

作为改进，所述感应线圈由方形铜管制成，在步骤3中熔覆过程中，在方形铜管内通冷却水，防止方形铜管过热。

作为改进，在步骤3熔覆过程中，在激光器下方设置保护气管，在保护气管另一端设置保护气泵，利用保护气泵供给高压气体吹走飞溅物以保护激光镜头。

作为改进，在步骤3熔覆过程中，先通过电磁感应加热器对工件进行预热，保持稳定的预热温度，然后利用激光器进行熔覆。

本发明的有益效果：

1、上述方案实现了零时差的电磁辅助激光熔覆，提高了熔覆加工的效率，感应线圈位于激光加工方向的前端，且加热范围较大，可以实现对基材和铺粉的预热处理，降低了熔覆层的冷却速度及与基材表面间的温度梯度，是获得无裂纹、无气孔涂层的简便有效方法。

2、感应磁场的作用能够改变激光熔池内的溶体对流和传质过程，有助于合金元素的扩散而促进碳化物的生成。磁场中洛伦兹力能够抑制金属溶体朝垂直于磁场的方向运动，并改变溶体的运动方向，均匀化学成分，优化涂层微观组织，进而改善涂层的力学性能。在合理的激光和感应工艺参数的配合下，断续现象和表面波纹状形貌得以明显改善。

3、本发明的作为辅助加热器的感应线圈和激光器集成在一个加工装置上，结构简单，不需要两个分开装置的运动合成，且感应线圈为微小平面作用式，不同于大多数专利中的环形感应线圈，通过执行装置可以实现点式的连续运动，适合金属零件曲面的增材制造。

4、本发明将激光器与高频电磁感应加热器耦合在一起，实现了激光感应同步熔覆，弥补了单纯激光熔覆热源分布不利，温度梯度变化过大易产生裂纹等缺点。装置包括六自由度执行机构、激光器、高频感应加热器、翻转工作台和冷却装置。本发明装置集成在六自由度执行机构上，结构简单，通用性强，可在空间上对大型模具复杂曲面进行激光感应同步熔覆高性能材料涂层的表面处理。采用预先铺粉或喷粉的方式，实现激光熔覆感应同步加热，粉末在感应预热后再在激光束的作用下发生熔化，形成硬度耐磨性更好的合金层。熔覆速率快，粉末利用率高，适用的熔覆材料范围广，包括各种耐磨耐蚀材料，耐高温氧化材料或复合材料，适用的熔覆表面几何形状多样，可用于车身模具，车用前轴模具等铁基金属零件的修复与再制造。

附图说明

图1为本发明的电磁辅助激光同步熔覆装置结构示意图.

图2为激光器和感应线圈组合结构示意图。

图3为感应线圈结构图。

图4为感应线圈立体图。

附图标记：1-六自由度执行机构，2-激光电源，3-感应电源，4-水槽，5-水泵，6-激光器，7-感应线圈，8-u型铁芯，9-待加工模具，10-数控自动翻转台，11-保护气泵，12-方形铜管，13-固定铜片，14-同轴电缆，15-小孔，16-保护气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

如图1至图4所示，一种用于金属零件再制造的电磁辅助激光同步熔覆装置，其主要由六自由度执行机构1、激光器6、激光电源2、感应线圈7、感应电源3、喷粉器、数控自动翻转台10、工件夹具、水槽4、水泵5和保护气泵11组成。所述六自由度执行机构1可以是机器人、机器手臂或者六自由度机床，其末端可以在一定范围的三维空间内任意移动，具体的一种实施例可以采用六轴机器人；所述激光器6固定在六自由度执行机构1的末端，激光器6通过电线与激光电源2相连，激光器6底部设有用于固定感应线圈7的侧边支架，本实施例中，侧边支架为固定铜片13制成，侧边支架上固定作为保护气管16的塑料气管与保护气泵11相连，感应线圈7通过绝缘螺栓固定在侧边支架底部且位于激光器6正下方；所述激光电源2和感应电源3摆放在六自由度执行机构1旁边，与电源柜相连；所述感应线圈7固定在激光器6正下方，感应线圈7由方形铜管12制成，并在下部绕成一匝，u型铁芯8固定在感应线圈7底部，用于聚磁，使得感应线圈7在其正下方的金属工件表面产生涡流，从而导电辅助熔覆的目的，u型铁芯8上有一供激光通过的小孔15；所述喷粉器为一单独装置，可以将粉末与粘结剂混合喷到待加工表面，喷粉器具体形状和型号不限，采用现有技术中成熟产品，只要能把金属粉末铺摊在金属工件表面即可；所述数控自动翻转台10置于激光器6下方，用以固定工件和调整位姿，数控自动翻转台10上设有用于夹持工件的工件夹具(图中未画出)；所述水泵5放在水槽4中，水泵5通过塑料软管与方形铜管12的一端相连；所述水槽4里装满了冷却水，水泵5抽水注入感应线圈7铜管的一端，另一端出水回到水槽4中，对方形铜管12形成循环冷却；所述保护气泵11产生高压气体在激光器6下部吹走飞溅物以保护激光镜头。

本发明实施例中，数控自动翻转台10采用现有技术中的常规翻转工作台，台面主要由两个电机带动，待再制造零件固定在其上，可以进行正负90度的角度调整，以满足大型模具复杂曲面熔覆的位姿需要(当然对于板式规则零件无需翻转功能，无需自动翻转，亦可完成零件熔覆)。

所述感应线圈7与感应电源3之间采用同轴电缆14连接，感应电源3提供的是10-40khz感应电流，u型铁芯8主要由锌锰合金材料制成，用于聚集磁场。

感应线圈7是用方形紫铜管焊制而成，中空通冷却水，单匝形式，两端分别接有冷却水管和电缆，感应线圈7固定在激光器6正下方，激光束可以通过磁铁上的小孔15照射到预制层上。

本发明方法采用以下步骤实现：

(1)在数控自动翻转台10上利用工件夹具固定好待加工件，根据要加工的型面位置，调整好数控自动翻转台10的位姿，使待加工面处于加工行程范围内。

(2)根据所要求处理模具的表面硬度、耐磨等特性选择适合的材料例如ni60，将合金粉末和粘结剂混合均匀喷到待加工表面上，预制层粉末厚度一般在0.5mm到1mm之间。

(3)根据材料种类、曲面几何特征参数等，预置好感应电源3频率参数，一般为10-40khz；选定好激光电源2功率，一般为2-4kw；选定熔覆速度，一般为2-5mm/s；选定感应线圈7与粉末间隙，一般在0.5-2mm；设定完工艺参数。

(4)调整执行机构初始位置，在六自由度执行机构1的数控系统中输入六轴伺服机构运动参数和指令。

(5)启动本装置，在数控系统控制下，顺序进行水泵5启动供液、保护气泵11启动、感应电源3启动、激光电源2启动、六自由度执行机构1的各伺服电机开始运动，逐步完成表面各点的加热熔覆过程，直至激光感应加热器的路径连续覆盖整个被处理表面。

本发明提供了一种金属零件再制造激光感应同步熔覆方法，该方法实现了激光感应同步熔覆的优势，利用复杂空间曲面熔覆装置，根据被处理零件的材料品种和预计达到的性能，以点式连续移动方式实现零件表面的激光感应同步熔覆增材制造，特别适合大型模具复杂型面的失效修复。

以上所述是本发明的一般实施过程，应当指出的是，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出改进和变形型，上述假设的改进和变型也应视为本发明的保护范围。