專利名稱：一種抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，具體地說是一種用于細化激光熔覆層微觀組織晶粒、抑制裂紋產(chǎn)生的輔助裝置，屬激光加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光熔覆是上世紀末隨著激光技術(shù)發(fā)展而興起的一種表面強化技術(shù)。它是在基材表面添加所需要的熔覆材料，利用高能密度激光束快速加熱，使熔覆材料和基底表層同時熔化，并通過基底的激冷作用來實現(xiàn)快速凝固，從而形成與基底呈現(xiàn)冶金結(jié)合、且稀釋率極低的表面涂層。因激光熔覆具有應(yīng)用靈活、耗能小、熱輸入量較低，引起的熱變形較小，不需要后續(xù)加工或加工量很小，減少公害等優(yōu)點，近十年來激光熔覆技術(shù)在材料表面改性方面受到高度的重視，在汽車制造工業(yè)、航空航天工業(yè)、石油、模具等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。激光熔覆技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢的同時也存在亟待解決的缺陷。首先，由于激光熔覆過程中基材與熔覆層的結(jié)合界面存在較大的溫度梯度，垂直于結(jié)合面方向存在快速凝固行為，組織特征為外延生長的粗大樹枝晶，不利于熔覆層的機械性能；其次，基材與熔覆粉末之間有熱膨脹系數(shù)的差異，亦導(dǎo)致快速凝固的過程中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，易引發(fā)熔覆層宏觀裂紋，在大面積熔覆過程中裂紋一旦產(chǎn)生，便會向后續(xù)搭接的熔覆層擴展，熔覆層表面的機械性能將大幅下降， 甚至會造成整個加工零件的報廢。因此，熔覆層的裂紋問題一直是制約該技術(shù)進一步走向工業(yè)化應(yīng)用的重要因素。經(jīng)對國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前在激光熔覆領(lǐng)域抑制和消除裂紋的主要方法有基體預(yù)熱和緩冷、向熔覆粉末中加入稀土元素、調(diào)整工藝參數(shù)等。上述方法中預(yù)熱和緩冷易受環(huán)境因素影響，添加稀土元素的方法同性較差，合適的工藝參數(shù)需通過大量的試驗來獲得，而且工藝參數(shù)與熔覆層內(nèi)的裂紋數(shù)目存在著復(fù)雜的關(guān)系，幾種工藝參數(shù)的變化都會對裂紋數(shù)量產(chǎn)生影響，有一定的局限性，不利于推廣使用。上海交通大學的鄧琦林、宋建麗等人在專利CN1737197A “激光熔覆成形金屬零件的裂紋控制方法”中提出了通過對激光熔覆成形熔池溫度的閉環(huán)控制和/或在成形過程中引入超聲振動，減少殘余熱應(yīng)力，抑制和消除裂紋。但該工藝提供的激振力較小，只能在一定程度上改善熔覆層質(zhì)量。 江蘇大學的周建忠、蔣素琴等人在專利CN101392382A “一種激光熔覆結(jié)合激光噴丸強化表面改性的方法和裝置”中提出了使用同軸送粉式快速軸流(X)2激光熔覆單元在基體表面熔覆一層涂層，然后用釹玻璃脈沖激光噴丸強化單元對熔覆層表面進行噴丸強化處理，利用測量反饋系統(tǒng)檢測熔覆層的表面粗糙度及其殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，通過中央控制及處理系統(tǒng)實現(xiàn)對涂層表面粗糙度和殘余應(yīng)力的精確控制，從而獲得性能優(yōu)異的高質(zhì)量的表面熔覆涂層。該工藝在基材表面激光熔覆一層高性能材料，進而對熔覆層激光噴丸處理，若無法消除激光熔覆過程中熔覆層內(nèi)溫度梯度及熱應(yīng)力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，抑制裂紋的萌生，則會導(dǎo)致熔覆層冷卻后產(chǎn)生表面裂紋，使后續(xù)的激光噴丸處理效果受到嚴重的影響，此工藝因此而產(chǎn)生局限性和制約性。振動應(yīng)用在金屬鑄件的歷史可以追溯到20世紀50、60年代，當時已有振動可能改變部分微觀結(jié)構(gòu)、改善力學性能、減少缺陷的觀點。這種觀點在對鑄造鋁合金和鋼的研究中得到了證實，凝固過程中的振動能量會破碎樹枝晶臂，使樹枝晶趨于均勻化。經(jīng)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)利用外加機械振動來細化晶粒和抑制或消除激光熔覆層裂紋的方法，用于配合激光熔覆工藝、改善激光熔覆層裂紋的輔助振動設(shè)備也未見報道。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，通過其為激光熔覆過程提供輔助機械振動，抑制和消除激光熔覆層成形裂紋，改善激光熔覆層顯微組織和性能。本實用新型的技術(shù)方案是抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，由電磁振動臺15和振動控制系統(tǒng)組成；電磁振動臺包括機體22、裝于機體中的電磁振動裝置、裝于電磁振動裝置上端的振動載物臺面8、裝于振動載物臺面8上的夾具裝置7、以及振動控制電路，振動控制電路為基于信號控制的供電電路(輸出電壓額電路可調(diào))；振動控制系統(tǒng)包括顯示器12、信號處理與控制裝置13、功率放大器11和振動感應(yīng)探頭9，顯示器12和信號處理與控制裝置13相連，信號處理與控制裝置13輸出端與功率放大器11相連，功率放大器11輸出端與電磁振動臺控制信號輸入端14相連，振動感應(yīng)探頭9與信號處理與控制裝置13的輸入端相連，功率放大器11上設(shè)有調(diào)節(jié)功率輸出的調(diào)節(jié)旋鈕10。所述電磁振動裝置包括鐵芯20、線圈19、以及位于它們之上的銜鐵21，鐵芯20固于機體22底座上，銜鐵21與振動載物臺面8底端相連。所述夾具機構(gòu)7為與振動載物臺面8螺紋配合的螺栓或固于其上的夾鉗機構(gòu)。所述振動臺的振動頻率為5(Γ400Ηζ、振幅為20 200 μ m,根據(jù)實際對象和需要，在給定范圍內(nèi)選擇。振動頻率和振幅的調(diào)整，可通過振動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。本裝置功率放大器為普通功率放大器，信號處理與控制裝置13為普通單片機(如8051單片機)或計算機，振動感應(yīng)探頭9為普通振動傳感器，顯示器12為普通液晶顯示器(用以顯示和監(jiān)測振動參數(shù))。本裝置用于激光熔覆工藝時，首先，對待熔覆基體進行預(yù)處理，將基體表面拋光和用丙酮進行清洗后，使用夾具裝置7將預(yù)處理后待熔覆的基體材料固定在振動臺的載物臺面8上，并將振動臺15置于數(shù)控運動臺16上；然后，啟動振動臺工作，顯示器12顯示信號處理與控制裝置13設(shè)定的工作臺振動參數(shù)值，信號處理與控制裝置的信號經(jīng)放大器11處理后經(jīng)振動臺的控制信號輸入端14輸入給振動臺的信號控制供電電路驅(qū)動振動臺振動，振動感應(yīng)探頭9從振動載物臺面8采集振動頻率和振幅信號，經(jīng)信號處理與控制裝置13處理后反饋即時振動臺的振動頻率和振幅，從而達到調(diào)節(jié)和控制振動參數(shù)的目的，整個過程為閉環(huán)控制。電磁振動臺15進入工作狀態(tài)后，將產(chǎn)生的振動通過振動載物臺面8傳遞經(jīng)夾具裝置7固定在其上的熔覆基體6，再使用側(cè)向同步送粉式二氧化碳激光熔覆設(shè)備，按普通激光熔覆表面處理工藝，在基體6表面制備激光熔覆層，通過振動臺15機械振動向熔池提供的激振力，將沿基體結(jié)合界面生長的初生樹枝晶網(wǎng)絡(luò)打碎，并分散到熔體的各個部位形成均勻分布的小晶核，改善表面熔池液態(tài)金屬的流動性，在基體表面形成微觀結(jié)構(gòu)均勻、裂紋和殘余應(yīng)力少的激光熔覆層5。本裝置可用于激光熔覆工藝過程中，為基體提供機械振動，對熔覆的金屬零件中裂紋進行控制，可抑制和消除殘余應(yīng)力和裂紋，獲得均勻的微觀結(jié)構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，可有效改善激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和性能等優(yōu)點，適用于金屬零件的激光熔覆成形及修復(fù)、以及激光熔覆表面強化等相關(guān)領(lǐng)域。

圖1本實用新型系統(tǒng)示意圖；圖2本實用新型電磁振動臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型電路原理框圖。圖中各標號依次為1-同步送粉噴嘴，2-合金粉末，3_0)2激光器激光頭，4-連續(xù)激光，5-激光熔覆層，6-熔覆基體，7-夾具裝置，8-振動臺臺面，9-振動感應(yīng)探頭，10-功率放大器調(diào)節(jié)旋鈕，11-功率放大器，12-顯示器，13-信號處理與控制裝置，14-控制信號輸入端，15-電磁振動臺，16-數(shù)控運動臺，17-同步送粉器，18-氬氣保護裝置。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步闡述，但本實用新型的保護內(nèi)容不限于所述范圍。實施例1 參見圖1、2、3，本抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，由電磁振動臺15和振動控制系統(tǒng)組成；電磁振動臺包括機體22、裝于機體中的電磁振動裝置、裝于電磁振動裝置上端的振動載物臺面8、裝于振動載物臺面8上的夾具裝置7、以及振動控制電路，振動控制電路為普通基于數(shù)字信號控制的可變功率輸出電路；振動控制系統(tǒng)包括顯示器12、信號處理與控制裝置13、普通功率放大器11和振動感應(yīng)探頭9，顯示器12和信號處理與控制裝置13相連，信號處理與控制裝置13輸出端與功率放大器11相連，功率放大器11輸出端與電磁振動臺控制信號輸入端14相連，振動感應(yīng)探頭9與信號處理與控制裝置13的輸入端相連，功率放大器11上設(shè)有調(diào)節(jié)功率輸出的調(diào)節(jié)旋鈕10。信號處理與控制裝置13為普通8051單片機，顯示器12為普通液晶顯示器，振動感應(yīng)探頭9為普通振動傳感器。電磁振動裝置包括鐵芯20、線圈19、以及位于它們之上的懸鐵21，鐵芯20固于機體22底座上，懸鐵21與振動載物臺面8底端相連。夾具機構(gòu)7為與振動載物臺面8螺紋配合的螺栓機構(gòu)。使用本裝置作為輔助振動設(shè)備，在尺寸為IOOmmX 40mmX 6mm的45鋼板材基體上， 進行meOCuMoW自熔性合金的激光熔覆。先預(yù)處理45鋼板基體6的表面，將其表面拋光后用丙酮清洗，使用夾具裝置7將預(yù)處理后的45鋼板基體6固定在電磁振動臺15的振動載物臺面8上，并將電磁振動臺15置于數(shù)控運動臺16上。然后啟動電磁振動臺15，在調(diào)整振動臺振動頻率為150Hz、振幅為100 μ m條件下，使用側(cè)向同步送粉式二氧化碳激光熔覆設(shè)備，按普通激光熔覆表面處理工藝，在基體表面制備激光熔覆層，由二氧化碳激光器激光頭 3將連續(xù)激光4照射在熔覆基體6的表面，并通過數(shù)控操作臺16的移動實現(xiàn)熔覆的掃描過程；同時，由同步送粉器17在氬氣保護裝置18提供高壓氬氣保護的情況下、經(jīng)同步送粉噴嘴1將合金粉末2噴在連續(xù)激光4的前端，從而在熔覆基體表面形成合金熔池；利用振動臺機械振動向熔池提供的激振力，將沿基體結(jié)合界面生長的初生樹枝晶網(wǎng)絡(luò)打碎，并分散到熔體的各個部位形成均勻分布的小晶核，改善表面熔池液態(tài)金屬的流動性，在基體表面形成微觀結(jié)構(gòu)均勻、裂紋和殘余應(yīng)力少的激光熔覆層5。[0020]整個熔覆過程中，所用激光功率為4kW、掃描速度為600mm/min、光斑形狀尺寸6mmX 5mm，采用單道送粉，送粉速率為8.5g/min。所用熔覆材料為熔點10 °C、平均粒度80 μ m的Ni60CuMoff自熔性合金粉末(質(zhì)量百分比組分Crl4 19%，Si3. 5 5· 0%，Β3. 0 4. 5%, CO. 5 1. 0%, Fe < 8. 0%, Cu2 4%，Mo2 4%，W2 3%，余量 Ni)。實施例2 參見圖1、2、3，本抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置與實施例1相同。調(diào)整振動頻率為400Hz、振幅為20μπι，按實施例1相同的方法，用于激光熔覆的工藝過程中，有效改善激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和性能。實施例3 參見圖1、2、3，本抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置與實施例1相同，夾具裝置7采用夾鉗結(jié)構(gòu)。調(diào)整振動頻率為50Hz、振幅為200 μ m,按實施例1相同的方法，用于激光熔覆的工藝過程中，能夠有效改善激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和性能。實施例4 參見圖1、2、3，本抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置與實施例1相同，信號處理與控制裝置13采用普通計算機(電腦)。調(diào)整振動頻率為250Hz、振幅為50 μ m，按實施例1相同的方法，用于激光熔覆的工藝過程中，能夠有效改善激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和性能。
權(quán)利要求1.一種抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，其特征在于由電磁振動臺(15)和振動控制系統(tǒng)組成；電磁振動臺包括機體(22)、裝于機體中的電磁振動裝置、裝于電磁振動裝置上端的振動載物臺面(8)、裝于振動載物臺面(8)上的夾具裝置(7)、以及振動控制電路，振動控制電路為基于信號控制的供電電路；振動控制系統(tǒng)包括顯示器(12)、信號處理與控制裝置(13)、功率放大器(11)和振動感應(yīng)探頭(9)，顯示器(12)和信號處理與控制裝置(13)相連，信號處理與控制裝置(13)輸出端與功率放大器(11)相連，功率放大器(11)輸出端與電磁振動臺控制信號輸入端(14)相連，振動感應(yīng)探頭(9)與信號處理與控制裝置(13)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，其特征在于電磁振動裝置包括鐵芯(20)、線圈(19)、以及位于它們之上的銜鐵(21)，鐵芯(20)固于機體(22)底座上，銜鐵(21)與振動載物臺面(8 )底端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，其特征在于夾具機構(gòu)(7) 為與振動載物臺面(8)螺紋配合的螺栓或固于其上的夾鉗機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，其特征在于振動控制系統(tǒng)的功率放大器(11)上設(shè)有調(diào)節(jié)功率輸出的調(diào)節(jié)旋鈕(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，其特征在于振動臺的振動頻率為5(Γ400Ηζ、振幅為20 "200 μ m0
專利摘要本實用新型涉及一種抑制激光熔覆層裂紋的振動裝置，屬激光加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。由電磁振動臺和振動控制系統(tǒng)組成；電磁振動臺包括機體、電磁振動裝置、裝于電磁振動裝置上的振動載物臺面、裝于振動載物臺面上的夾具裝置、以及振動控制電路；振動控制系統(tǒng)包括顯示器、信號處理與控制裝置、功率放大器、振動感應(yīng)探頭，顯示器和信號處理與控制裝置相連，信號處理與控制裝置輸出端經(jīng)功率放大器與電磁振動臺控制信號輸入端相連，振動感應(yīng)探頭與信號處理與控制裝置相連。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，用于激光熔覆過程中輔助高頻低振幅振動，可有效改善激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和性能等優(yōu)點，適用于金屬零件的激光熔覆成形及修復(fù)、以及激光熔覆表面強化等相關(guān)領(lǐng)域。
文檔編號C23C24/10GK202323028SQ201120422930
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉洪喜, 周榮, 張曉偉, 王傳琦, 蔣業(yè)華 申請人:昆明理工大學