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                          激光熱噴涂在線加熱裝置

                          2022-03-16

                          技術領域

                          本發明涉及一種激光熱噴涂金屬涂層的在線加熱裝置,特別是一種涉及加熱、溫度控制、三維數控和激光噴涂系統為一體的激光噴涂技術設計開發的新型同步加熱裝置。

                          背景技術

                          作為表面技術,激光熱噴涂是一種新型的表面處理技術,他利用高能量密度的激光束將基體表面熔化,同時以不同的送粉方式在待加工的工件表面上噴射選擇的涂層材料粉末,經激光輻射使其與基體表面層同時熔化,并快速過冷凝固后形成低稀釋率和高結合強度的金屬表面涂層。激光熱噴涂處理技術很好的改善了基材表面的耐磨、耐蝕、抗氧化等理化性能,從而達到了對基材表面的改性和修復目的,該技術既滿足了生產對材料特性的要求,又節省了大量的貴金屬資源,且穩定無污染。

                          目前,用于激光熱噴涂的激光設備主要是CO2激光器和固體YAG激光器兩種。由于鋁合金涂層具有良好的耐磨耐腐蝕性能,因此成為表面工程的重材料。鋁合金涂層在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷,而固體激光器尤其是碟片YAG激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個數量級,因而更適合鋁合金等涂層的激光熔覆。

                          盡管固體激光器較CO2激光器更適合加工鋁合金涂層,但是仍然無法克服激光熱噴涂鋁涂層產生的問題。激光熱噴涂技術在國內尚未完全實現產業化的主要原因是噴涂層質量的不穩定性。激光噴涂高達1012℃/s的加熱和冷卻的速度,加上鋁合金涂層的高線性熱膨脹系數23.21×10-6/℃,使得熔覆層和基體材料產生高溫度梯度,容易在涂層中產生氣孔、裂紋、變形和表面不平度等缺陷。

                          激光熱噴涂的開裂敏感性尤其是困擾國內外研究者的一個重大難題,也是工程應用及產業化的障礙,雖然已經對裂紋的形成擴進行了研究,但控制方法方面還不成熟。

                          發明內容

                          本發明的目的在于克服現有技術存在的上述問題,為適應激光噴涂技術的快速發展,提供一種可靠、穩定、連續、可控的激光噴涂在線加熱裝置。本發明是基于溫度的熱流力學原理結合熱累積效應,通過在線加熱方式減小材料溫度梯度、部分消除金屬涂層熱應力和組織應力,進一步改善激光熱噴涂涂層的質量穩定性。

                          本發明采用了以下技術方案:主要由智能溫控箱、連接線、履帶式陶瓷加熱器、三維數控工作臺和連接螺釘與夾具組成的可控在線加熱裝置。

                          本在線加熱裝置的智能溫控箱包括一臺溫控箱和電源連接線。該溫控箱使用單相220V電源,最大輸出功率10KW,可實現ON/OFF雙位開關控制;溫控箱可通過自身自動對P.I.D.常數進行測量、運算并自動進行設定功能實現自動整定;在溫度控制要求不高,待加工工件材料性能和實驗情況復雜時可使用溫控箱進行人工實時整定;溫控器同時具有值報警、偏差報警、上下線報警、范圍報警四種報警功能;溫控器最主要具有斜坡-保溫功能,可以按照預先設定的曲線,使設定值(SV)與時間一起變化。溫度表的設定值(SV)切換、運行(RUN)/待機切換、斜坡-保溫/RESET切換、自動整定啟動、報警鎖定接觸、定時器動作都通過數字量輸入控制。

                          本在線加熱裝置的連接線包括兩條規格為2*10mm2電纜、銅制接頭。每條電纜有兩端,每端各接有一個銅制接頭。電纜一端連接智能溫控箱的負載接口端,另一端連接加熱器。

                          在線加熱裝置的履帶式陶瓷加熱器包括一塊LCD型履帶式陶瓷電加熱片、陶瓷連接線、銅制接頭。該陶瓷加熱片選用優質鎳鉻合金絲纜,外套高純度氧化鋁陶瓷絕緣件制成的履帶式加熱器。它能根據工件形狀、尺寸制作,可以拼接、彎曲、纏繞緊貼工件加熱,表面最高溫度可達1050℃,陶瓷加熱片上加工有固定螺紋孔和夾具螺紋孔。陶瓷連接線為鎳鉻合金絲纜外套多節空心圓柱陶瓷絕緣件制成,兩根陶瓷連接線與加熱片相連作電源輸入輸出。陶瓷連接線另一端用接有銅接頭,可與電纜銅接頭靈活插拔。

                          在線加熱裝置的三維數控工作臺包括三維數控臺和一塊純銅基板組成。三維數控臺由兩種控制方式:計算機和控制手柄控制。數控臺Z軸軌道在X-Y面為固定結構。純銅基板通過螺釘固定在三維數控臺上,與數控臺同步進退。純銅基板上開有一個通線孔,將陶瓷連接線通過孔與電纜相連。

                          本發明與現有技術相比,結構簡單,操作方便,可設定加熱溫度、溫度升降斜率和保溫時間,控制代加工件的加工溫度梯度,能有效克服激光熱噴涂鋁涂層的裂紋敏感性、氣孔、熱變形等缺陷。

                          1.激光發射頭;2.陶瓷電加熱片;3.三維數控臺;4.數控臺Z軸軌道;5.純銅基板;6.銅制接頭;7.電纜;8.智能溫控箱;9.電源連接線;10.夾具螺紋孔;11.固定螺紋孔;12.陶瓷連接線

                          具體實施方式

                          如圖這種激光噴涂在線加熱裝置,主要包括激光發射頭1;陶瓷電加熱片2;三維數控臺3;純銅基板5;電纜7;智能溫控箱8。

                          其中,所述的激光發射頭1安裝在數控臺Z軸軌道4上根據工藝要求沿Z軸方向上下移動。陶瓷電加熱片2的四個角通過固定螺紋孔11用螺釘固定在純銅基板5上。待加工式樣通過夾具螺紋孔10用夾具固定在陶瓷電加熱片2上。陶瓷連接線通過銅制接頭6與電纜相連。電纜7接至智能溫控箱8的電源輸出端。智能溫控箱8通過電源連接線9連接電源供電。

                          開啟智能溫控箱8總開關開始操作及編制斜坡/保溫工藝曲線程序??刂戚敵鰺袅?,PV顯示當前實測溫度,SV顯示設定溫度,同時根據要求可設定溫度為自由升溫或按設定值升溫。自由升溫指加熱片進行自由溫度提升,提升斜率不可控制。按設定值升溫指加熱片按設定好的斜率進行線性升溫,一般選用設定值升溫,只有當高溫度設定值時,先進行自由升溫再設定斜率升溫。升溫后可設置保溫時間,必要時可暫停加熱。

                          當待加工工件通過陶瓷電加熱片2加熱至所需溫度,開始進行激光熱噴涂實驗。此時根據數控程序,三維數控臺3將按照要求進行空間移動。激光發射到工件表面,工件由于熱效應升溫。因為有了提前在線加熱過程,工件在加工初始階段溫升速度較慢,溫度梯度小,熱膨脹不明顯。加工過程中陶瓷電加熱片2處于保溫狀態。加工完畢時,同樣可設定加熱片降溫斜率,保持工件低溫度梯度降溫,從而大大減小工件殘余應力,減小熱變形。

                          具體實施例

                          開啟智能溫控箱8總開關開始操作及編制斜坡/保溫工藝曲線程序??刂戚敵鰺袅?,PV顯示當前實測溫度21℃,SV顯示設定溫度300℃,同時根據要求按設定值升溫,升溫斜率為5℃/min,工件加工時間10min,即設置300℃保溫時間為10min,設置降溫斜率10℃/min。加工時間結束時,工件由加工時的高溫狀態自由降溫至300℃時于加熱片的溫度曲線對接,相對地按照陶瓷加熱片的降溫斜率進行降溫。

                          如圖為未進行在線加熱與進行了在線加熱方式的激光熱噴涂鋁涂層表面和界面形貌對比。



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