[发明专利]一种电‑磁复合场协同激光熔覆的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光制造技术领域，具体涉及一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法及装置。

背景技术

激光熔覆技术是指以采用不同的溶质元素或硬质相的添加方法，在基体表面添加熔覆材料，经过激光辐照后，使熔覆材料和基体表面同时熔化产生熔池，经过快速凝固形成低稀释率且与基体呈冶金结合的表面覆层。激光熔覆技术同时也是激光组合増材制造和激光3D打印技术的基础。激光熔覆具有的主要特点是:热输入和工件变形较小；熔覆层与基体呈冶金结合；熔覆材料消耗少，具有较好的性价比；熔覆过程容易实现自动化等优点。但激光熔覆同时也存在一些共性问题：

(1)激光工艺参数的调节只能改变熔覆层熔池的外部传热边界，无法控制熔池内部流体的运动方向，因此通过单纯调节激光工艺参数难以控制凝固层组织和性能的趋向性；

(2)在激光熔覆的快速凝固条件下，熔覆层极易形成形态、大小和方向各异的不均匀凝固组织，且熔覆层内的气孔和夹杂等微观缺陷往往难以及时排出而残留在熔覆组织中，严重影响了熔覆层的质量；

(3)在激光高能束的辐照作用下，熔覆层熔池发生强烈地搅动，造成溶质元素或硬质相无序分布，在单层激光熔覆过程中难以实现其分层或梯度控制。

针对上述问题，国内外学者尝试着利用外加磁场来对激光焊接和熔覆过程进行了调控。M.Bachmann等学者研究了利用永磁铁提供的稳态磁场和用电磁铁提供的交变磁场对铝合金深熔焊过程的影响。研究结果表明稳态磁场可抑制熔池的对流，进而改善焊缝的截面和表面形貌，抑制焊接过程中的飞溅现象，而交变磁场影响了焊缝熔池上下表面的压强分布，可优化焊缝质量。国内刘洪喜等人采用附加旋转磁场的方法得到了晶粒较细化的熔覆层，并研究了旋转磁场条件下熔覆层柱状树枝晶向等轴晶转化的机理。

在单纯稳态磁场作用下，由于洛伦兹力方向始终与熔池流动方向相反，因此单纯稳态磁场只能对熔池流动起抑制作用，对熔池运动的方向性无明显作用。旋转磁场在熔池中所形成的交变洛伦兹力无法在熔池内部形成单向的体积力，无法对熔池流动产生趋向性影响，只能起到均匀化组织的作用。因此，现有的单纯磁场对激光熔覆过程的调控形式单一且调控能力有限，本发明的提出将有效解决上述问题。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法及装置，通过改变外加磁场和电场的强度、方向和频率，对所形成的洛伦兹力进行有效控制，以实现对熔覆层熔池传热传质行为的有效控制，达到调控凝固组织、优化工件力学性能，调整溶质元素或外加硬质相分布、改善熔覆层表面形貌等目的。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种电-磁复合场协同激光熔覆的方法，包括如下步骤：

(1)对待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥进行预处理，工件夹持器安装在待熔覆基体两端，工件夹持器通过导线与低压大电流电源连接；

(2)布置永磁铁或励磁装置，使熔覆区域内产生0.2～1T的静态或交变磁场；(3)通保护气，开启送粉器、激光器，执行熔覆程序；同时，开启低压大电流电源，电流大小为100～1000A，电压为2～12V；

(4)激光熔覆工艺为：光斑直径约为1～6mm，送粉速度为2～40g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为2～15L/h，激光功率为0.5～5kW，扫描速度为200～1000mm/min。

一种电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光器、激光传输通道、送粉头、待熔覆基体和磁场发生装置，所述待熔覆基体两端安装有工件夹持器，两个工件夹持器分别通过导线与低压大电流电源连接。

作为优选，所述磁场发生装置为永磁铁，永磁铁布置在待熔覆基体两侧或底部。

作为优选，所述磁场发生装置为励磁装置，励磁装置与激光传输通道同轴装配，送粉头与激光传输通道同轴组合。

本发明由于采用了以上的技术方案，具有下述优点：

(1)克服了单一磁场作用下，无法控制熔池对流趋向性的缺陷，通过调节电-磁复合场的不同协同方式，配合合适的激光工艺参数，可实现熔覆层组织、溶质元素、硬质相和性能的选区定制强化；

(2)由于外加电场的引入，大大提高了单纯磁场对激光所致熔池的作用力和作用效率；

(3)附加电场所需的大电流的获取和控制相对强磁场来说要容易且廉价得多，而且电-磁复合场的协同可实现洛伦兹力的方向、大小、和频率的灵活调控。

附图说明

图1是实施例1的装置结构示意图；