[发明专利]静态磁场‑激光同轴复合熔覆方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种静态磁场-激光同轴复合熔覆方法及装置。 

背景技术

激光熔覆是一种通过在基体表面添加熔覆材料，并利用高能激光束使之与基体表面一起熔凝并形成冶金结合的技术。激光熔覆是一种先进的表面改性技术，同时也是激光三维制造和激光增量制造的基础。因此，激光熔覆层的性能将直接影响到材料表面性能和成型零件的整体性能。但激光熔覆同时也存在一些难以克服的缺点：如熔覆层中往往存在较大的残余应力，需要用后续热处理等手段进行改善；熔覆层表面容易出现不规则的起伏波纹，影响表面形貌；熔覆层中也容易残留夹杂、气孔、疏松等缺陷，成为潜在的裂纹源；如仅通过调节激光工艺参数难以有效控制熔覆层的凝固结晶过程。 

针对上述激光熔覆过程中存在的各类问题，国内外学者研究了利用磁场对激光所致熔池的影响，用以消除熔覆层的缺陷，获得理想的熔覆层综合性能。经对国内外公开发表的相关文献检索发现，国外的O.Velde等学者研究了在铝合金的表面合金化过程中，静态磁场形成的洛仑兹力影响了熔池中的Marangoni对流，进而改变合金化表面的溶质分布状态。Brian H等利用p-version LSFEM仿真技术分析了熔池的流场和热场，计算了熔池凝固过程中晶粒的生长和外加磁场之间的关系，发现随着静态磁场强度的增加，熔池的流速被明显减缓，从而导致晶粒生长形式上的变化。M.Bachmann等学者研究了用永磁铁提供的静态磁场和用电磁铁提供的交变磁场对铝合金深熔焊的影响，其结果表明静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。国内的刘洪喜等学者利用交变磁场细化了激光熔覆层的凝固组织，并利用旋转磁场（交变磁场）辅助激光熔覆制备了Fe60复合改性涂层。余圣甫等学者在焊接不锈钢时将旋转磁场装置放置于焊件的背面，获得了细化的焊缝金属晶粒，消除了焊接裂纹，提高了 焊接接头的强度。以上文献所公开的磁场-激光复合方法或装置未见静态磁场用于激光熔覆技术的研究，且部分磁场发生装置虽可与激光同步运动，但只适用于平板（带）、回转体等规则形状的零件，无法同时适用于轴类、板类、曲面类零件。 

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种静态磁场-激光同轴复合熔覆方法及装置，其中包含了该方法的实现步骤和磁场配套装置，实现磁场和激光的同轴同步耦合，达到调控熔覆过程的目的。 

本发明通过下列技术方案实现： 

静态磁场-激光同轴复合熔覆的方法，按以下步骤完成： 

（1）将待熔覆基体表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，然后将其通过夹具固定在工作台的合适位置。 

（2）所选励磁线圈一般为500～1000匝，通入1～5A直流电流，使励磁线圈内部的导磁铁芯上产生强度为0.2～1T的静态磁场。 

（3）将导磁铁芯的端面靠近基体表面，开启保护气、送粉器、激光器，执行熔覆程序，使熔覆区同时受到静态磁场的作用，磁场方向与基体表面垂直，并与激光束平行。由于高能激光束的作用，熔池内部发生强烈对流搅动，当导电流体的运动方向不与磁场方向平行时，即会产生与熔池对流方向相反的洛伦兹力，抑制熔池的流动，从而达到调控凝固组织、改善熔覆层表面形貌、优化应力分布、减少熔覆过程中的飞溅现象等目的。 

（4）所述激光熔覆的工艺为：光斑直径为4～6mm，送粉速度为0～20g/min，保护气体为氩气或氮气，气体流速为4～20L/h，激光功率为1～3kW，扫描速度为300～600mm/min。 

使用上述方法的专用装置，包括依次连接的激光发生器、激光传输通道、导磁铁芯、同轴送粉器，所述的导磁铁芯外设有励磁线圈，气体保护装置与激光传输通道相连，其中励磁线圈与导磁铁芯同轴组合，导磁铁芯与送粉器同轴组合，送粉器与激光传输通道同轴组合，激光发生器与激光传输通道可通过柔性光纤或飞行光路连接，熔覆基体置于工作台上，气体保护装置与激光传输通道相连。 

应当指出的是，上述提供的外加磁场装置，在有合适的电源配套时，也可提 供一定强度的交变磁场。在应用时可以优选一种合适的磁场附加方式和装置进行复合熔覆。 

本发明方法具有以下优点： 

（1）区别于交变磁场，本发明利用静态磁场对激光所致熔池流动的抑制作用，实现改善熔覆层表面形貌、优化应力分布、调控凝固组织、减少熔覆过程中的飞溅现象、减少缺陷数量等目的。