一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置、系统及方法

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置、系统及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.激光熔覆是一种表面改性技术，又叫激光熔敷或激光包覆。激光熔覆通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。
4.具体来说，激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
5.然而，激光熔覆是一个快速加热、快速冷却凝固的过程，熔覆材料与基体材料的热物性差异导致熔覆材料与基材之间形成很大的温度梯度差，使得在熔覆层中容易形成裂纹、气孔等不良缺陷。为了改善这种不良缺陷，需要借助电磁场辅助装置来细化和均匀激光熔覆层组织，减少激光熔覆过程中的应力集中现象，增强粘结材料与熔覆材料的结合强度，在一定程度上改善激光熔覆层中的裂纹、气孔等缺陷。
6.现有激光熔覆工艺中，激光头作用为发射激光，是粉末熔化为金属液体，覆盖于基体零件表面上，形成强化涂层，但是现有的电磁场辅助装置通常安装在待熔覆工件两侧，不能保证物理场均匀分布于工件各个位置，会产生粉末与金属基体结合不好，会产生气孔、裂纹等缺陷，无法适用于大尺寸的待熔覆工件，影响熔覆效率和质量。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置、系统及方法，将电磁场发生装置集成于激光头上，在激光器发射激光时，同时产生电磁场，使得整个激光熔覆过程一直处于电磁场环境中，以解决现有技术中的激光熔覆技术无法适用于大尺寸工件，熔覆作用力不好的问题，提高了激光熔覆的效率，提高了对于待熔覆工件的有效性和聚集性。
8.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置，包括用于固定激光器和磁场发生单元的夹持单元和用于夹持待熔覆实验工件的夹具，所述夹持单元设置于所述夹具的上方；
10.所述夹持单元包括用于固定激光器的上护板、套筒和用于固定磁场发生单元的下护板，所述上护板和所述下护板为圆环结构，所述套筒内部为中空设置，且所述套筒的顶部
和底部分别设置有通孔；
11.所述上护板水平设置于所述套筒的顶部，所述下护板水平设置于所述套筒的底部；所述上护板、所述套筒和所述下护板为同轴设置。
12.通过采用上述技术方案，下护板可以连接不同的磁场发生单元，且产生的磁场在熔覆过程中能够同步跟随激光移动，辅助调控熔覆，适用于大尺寸工件的激光熔覆。
13.进一步的，所述上护板的内圆直径与所述激光器的环形槽的直径相等，所述下护板的内圆直径与所述激光器的最小直径相等。
14.通过采用上述技术方案，能够将激光器稳定的固定于夹持单元内部。
15.进一步的，所述上护板由第一护板和第二护板组成，所述第一护板和所述第二护板的结构相同，均为半环形结构；
16.所述第一护板和所述第二护板之间通过螺栓连接。
17.通过采用上述技术方案，能够便捷的实现激光器的安装。
18.进一步的，所述上护板的内圆直径大于所述下护板的内圆直径。
19.通过采用上述技术方案，实现上护板、套筒和下护板之间结构的匹配，保证在移动过程中结构的稳定。
20.第二方面，本发明提供了基于同步电磁场的激光熔覆系统；
21.基于同步电磁场的激光熔覆系统，包括上述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置、激光器和磁场发生单元；
22.所述磁场发生单元设置于下护板的底部，所述激光器依次穿过上护板、套筒和下护板，且上护板与所述激光器的环形槽卡接，下护板与所述激光器的激光头卡接。
23.进一步的，所述磁场发生单元为永磁体，所述永磁体的数量为多个，且所述永磁体沿所述下护板的环周侧均匀分布；
24.所述永磁体之间的间距大于所述下护板的内圆直径，所述激光器的激光头位于所述永磁体之间。
25.进一步的，所述磁场发生单元包括电磁线圈和交流电源，所述电磁线圈与所述交流电源电连接；
26.所述电磁线圈设置于所述下护板的环周侧，所述电磁线圈之间的间距大于所述下护板的内圆直径，所述激光器的激光头位于所述电磁线圈之间。
27.第三方面，本发明提供了基于同步电磁场的激光熔覆方法，基于上述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置或上述的同步电磁场的激光熔覆系统，包括如下步骤：
28.s1、将待熔覆实验工件放入夹具夹紧，将激光器固定于夹持单元，调整激光器与待熔覆实验工件的位置；
29.s2、将磁场发生单元固定于夹持单元，根据熔覆需求，调节激光器参数，开始熔覆；通过机械臂的配合，激光器和磁场发生单元同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
30.进一步的，所述步骤s2具体为：
31.根据熔覆需求，选择永磁体的规格并将永磁体固定于下护板，调节激光器参数，开始熔覆；
32.通过机械臂的配合，激光器和永磁体同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
33.进一步的，所述步骤s2具体为：
34.将电磁线圈固定于下护板，电磁线圈与交流电源连接，根据熔覆需求，调节激光器和交流电源的参数；
35.通过机械臂的配合，激光器和电磁线圈同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
36.本发明中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
37.1、本发明提供的技术方案，实现了辅助物理场和激光的同步运动，能够提升激光熔覆的效率、聚集性和有效性，熔覆作用力好，适用于大尺寸工件的熔覆；电磁场同步辅助激光熔覆技术的应用，可以实现对激光熔覆过程的精确控制，进一步拓展激光熔覆技术的应用范围和提高效率，对推动相关领域的技术发展和产业进步具有重要意义。
38.2、本发明提供的技术方案，能够便捷的进行辅助物理场的更换，且能够调控产生磁场的强度的大小，实用性更强。
39.3、本发明提供的技术方案，提高了涂层质量和性能，电磁场同步辅助激光熔覆技术可以控制熔池的深度和稳定性，从而提高涂层的质量和性能，这种技术可以控制金属熔池的形状和大小，从而获得均匀且紧密的涂层。此外，电磁场同步辅助激光熔覆技术还可以改善涂层的结构和组织，提高其耐磨性和耐腐蚀性。
40.4、本发明提供的技术方案，降低生产成本和提高生产效率；传统的激光熔覆技术需要高能量密度的激光来加热金属材料，从而增加了生产成本。而电磁辅助激光熔覆技术可以通过外部电磁场来控制金属材料的加热，从而减少激光的使用量，降低生产成本。此外，该技术还可以提高生产效率，因为它可以控制金属熔池的大小和形状，从而减少了涂层制备时间。
41.5、本发明提供的技术方案，实现了电磁场和激光的同步，能够应用于大尺寸工件的激光熔覆，保证大尺寸工件的涂层制备质量，而现有的激光熔覆技术中，辅助物理场设置在夹具两侧，当工件尺寸过大时，无法保证工件的整体结构全部都处在均匀的辅助物理场环境中，涂层质量无法保证。
附图说明
42.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
43.图1是本发明实施例提供的稳态磁场下的结构示意图；
44.图2是本发明实施例提供的稳态磁场下的剖视示意图；
45.图3是本发明实施例提供的稳态磁场下的仰视示意图；
46.图4是本发明实施例提供的交流磁场下的主视示意图；
47.图5是本发明实施例提供的交流磁场下的结构示意图；
48.图6是本发明实施例提供的基于同步电磁场的激光熔覆方法的流程示意图。
49.图中：1、激光器；2、上护板；3、套筒；4、下护板；5、待熔覆实验工件；6、夹具；7、永磁体；8、电磁线圈；9、导线；10、交流电源。
50.为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
51.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
52.实施例一
53.正如背景技术所介绍的，现有技术中的激光熔覆技术，熔覆作用力不足，无法适用于大尺寸工件，为了解决如上的技术问题，本发明提出了激光熔覆用同步电磁场辅助装置。
54.本发明实施例中记载了一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置，包括用于固定激光器1和磁场发生单元的夹持单元和用于夹持待熔覆实验工件5的夹具6，夹持单元放置于夹具6的上方。
55.夹持单元包括用于固定激光器1的上护板2、套筒3和用于固定磁场发生单元的下护板4，上护板2和下护板4为圆环结构，套筒3内部为中空设置，且套筒3的顶部和底部分别开设有通孔；上护板2水平安装于套筒3的顶部，下护板4水平安装于套筒3的底部；上护板2、套筒3和下护板4为同轴设置。
56.具体的，上护板2用于可住激光器1的环形槽，使得激光熔覆用同步电磁场辅助装置与激光器1固定在一起，上护板2与套筒3通过螺栓相连，套筒3罩住激光器1，套筒3底部通过螺栓与下护板4连接，下护板4底部用于固定磁场发生单元。夹具6为现有技术中的平口钳，本实施例并未对其结构做改进，在此不再赘述。
57.其中，上护板2的内圆直径大于下护板4的内圆直径，上护板2的内圆直径与激光器1的环形槽的直径相等，以便于和激光器1卡接，下护板4的内圆直径与激光器1的最小直径(即激光器1的激光头处的直径)相等。上护板2由第一护板和第二护板组成，第一护板和第二护板的结构相同，均为半环形结构；第一护板和第二护板之间通过螺栓连接。使用时，激光器1穿过第一护板，与第一护板卡接后，再将第二护板与第一护板通过螺栓连接。
58.实施例二
59.本实施例提供基于同步电磁场的激光熔覆系统，包括实施例一所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置、激光器1和磁场发生单元，磁场发生单元安装于下护板4的底部，激光器1依次穿过上护板2、套筒3和下护板4，且上护板2与激光器1的环形槽卡接，下护板4与激光器1的激光头卡接。
60.结合图1-图3，本实施例中，磁场发生单元为永磁体7，永磁体7的数量为2个，且永磁体7沿下护板4的环周侧均匀分布，用于产生稳态磁场，并且通过更换不同规格的永磁体可调控产生磁场的强度大小；永磁体7之间的间距大于下护板4的内圆直径，激光器1的激光头位于永磁体7之间。
61.结合图4-图5，进一步的，在一些实施例中，磁场发生单元包括电磁线圈8和交流电源10，电磁线圈8与交流电源10通过导线9电连接，用于产生交流磁场；电磁线圈8安装于下护板4的环周侧，电磁线圈8之间的间距大于下护板4的内圆直径，激光器1的激光头位于电磁线圈8之间。
62.实施例三
63.结合图6，本实施例提供了基于同步电磁场的激光熔覆方法，基于实施例一所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置或实施例二所述的同步电磁场的激光熔覆系统，包括如下
步骤：
64.s1、将待熔覆实验工件5放入夹具6夹紧，将激光器1固定于夹持单元，调整激光器1与待熔覆实验工件5的位置；
65.s2、将磁场发生单元固定于夹持单元，根据熔覆需求，调节激光器1参数，开始熔覆；通过机械臂的配合，激光器1和磁场发生单元同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
66.具体的，根据熔覆需求，选择永磁体7的规格并将永磁体7固定于下护板4，调节激光器1参数，开始熔覆；激光器1发射激光，下护板4中的永磁体7产生电磁场，使得整个熔覆过程一直处于电磁环境中，以此实现电磁场同步辅助激光熔覆。
67.通过机械臂的配合，激光器1和永磁体7同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
68.进一步的，在一些实施例中，所述步骤s2具体为：
69.将电磁线圈8固定于下护板4，电磁线圈8与交流电源10连接，根据熔覆需求，调节激光器1和交流电源10的参数；激光器1发射激光，下护板4中的电磁线圈8产生电磁场，使得整个熔覆过程一直处于电磁环境中，以此实现电磁场同步辅助激光熔覆。
70.通过机械臂的配合，激光器1和电磁线圈8同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。
71.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置，其特征在于，包括用于固定激光器和磁场发生单元的夹持单元和用于夹持待熔覆实验工件的夹具，所述夹持单元设置于所述夹具的上方；所述夹持单元包括用于固定激光器的上护板、套筒和用于固定磁场发生单元的下护板，所述上护板和所述下护板为圆环结构，所述套筒内部为中空设置，且所述套筒的顶部和底部分别设置有通孔；所述上护板水平设置于所述套筒的顶部，所述下护板水平设置于所述套筒的底部；所述上护板、所述套筒和所述下护板为同轴设置。2.如权利要求1所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置，其特征在于，所述上护板的内圆直径与所述激光器的环形槽的直径相等，所述下护板的内圆直径与所述激光器的最小直径相等。3.如权利要求1所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置，其特征在于，所述上护板由第一护板和第二护板组成，所述第一护板和所述第二护板的结构相同，均为半环形结构；所述第一护板和所述第二护板之间通过螺栓连接。4.如权利要求1所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置，其特征在于，所述上护板的内圆直径大于所述下护板的内圆直径。5.基于同步电磁场的激光熔覆系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置、激光器和磁场发生单元；所述磁场发生单元设置于下护板的底部，所述激光器依次穿过上护板、套筒和下护板，且上护板与所述激光器的环形槽卡接，下护板与所述激光器的激光头卡接。6.如权利要求5所述的基于同步电磁场的激光熔覆系统，其特征在于，所述磁场发生单元为永磁体，所述永磁体的数量为多个，且所述永磁体沿所述下护板的环周侧均匀分布；所述永磁体之间的间距大于所述下护板的内圆直径，所述激光器的激光头位于所述永磁体之间。7.如权利要求5所述的基于同步电磁场的激光熔覆系统，其特征在于，所述磁场发生单元包括电磁线圈和交流电源，所述电磁线圈与所述交流电源电连接；所述电磁线圈设置于所述下护板的环周侧，所述电磁线圈之间的间距大于所述下护板的内圆直径，所述激光器的激光头位于所述电磁线圈之间。8.基于同步电磁场的激光熔覆方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的激光熔覆用同步电磁场辅助装置或权利要求5-7任一项所述的同步电磁场的激光熔覆系统，包括如下步骤：s1、将待熔覆实验工件放入夹具夹紧，将激光器固定于夹持单元，调整激光器与待熔覆实验工件的位置；s2、将磁场发生单元固定于夹持单元，根据熔覆需求，调节激光器参数，开始熔覆；通过机械臂的配合，激光器和磁场发生单元同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。9.如权利要求8所述的基于同步电磁场的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：根据熔覆需求，选择永磁体的规格并将永磁体固定于下护板，调节激光器参数，开始熔覆；
通过机械臂的配合，激光器和永磁体同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。10.如权利要求8所述的基于同步电磁场的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：将电磁线圈固定于下护板，电磁线圈与交流电源连接，根据熔覆需求，调节激光器和交流电源的参数；通过机械臂的配合，激光器和电磁线圈同步移动，完成熔覆加工，将熔覆基体取出。

技术总结
本发明公开了一种激光熔覆用同步电磁场辅助装置、系统及方法，属于激光熔覆技术领域。包括用于固定激光器和磁场发生单元的夹持单元和用于夹持待熔覆实验工件的夹具，夹持单元设置于所述夹具的上方；夹持单元包括用于固定激光器的上护板、套筒和用于固定磁场发生单元的下护板，上护板和下护板为圆环结构，套筒内部为中空设置，且套筒的顶部和底部分别设置有通孔；上护板水平设置于套筒的顶部，下护板水平设置于套筒的底部；上护板、套筒和下护板为同轴设置。能够产生不同的辅助物理场，且实现了辅助物理场和激光的同步运动，解决了现有的激光熔覆不适用于大尺寸工件且熔覆作用力不好的问题。好的问题。好的问题。


技术研发人员：杨勇 靳宗凯 孙读晟 韩凯
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/18