本發明屬于先進制造技術領域，具體涉及一種磁控激光熔覆成形設備與方法。

背景技術：

金屬材料的熔覆成形技術往往是采用金屬材料熔化沉積而實現，相比于傳統的等離子、電弧等熔覆技術，激光熔覆技術由于具有加熱冷卻速率快、熱影響區小、熱變形小等一系列優點，廣泛應用于材料表面改性、修復強化等技術領域，同時也是激光三維制造和激光增材制造的基礎。

熔覆成形層的性能將直接影響到材料表面性能和成形零件的整體性能，然而僅僅依靠單一載能束很難得到沒有缺陷或者缺陷較少的熔覆成形層，例如激光熔覆技術冷卻速度過快則會導致裂紋、氣孔以及成分偏析等缺陷，這些缺陷僅僅通過調節工藝參數很難得到有效的控制。

針對上述激光熔覆過程中存在的各類問題，國內外學者研究了外加磁場對激光熔池的影響，用以消除熔覆層的缺陷，提高熔覆層綜合性能。外加磁場的形式主要包括靜態磁場、交變磁場以及旋轉磁場。

靜態磁場（如中國專利文獻CN103741138A）只能在特定方向上起到作用，從而存在較大的局限性。交變磁場（如中國專利文獻CN102703898A）對激光熔池的作用范圍有限，無法實現磁場對熔池的攪拌作用。旋轉磁場（如中國專利文獻CN102703897A）能夠在多個方向上起到作用，適用范圍較廣。

但是現有文獻公開的旋轉磁場存在磁場強度分布不均勻、磁場參數難以有效調節、穩定性較差、散熱難等問題，從而導致成形效率低，無法應用于零件的直接快速堆積成形或者增材制造成形。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術中的旋轉磁場存在的問題，提供一種磁場強度分布均勻、能夠有效調節工藝參數、穩定性較好的磁控激光熔覆成形設備與方法。

實現本發明上述目的的技術方案是：一種磁控激光熔覆成形設備，包括激光熔覆裝置、旋轉磁場發生裝置以及工作平臺；所述激光熔覆裝置包括激光器、送粉裝置、惰性氣體保護裝置、機器人以及用于控制所述機器人運動的第一控制柜；所述旋轉磁場發生裝置包括環形殼體、安裝在所述環形殼體內的呈一體件的三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路、圍繞在所述三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路上的勵磁線圈以及用于控制所述勵磁線圈中的電流和頻率的第二控制柜；所述工作平臺包括橫向平臺、設置在所述橫向平臺上方的縱向旋轉平臺、設置在所述縱向旋轉平臺上方的零件熔覆成形平臺、用于支撐所述環形殼體的空心支架以及用于控制所述零件熔覆成形平臺的三維及旋轉運動的第三控制柜；所述三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路中間設有適于所述縱向旋轉平臺穿過的通路，所述零件熔覆成形平臺通過該通路置于所述環形殼體內。

所述激光器為同軸送粉的Nd∶YAG固體激光器；所述惰性氣體保護裝置中的惰性氣體為氬氣；所述機器人為六自由度機器人。

所述環形殼體為鋁合金環形殼體；所述第二控制柜為低頻交變電源控制柜。

為了解決現有技術中的旋轉磁場散熱難的問題，上述磁控激光熔覆成形設備進一步包括冷卻系統；所述冷卻系統包括冷卻水源、冷卻水管路以及用于監測和控制冷卻水的流量和溫度的第四控制柜；所述冷卻水管路包括設置在所述冷卻水源與所述環形殼體之間的第一管路以及設置在所述冷卻水源與所述橫向平臺之間的第二管路；所述環形殼體和所述橫向平臺上均設有進水口和出水口；所述環形殼體、橫向平臺、縱向旋轉平臺以及零件熔覆成形平臺均為設于冷卻水流動的空心結構。

采用上述設置進行磁控激光熔覆成形的方法，具體如下：將待熔覆的基體固定在零件熔覆成形平臺上，啟動激光器進行激光熔覆成形，同時向三組勵磁線圈中通入三相交流電以形成磁場；激光熔覆成形過程中，通過第一控制柜控制機器人帶動激光器按照設定的熔覆成形路徑在基體上進行激光熔覆成形；同時，通過第二控制柜控制勵磁線圈中的電流以及頻率以控制旋轉磁場的強度及轉速，在熔池水平面上產生均勻旋轉磁場，使熔池持續受到磁場力的攪拌作用；同時，通過第三控制柜控制零件熔覆成形平臺的三維及旋轉運動。

進一步地，在激光熔覆成形過程中，將冷卻水源中的冷卻水通過冷卻水管路通入環形殼體以及橫向平臺、縱向旋轉平臺、零件熔覆成形平臺中，并由第四控制柜監測和控制冷卻水的流量和溫度。

本發明具有的積極效果：（1）本發明的磁控激光熔覆成形設備與方法通過設置能夠進行三維及旋轉運動的工作平臺以及采用特殊結構的旋轉磁場發生裝置，從而能夠確保在水平方向上產生更加均勻穩定的旋轉磁場，同時通過控制勵磁線圈的電流和頻率能夠實時控制磁場強度及轉速，實現與激光工藝參數的最佳匹配，可以調控零件進行逐層堆積過程中熔池金屬流動，打破枝晶、增加形核質點、細化晶粒并減小溫度梯度，從而能夠細化熔覆層內部組織，改善甚至消除熔覆層中裂紋、偏析、氣孔等缺陷，明顯提高熔覆層質量，從而使每層熔覆組織具有最佳性能。（2）本發明的磁控激光熔覆成形設備與方法利用冷卻系統對熔覆過程中的零件進行散熱，避免了已堆積層因過熱而造成的塌陷、變形等問題，從而保證了逐層堆積的順利進行；而且通過對磁場的冷卻，可保證電磁設備能夠長時間運行，因此能夠大大提高零件的熔覆成形效率。

附圖說明

圖1為本發明的磁控激光熔覆成形設備示意圖。

圖2為圖1中的旋轉磁場發生裝置的俯視圖。

圖3為圖1中的旋轉磁場發生裝置的垂直截面示意圖。

圖4為一個周期旋轉磁場對熔覆成形零件的作用示意圖。

具體實施方式

（實施例1）

參見圖1～圖2，本實施例的磁控激光熔覆成形設備包括激光熔覆裝置1、旋轉磁場發生裝置2、工作平臺3以及冷卻系統4。

激光熔覆部件1包括同軸送粉的Nd∶YAG固體激光器11、送粉裝置12、氬氣保護裝置13、六自由度機器人14以及用于控制所述六自由度機器人14運動的第一控制柜10。

旋轉磁場發生裝置2包括空心環形鋁合金殼體21、安裝在空心環形鋁合金殼體21內的呈一體件的三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路22、圍繞在三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路22上的勵磁線圈23以及用于控制勵磁線圈23中的電流和頻率的第二控制柜20。勵磁線圈23由直徑為2.5mm的漆包線繞制而成，勵磁線圈23層與層之間用硅膠帶隔開。第二控制柜20為低頻交變電源控制柜，低頻交變電源輸出電流范圍：0～100A，輸出頻率范圍：5～50Hz。

工作平臺3包括橫向平臺31、設置在橫向平臺31上方的縱向旋轉平臺32、設置在縱向旋轉平臺32上方的零件熔覆成形平臺33、用于支撐空心環形鋁合金殼體21的空心支架34以及用于控制零件熔覆成形平臺33的三維及旋轉運動的第三控制柜30。

三對高導磁率半封閉C形鐵磁回路22中間設有適于縱向旋轉平臺32穿過的通路，零件熔覆成形平臺33通過該通路置于空心環形鋁合金殼體21內。

冷卻系統4包括冷卻水源41、冷卻水管路42以及用于監測和控制冷卻水的流量和溫度的第四控制柜40。

冷卻水管路42包括設置在冷卻水源41與空心環形鋁合金殼體21之間的第一管路以及設置在冷卻水源41與橫向平臺31之間的第二管路，并由第四控制柜40監測和控制冷卻水的流量和溫度。

空心環形鋁合金殼體21和橫向平臺31上均設有進水口和出水口，橫向平臺31、縱向旋轉平臺32以及零件熔覆成形平臺33均為設于冷卻水流動的空心結構。

（實施例2）

本實施例為采用實施例1的磁控激光熔覆成形設備對某型飛機鈦合金支座進行磁控激光熔覆成形的方法，具有以下步驟：

①首先對該鈦合金支座5進行CAD建模，結合激光熔覆堆積工藝進行合理分層，得到每個分層的三維數字模型，然后在主控計算機通過編程優化設計熔覆成形路徑。

②將待熔覆的鈦合金支座5固定在零件熔覆成形平臺33上，從而使該鈦合金支座5置于空心環形鋁合金殼體21內。

③將同軸送粉的Nd∶YAG固體激光器11垂直于該鈦合金支座5上表面，啟動激光器11將粉體經送粉裝置12噴涂到該鈦合金支座5上，同時向三組勵磁線圈23中通入三相交流電以形成磁場。

激光熔覆成形過程中，通過第一控制柜10控制六自由度機器人14帶動激光器11按照步驟①設計的熔覆成形路徑在該鈦合金支座5表面往復運動進行多道多層熔覆成形，熔覆過程中使用側吹氬氣對熔池進行保護。激光熔覆具體工藝參數為：激光功率為2000W，掃描速度為5.5mm/s，光斑直徑為3mm，送粉速率為7g/min。

激光熔覆成形過程中，同時通過第二控制柜42控制勵磁線圈23中的電流以及頻率以控制旋轉磁場的強度及轉速，從而在熔池水平面上產生均勻旋轉磁場，使熔池持續受到磁場力的攪拌作用。

見圖3和圖4，當某一組勵磁線圈中通入電流時則C形鐵磁回路線圈內部的磁力線通過磁回路到另一勵磁線圈的一個磁極（兩個磁極的磁性相反）；線圈外部的磁力線通過兩磁極間空氣回到另一磁極，從而在二個磁極空間區域內形成一個磁力線為水平方向分布、磁場強度均勻的橫向磁場。由于磁場結構的對稱性，因此在兩磁極之間空間區域內產生的磁場是以幾何中心為對稱的。

激光熔覆成形過程中，同時通過第三控制柜30控制零件熔覆成形平臺33的三維及旋轉運動，進一步保證旋轉磁場的強度分布均勻。

激光熔覆成形過程中，同時將冷卻水源41中的冷卻水通過冷卻水管路42分別通入空心環形鋁合金殼體21和橫向平臺31、縱向旋轉平臺32、零件熔覆成形平臺33中，分別對勵磁線圈23冷卻以防止其過熱以及對鈦合金基座5進行冷卻以防止已堆積層因熱量累積造成過熱塌陷，減小零件熱變形和殘余應力，最終提高成形效率和質量，冷卻水的流量和溫度由第四控制柜40監測和控制。