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摘要：激光熔覆過程中，溫度是影響熔覆層質量及熔覆效率的主要因素。現有溫度控制方法主要通過工藝參數調整、熔覆頭噴嘴物理冷卻等方式實現，普遍存在熔覆效率低、溫度控制效果差等問題。通過研究提出了一種新型溫度控制方法，即通過冷卻裝置實現對基板或工件的物理冷卻，該裝置可有效控制熔覆溫度，提高激光熔覆質量及效率。

關鍵詞：激光熔覆；冷卻裝置；溫度控制；熔覆層質量

1引言

激光熔覆技術是一種利用激光處理的表面改性技術，涉及光、電、計算機、材料、化學、物理等多個領域的一項高新技術，隨著大功率激光器的發展而興起的一種全新的表面改性技術，利用激光熔覆成型技術可以直接制造出具有一定功能特性、組織良好、致密的零件或模具。在汽車、航空航天、醫療、再制造等領域中重要零件的加工制造、復雜異形零件的維修、研發中的快速模具制造，軍工企業中對于高精端武器的研發制造等都有涉足[1]。在激光熔覆過程中，粉末經同軸送粉噴嘴噴出送到基體表面，通過吸收激光能量熔化與基體吸收能量熔化共同形成熔池，噴嘴按照計算機控制的掃描路徑運行，送粉器送達基體表面的粉末吸收光能不斷熔化，然后快速凝固，從而實現成型制造、表面修復等。在整個加工過程中，為保證熔覆層質量就要求熔覆時基板及工件的溫度不能過高，但由于激光熔覆過程中，不能采用傳統的油冷降溫方法，且熔覆過程中基板及工件吸收激光的能量散失速度慢，隨著能量的積累溫度逐漸升高，將導致基板及工件翹曲，影響熔覆精度；基板及工件溫度的升高也將導致熔覆過程中熔覆層沿Z軸方向增長緩慢甚至失敗坍塌，很大程度上影響激光熔覆加工質量。因此，通過控制激光熔覆溫度，防止基板及工件翹曲變形、保證熔覆層沿Z軸方向上的增長順利及防止坍塌在熔覆工藝中至關重要[2-5]。激光熔覆工藝示意圖見圖1。

2激光熔覆溫度控制

基于熔覆質量對熔覆溫度的敏感，為了獲得穩定的熔覆質量，國內外很多學者在熔覆溫度控制方面做了大量研究。總結國內外相關研究成果，按其原理可劃分為兩種控制方式，一是基于熔覆工藝參數調整的溫度控制方式；二是基于物理冷卻技術的熔覆溫度控制方式。

2.1基于工藝參數調整的溫度控制

國外激光熔覆技術研究始于上世紀80年代，在激光熔覆溫度控制研究方面取得了較多的成果，現已應用于工業生產中。B.Grnenwald等[6]研究表明，利用高溫計對熔池溫度進行檢測及比例—積分—微分數學算法形成閉環反饋控制，實現適時調整激光器功率，可保證熔池溫度的穩定。L.Li等[7]采用CCD技術對激光熔覆過程進行動態圖像采集，并實時調節放電電流來控制激光器的輸出功率，最終實現了對熔池溫度的穩定控制。美國密西根大學的J.Mazumder等[8]利用數字顯鏡（DMD）技術，結合DMD反饋控制系統，實現激光功率實時調節，進而保證了熔覆溫度的穩定性[9]。我國對激光熔覆技術的研究起步較晚，始于20世紀90年代，在激光熔覆溫度控制研究方面，總體水平與國外相比還不成熟，研究成果還沒有廣泛應用于工業生產中。近年來，隨著激光熔覆技術在我國航空航天、軍工、汽車、再制造等領域的廣泛應用，國內部分科研單位在熔覆溫度控制研究方面也取得了長足進步。上海交通大學周廣才等[10]開發了熔池溫度閉環反饋控制系統，通過溫度傳感器檢測熔池溫度，并與工藝要求溫度對比，其差值反饋給系統實時調節工藝參數，實現了熔池溫度的控制。中科院沈陽自動化研究所姜淑娟等[11]采用CCD相機采集熔池圖像，經計算機分析出熔池溫度，然后經PID對熔池溫度進行控制，結果表明熔池溫度得到了很好的控制。綜上所述，基于工藝參數的溫度控制方法，其原理在于通過傳感器、CCD、數字顯鏡（DMD）等檢測技術對熔覆區溫度進行實時監測，經計算機按指定算法分析對比后，控制調整熔覆掃描執行機構形成閉環反饋控制，實現對熔覆過程中激光功率、掃描速度、送粉量等工藝參數的實時調整，進而實現熔覆溫度的穩定控制[9,12,13]。

2.2物理冷卻溫度控制

在激光熔覆過程中，激光頭噴嘴緊鄰基板或工件熔池區，受激光束和熔池區熱量影響，噴嘴易燒結變形，將直接導致噴嘴口堵塞，進一步加劇熔池溫度升高，所以對激光頭噴嘴處的溫度控制至關重要。國內學者在激光頭噴嘴冷卻方式、結構方面做了大量研究，研究表明該方式具有一定的冷卻效果。其結構如圖2所示，冷卻噴嘴由噴嘴芯、中間套、外套構成，噴嘴芯錐形內孔為激光束通道；噴嘴芯與中間套之間的間隙為送粉通道；中間套與外套之間間隙構成環形冷卻水腔，外套上對稱布置進水口和出水口。冷卻水在進水口流入，流經環形水腔后由出水口流出，從而實現對噴嘴末端的強制循環冷卻，有效冷卻噴嘴。如在噴嘴處增加溫度傳感器，結合監測控制系統自動調節冷卻水流量，可實現噴嘴溫度穩定控制[14]。

3新型熔覆冷卻裝置結構

現有激光熔覆溫度控制技術研究主要針對降低激光加工噴嘴溫度和調整熔覆工藝參數兩個方向開展，鮮見針對工件或基板的降溫技術研究，而工件或基板的溫度控制同為影響激光熔覆質量及效率的重要因素。用于在激光熔覆過程中控制基板或工件溫度的冷卻裝置見圖3。螺旋冷水管螺旋圍繞在激光加工頭及噴嘴附近，其中心線與激光加工頭及噴嘴中心線位于同一直線上。螺旋冷水管設有水平圓管和沿豎直方向上的螺旋管，其底部為水平圓管，上部為與噴嘴斜面平行的螺旋管，端口處分別為出水口和進水口。激光加工頭的外側設有高剛性、高強度的開口鎖緊環，其與激光加工頭通過螺釘螺紋緊固連接。沿激光加工頭中心線對稱布置三個可拆卸的高剛性、高強度連桿，其一端卡在鎖緊環上，另一端與螺旋冷水管固定連接。螺旋冷水管與激光加工頭通過連桿、鎖緊環實現連接，隨激光加工頭一起完成熔覆過程。螺旋冷水管的底部還設有溫度傳感器，通過帶有開口的剛性環與螺旋冷水管連接，溫度傳感器外接電源，并將溫度信號轉化為電信號，當溫度高于某一設定之后將自動打開進水口，便于控制螺旋冷水管中冷卻水流速。

4新型熔覆冷卻裝置工作過程

新型熔覆冷卻裝置的優點包括：①該裝置通過螺旋冷水管圍繞在加工頭與工件表面降低周圍環境溫度，增加工件散熱能力，減少內部熱應力，在一定程度上控制熔覆成型組織，減少試件缺陷；②螺旋冷水管采用螺旋錐形結構設計，便于散熱，冷卻效果良好；③熔覆過程中通過檢測外部溫度從而控制冷卻水流速，使熔覆區溫度處于所需動態平衡溫度附近；④工作時，螺旋冷水管中冷卻水從上往下流，熱空氣往上走冷空氣往下走，螺旋管的水流方向也與溫度散熱方向形成一定對流，可以加快散熱；⑤冷水管的尺寸形狀對激光熔覆加工位置影響小，降低了工件表面溫度，可有效提高熔覆效率以及熔覆速度，降低次品率；⑥該冷卻裝置結構簡單，拆裝方便，且制造成本低，易于制造和推廣使用。在激光熔覆過程中，冷卻裝置隨噴嘴按照計算機控制的掃描路徑運行，隨著熔覆溫度的升高，螺旋冷水管底部的溫度傳感器將測量的溫度信號轉化為電信號，當溫度高于某一設定值之后，控制電磁換向閥自動打開進水口，冷卻水從進水口進入螺旋冷水管，沿著螺旋管方向到達零件或基板表面，吸收熱量后再通過出水口進入制冷水箱內，形成一個外部循環冷卻系統。在冷卻過程中通過溫度傳感器和流量閥控制冷卻水速流量，可以更快地降低零件表面溫度。

5結語

針對目前激光熔覆溫度控制方法中，缺少對工件或基板溫度控制的研究，本文提出了一種新型激光熔覆冷卻裝置，該裝置設置了螺旋冷水管和溫度傳感器等元件。當熔覆溫度高于某一設定值時，冷卻水從進水口進入螺旋冷水管，沿著螺旋管方向到達零件或基板表面，吸收熱量后再通過出水口進入制冷水箱內，形成一個外部循環冷卻系統。該系統實現了冷卻水與熔覆區域的熱量交換，可有效控制熔覆區溫度，提高熔覆質量及效率。

參考文獻

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作者：柳青 李揚 付建巍 單位：沈陽精新再制造有限公司