CN110453215A - 一种双金属丝材激光熔覆***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双金属丝材激光熔覆***和方法，所述***包括激光器（4）、第一金属丝（5）、第二金属丝（6）、导电嘴（7）、第一送丝机（8）、第二送丝机（9）和丝材加热装置（10），第一金属丝（5）和第二金属丝（6）并排穿过所述导电嘴（7）后指向工件（1）的待熔覆表面，导电嘴（7）与工件（1）分别连接于所述丝材加热装置（10）的两个电极。本发明通过创新布置双金属丝熔覆方案，首创的在传统单金属丝材激光熔覆技术的基础上实现了双金属丝材激光熔覆方法，解决了目前丝材激光熔覆技术存在的熔覆效率与激光器功率无法同比例提高的应用难题、激光熔覆原材料成分的调整难题以及激光能量利用率低的难题。

Description

一种双金属丝材激光熔覆***和方法

技术领域

本发明涉及一种双金属丝材激光熔覆***和方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

金属丝材激光熔覆作为一种高精度、高性能、低热影响区以及低稀释率特点的熔覆层制造技术，被广泛应用于金属零件再制造、表面制备改性覆层、表面缺陷修复以及金属增材制造等用途。

现有的金属丝材激光熔覆是采用激光束将一根金属丝加热并融化，同时给金属丝和工件之间通交流或直流电，用以辅助加热金属丝，从而提高激光熔覆效率。相比金属粉材激光熔覆，金属丝材激光熔覆由于材料利用率高、成本低，熔覆层致密度好、缺陷少，越来越受到激光熔覆行业的重视。

虽然金属丝材激光熔覆技术作为一种高效率的覆层制备方法具有诸多优点，但是现有的金属丝材激光熔覆技术均是基于单根金属丝材的熔覆技术，在实际工业化生产当中，现有的这种基于单金属丝材的激光熔覆技术暴露出以下三方面的问题：（1）采用4KW以上大功率激光器作为光源时，现有的金属丝材激光熔覆效率并不能随着激光器功率的增大而成比例的增加。原因是丝材激光熔覆时，在能量密度相同的情况下，激光器功率越大，投射到工件表面的光斑就越大，而为了匹配面积增大的光斑，就需要增大丝材的投影面积，而单根丝材投影面积的增大必须靠增加丝材的直径来实现，而丝材直径增大后其相对于激光束照射方向的丝材材料厚度也跟着增大，使得激光束照射材料表面产生的热量传递至材料底部所需的时间也增加，实际上严重影响了激光融化丝材的速率，使得其综合熔覆效率相对下降，限制了目前激光熔覆普遍向大功率发展的趋势。（2）现有的金属丝材激光熔覆由于采用一根金属丝作为熔覆材料，与金属粉材激光熔覆所采用的金属粉末相比较而言，针对不同成分的原材料要求时，金属丝成分比例的调整要比金属粉末成分比例的调整困难，而且前者所用的时间及成本更长和更大，因此限制了金属丝材激光熔覆适应小批量、个性化熔覆层需求的能力。（3）虽然现有的金属丝材熔覆技术通过将丝材加热来提高熔覆过程中激光能量的利用率，但其提高效果很有限，导致激光能量的利用率较低，而激光能量利用率低一方面会造成能耗的增加，另一方面激光能量的浪费也会对周围的环境造成不利影响。

因此如何解决现有金属丝材激光熔覆技术面临的向高功率应用的难题、如何解决金属丝材激光熔覆原材料成分调整困难的难题、以及如何进一步提高金属丝材激光熔覆技术激光能量利用率的难题，是当前丝材激光熔覆技术发展亟需解决的三个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双金属丝材激光熔覆***和方法，通过创新布置双金属丝熔覆方案，首创的在传统单金属丝材激光熔覆技术的基础上实现了双金属丝材激光熔覆方法，解决了目前丝材激光熔覆技术存在的熔覆效率与激光器功率无法同比例提高的应用难题、激光熔覆原材料成分的调整难题以及激光能量利用率低的难题。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种双金属丝材激光熔覆***，包括：激光器4、第一金属丝5、第二金属丝6、导电嘴7、第一送丝机8、第二送丝机9和丝材加热装置10，所述第一送丝机8用于提供第一金属丝5，所述第二送丝机9用于提供第二金属丝6，所述第一金属丝5和第二金属丝6并排穿过所述导电嘴7后指向工件1的待熔覆表面，所述激光器4设置于工件1的待熔覆表面上方，所述导电嘴7与工件1分别连接于所述丝材加热装置10的两个电极，所述丝材加热装置10启动后，所述第一金属丝5和第二金属丝6被加热并在激光器输出的激光束3作用下熔覆于工件1的将待熔覆表面。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆***，其中所述第一金属丝5和第二金属丝6为直径在1.0mm~1.6mm的实心金属丝和/或粉芯金属丝；所述第一送丝机8和第二送丝机9的送丝速度可单独调节，且送丝速度调节范围为0~200mm/s。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆***，其中所述导电嘴7能够调整所述第一金属丝5和第二金属丝6之间的间距和夹角，其中所述第一金属丝和第二金属丝之间的间距调节范围为0~8mm，所述第一金属丝5和第二金属丝6之间的夹角调节范围为0°~45°；所述导电嘴7能够调整所述第一金属丝5、第二金属丝6与工件1之间的距离和夹角，其中所述第一金属丝5和工件1之间的距离调节范围为3~40mm，所述第二金属丝6和工件1之间的距离调节范围为3~40mm，所述第一金属丝5和工件表面之间的夹角调节范围为0°~60°，所述第二金属丝6和工件表面之间的夹角调节范围为0°~60°。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆***，其中所述丝材加热装置10为交流或直流电源，空载电压≤20V，工作电压在0~20v间可调，工作电流在0~1000A间可调；所述激光器的功率密度为100w/mm²~2000w/mm²，所述激光器输出的激光束3经过整形后在工件表面形成能够覆盖两根金属丝的矩形光斑或椭圆形光斑，光斑最大长度比两根金属丝投影外侧之间的距离大0.5mm~5mm，所述激光器输出的激光束3的传输方向与第一金属丝5之间的夹角在30°~90°间可调，所述激光器输出的激光束3的传输方向与第二金属丝6之间的夹角在30°~90°间可调。

一种双金属丝材激光熔覆方法，包括以下步骤：

步骤一、将第一金属丝5和第二金属丝6分别由第一送丝机8和第二送丝机9并排输送并穿过导电嘴7指向工件1的待熔覆表面；

步骤二、通过导电嘴7调节第一金属丝5和第二金属丝6之间的角度和间距以及第一金属丝5和第二金属丝6与工件1之间的角度和距离；

步骤三、将导电嘴7与工件1分别连接于丝材加热装置10的第一电极和第二两极，通过丝材加热装置10将导电嘴7与工件1之间的第一金属丝5和第二金属丝6加热；

步骤四、将激光器4设置于工件待熔覆表面的上方，并控制激光器以一定形状和一定角度将激光束照射至第一金属丝5和第二金属丝6与工件1接触的熔池位置；

步骤五、激光束在所述熔池位置将第一金属丝5和第二金属丝6熔覆于工件1表面，并按照预定路径控制工件1与第一金属丝5、第二金属丝6以及激光束3的相对运动，从而在工件表面形成激光熔覆层。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法，其中步骤一中，所述第一金属丝5和第二金属丝6选择为直径在1.0mm~1.6mm的实心金属丝和/或粉芯金属丝；所述第一送丝机8和第二送丝机9的送丝速度在0~200mm/s间可单独调节。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法，其中步骤二中，所述第一金属丝和第二金属丝之间的间距为0~8mm，所述第一金属丝5和第二金属丝6之间的夹角为0°~45°，所述第一金属丝5和工件1之间的距离为3~40mm，所述第二金属丝6和工件1之间的距离为3~40mm，所述第一金属丝5和工件表面之间的夹角为0°~60°，所述第二金属丝6和工件表面之间的夹角为0°~60°。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法，其中步骤三中，所述丝材加热装置10为交流或直流电源，空载电压≤20V，工作电压在0~20v间可调，工作电流在0~1000A间可调。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法，其中步骤四中，所述激光器的功率密度为100w/mm²~2000w/mm²，所述激光器输出的激光束3经过整形后在工件表面形成能够覆盖两根金属丝的矩形光斑或椭圆形光斑，光斑最大长度比两根金属丝投影外侧之间的距离大0.5mm~5mm，所述激光器输出的激光束3的传输方向与第一金属丝5之间的夹角为30°~90°，所述激光器输出的激光束3的传输方向与第二金属丝6之间的夹角为30°~90°；其中步骤五中，所述工件1与第一金属丝5、第二金属丝6以及激光束3之间的相对运动速度控制在0~200mm/s，熔池在工件表面的移动速度控制为20mm/s~200mm/s。

进一步的根据本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法，其中形成于工件表面的激光熔覆层中某一种元素成分的含量可用下述公式进行计算：

W=[(W1·πr1²·v1·ρ1+ W2·πr2²·v2·ρ2)/ (πr1²·v1·ρ1+πr2²·v2·ρ2)]×100%

上述公式中，W为激光熔覆层中某一种元素成分的含量，W1为该元素成分在第一金属丝5中的含量，W2为该元素成分在第二金属丝6中的含量，π为圆周率，r1为第一金属丝5的半径，r2为第二金属丝6的半径，v1为第一金属丝5对应的第一送丝机8的送丝速度，v2为第二金属丝6对应的第二送丝机9的送丝速度，ρ1为第一金属丝5的密度，ρ2为第二金属丝6的密度，通过选择第一金属丝和第二金属丝的元素组成、直径以及送丝速度实现对激光熔覆层中某一种元素成分含量的调节。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下有益效果：

1）采用两根呈一定间距和角度的金属丝作为原材料，并采用矩形或椭圆形光斑对两根金属丝进行融化，此时两根金属丝所占的投影面积是一根丝的两倍以上，再匹配相应面积的矩形或椭圆形光斑，为了保持光斑的能量密度不变，激光器功率按照光斑面积成比例提高。如此激光束照射方向的材料厚度却可以保持不变，材料的融化速率也会保持不变，同时激光器功率、光斑面积与两根金属丝所占投影面积均成比例提高，因此实现了熔覆效率与激光器功率成比例的提高，解决了目前金属丝材激光熔覆采用大功率激光器时，熔覆效率相对下降的难题。与现有的金属丝材激光熔覆技术相比，本发明将可应用的激光器功率从现有的3000W提高至6000W，综合熔覆效率提高一倍以上。

2）采用两根金属丝作为原材料，并采用与两根丝材投影面积相应的矩形或椭圆形光斑对金属丝进行融化，单道熔覆焊道的宽度增加，通过设置相邻两个熔覆焊道之间的搭接率，使金属丝材激光熔覆单层熔覆厚度上限提高。与现有的金属丝材激光熔覆技术相比，本发明将单层熔覆厚度上限从现有的1.5mm提高至3mm，进一步拓展了金属丝材激光熔覆技术的应用范围。

3）利用两根金属丝之间的间隙，使得激光束照射在两根金属丝上时，进入两根金属丝间隙的激光束会由于两根丝材的约束被多次反射和漫反射，使得激光能量利用率得到了进一步提高。

4）采用两根成分不同的金属丝作为原材料，并采用两套单独的送丝***，由于激光熔覆过程中熔池中存在剧烈的搅拌作用，不同成分的金属丝经融化后在熔池中充分发生冶金反应，冷却后得到成分均匀的熔覆层组织。实际应用中通过控制两根金属丝的直径和控制两根金属丝的送丝速度，可非常方便的调整熔覆层的成分。解决了目前金属丝材激光熔覆技术存在的材料成分调整难题。

5）综上所述，本发明所述方法采用两根金属丝作为原材料，两根金属丝通过两套单独的送丝***控制送丝速度，并可安装不同直径和不同成分的金属丝，采用与两根金属丝投影面积相应以及激光功率呈正比增加的矩形或椭圆形光斑，解决了现有金属丝材激光熔覆技术存在的大功率激光器应用难题、原材料成分调整难题以及激光能量利用率低的问题，本发明所述技术可广泛应用于金属零件表面制备改性覆层、表面缺陷修复以及金属增材制造等用途，具有熔覆效率高、单层熔覆层厚、熔覆层成分可调及激光能量利用率高等独特优势。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述双金属丝材激光熔覆***的结构示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1.工件，2.熔覆层，3.激光束，4.激光器，5.第一金属丝，6.第二金属丝，7.导电嘴，8.第一送丝机，9.第二送丝机，10.丝材加热装置。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

如附图1所示，本发明所述的双金属丝材激光熔覆方法基于附图1所示的双金属丝材激光熔覆***实现，所述双金属丝材激光熔覆***包括激光器4、第一金属丝5、第二金属丝6、导电嘴7、第一送丝机8、第二送丝机9和丝材加热装置10，第一送丝机8用于提供第一金属丝5，第二送丝机9用于提供第二金属丝6，第一金属丝5和第二金属丝6并排穿过导电嘴7后指向工件1的待熔覆表面，所述激光器4设置于工件1的待熔覆表面的正上方，所述导电嘴7与工件1分别连接于丝材加热装置10的两极，这样丝材加热装置10启动后，丝材加热装置的两极被接通形成电流回路，由于金属丝自身具有一定的电阻，使得电流通过导电嘴7与工件1之间的第一金属丝5和第二金属丝6时将第一金属丝5和第二金属丝6加热，产生的热量Q=I²Rt，同时来自激光器的激光束3将加热后的第一金属丝5和第二金属丝6溶化于工件1的待熔覆表面，完成激光熔覆加工。

进一步的所述第一金属丝5和第二金属丝6的成分可根据熔覆工艺需要选择相同成分的金属丝或选择不同成分的金属丝，同时第一金属丝5和第二金属丝6的直径亦可根据熔覆工艺需要进行选择，可选择直径相同的金属丝，也可选择直径不同的金属丝，优选的第一金属丝和第二金属丝的直径范围为1.0mm~1.6mm。

进一步的所述第一送丝机8和第二送丝机9的送丝速度亦可根据熔覆工艺需要进行选择，可以选择相同的送丝速度，也可以选择不同的送丝速度，优选的第一送丝机8和第二送丝机9的送丝速度范围为0~200mm/s，优选的为20~200mm/s。

进一步的所述导电嘴7可调整第一金属丝5和第二金属丝6之间的间距和夹角，优选的可将第一金属丝和第二金属丝之间的间距范围调整为0~8mm，优选的为0.1-6mm，将第一金属丝5和第二金属丝6之间的夹角调整为0°~45°，优选的为5°-40°，同时所述导电嘴7能够调整第一金属丝5、第二金属丝6与工件1之间的距离和夹角，优选的通过导电嘴7能够将第一金属丝5和/或第二金属丝6与工件1之间的距离调整为3~40mm，优选的为5-30mm，通过导电嘴7能够将第一金属丝5和/或第二金属丝6与工件1表面之间的夹角调整为0°~60°，优选的为5-45°。

进一步的所述丝材加热装置10为一台交流或直流电源，其空载电压≤20V，工作电压0~20v并可调，工作电流0~1000A并可调。

进一步的所述激光器提供的激光束3可以由任何类型的激光器产生，激光束3经过整形后在工件1表面形成的光斑形状为能够覆盖两根金属丝的矩形或椭圆形光斑，激光束3的功率密度为100w/mm²~2000w/mm²，并且其光斑尺寸比两根金属丝投影外侧之间的距离大0.5mm~5mm；同时所述激光器输出的激光束3能够以一定角度照射至第一金属丝5、第二金属丝6与工件1接触的熔覆位置，优选的所述激光束3与第一金属丝5以及所述激光束与第二金属丝6之间的夹角均为30°~90°，优选的在30-60°。

进一步的所述工件1与第一金属丝5、第二金属丝6以及激光束3之间可以做相对运动，从而能够在工件表面形成熔覆层，优选的所述工件1与第一金属丝5、第二金属丝6以及激光束3之间做相对运动的方向及路径可提前设置好，相对运动速度调节范围为0~200mm/s，优选的为20~200mm/s。

进一步的可通过两根不同成分、不同直径、不同送丝速度的第一金属丝5和第二金属丝6进行熔覆时，得到的熔覆层中每一种元素的含量可用下述公式进行计算：

W=（W1·πr1²·v1·ρ1+ W2·πr2²·v2·ρ2）/（πr1²·v1·ρ1+ πr2²·v2·ρ2）×100%

上述公式中，W为熔覆层中某元素的含量，W1为该某元素在第一金属丝5中的含量，W2为该某元素在第二金属丝6中的含量，π为圆周率，r1为第一金属丝5的半径，r2为第二金属丝6的半径，v1为第一金属丝5对应的第一送丝机8的送丝速度，v2为第二金属丝6对应的第二送丝机9的送丝速度，ρ1为第一金属丝5的密度，ρ2为第二金属丝6的密度。因此本发明可按照上述公式通过调整任意一根金属丝的成分、直径以及送丝速度来调整熔覆层中某元素成分的含量，解决了目前金属丝材激光熔覆技术遇到的材料种类少，材料成分匹配困难的问题。

本发明进一步基于上述双金属丝材激光熔覆***提出一种全新的双金属丝材激光熔覆方法，所述方法具体包括如下过程：

步骤一，首先将第一金属丝5和第二金属丝6分别由第一送丝机8和第二送丝机9并排输送并穿过导电嘴7指向工件1的表面，工件表面可以是平面也可以是曲面；

其中如上所述，两根金属丝分别由两个送丝机进行输送，两个送丝机的送丝速度可单独调节；具体的第一金属丝5和第二金属丝6的成分根据熔覆工艺需要，可选择相同成分的金属丝，也可选择不同成分的金属丝，可选择实心的金属丝，亦可选择粉芯的金属丝；第一金属丝5和第二金属丝6的直径根据熔覆工艺需要，可选择直径相同的金属丝，也可选择直径不同的金属丝，优选的两根金属丝可选择直径为φ1.0mm~φ1.6mm的实心金属丝或者粉芯金属丝；同时所述第一送丝机8和第二送丝机9的送丝速度根据熔覆工艺需要，可以选择相同的送丝速度，也可选择不同的送丝速度，其送丝速度的范围为0~200mm/s,优选的为20~200mm/s 。

步骤二、通过导电嘴7调整第一金属丝5和第二金属丝6的角度和方位, 导电嘴可约束金属丝的指向，并可调节两根金属丝之间的间距和夹角；具体包括：（1）通过导电嘴7调整第一金属丝5和第二金属丝6之间的间距和夹角，其间距范围为0~8mm，优选的为0.1-6mm，其夹角为0°~45°，优选的为5°-40°；（2）通过导电嘴7调整第一金属丝5、第二金属丝6与工件1之间的距离和夹角，其距离范围为3~40mm，优选的为5-30mm，夹角范围为0°~60°,优选的为5-45°。

步骤三、将导电嘴7与工件1分别连接于丝材加热装置10的第一电极和第二两极，丝材加热装置10启动时，导电嘴7至工件1之间的第一金属丝5和第二金属丝6将被加热，其中第一金属丝5和第二金属丝6将被加热的原理是：当第一金属丝5和第二金属丝6与工件1接触时，丝材加热装置的两极被接通形成电流回路，由于金属丝自身具有一定的电阻，电流通过时会产生电阻热，其产生的热量Q=I²Rt。所述丝材加热装置10为一台交流或直流电源，其空载电压≤20V，工作电压0~20v并可调，工作电流0~1000A并可调。

步骤四、将激光器4设置于工件待熔覆表面的上方，并控制激光器输出的激光束3以一定形状和一定角度照射至第一金属丝5、第二金属丝6与工件1接触的熔池位置；

其中激光束3的输出形状控制为：激光束3经过整形后在工件表面的熔覆位置形成的光斑形状为矩形或椭圆形，激光束的功率密度为100w/mm²~2000w/mm²，并且激光束光斑完全覆盖两根金属丝的熔覆端，优选的激光束光斑最大长度比两根金属丝外侧之间的距离大0.5mm~5mm，优选的为1-3mm；

其中激光束的输出角度控制为：激光束3的传输方向与第一金属丝5的夹角控制为30°~90°，优选的在30-60°，激光束的传输方向与第二金属丝6的夹角控制为30°~90°,优选的在30-60°。

步骤五、控制工件1与第一金属丝5、第二金属丝6以及激光束3之间的相对运动路径，加热后的两根丝材被送入激光束光斑位置并被融化形成熔池，通过控制工件与丝材、激光束之间的相对运动在工件表面形成熔覆层；

具体的可提前规划好工件1与第一金属丝5、第二金属丝6和激光束3之间的相对运动方向和路径，相对运动速度控制在0~200mm/s，优选的为20~200mm/s，熔池在工件表面的移动速度（熔覆线速度）控制为20mm/s~200mm/s；熔覆过程中持续按照设定的路径控制第一金属丝5、第二金属丝6和激光束在工件表面的移动轨迹，经丝材加热装置10加热的第一金属丝5和第二金属丝6被持续送入与工件1接触的熔池位置，经激光束3熔化后在工件表面形成丝材激光熔覆层，完成双金属丝材激光熔覆过程。

本发明提供的上述双金属丝材激光熔覆方法通过采用两根角度方位可灵活调整的金属丝，并配合矩形或椭圆形激光束光斑进行激光熔覆，使丝材原材料和激光束光斑的表面积相比于传统技术增大至两倍，而丝材原材料在投影方向的厚度却没有增加，从而在保持激光能量密度不变的情况下，可显著提高金属丝材激光熔覆效率2倍以上；同时通过采用两根不同成分、不同直径、不同送丝速度的金属丝进行熔覆，得到的熔覆层中每一种元素的含量可用下述公式进行计算：

W=（W1·πr1²·v1·ρ1+ W2·πr2²·v2·ρ2）/（πr1²·v1·ρ1+ πr2²·v2·ρ2）×100%

使得实际使用中可根据需要通过调整任意一根金属丝的成分、直径以及送丝速度来达到对熔覆层成分的调整，解决了目前金属丝材激光熔覆技术遇到的材料种类少、材料调整匹配困难的问题。

实施例1

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本实施例为注水泵柱塞杆（后称柱塞杆）的表面激光熔覆，柱塞杆直径50mm，熔覆区域长度300mm，材质为40Cr；本实施例中柱塞杆的双金属丝材激光熔覆方案采用德国Laserline公司的4Kw半导体光纤输出激光器，调节激光束在工件表面形成的光斑尺寸为6mm*2mm的矩形光斑，激光波长为1064nm；选用的第一金属丝5为常用且廉价的实心2Cr17丝材，选用的第二金属丝6为容易调整成分的金属粉芯丝材TY-01，两种丝材直径和密度均为1.6mm和7.93g/cm³，两种丝材的主要成分含量如表1：

表1 2Cr17和TY-01材料成分表

本实施例的具体过程为：

1）将第一金属丝5-2Cr17和第二金属丝6- TY-01分别安装于第一送丝机8和第二送丝机9上，将其同时穿过导电嘴7；

2）调节导电嘴7，使第一金属丝5和第二金属丝6与工件1之间呈10°夹角，并使第一金属丝5和第二金属丝6之间的夹角为0°，使第一金属丝5内侧和第二金属丝6内侧之间的间距为2mm，同时使第一金属丝5和第二金属丝6的端头与工件1的待熔覆表面接触，接触点位于激光束光斑位置；

3）调节激光器的激光束，使激光束与工件1的表面呈90°夹角，即沿工件1的表面法线方向；

4）丝材加热装置采用空载电压为15V的直流电源，电源正极接导电嘴，负极接工件；

5）设定双金属丝熔覆工艺参数为：激光功率4kW,第一送丝机8的送丝速度60mm/s，第二送丝机9的送丝速度15mm/s，丝材加热装置电流230A，熔覆线速度60mm/s,熔覆路径为自左向右螺旋熔覆，螺旋路径搭接率为30%；

6）熔覆进行190s后该柱塞杆表面全部完成熔覆；

通过上述方案，按照第一金属丝5的成分、第二金属丝6的成分以及熔覆层成分计算公式：

W=（W1·πr1²·v1·ρ1+ W2·πr2²·v2·ρ2）/（πr1²·v1·ρ1+ πr2²·v2·ρ2）×100%

可得出该柱塞杆上得到的熔覆层成分见表2，并且通过取样检测，得出的结果与公式计算结果一致。

表2 柱塞杆熔覆层成分表

本实施例的方案通过选择不同的金属丝作为原材料，通过控制金属丝的送丝速度进行熔覆，得到了所需要的熔覆层成分，廉价、快速的满足了不同零件对表面熔覆层的不同需求；通过本实施例的方案，在该柱塞杆上得到的熔覆层厚度为0.63mm，熔覆效率为0.9㎡/h，是目前单丝丝材激光熔覆的2~4倍，通过熔覆层成分测定及取样观察微观组织，测得熔覆层稀释率为8%，热影响区为0.5mm，通过硬度检测测得的熔覆层表面硬度为HRC46，并且得到的熔覆层平整、光滑，熔覆层内部致密无缺陷，熔覆层与基体结合良好。完全满足注水泵柱塞杆表面激光熔覆的要求。

Claims (10)

1.一种双金属丝材激光熔覆***，其特征在于，包括：激光器（4）、第一金属丝（5）、第二金属丝（6）、导电嘴（7）、第一送丝机（8）、第二送丝机（9）和丝材加热装置（10），所述第一送丝机（8）用于提供第一金属丝（5），所述第二送丝机（9）用于提供第二金属丝（6），所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）并排穿过所述导电嘴（7）后指向工件（1）的待熔覆表面，所述激光器（4）设置于工件（1）的待熔覆表面上方，所述导电嘴（7）与工件（1）分别连接于所述丝材加热装置（10）的两个电极，所述丝材加热装置（10）启动后，所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）被加热并在激光器输出的激光束（3）作用下熔覆于工件（1）的将待熔覆表面。

2.根据权利要求1所述的双金属丝材激光熔覆***，其特征在于，所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）为直径在1.0mm~1.6mm的实心金属丝和/或粉芯金属丝；所述第一送丝机（8）和第二送丝机（9）的送丝速度可单独调节，且送丝速度调节范围为0~200mm/s。

3.根据权利要求1或2所述的双金属丝材激光熔覆***，其特征在于，所述导电嘴（7）能够调整所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）之间的间距和夹角，其中所述第一金属丝和第二金属丝之间的间距调节范围为0~8mm，所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）之间的夹角调节范围为0°~45°；所述导电嘴（7）能够调整所述第一金属丝（5）、第二金属丝（6）与工件（1）之间的距离和夹角，其中所述第一金属丝（5）和工件（1）之间的距离调节范围为3~40mm，所述第二金属丝（6）和工件（1）之间的距离调节范围为3~40mm，所述第一金属丝（5）和工件表面之间的夹角调节范围为0°~60°，所述第二金属丝（6）和工件表面之间的夹角调节范围为0°~60°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双金属丝材激光熔覆***，其特征在于，所述丝材加热装置（10）为交流或直流电源，空载电压≤20V，工作电压在0~20v间可调，工作电流在0~1000A间可调；所述激光器的功率密度为100w/mm²~2000w/mm²，所述激光器输出的激光束（3）经过整形后在工件表面形成能够覆盖两根金属丝的矩形光斑或椭圆形光斑，光斑最大长度比两根金属丝投影外侧之间的距离大0.5mm~5mm，所述激光器输出的激光束（3）的传输方向与第一金属丝（5）之间的夹角在30°~90°间可调，所述激光器输出的激光束（3）的传输方向与第二金属丝（6）之间的夹角在30°~90°间可调。

5.一种双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将第一金属丝（5）和第二金属丝（6）分别由第一送丝机（8）和第二送丝机（9）并排输送并穿过导电嘴（7）指向工件（1）的待熔覆表面；

步骤二、通过导电嘴（7）调节第一金属丝（5）和第二金属丝（6）之间的角度和间距以及第一金属丝（5）和第二金属丝（6）与工件（1）之间的角度和距离；

步骤三、将导电嘴（7）与工件（1）分别连接于丝材加热装置（10）的第一电极和第二两极，通过丝材加热装置（10）将导电嘴（7）与工件（1）之间的第一金属丝（5）和第二金属丝（6）加热；

步骤四、将激光器（4）设置于工件待熔覆表面的上方，并控制激光器以一定形状和一定角度将激光束照射至第一金属丝（5）和第二金属丝（6）与工件（1）接触的熔池位置；

步骤五、激光束在所述熔池位置将第一金属丝（5）和第二金属丝（6）熔覆于工件（1）表面，并按照预定路径控制工件（1）与第一金属丝（5）、第二金属丝（6）以及激光束（3）的相对运动，从而在工件表面形成激光熔覆层。

6.根据权利要求5所述的双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤一中，所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）选择为直径在1.0mm~1.6mm的实心金属丝和/或粉芯金属丝；所述第一送丝机（8）和第二送丝机（9）的送丝速度在0~200mm/s间可单独调节。

7.根据权利要求5或6所述的双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤二中，所述第一金属丝和第二金属丝之间的间距为0~8mm，所述第一金属丝（5）和第二金属丝（6）之间的夹角为0°~45°，所述第一金属丝（5）和工件（1）之间的距离为3~40mm，所述第二金属丝（6）和工件（1）之间的距离为3~40mm，所述第一金属丝（5）和工件表面之间的夹角为0°~60°，所述第二金属丝（6）和工件表面之间的夹角为0°~60°。

8.根据权利要求5-7任一项所述的双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤三中，所述丝材加热装置（10）为交流或直流电源，空载电压≤20V，工作电压在0~20v间可调，工作电流在0~1000A间可调。

9.根据权利要求5-8任一项所述的双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，其中步骤四中，所述激光器的功率密度为100W/mm²~2000W/mm²，所述激光器输出的激光束（3）经过整形后在工件表面形成能够覆盖两根金属丝的矩形光斑或椭圆形光斑，光斑最大长度比两根金属丝投影外侧之间的距离大0.5mm~5mm，所述激光器输出的激光束（3）的传输方向与第一金属丝（5）之间的夹角为30°~90°，所述激光器输出的激光束（3）的传输方向与第二金属丝（6）之间的夹角为30°~90°；其中步骤五中，所述工件（1）与第一金属丝（5）、第二金属丝（6）以及激光束（3）之间的相对运动速度控制在0~200mm/s，熔池在工件表面的移动速度控制为20mm/s~200mm/s。

10.根据权利要求5-9任一项所述的双金属丝材激光熔覆方法，其特征在于，形成于工件表面的激光熔覆层中某一种元素成分的含量用下述公式进行计算：

W=（W1·πr1²·v1·ρ1+ W2·πr2²·v2·ρ2）/（πr1²·v1·ρ1+ πr2²·v2·ρ2）×100%,

上述公式中，W为激光熔覆层中某一种元素成分的含量，W1为该元素成分在第一金属丝（5）中的含量，W2为该元素成分在第二金属丝（6）中的含量，π为圆周率，r1为第一金属丝（5）的半径，r2为第二金属丝（6）的半径，v1为第一金属丝（5）对应的第一送丝机（8）的送丝速度，v2为第二金属丝（6）对应的第二送丝机（9）的送丝速度，ρ1为第一金属丝（5）的密度，ρ2为第二金属丝（6）的密度，通过选择第一金属丝和第二金属丝的元素组成、直径以及送丝速度实现对激光熔覆层中某一种元素成分含量的调节。