CN113529074A

CN113529074A - 一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置和方法

Info

Publication number: CN113529074A
Application number: CN202110892647.XA
Authority: CN
Inventors: 张玉文; 章超; 吕金金; 王瑞东; 李丹; 鲁雄刚
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开了一种用于紫铜表面强化的等离子‑感应复合熔覆装置，包括等离子熔覆***、感应预热***和工件定位***，其中，等离子熔覆***包括氩气瓶、送气管、等离子熔覆电源、送粉器、等离子焊枪和变位机；感应预热***包括感应加热电源、红外测温仪、温度控制器、感应线圈和在线数据采集***；工件定位***包括放置和定位紫铜工件的熔覆工作台；在熔覆时，等离子熔覆电源、等离子枪、紫铜工件、工作台、变位机形成电流回路；感应线圈被设置在熔覆工作台之外，用于在熔覆前对紫铜工件进行预热。

Description

一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置和方法

技术领域

本发明涉及紫铜表面强化领域，尤其涉及一种等离子-感应复合熔覆装置。

背景技术

紫铜由于其优异的导电性和导热性被广泛应用于电力、冶金、机械装备、航空航天等领域。然而，紫铜的硬度低、耐磨性较差，不能完全满足工程应用。特别是在一些磨损环境下，紫铜部件极易损坏。因此，提高紫铜材料表面的性能从而延长其使用寿命至关重要。

目前，利用表面强化技术在铜材料表面制备涂层是提高其表面性能的主要手段。常见的铜表面强化技术有等离子喷涂、超音速火焰喷涂以及激光熔覆等。喷涂技术可以制备出性能优异的陶瓷涂层，但涂层与铜基体之间仅为简单的机械结合，有的还未发挥作用就已经剥落。激光熔覆虽然可以制备出与铜基体呈冶金结合的涂层，但其设备昂贵，维护成本高。更重要的是，铜对激光具有很高的反射率，这会导致激光能量利用率很低，制备的涂层也很容易存在裂纹缺陷。尽管一些研究者通过预置粉末的方法来克服这一困难，但是涂层的厚度和面积均受到限制，操作过程也很繁琐。因此，有必要寻找一种更经济、更高效的方法来对紫铜表面进行强化。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是一种更经济、更高效的方法来对紫铜表面进行强化的装置和方法。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，包括等离子熔覆***、感应预热***和工件定位***，其中，等离子熔覆***包括氩气瓶、送气管、等离子熔覆电源、送粉器、等离子焊枪和变位机；感应预热***包括感应加热电源、红外测温仪、温度控制器、感应线圈和在线数据采集***；工件定位***包括放置和定位紫铜工件的熔覆工作台；在熔覆时，等离子熔覆电源、等离子枪、紫铜工件、工作台、变位机、等离子熔覆电源形成一个完整的电流回路；感应线圈被设置在熔覆工作台之外，用于在熔覆前对紫铜工件进行预热。

进一步地，熔覆工作台包括陶瓷材质的边缘部和金属材质的中心部两个部分，其中，在陶瓷边缘部上设有工件放置槽，工件放置槽的底部开有通孔，用于连接金属中心部，使得金属中心部可与工件放置槽中的紫铜工件接触。

进一步地，陶瓷边缘部为刚玉材质，金属中心部为不锈钢材质。

进一步地，红外测温仪安装在等离子焊枪的支架上。

进一步地，在线数据采集***为一台安装有温度记录软件的电脑，连接红外测温仪，实时记录紫铜工件的预热过程、熔覆过程、降温过程的温度变化曲线。

其次，本发明提供了一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，包括步骤：将熔覆工作台夹持在变位机上，用水平尺检测熔覆工作台表面是否水平；将感应线圈套在工作台外侧，并接在感应加热设备上；将紫铜工件放入工件槽内，移动等离子焊枪对准紫铜工件上表面，打开红外测温仪并调整角度，使测温点和熔覆点重合；打开感应加热电源和温度控制器，设置温度程序，将紫铜工件预热到600℃；启动熔覆程序开始熔覆。

进一步地，红外测温仪安装在等离子焊枪的支架上。

进一步地，红外测温仪连接在一台安装有温度记录软件的电脑上，对紫铜工件的预热过程、熔覆过程、降温过程的温度变化曲线进行实时记录。

本发明采用了等离子熔覆技术用于紫铜表面强化，且引入了感应加热***，可以有效降低等离子弧在紫铜表面的热损失，从而在紫铜工件表面获得无缺陷涂层；可以在短时间内将紫铜工件加热到所需要的温度，预热效率高；该装置具有温度反馈功能，可以实现熔覆前预热、熔覆时保温和熔覆后缓冷；红外测温点与熔覆点同步，确保测温的准确性；熔覆工作台具有定位功能，有效保证了紫铜工件表面的温度均匀性和实验的可重复性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中等离子-感应复合熔覆装置的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的定位式熔覆工作台的立体图；

图3是本发明的一个较佳实施例中的定位式熔覆工作台的俯视图和剖面图；

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如图1所示，根据本发明的一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置包括：1-氩气瓶，2-送气管，3-等离子熔覆电源、控制柜和冷却水箱一体，4-送粉器，5-行程轴，6-红外测温仪，7-送粉管，8-电源线、冷却水管及气管等，9-地线，10-等离子焊枪，11-感应线圈，12-紫铜块，13-定位式熔覆工作台，14-变位机，15-红外测温光线虚拟路径，16-感应加热电源，17-温度控制器，18-在线数据采集***，19-温度信号传感线。

等离子熔覆***：等离子熔覆***包括氩气瓶1、送气管2、等离子熔覆电源3、送粉器4、等离子焊枪10和变位机14。其中等离子焊枪10是整个熔覆***的核心部件，内部有电路、气路、冷却水和粉体通道。在焊枪前端喷嘴的约束下，气体被电离形成等离子弧，成为熔覆的热源。等离子弧的高热量可以将合金粉体和紫铜表面迅速加热并一起熔化、混合、凝固，形成一层高性能的合金涂层。整个熔覆过程在氩气保护下进行，有效防止涂层的氧化。

感应预热***：该***包括感应加热电源16、红外测温仪6、温度控制器17、感应线圈11和在线数据采集***18。其中，在本实施例中，对于紫铜工件12使用了额定功率30KW的感应加热电源，对于大型紫铜部件，需要根据其实际尺寸选择更高功率的感应电源。感应线圈的材质一般为8mm的紫铜管，根据待熔覆紫铜工件的形状与尺寸选择感应线圈的形状、尺寸与匝数。本发明使用的是方形感应线圈，与紫铜工件的形状一致，其内圈距离紫铜工件的四周各15mm。假设紫铜工件的尺寸为长60mm×宽50mm×高15mm，则线圈内圈尺寸为长90mm×宽80mm。线圈匝数取4匝，确保紫铜工件能完全被线圈包围，提高加热速率。感应线圈外表面用绝缘套管包围，防止短路。红外测温仪：选用可以透过弧光测温的红外测温仪，避免等离子弧干扰测温，然后根据红外测温仪的焦距选择合适的安装高度。另外，红外测温仪安装在等离子焊枪的支架上，目的是实现熔覆点与测温点的同步移动，使红外测温仪测量的始终是熔覆点的温度，从而保证了测温的可靠性。温度控制器：温度控制器的作用是将红外测温仪测得的温度数据反馈到感应加热设备，从而控制感应加热功率的实时自动调节。在线数据采集***：使用一台安装好温度记录软件的电脑可以实时记录预热过程、熔覆过程、降温过程的温度变化曲线，以供后续分析。

工件定位***：定位***指的是可定位式熔覆工作台13，在使用时被夹持在熔覆设备的变位机14上。工作台13的作用是放置紫铜工件12，在熔覆过程中，等离子熔覆电源3、等离子枪10、紫铜工件12、工作台13、变位机14、等离子熔覆电源3形成一个完整的回路，因此工作台13必须是导电的，而且需要具有良好的耐高温性。将工作台设计成可定位式是为了保证紫铜工件12每次放置的位置固定、与感应线圈11之间的距离固定，这样可以使紫铜工件12表面加热更加均匀。为了确保工作台13自身的位置固定，需要将工作台13的四周始终紧贴着感应线圈的内侧，所以工作台13的四周必须是绝缘的。因此，根据本发明的工作台13包含陶瓷材质的边缘部和金属材质的中心部两个部分，其中陶瓷边缘部选用耐高温的刚玉材质以绝缘、金属中心部选用耐高温的310S不锈钢材质以导电。其加工步骤为(1)将刚玉按照感应线圈内侧的尺寸加工成一个长方体131；(2)在刚玉131上表面按照紫铜工件的长、宽加工一个工件放置槽133，使紫铜工件12能恰好放入，实现定位功能，为了便于紫铜工件12的取出，工件放置槽133的加工深度小于紫铜工件12厚度的一半；(3)在刚玉131的中心位置加工一个通孔，使310S不锈钢中心部132***通孔内后能恰好与紫铜工件12接触，实现导电的目的。为了减少感应加热对工作台13的影响，不锈钢中心132的尺寸要尽量减小。

在具体操作时，按如下步骤进行：

1、将定位式熔覆工作台13夹持在熔覆设备的变位机14上，用水平尺检测工作台13表面是否水平；

2、将感应线圈11套在工作台12外侧，并接在感应加热设备上；

3、将紫铜工件12放入工件槽133内，移动等离子焊枪10对准紫铜工件12上表面，打开红外测温仪6(自带激光瞄准15)并调整角度，使测温点和熔覆点重合；

4、设置熔覆程序，并移动等离子焊枪10到合适位置；

5、打开感应加热电源16和温度控制器17，设置温度程序，将紫铜工件预热到600℃左右；

6、启动熔覆程序开始熔覆，待熔覆结束后，设置适当的降温速率对熔覆工件进行缓冷；

7、待工件完全冷却后，切割成小工件用于微观表征和性能测试。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，其特征在于，包括等离子熔覆***、感应预热***和工件定位***，其中，等离子熔覆***包括氩气瓶、送气管、等离子熔覆电源、送粉器、等离子焊枪和变位机；感应预热***包括感应加热电源、红外测温仪、温度控制器、感应线圈和在线数据采集***；工件定位***包括用于放置和定位紫铜工件的熔覆工作台；在熔覆时，等离子熔覆电源、等离子枪、紫铜工件、工作台、变位机形成电流回路；感应线圈被设置在熔覆工作台之外，用于在熔覆前对紫铜工件进行预热。

2.如权利要求1所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，其中，熔覆工作台包括陶瓷材质的边缘部和金属材质的中心部两个部分，其中，在陶瓷边缘部上设有工件放置槽，工件放置槽的底部开有通孔，用于连接金属中心部，使得金属中心部可与工件放置槽中的紫铜工件接触。

3.如权利要求2所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，其中，陶瓷边缘部为刚玉材质，金属中心部为不锈钢材质。

4.如权利要求3所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，其中，红外测温仪安装在等离子焊枪的支架上。

5.如权利要求4所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆装置，其中，在线数据采集***为一台安装有温度记录软件的电脑，连接红外测温仪，实时记录紫铜工件的预热过程、熔覆过程、降温过程的温度变化曲线。

6.一种用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，其特征在于，包括步骤：将熔覆工作台夹持在变位机上；将感应线圈套在工作台外侧，并接在感应加热设备上；将紫铜工件放入工件槽内，移动等离子焊枪对准紫铜工件上表面，打开红外测温仪并调整角度，使测温点和熔覆点重合；打开感应加热电源和温度控制器，设置温度程序，将紫铜工件预热到600℃；启动熔覆程序开始熔覆。

7.如权利要求6所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，其中，熔覆工作台包括陶瓷材质的边缘部和金属材质的中心部两个部分，其中，在陶瓷边缘部上设有工件放置槽，工件放置槽的底部开有通孔，用于连接金属中心部，使得金属中心部可与工件放置槽中的紫铜工件接触。

8.如权利要求7所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，其中，陶瓷边缘部为刚玉材质，金属中心部为不锈钢材质。

9.如权利要求8所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，其中，红外测温仪安装在等离子焊枪的支架上。

10.如权利要求9所述的用于紫铜表面强化的等离子-感应复合熔覆方法，其中，红外测温仪连接在一台安装有温度记录软件的电脑上，对紫铜工件的预热过程、熔覆过程、降温过程的温度变化曲线进行实时记录。