技术领域
本发明涉及一种激光热喷涂金属涂层的在线加热装置，特别是一种涉及加热、温度控制、三维数控和激光喷涂系统为一体的激光喷涂技术设计开发的新型同步加热装置。
背景技术
作为表面技术，激光热喷涂是一种新型的表面处理技术，他利用高能量密度的激光束将基体表面熔化，同时以不同的送粉方式在待加工的工件表面上喷射选择的涂层材料粉末，经激光辐射使其与基体表面层同时熔化，并快速过冷凝固后形成低稀释率和高结合强度的金属表面涂层。激光热喷涂处理技术很好的改善了基材表面的耐磨、耐蚀、抗氧化等理化性能,从而达到了对基材表面的改性和修复目的,该技术既满足了生产对材料特性的要求，又节省了大量的贵金属资源，且稳定无污染。
目前，用于激光热喷涂的激光设备主要是CO2激光器和固体YAG激光器两种。由于铝合金涂层具有良好的耐磨耐腐蚀性能，因此成为表面工程的重材料。铝合金涂层在CO2激光辐照条件下容易变形，甚至塌陷，而固体激光器尤其是碟片YAG激光器输出波长为1.06μm，较CO2激光波长小1个数量级，因而更适合铝合金等涂层的激光熔覆。
尽管固体激光器较CO2激光器更适合加工铝合金涂层，但是仍然无法克服激光热喷涂铝涂层产生的问题。激光热喷涂技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是喷涂层质量的不稳定性。激光喷涂高达1012℃/s的加热和冷却的速度，加上铝合金涂层的高线性热膨胀系数23.21×10-6/℃，使得熔覆层和基体材料产生高温度梯度，容易在涂层中产生气孔、裂纹、变形和表面不平度等缺陷。
激光热喷涂的开裂敏感性尤其是困扰国内外研究者的一个重大难题，也是工程应用及产业化的障碍，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究，但控制方法方面还不成熟。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，为适应激光喷涂技术的快速发展，提供一种可靠、稳定、连续、可控的激光喷涂在线加热装置。本发明是基于温度的热流力学原理结合热累积效应，通过在线加热方式减小材料温度梯度、部分消除金属涂层热应力和组织应力，进一步改善激光热喷涂涂层的质量稳定性。
本发明采用了以下技术方案：主要由智能温控箱、连接线、履带式陶瓷加热器、三维数控工作台和连接螺钉与夹具组成的可控在线加热装置。
本在线加热装置的智能温控箱包括一台温控箱和电源连接线。该温控箱使用单相220V电源，最大输出功率10KW，可实现ON/OFF双位开关控制；温控箱可通过自身自动对P.I.D.常数进行测量、运算并自动进行设定功能实现自动整定；在温度控制要求不高，待加工工件材料性能和实验情况复杂时可使用温控箱进行人工实时整定；温控器同时具有值报警、偏差报警、上下线报警、范围报警四种报警功能；温控器最主要具有斜坡-保温功能，可以按照预先设定的曲线，使设定值（SV）与时间一起变化。温度表的设定值（SV）切换、运行（RUN）/待机切换、斜坡-保温/RESET切换、自动整定启动、报警锁定接触、定时器动作都通过数字量输入控制。
本在线加热装置的连接线包括两条规格为2*10mm2电缆、铜制接头。每条电缆有两端，每端各接有一个铜制接头。电缆一端连接智能温控箱的负载接口端，另一端连接加热器。
在线加热装置的履带式陶瓷加热器包括一块LCD型履带式陶瓷电加热片、陶瓷连接线、铜制接头。该陶瓷加热片选用优质镍铬合金丝缆，外套高纯度氧化铝陶瓷绝缘件制成的履带式加热器。它能根据工件形状、尺寸制作，可以拼接、弯曲、缠绕紧贴工件加热，表面最高温度可达1050℃，陶瓷加热片上加工有固定螺纹孔和夹具螺纹孔。陶瓷连接线为镍铬合金丝缆外套多节空心圆柱陶瓷绝缘件制成，两根陶瓷连接线与加热片相连作电源输入输出。陶瓷连接线另一端用接有铜接头，可与电缆铜接头灵活插拔。
在线加热装置的三维数控工作台包括三维数控台和一块纯铜基板组成。三维数控台由两种控制方式：计算机和控制手柄控制。数控台Z轴轨道在X-Y面为固定结构。纯铜基板通过螺钉固定在三维数控台上，与数控台同步进退。纯铜基板上开有一个通线孔，将陶瓷连接线通过孔与电缆相连。
本发明与现有技术相比，结构简单，操作方便，可设定加热温度、温度升降斜率和保温时间，控制代加工件的加工温度梯度，能有效克服激光热喷涂铝涂层的裂纹敏感性、气孔、热变形等缺陷。
1.激光发射头；2.陶瓷电加热片；3.三维数控台；4.数控台Z轴轨道；5.纯铜基板；6.铜制接头；7.电缆；8.智能温控箱；9.电源连接线；10.夹具螺纹孔；11.固定螺纹孔；12.陶瓷连接线
具体实施方式
如图这种激光喷涂在线加热装置，主要包括激光发射头1；陶瓷电加热片2；三维数控台3；纯铜基板5；电缆7；智能温控箱8。
其中，所述的激光发射头1安装在数控台Z轴轨道4上根据工艺要求沿Z轴方向上下移动。陶瓷电加热片2的四个角通过固定螺纹孔11用螺钉固定在纯铜基板5上。待加工式样通过夹具螺纹孔10用夹具固定在陶瓷电加热片2上。陶瓷连接线通过铜制接头6与电缆相连。电缆7接至智能温控箱8的电源输出端。智能温控箱8通过电源连接线9连接电源供电。
开启智能温控箱8总开关开始操作及编制斜坡/保温工艺曲线程序。控制输出灯亮，PV显示当前实测温度，SV显示设定温度，同时根据要求可设定温度为自由升温或按设定值升温。自由升温指加热片进行自由温度提升，提升斜率不可控制。按设定值升温指加热片按设定好的斜率进行线性升温，一般选用设定值升温，只有当高温度设定值时，先进行自由升温再设定斜率升温。升温后可设置保温时间，必要时可暂停加热。
当待加工工件通过陶瓷电加热片2加热至所需温度，开始进行激光热喷涂实验。此时根据数控程序，三维数控台3将按照要求进行空间移动。激光发射到工件表面，工件由于热效应升温。因为有了提前在线加热过程，工件在加工初始阶段温升速度较慢，温度梯度小，热膨胀不明显。加工过程中陶瓷电加热片2处于保温状态。加工完毕时，同样可设定加热片降温斜率，保持工件低温度梯度降温，从而大大减小工件残余应力，减小热变形。
具体实施例
开启智能温控箱8总开关开始操作及编制斜坡/保温工艺曲线程序。控制输出灯亮，PV显示当前实测温度21℃，SV显示设定温度300℃，同时根据要求按设定值升温，升温斜率为5℃/min，工件加工时间10min，即设置300℃保温时间为10min，设置降温斜率10℃/min。加工时间结束时，工件由加工时的高温状态自由降温至300℃时于加热片的温度曲线对接，相对地按照陶瓷加热片的降温斜率进行降温。
如图为未进行在线加热与进行了在线加热方式的激光热喷涂铝涂层表面和界面形貌对比。
