一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置及其熔覆方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，由靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置、氣體保護(hù)模塊、零件傳送模塊及零件固定夾具五大模塊組成，具有設(shè)備構(gòu)建及運(yùn)行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆層表面質(zhì)量好、熔覆層厚度精確可控等優(yōu)點(diǎn)。既降低系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行成本，也提高了生產(chǎn)效率，還獲得了好的熔覆質(zhì)量。該方法可滿足以較低成本批量快速高質(zhì)量熔覆平面類金屬零件的要求。
【專利說(shuō)明】一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置及其熔覆方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光表面改性【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置及其熔覆方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔覆是利用高能量密度的激光束，將粉末材料熔覆在零件的表面，以獲得優(yōu)良力學(xué)性能涂層的一種激光表面改性技術(shù)。激光束將粉末熔化后形成的液態(tài)合金由于基體材料的迅速導(dǎo)熱而產(chǎn)生極高的冷卻速度而快速凝固結(jié)晶，不但產(chǎn)生牢固、良好的冶金結(jié)合，而且還獲得細(xì)小均勻的顯微組織(即涂層微觀組織優(yōu)良)，因此可獲得具有非常優(yōu)異力學(xué)性能和耐磨、耐蝕性能的表面涂層。
[0003]相對(duì)傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)，激光熔覆技術(shù)具有以下主要優(yōu)點(diǎn):(I)激光能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材熱影響小，零件變形小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性加工。(2)通過(guò)調(diào)節(jié)激光輸入能量，可將基材的稀釋率控制在極低范圍(一般為2%~8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，從而保持了熔覆層材料原本的優(yōu)異性能。(3)激光熔覆層與基材間牢固結(jié)合，為冶金結(jié)合。(4)熔覆層組織致密均勻，極大提高了零件表面的硬度、耐磨、耐腐蝕及抗疲勞等性能，且延長(zhǎng)了材料的使用壽命，尤其在廢件維修的應(yīng)用上具有難以估計(jì)的價(jià)值。(5)適用范圍廣，理論上任何基材表面上都能采用激光熔覆上幾乎所有的金屬或陶瓷材料。因此，目前采用激光熔覆技術(shù)對(duì)金屬零部件進(jìn)行強(qiáng)化處理已成為提高金屬零件力學(xué)性能及價(jià)值的利器。
[0004]激光熔覆可分為送粉式激光熔覆和預(yù)置式激光熔覆兩大類。送粉式激光熔覆工藝具有易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，激光能量吸收率高，無(wú)內(nèi)部氣孔等優(yōu)點(diǎn)，但須用到專用的激光熔覆噴頭、送粉機(jī)構(gòu)以及大功率激光器，因而設(shè)備成本高。同時(shí)，相對(duì)于預(yù)置式激光熔覆工藝，其成型表面較為粗糙，需較多的后處理加工。預(yù)置式激光熔覆具有不受材料的限制、易于進(jìn)行復(fù)合成分粉末的熔覆、工藝簡(jiǎn)單、`操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前常采用的粉末預(yù)置方法主要包括熱噴涂法和化學(xué)黏結(jié)法:熱噴涂法在預(yù)置粉末的過(guò)程中除需要專用的噴涂設(shè)備外，其粉末的損失量很大(約為30%~40%)，此外該方法還存在對(duì)粉末粒度的要求較高等不足；對(duì)于化學(xué)粘結(jié)法而言，由于使用了各種黏結(jié)劑，在熔覆過(guò)程中極易產(chǎn)生氣孔等缺陷，同時(shí)粘結(jié)劑的加入對(duì)熔覆層成分也會(huì)產(chǎn)生不同程度的不利影響。
[0005]另外，現(xiàn)有激光熔覆工藝多采用大功率激光(如千瓦級(jí)的CO2激光器)作為成型能量源，以電機(jī)+絲桿控制的三維工作臺(tái)或電機(jī)+絲桿控制的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以控制熔覆工位的變動(dòng)。大功率激光器一般體積較大，且成本昂貴，對(duì)其制冷、后續(xù)光路元件也要求苛刻(如要求鏡片的耐熱性能更高，水冷機(jī)制冷量更大)等，因此無(wú)論熔覆系統(tǒng)構(gòu)建成本還是運(yùn)行成本都較為昂貴；而采用電機(jī)+絲桿作為熔覆工位變動(dòng)控制機(jī)構(gòu)使得熔覆效率較低，通常熔覆速度為10mm/S以下，因此，傳統(tǒng)的激光熔覆工藝并不適合于批量生產(chǎn)的金屬零件。因此極需要發(fā)展低成本及快速的激光熔覆技術(shù)。
[0006]申報(bào)專利(申報(bào)號(hào)201110440356.3)提出一種采用光纖激光的熔覆裝置，該裝置采用大功率光纖激光作為能量源，以伺服電機(jī)控制的X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片及Z軸動(dòng)態(tài)聚焦模塊控制光束熔化鋪粉滾預(yù)置的金屬粉末實(shí)現(xiàn)激光熔覆，與傳統(tǒng)激光熔覆工藝相比，具有體積小、運(yùn)行維護(hù)成本相對(duì)低、熔覆速度更快的優(yōu)點(diǎn)。但需采用大功率連續(xù)光纖激光器(如該申報(bào)專利說(shuō)明書(shū)提到的IPG-2000W光纖激光器)，導(dǎo)致裝置的構(gòu)建成本高(大功率光纖激光器本身的成本就很高，對(duì)冷卻及后續(xù)光路系統(tǒng)也要求苛刻，因此導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)建成本高昂)；同時(shí)具有兩個(gè)粉缸及一個(gè)鋪粉滾的鋪粉系統(tǒng)運(yùn)作起來(lái)至少需四個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作，也不利于提高熔覆效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服上述的技術(shù)缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置及其熔覆方法，具有設(shè)備構(gòu)建及運(yùn)行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆層表面質(zhì)量好、熔覆層厚度可控的特點(diǎn)，既降低系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行成本，也提高了生產(chǎn)效率，還獲得了好的熔覆質(zhì)量，能夠滿足以較低成本批量快速高質(zhì)量熔覆平面類零件的要求。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方法是:一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，由靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置、氣體保護(hù)模塊、零件傳送模塊及零件固定夾具五大模塊組成，所述靜電噴粉裝置帶有空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)載氣管與設(shè)置在電子天枰上的粉罐相連通，粉罐另一端通過(guò)送粉管與靜電噴粉頭的進(jìn)粉流道相連通，所述進(jìn)粉流道后端與出粉流道相連，兩者之間呈30°~60 °角度，在出粉流道內(nèi)貫穿有一根一頭與主體頂部電極固定塊固定相連的電極針，靜電噴粉裝置下端連接有防塵罩，防塵罩下端設(shè)有噴粉工位，噴粉工位上設(shè)置有零件固定夾具，所述零件固定夾具包括基板，加工零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，基板通過(guò)4個(gè)螺孔與內(nèi)六角螺釘配合固定栓接在零件傳送模塊的傳送帶板上，在傳送帶板上另設(shè)有一個(gè)熔覆工位，零件固定夾具通過(guò)零件傳送模塊輸送到熔覆工位由激光振鏡快速掃描裝置進(jìn)行熔覆，所述激光振鏡快速掃描裝置包括振鏡掃描頭、激光輸入模塊、精密絲桿和伺服電機(jī)，所述精密絲桿樹(shù)立在熔覆工位旁，在精密絲桿上固定有一個(gè)朝下的激光輸入模塊，在激光輸入模塊一側(cè)連接有一個(gè)振鏡掃描頭，所述激光輸入模塊集成了光纖激光頭、 激光頭安裝座和擴(kuò)束鏡，光纖激光頭安裝在激光輸入模塊中的激光頭安裝座上，通過(guò)激光輸入模塊中的擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束2-4倍后傳輸?shù)秸耒R掃描頭，振鏡掃描頭主要集成了高速掃描振鏡單元和F- Θ場(chǎng)聚焦鏡單元，高速掃描振鏡單元由通過(guò)兩個(gè)檢流計(jì)式電機(jī)控制的X軸反射鏡及Y軸反射鏡組成，最高掃描速度要求達(dá)到5m/s以上，激光聚焦采用F- Θ場(chǎng)聚焦鏡實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，F(xiàn)- Θ場(chǎng)聚焦鏡也可保證光束在掃描過(guò)程中，焦點(diǎn)始終落到熔覆工位上。
[0009]使用上述裝置對(duì)零件進(jìn)行熔覆的工藝步驟如下:
第一步:粉末預(yù)置及熔覆前，需進(jìn)行一些預(yù)處理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并將待熔覆的零件表面除銹、除油；同時(shí)應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)準(zhǔn)備好熔覆的數(shù)據(jù)，熔覆數(shù)據(jù)根據(jù)熔覆零件的CAD圖形及熔覆需求生成，熔覆需求包括掃描路徑、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)；
第二步:在粉末預(yù)置前，零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，零件可以是一件，也可以是多件擺放到同一炔基板上；
第三步:將靜電噴粉頭的電極針接高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極，基板接地，接通高壓靜電發(fā)生器，在電極針附近形成電暈放電，這時(shí)通過(guò)壓縮空氣將粉桶中的金屬粉末輸送到噴粉頭，粉末在噴粉頭附近被添加上負(fù)電，形成帶負(fù)電粒子，這時(shí)一方面粉末受同性電荷斥力作用會(huì)盡量均勻分散開(kāi)來(lái)；另一方面，受氣流及極性相反的零件及基板靜電吸力作用，粉末被吸附到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)上，從而形成了均勻分布的粉末層；
第四步:由于零件及基板都接地，且金屬粉末是電的導(dǎo)體，因此，被吸到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)上的金屬粉末很快通過(guò)零件及基板將電荷釋放，但是，這時(shí)粉末仍將受重力作用平鋪在零件及基板上，由于金屬粉末的電荷被釋放，因此只要送粉及電暈放電工作還在繼續(xù)，粉末仍會(huì)均勻地持續(xù)積累到零件表面；
第五步:通過(guò)粉桶底部的電子天枰能夠檢測(cè)到在粉桶粉末被輸送到基板區(qū)域后，電子天枰讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，變化值即為落入到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)的粉末量，由于在靜電作用下，粉末的分布是均勻的，因此，將零件的累積的粉末厚度可由下式計(jì)得:
h 粉厚=k Δ M/ ( P S 基)
式中，Λ M為電子天枰讀數(shù)變化，P為粉層密度(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定基板除底面以外的表面積，k為修正系數(shù)(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，修正有少量粉末噴涂到基板區(qū)域以外的情況)；
通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定粉層密度P及修正系數(shù)k后，在以后的每次粉末預(yù)置中即可通過(guò)電子天枰的讀數(shù)控制零件的粉末預(yù)置厚度，由于粉末預(yù)置厚度的增加過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系近似線性，對(duì)于電子天枰無(wú)法識(shí)別的質(zhì)量變化(即變化量小于電子天枰的精度)，可通過(guò)噴粉時(shí)間的計(jì)算，結(jié)合上述計(jì)算公式，對(duì)粉末預(yù)置厚度進(jìn)行評(píng)估； 為回收粉末及防止粉末污染，在粉末預(yù)置區(qū)域裝有一個(gè)回收斗及一個(gè)防塵罩，多余的粉末通過(guò)回收斗回收重用，為確保安全，防塵罩及回收斗都接地；
第六步:粉末預(yù)置完畢后，應(yīng)迅速斷開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，以使零件及基板的靜電得以全部釋放，以保證在熔覆區(qū)域的工作安全，同時(shí)，零件和基板作為一個(gè)整體傳送到熔覆區(qū)域并精確定位，為實(shí)現(xiàn)零件的精確定位，采用齒形同步帶結(jié)合伺服電機(jī)進(jìn)行零件和基板的傳送；
第七步:根據(jù)預(yù)置粉層的厚度及零件待熔覆表面的高度，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制焦點(diǎn)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)精密絲桿，使激光掃描頭位于合適的高度；
第八步:將氣體保護(hù)罩套入基板的保護(hù)罩定位槽，充入高純氮?dú)饣驓鍤?，使保護(hù)罩內(nèi)的氣體濃度達(dá)到熔覆要求，氣體濃度可根據(jù)充氣時(shí)間結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷；
第九步:計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件讀入熔覆數(shù)據(jù)，然后通過(guò)熔覆數(shù)據(jù)控制激光掃描頭中的高速掃描振鏡單元運(yùn)動(dòng)，使激光束以> 0.05m/s的掃描速度，快速熔化預(yù)置粉末材料，實(shí)現(xiàn)零件的熔覆；
第十步:如果一次熔覆厚度不夠，可以在完成一次熔覆后，同步帶驅(qū)動(dòng)基板回到粉末預(yù)置區(qū)域，重復(fù)第一步~第九步的步驟，實(shí)現(xiàn)二次熔覆；同樣，根據(jù)需要，多次熔覆工作亦可通過(guò)重復(fù)第一步~第九步的步驟實(shí)現(xiàn)。
[0010]所述空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口處安裝有空氣濾清器。
[0011]所述的靜電噴粉頭除電極針外都采用絕緣材料制成。
[0012]所述零件傳送模塊主要由兩個(gè)同步帶輪、上下兩塊傳送帶板及兩根齒形同步帶組成，每根齒形同步帶都呈線狀，且其長(zhǎng)度都應(yīng)能確保零件固定夾具從噴粉工位正確移動(dòng)到熔覆工位；每塊傳送帶板的兩端分別連接兩根齒形同步帶的一端，形成一個(gè)首尾相接的環(huán)狀傳送帶；兩個(gè)同步帶輪各與一根齒形同步帶嚙合。[0013]所述傳送帶板由一定硬度的金屬板材制作，在傳送帶板上鉆有若干個(gè)孔位，孔位是為防止粉末累積到傳送帶板上而設(shè)置的，其中上傳送帶板部分孔位也可用于定位安裝基板，在下傳送帶板的下端設(shè)置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗，為保證工作安全，下傳送帶板也應(yīng)接地。
[0014]在所述零件固定夾具運(yùn)輸?shù)饺鄹补の粫r(shí)需加裝一個(gè)氣體保護(hù)裝置。
[0015]所述氣體保護(hù)裝置通過(guò)基板上的保護(hù)罩定位槽固定在基板上，氣體保護(hù)裝置包括罩體，罩體的上下兩端分別安裝有上通氣接頭和下通氣接頭，所述上通氣接頭和下通氣接頭均為帶有球閥的氣管接頭，如采用氮?dú)猓瑲怏w從上通氣接頭接入，從下通氣接頭排出；如采用氬氣，氣體從下通氣接頭接入，從上通氣接頭排出，當(dāng)罩體內(nèi)的氣氛達(dá)到要求后，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)排氣接頭上的球閥的開(kāi)度，減少保護(hù)氣體的排出，以節(jié)省保護(hù)氣用量，在氣體保護(hù)裝置頂部中間位置處設(shè)有激光窗口鏡，激光窗口鏡采用雙面鍍膜的石英鏡片，以增加激光的透過(guò)率。
[0016]在所述絲桿的頂部設(shè)置有伺服電機(jī)，通過(guò)精密絲桿和伺服電機(jī)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)激光的變焦處理，即當(dāng)熔覆粉末厚度發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲桿，實(shí)現(xiàn)振鏡掃描頭的精確升降，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)平面的調(diào)節(jié)。
[0017]所述激光輸入模塊采用優(yōu)良光束質(zhì)量(光束質(zhì)量因子M2 ≤ 1.3)的中功率單模光纖激光器(200W~500W )作為成型能量源，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，聚焦光斑≤IOOym ;且為有利于金屬材料對(duì)激光束能量的吸收，激光的波長(zhǎng)取為I μ m~1.1 μ m之間。
[0018]所述靜電噴粉裝置、 激光振鏡快速掃描裝置和零件傳送模塊均通過(guò)計(jì)算機(jī)集成控制。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:具有設(shè)備構(gòu)建及運(yùn)行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆層表面質(zhì)量好、熔覆層厚度精確可控等優(yōu)點(diǎn)，既降低系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行成本，也提高了生產(chǎn)效率，還獲得了好的熔覆質(zhì)量。該方法可滿足以較低成本批量快速高質(zhì)量熔覆平面類金屬零件的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明使用裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是靜電噴粉頭結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是氣體保護(hù)裝置及零件固定夾具結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是基板結(jié)構(gòu)不意圖；
圖5是傳送帶板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明熔覆方法流程圖。
[0021]圖中:1_空氣壓縮機(jī)，2-載氣管，3-粉罐，4-電子天枰，5-送粉管，6-靜電噴粉頭，6-1-主體，6-2-進(jìn)粉流道，6-3-出粉流道，6-4-電極針，6_5_電極固定塊，7-防塵罩，8-余粉回收斗，9-氣體保護(hù)裝置，9-1-罩體，9-2-上通氣接頭，9-3-激光窗口鏡，9-4-下通氣接頭，10-1-夾緊板，10-2-蝶型螺母，10-3- T型螺栓，10-4-基板，10-4-1-T型槽，10-4-2-保護(hù)罩定位槽，10-4- 3 -螺孔，11-零件，12-振鏡掃描頭，13-激光輸入模塊13，14-精密絲桿，15-伺服電機(jī),16-同步帶輪,17-齒形同步帶，18-上傳送帶板,19-下傳送帶板。
[0022]【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，一種平面類金屬零件11激光快速熔覆裝置，由靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置、氣體保護(hù)模塊、零件11傳送模塊及零件11固定夾具五大模塊組成，所述靜電噴粉裝置包括空氣壓縮機(jī)1，空氣壓縮機(jī)I通過(guò)載氣管2與設(shè)置在電子天枰4上的粉罐3相連通，粉罐3另一端通過(guò)送粉管5與靜電噴粉頭6的進(jìn)粉流道6-2相連通，所述進(jìn)粉流道6-2后端與出粉流道6-3相連，兩者之間呈30°~60 °角度，在出粉流道6-3內(nèi)貫穿有一根一頭與主體6-1頂部電極固定塊6-5固定相連的電極針6-4,靜電噴粉裝置下端連接有防塵罩7，防塵罩7下端設(shè)有噴粉工位，噴粉工位上設(shè)置有零件11固定夾具，所述零件11固定夾具包括基板10-4，加工零件11采用T型槽10-4-1及T型螺栓10_3固定在基板10-4上，基板10-4通過(guò)4個(gè)螺孔10-4- 3與內(nèi)六角螺釘配合固定栓接在零件11傳送模塊的上傳送帶板18上，在上傳送帶板18上另設(shè)有一個(gè)熔覆工位，零件11固定在零件11固定夾具上，通過(guò)零件11傳送模塊輸送到熔覆工位由激光振鏡快速掃描裝置進(jìn)行熔覆，所述激光振鏡快速掃描裝置包括振鏡掃描頭12、激光輸入模塊13、精密絲桿14和伺服電機(jī)15，所述精密絲桿14樹(shù)立在熔覆工位旁，在精密絲桿14上固定有一個(gè)朝下的激光輸入模塊13，在激光輸入模塊13 —側(cè)連接有一個(gè)振鏡掃描頭12，所述激光輸入模塊13集成了光纖激光頭、激光頭安裝座和擴(kuò)束鏡，光纖激光頭安裝在激光輸入模塊13中的激光頭安裝座上，通過(guò)激光輸入模塊13中的擴(kuò)束鏡,擴(kuò)束2-4倍后傳輸?shù)秸耒R掃描頭12,振鏡掃描頭12主要集成了高速掃描振鏡單元和F-Θ場(chǎng)聚焦鏡單元，高速掃描振鏡由通過(guò)兩個(gè)檢流計(jì)式電機(jī)控制的X軸反射鏡及Y軸反射鏡組成，最高掃描速度要求達(dá)到5m/s以上，激光聚焦采用F-Θ場(chǎng)聚焦鏡實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)，F(xiàn)-Θ場(chǎng)聚焦鏡也可保證光束在掃描過(guò)程中，焦點(diǎn)始終落到熔覆工位上。
[0024]參見(jiàn)圖6，使用上述裝置對(duì)零件11進(jìn)行熔覆的工藝步驟如下:
第一步:粉末預(yù)置及熔覆前，需進(jìn)行一些預(yù)處理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并將待熔覆的零件11表面除銹、除油。同時(shí)應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)準(zhǔn)備好熔覆的數(shù)據(jù)，熔覆數(shù)據(jù)根據(jù)熔覆零件11的CAD圖形及熔覆需求生成，熔覆需求包括掃描路徑、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)；
第二步:在粉末預(yù)置前，零件11采用T型槽10-4-1及T型螺栓10-3固定在基板10-4上，零件11可以是一件，也可以是多件擺放到同一炔基板10-4上；
第三步:將靜電噴粉頭6的電極針6-4接高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極，基板10-4接地，接通高壓靜電發(fā)生器，在電極針6-4附近形成電暈放電，這時(shí)通過(guò)壓縮空氣將粉桶中的金屬粉末輸送到噴粉頭，粉末在噴粉頭附近被添加上負(fù)電，形成帶負(fù)電粒子，這時(shí)一方面粉末受同性電荷斥力作用會(huì)盡量均勻分散開(kāi)來(lái)；另一方面，受氣流及極性相反的零件11及基板10-4靜電吸力作用，粉末被吸附到基板10-4區(qū)域(包括基板10-4、零件11、夾具表面)上，從而形成了均勻分布的粉末層；
第四步:由于零件11及基板10-4都接地，且金屬粉末是電的導(dǎo)體，因此，被吸到基板10-4區(qū)域(包括基板10-4、零件11、夾具表面)上的金屬粉末很快通過(guò)零件11及基板10-4將電荷釋放，但是，這時(shí)粉末仍將受重力作用平鋪在零件11及基板10-4上，由于金屬粉末的電荷被釋放，因此只要送粉及電暈放電工作還在繼續(xù)，粉末仍會(huì)均勻地持續(xù)積累到零件11表面；第五步:通過(guò)粉桶底部的電子天枰4能夠檢測(cè)到在粉桶粉末被輸送到基板10-4區(qū)域后，電子天枰4讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，變化值即為落入到基板10-4區(qū)域(包括基板10-4、零件
11、夾具表面)的粉末量，由于在靜電作用下，粉末的分布是均勻的，因此，將零件11的累積的粉末厚度可由下式計(jì)得:
h 粉厚=k Δ M/ ( P S 基)
式中，Λ M為電子天枰4讀數(shù)變化，P為粉層密度(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定)，Ss為基板10-4除底面以外的表面積，k為修正系數(shù)(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，修正有少量粉末噴涂到基板10-4區(qū)域以外的情況)；
通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定粉層密度P及修正系數(shù)k后，在以后的每次粉末預(yù)置中即可通過(guò)電子天枰4的讀數(shù)控制零件11的粉末預(yù)置厚度。由于粉末預(yù)置厚度的增加過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系近似線性，對(duì)于電子天枰4無(wú)法識(shí)別的質(zhì)量變化(即變化量小于電子天枰4的精度)，可通過(guò)噴粉時(shí)間的計(jì)算，結(jié)合上述計(jì)算公式，對(duì)粉末預(yù)置厚度進(jìn)行評(píng)估；
為回收粉末及防止粉末污染，在粉末預(yù)置區(qū)域裝有一個(gè)余粉回收斗8及一個(gè)防塵罩7，多余的粉末通過(guò)余粉回收斗8回收重用，為確保安全，防塵罩7及余粉回收斗8都接地；第六步:粉末預(yù)置完畢后，應(yīng)迅速斷開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，以使零件11及基板10-4的靜電得以全部釋放，以保證在熔覆區(qū)域的工作安全，同時(shí)，零件11和基板10-4作為一個(gè)整體傳送到熔覆區(qū)域并精確定位，為實(shí)現(xiàn)零件11的精確定位，采用齒形同步帶17結(jié)合伺服電機(jī)15進(jìn)行零件11和基板10-4的傳送；
第七步:根據(jù)預(yù)置粉層的 厚度及零件11待熔覆表面的高度，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制焦點(diǎn)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)15，驅(qū)動(dòng)精密絲桿14，使激光掃描頭位于合適的高度；
第八步:將氣體保護(hù)罩套入基板10-4的保護(hù)罩定位槽10-4-2，充入高純氮?dú)饣驓鍤猓贡Ｗo(hù)罩內(nèi)的氣體濃度達(dá)到熔覆要求，氣體濃度可根據(jù)充氣時(shí)間結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷；
第九步:計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件讀入熔覆數(shù)據(jù)，然后通過(guò)熔覆數(shù)據(jù)控制激光掃描頭中的高速掃描振鏡單元運(yùn)動(dòng)，使激光束以> 0.05m/s的掃描速度，快速熔化預(yù)置粉末材料，實(shí)現(xiàn)零件11的熔覆；
第十步:如果一次熔覆厚度不夠，可以在完成一次熔覆后，同步帶驅(qū)動(dòng)基板10-4回到粉末預(yù)置區(qū)域，重復(fù)第一步~第九步的步驟，實(shí)現(xiàn)二次熔覆；同樣，根據(jù)需要，多次熔覆工作亦可通過(guò)重復(fù)第一步~第九步的步驟實(shí)現(xiàn)。
[0025]所述空氣壓縮機(jī)I進(jìn)氣口處安裝有空氣濾清器。
[0026]所述的靜電噴粉頭6除電極針6-4外都采用絕緣材料制成。
[0027]所述零件傳送模塊主要由兩個(gè)同步帶輪16、上傳送帶板18、下傳送帶板19及兩根齒形同步帶17組成，每根齒形同步帶17都呈線狀，且其長(zhǎng)度都應(yīng)能確保零件11固定夾具從噴粉工位正確移動(dòng)到熔覆工位；上傳送帶板18及下傳送帶板19的兩端分別連接齒形同步帶17的一端,形成一個(gè)首尾相接的環(huán)狀傳送帶；兩個(gè)同步帶輪16各與一根齒形同步帶17嚙合。
[0028]所述上傳送帶板18、下傳送帶板19由一定硬度的金屬板材制作，在傳送帶板上鉆有若干個(gè)孔位，孔位是為防止粉末累積到傳送帶板上而設(shè)置的。其中上傳送帶板部分孔位也可用于定位安裝基板10-4，在下傳送帶板19的下端設(shè)置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗8，為保證工作安全，下傳送帶板也應(yīng)接地。[0029]在所述零件11固定夾具運(yùn)輸?shù)饺鄹补の粫r(shí)需加裝一個(gè)氣體保護(hù)裝置9。
[0030]在熔覆工位，所述氣體保護(hù)裝置9通過(guò)基板10-4上的保護(hù)罩定位槽10-4-2固定在基板10-4上，氣體保護(hù)裝置9包括罩體9-1，罩體9-1的上下兩端分別安裝有上通氣接頭9-2和下通氣接頭9-4，所述上通氣接頭9-2和下通氣接頭9-4均為帶有球閥的氣管接頭，如采用氮?dú)?，氣體從上通氣接頭9-2接入，從下通氣接頭9-4排出；如采用氬氣，氣體從下通氣接頭9-4接入，從上通氣接頭9-2排出，當(dāng)罩體9-1內(nèi)的氣氛達(dá)到要求后，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)排氣接頭上的球閥開(kāi)度，減少的保護(hù)氣體的排出，以節(jié)省保護(hù)氣用量，在氣體保護(hù)裝置9頂部中間位置處設(shè)有激光窗口鏡9-3，激光窗口鏡9-3采用雙面鍍膜的石英鏡片，以增加激光的透過(guò)率。
[0031]在所述絲桿的頂部設(shè)置有伺服電機(jī)15，通過(guò)精密絲桿14和伺服電機(jī)15相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)激光的變焦處理，即當(dāng)熔覆粉末厚度發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)伺服電機(jī)15驅(qū)動(dòng)精密絲桿14，實(shí)現(xiàn)振鏡掃描頭12的精確升降，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)平面的調(diào)節(jié)。
[0032]所述激光輸入模塊13采用優(yōu)良光束質(zhì)量(光束質(zhì)量因子M2 ( 1.3)的中功率單模光纖激光器(200W~500W )作為成型能量源，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，聚焦光斑≤IOOym ;且為有利于金屬材料對(duì)激光束能量的吸收，激光的波長(zhǎng)取為I μ m~1.1 μ m之間。
[0033]所述靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置和零件11傳送模塊均通過(guò)計(jì)算機(jī)集成控制。
[0034]具有設(shè)備構(gòu)建及運(yùn)行成本低、粉末添加方法快捷、熔覆速度快、熔覆層表面質(zhì)量好、熔覆層厚度精確可控等優(yōu)點(diǎn)，既降低系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行成本，也提高了生產(chǎn)效率，還獲得了好的熔覆質(zhì)量。該方法可滿足以較低成本批量快速高質(zhì)量熔覆平面類金屬零件11的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，由靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置、氣體保護(hù)模塊、零件傳送模塊及零件固定夾具五大模塊組成，其特征是:所述靜電噴粉裝置帶有空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)載氣管與設(shè)置在電子天枰上的粉罐相連通，粉罐另一端通過(guò)送粉管與靜電噴粉頭的進(jìn)粉流道相連通，所述進(jìn)粉流道后端與出粉流道相連，兩者之間呈30°~60 °角度，在出粉流道內(nèi)貫穿有一根一頭與主體頂部電極固定塊固定相連的電極針，靜電噴粉裝置下端連接有防塵罩，防塵罩下端設(shè)有噴粉工位，噴粉工位上設(shè)置有零件固定夾具，所述零件固定夾具包括基板，加工零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，基板通過(guò)4個(gè)螺孔與內(nèi)六角螺釘配合固定栓接在零件傳送模塊的傳送帶板上，在傳送帶板上另設(shè)有一個(gè)熔覆工位，零件固定夾具通過(guò)零件傳送模塊輸送到熔覆工位由激光振鏡快速掃描裝置進(jìn)行熔覆，所述激光振鏡快速掃描裝置包括振鏡掃描頭、激光輸入模塊、精密絲桿和伺服電機(jī)，所述靜電噴粉裝置、激光振鏡快速掃描裝置和零件傳送模塊均通過(guò)計(jì)算機(jī)集成控制，所述精密絲桿樹(shù)立在熔覆工位旁，在精密絲桿上固定有一個(gè)朝下的激光輸入模塊，在激光輸入模塊一側(cè)連接有一個(gè)振鏡掃描頭，所述激光輸入模塊集成了光纖激光頭、激光頭安裝座和擴(kuò)束鏡，光纖激光頭安裝在激光輸入模塊中的激光頭安裝座上，通過(guò)激光輸入模塊中的擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束2-4倍后傳輸?shù)秸耒R掃描頭，振鏡掃描頭主要集成了高速掃描振鏡單元和F- Θ場(chǎng)聚焦鏡單元，高速掃描振鏡單元由通過(guò)兩個(gè)檢流計(jì)式電機(jī)控制的X軸反射鏡及Y軸反射鏡組成，最高掃描速度要求達(dá)到5m/s以上，激光聚焦采用F- Θ場(chǎng)聚焦鏡實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，F(xiàn)- Θ場(chǎng)聚焦鏡也可保證光束在掃描過(guò)程中，焦點(diǎn)始終落到熔覆工位上。
2.使用上述裝置對(duì)零件進(jìn)行熔覆，其特征在于工藝步驟如下: 第一步:粉末預(yù)置及熔覆前，需進(jìn)行一些預(yù)處理工作，主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末，并將待熔覆的零件表面除銹、除油；同時(shí)應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)準(zhǔn)備好熔覆的數(shù)據(jù)，熔覆數(shù)據(jù)根據(jù)熔覆零件的CAD圖形及熔覆需求生成，熔覆需求包括掃描路徑、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)； 第二步:在粉末預(yù)置前，零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上，零件可以是一件，也可以是多件擺放到同一炔基板上； 第三步:將靜電噴粉頭的電極針接高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極，基板接地，接通高壓靜電發(fā)生器，在電極針附近形成電暈放電，這時(shí)通過(guò)壓縮空氣將粉桶中的金屬粉末輸送到噴粉頭，粉末在噴粉頭附近被添加上負(fù)電，形成帶負(fù)電粒子，這時(shí)一方面粉末受同性電荷斥力作用會(huì)盡量均勻分散開(kāi)來(lái)；另一方面，受氣流及極性相反的零件及基板靜電吸力作用，粉末被吸附到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)上，從而形成了均勻分布的粉末層； 第四步:由于零件及基板都接地，且金屬粉末是電的導(dǎo)體，因此，被吸到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)上的金屬粉末很快通過(guò)零件及基板將電荷釋放，但是，這時(shí)粉末仍將受重力作用平鋪在零件及基板上，由于金屬粉末的電荷被釋放，因此只要送粉及電暈放電工作還在繼續(xù)，粉末仍會(huì)均勻地持續(xù)積累到零件表面； 第五步:通過(guò)粉桶底部的電子天枰能夠檢測(cè)到在粉桶粉末被輸送到基板區(qū)域后，電子天枰讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，變化值即為落入到基板區(qū)域(包括基板、零件、夾具表面)的粉末量，由于在靜電作用下，粉末的分布是均勻的，因此，將零件的累積的粉末厚度可由下式計(jì)得:h 粉厚=k Δ M/ ( P S 基) 式中，Λ M為電子天枰讀數(shù)變化，P為粉層密度(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定基板除底面以外的表面積，k為修正系數(shù)(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，修正有少量粉末噴涂到基板區(qū)域以外的情況)； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定粉層密度P及修正系數(shù)k后，在以后的每次粉末預(yù)置中即可通過(guò)電子天枰的讀數(shù)控制零件的粉末預(yù)置厚度，由于粉末預(yù)置厚度的增加過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系近似線性，對(duì)于電子天枰無(wú)法識(shí)別的質(zhì)量變化(即變化量小于電子天枰的精度)，可通過(guò)噴粉時(shí)間的計(jì)算，結(jié)合上述計(jì)算公式，對(duì)粉末預(yù)置厚度進(jìn)行評(píng)估； 為回收粉末及防止粉末污染，在粉末預(yù)置區(qū)域裝有一個(gè)回收斗及一個(gè)防塵罩，多余的粉末通過(guò)回收斗回收重用，為確保安全，防塵罩及回收斗都接地； 第六步:粉末預(yù)置完畢后，應(yīng)迅速斷開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，以使零件及基板的靜電得以全部釋放，以保證在熔覆區(qū)域的工作安全，同時(shí)，零件和基板作為一個(gè)整體傳送到熔覆區(qū)域并精確定位，為實(shí)現(xiàn)零件的精確定位，采用齒形同步帶結(jié)合伺服電機(jī)進(jìn)行零件和基板的傳送； 第七步:根據(jù)預(yù)置粉層的厚度及零件待熔覆表面的高度，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制焦點(diǎn)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)精密絲桿，使激光掃描頭位于合適的高度； 第八步:將氣體保護(hù)罩套入基板的保護(hù)罩定位槽，充入高純氮?dú)饣驓鍤猓贡Ｗo(hù)罩內(nèi)的氣體濃度達(dá)到熔覆要求，氣體濃度可根據(jù)充氣時(shí)間結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷； 第九步:計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件讀入熔覆數(shù)據(jù)，然后通過(guò)熔覆數(shù)據(jù)控制激光掃描頭中的高速掃描振鏡單元運(yùn)動(dòng)，使激光束以> 0.05m/s的掃描速度，快速熔化預(yù)置粉末材料，實(shí)現(xiàn)零件的熔覆； 第十步:如果一次熔覆厚度不夠，可以在完成一次熔覆后，同步帶驅(qū)動(dòng)基板回到粉末預(yù)置區(qū)域，重復(fù)第一步~第九步的步驟，實(shí)現(xiàn)二次熔覆；同樣，根據(jù)需要，多次熔覆工作亦可通過(guò)重復(fù)第一步~第九步的步驟實(shí)現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求1所述平面類金屬`零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口處安裝有空氣濾清器。
4.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述的靜電噴粉頭除電極針外都采用絕緣材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述零件傳送模塊主要由兩個(gè)同步帶輪、上下兩塊傳送帶板及兩根齒形同步帶組成，每根齒形同步帶都呈線狀，且其長(zhǎng)度都應(yīng)能確保零件固定夾具從噴粉工位正確移動(dòng)到熔覆工位；每塊傳送帶板的兩端分別連接兩根齒形同步帶的一端，形成一個(gè)首尾相接的環(huán)狀傳送帶；兩個(gè)同步帶輪各與一根齒形同步帶嚙合。
6.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述傳送帶板由一定硬度的金屬板材制作，在傳送帶板上鉆有若干個(gè)孔位，孔位是為防止粉末累積到傳送帶板上而設(shè)置的，其中上傳送帶板部分孔位也可用于定位安裝基板，在下傳送帶板的下端設(shè)置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗，為保證工作安全，下傳送帶板也應(yīng)接地。
7.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:在所述零件固定夾具運(yùn)輸?shù)饺鄹补の粫r(shí)需加裝一個(gè)氣體保護(hù)裝置。
8.如權(quán)利要求7所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述氣體保護(hù)裝置通過(guò)基板上的保護(hù)罩定位槽固定在基板上，氣體保護(hù)裝置包括罩體，罩體的上下兩端分別安裝有上通氣接頭和下通氣接頭，所述上通氣接頭和下通氣接頭均為帶有球閥的氣管接頭，如采用氮?dú)猓瑲怏w從上通氣接頭接入，從下通氣接頭排出；如采用氬氣，氣體從下通氣接頭接入，從上通氣接頭排出，當(dāng)罩體內(nèi)的氣氛達(dá)到要求后，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)排氣接頭上的球閥的開(kāi)度，減少保護(hù)氣體的排出，以節(jié)省保護(hù)氣用量，在氣體保護(hù)裝置頂部中間位置處設(shè)有激光窗口鏡，激光窗口鏡采用雙面鍍膜的石英鏡片，以增加激光的透過(guò)率。
9.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:在所述絲桿的頂部設(shè)置有伺服電機(jī)，通過(guò)精密絲桿和伺服電機(jī)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)激光的變焦處理，即當(dāng)熔覆粉末厚度發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲桿，實(shí)現(xiàn)振鏡掃描頭的精確升降，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)平面的調(diào)節(jié)。
10.如權(quán)利要求1所述平面類金屬零件激光快速熔覆裝置，其特征是:所述激光輸入模塊采用優(yōu)良光束質(zhì)量(光束質(zhì)量因子M2 ^ 1.3)的中功率單模光纖激光器(200W~500W)作為成型能量源，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，聚焦光斑< 100 μ m ;且為有利于金屬材料對(duì)激光束能量的吸收，激光的波長(zhǎng)取 為Iym~1.1 μ Π1之間。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103741139SQ201410028744
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】吳偉輝, 黃長(zhǎng)征 申請(qǐng)人:韶關(guān)學(xué)院