CN103184450B - 锥体形零件表面的激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥体形零件表面的激光熔覆方法，将锥体形零件顺时针倾斜自身锥面的角度至熔覆面成水平位置，当机器人和变位机运动至初始位置后，在出激光和同轴送粉的同时，激光工作头水平向前或者向后平移，变位机带动锥体形零件绕旋转轴旋转作圆周运动，激光熔覆工作点每次循环平移一个熔敷间距的距离，变位机相应旋转一圈，变位机旋转一圈的时间等于激光熔覆工作点水平平移一个熔敷间距的时间，当激光熔覆工作点运动到要求距离或者循环到设定次数时，熔敷结束，完成锥体形零件空间曲面的激光熔敷。该方法不用繁琐示教或者复杂的离线编程，简便易行、高效、位置和姿态精确，熔敷质量好，具有较高的实际应用价值。

Description

锥体形零件表面的激光熔覆方法

技术领域

本发明属于高附加值、精密或大型零部件的表面改性领域，具体涉及一种锥体形零件表面的激光熔覆方法。

背景技术

激光熔覆是一种新的表面改性技术，是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

锥体形零件在一些重要的场合中应用，比如矿料输送，电气电站等领域，为了提高表面的耐磨性，耐蚀性、耐冲击性，提高零件的性能，增加零件的使用寿命，需对锥体形的表面通过激光熔覆从而提高零件的综合性能指标。但锥体形的表面是一个空间曲面，形状较为复杂，常规的轨迹控制方法较难精确地实现锥体形表面的熔覆。

经对现有技术文献检索分析，发现并无锥体形零件表面或者空间圆锥面类零件的激光熔覆轨迹控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种锥体形零件表面的激光熔覆方法。本发明的方法简便易行、高效、路径和姿态控制精确，可有效的提高熔覆的质量和效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种锥体形零件表面的激光熔覆方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将所述锥体形零件通过工装与变位机同轴装卡固定在变位机上；

步骤二、所述变位机和激光熔覆工作点P运动到熔覆起始位置，此时锥体形零件的熔覆面位于水平位置；

步骤三、激光加工头做水平方向向前(外锥面)或者向后移动(内锥面)，变位机倾斜轴始终保持角度不变，而变位机绕旋转轴周期性地作循环的圆周运动，与此同时激光加工头开始出激光和同轴送粉；变位机每转完一圈，激光加工头平移的熔覆间距递增d，直至激光熔覆工作点P转动到设定距离或者循环到设定次数，即完成所述锥体形零件表面的激光熔覆。

优选地，步骤二中，所述熔覆起始位置具体为：变位机位于顺时针倾斜角度θ_P，该角度应等于锥体形零件自身锥面的倾斜角度θ(即熔覆锥体的斜面倾角)，此时锥体的熔覆面处于水平位置，调整激光加工头垂直向下，并调整其激光熔覆工作点P位于所述锥体形零件表面的熔覆开始处。该熔覆开始处为锥体形零件的最大熔覆锥面处或最小熔覆锥面处。

优选地，步骤三中，所述变位机每转完一圈，激光加工头的熔覆工作点P平移一个熔覆间距d的距离，此时该道熔覆的熔覆半径为r_n＝r_n-1+dsinθ，θ为熔覆锥体的斜面倾角，也即θ＝θ_P。

优选地，步骤三中，所述激光加工头的熔覆工作点P向前平移熔覆间距d距离的时间与变位机在每次循环中转完一圈的时间相同，则T_n＝T_n-1+ΔT，每次循环的时间增量为n为循环次数，v为熔覆速度。

优选地，步骤三中，所述激光熔覆为多道焊，其最大熔覆循环次数为R₂为锥体形零件最大熔覆锥面处的熔覆半径，R为锥体形零件最小熔覆锥面处的熔覆半径

优选地，所述激光熔覆方法还包括如下步骤：

A、所述整个锥体形零件表面的激光熔覆完成后，锥体形新的表面为原表面加上一个熔覆层的厚度δ，在此时在特定道熔覆层的半径为原来熔覆半径加上一个偏移量δsinθ，将所述激光加工头的熔覆工作点P垂直向上平移熔覆层厚度δ的距离；

B、以所述新的熔覆半径为基础，重复所述步骤三；

C、重复步骤A、B，直至得到预设的激光熔覆层厚度。

优选地，所述变位机为2轴的旋倾变位机，包括绕垂直方向旋转的旋转轴和绕水平方向旋转的倾斜轴。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明通过将锥体形倾斜自身锥体斜面的角度，使其熔覆处处于水平位置，从而将机器人的运动简化为激光加工头熔覆工作点P仅向前或向后的水平平移运动，再结合变位机周期性的连续的旋转运动，即可简单、方便、精确、高效地实现锥体形这种复杂表面的表面的激光熔覆，不需要繁琐示教或者离线编程就可以精确的控制激光加工头的位置和姿态，方法简便易行，位置和姿态控制精确，效率高，质量好，具有较高的实用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为变位机坐标系定义示意图；

图2为外锥体形零件表面的激光熔覆过程示意图；

图3为内锥体形零件表面的激光熔覆过程示意图；

其中，1为变位机、2为工装、3为外锥体形零件、4为激光加工头、5为同轴送粉粉末流、6为激光、7为旋转轴、8为倾斜轴、9为内锥体形零件。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的熔覆方法为：首先将锥体形零件顺时针倾斜自身锥面的角度至熔覆面成水平位置，当机器人和变位机运动至初始位置后，在出激光和同轴送粉的同时，激光工作头水平向前或者向后平移，而变位机则带动锥体形绕旋转轴周期性旋转作圆周运动，激光熔覆工作点每次循环平移一个熔敷间距的距离，变位机相应旋转一圈，变位机旋转一圈的时间等于激光熔覆工作点水平平移一个熔敷间距的时间，当激光熔覆工作点运动到要求距离或者循环到设定次数时，熔敷结束，完成锥体形空间曲面的激光熔敷。其具体应用见以下实施例：

实施例1

本发明在矿料输送的高压锥体形单向内锥面和外锥面的表面熔覆上采用，激光熔覆过程示意图如图2、图3所示，首先将锥体形零件3/9通过工装2与变位机1同轴装卡固定在变位机1上，同轴送粉粉末流5和激光加工头4射出的激光6汇聚在激光熔覆工作点P的位置，该激光熔覆工作点P一般也是激光的焦距位置，在该点在激光的热作用下将粉末融化并与基体形成冶金结合，所述变位机坐标系定义如图1所示，变位机为2轴的旋倾变位机，一个是绕水平方向旋转的旋转轴7，一个是绕垂直方向旋转的倾斜轴8，两个轴均为机器人的外部轴，便于机器人和变位机通过机器人控制器进行协调运动，建立变位机基坐标系，倾斜轴8设为Z轴，旋转轴7设为Y轴，旋转轴7轴线与倾斜轴8轴线的交点O_P设为变位机坐标系原点，与Y轴、Z轴垂直且符合右手定则的另一轴为X轴。

设定在熔覆过程中，始终保持熔覆速度为v不变，熔覆宽度为w，熔覆间距(上一圈熔覆焊道与下一圈熔覆焊道之间的间距)为d，熔覆层厚度为δ，循环次数为n，层数为m，采用机器人的6个自由度配合变位机外部轴的2个自由度进行锥体形表面的激光熔覆，则步骤如下：

第一步、让变位机和激光熔覆工作点P运动至熔覆初始位置；具体为：首先锥体形零件3或9通过工装2与变位机1同轴装卡固定在变位机1上，然后变位机1顺时针倾斜θ_P的角度，该角度应等于锥体形零件斜面自身的角度θ，即θ_P＝θ，此时锥体形零件的熔覆面应处于水平位置，调整机器人的姿态，使激光加工头的激光熔覆工作点P垂直向下，且位于所述锥体形零件的熔覆开始处；

第二步、激光加工头熔覆工作点P做水平方向向前平移(外锥面，图2中的B→A)或者向后平移的运动(内锥面，图3中的A→B)，变位机倾斜轴始终保持角度不变，而旋转轴作循环的圆周运动，与此同时激光加工头开始出激光和同轴送粉，当激光加工头工作点P每水平移动一个距离d，变位机旋转360度，循环次数加1，激光加工头工作点平移的距离增加d，直至激光熔覆工作点P水平平移到到设定距离或者循环到设定次数，即完成所述锥体形零件表面的激光熔覆。

在每次循环中，激光加工头4的熔覆工作点P水平平移一个熔覆间距d的距离，而变位机的倾斜轴始终保持不动，而旋转轴则旋转一周，且当变位机转动一周时，熔覆工作点P同步水平平移一个熔覆间距d的距离。在机器人和变位机运动的过程中，随着熔覆半径的增加，熔覆路径变长，为保证激光熔覆的速度保持不变，则激光加工头水平平移的时间和变位机旋转一周的时间也要相应增加。

锥体形熔覆面小端半径为R(即锥体形零件最小熔覆锥面处的熔覆半径，图2中的B、C处，图3中的A、D处)，循环次数为n，锥体形锥面的倾斜角度为θ，则每次循环的熔覆半径r_n为

r_n＝R+ndsinθ

当变位机1在某次循环中的熔覆半径为r_n，则变位机1旋转一周的时间T_n满足如下关系

$T_n=\frac{\mathrm{\π}(2R+2\mathrm{nd}\sin \mathrm{\θ})}{v}$

当变位机1在T_n的时间内旋转一周时，机器人的熔覆工作点P水平向前平移(外锥面)或者P水平向后平移(内锥面)一个熔覆间距d的距离，在激光熔覆过程中，本次循环中激光熔覆的时间相比于前一次激光熔覆时间的增量为

$\mathrm{\ΔT}=T_n-T_{(n-1)}=\frac{2\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}}{v}$

熔覆锥面大端半径为R₂(即锥体形零件最大熔覆锥面处的熔覆半径，图2中的A、D处，图3中的B、C处)，则最大熔覆圈数也就是循环次数为

$N=\frac{R_2-R}{d\sin \mathrm{\θ}}$

第三步、熔覆完成后，经过熔覆后的锥体形表面的熔覆层厚度为δ，如果需要多层熔覆，熔覆工作点P垂直向上平移熔覆层厚度δ的距离，相应的熔覆半径增加δ/cosθ，依次类推相应的工艺参数重复第二步，从而完成锥体形空间曲面的多道多层表面熔覆，实现锥体表面改性。

假定每层的熔覆厚度为δ，则第m层熔覆时，熔覆工作点向上平移的距离为

L＝(m-1)δ

第m层激光熔覆工作点P和变位机运动的第一次循环的初始时间为

$T_{m0}=\frac{2\mathrm{\π}(R+(m-1)d/\cos \mathrm{\θ})}{v}$

第m层的时间增量方程不变，仍为

$\mathrm{\ΔT}=\frac{2\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}}{v}$

第m层的激光熔覆循环次数仍为

$N=\frac{R_2-R}{d\sin \mathrm{\θ}}$

激光熔覆时，机器人引导激光加工头4从锥体形3锥面的小端水平向前(外锥面)或向后(内锥面)平移，每次循环水平平移的距离为一个熔覆间距d，时间为T_n＝T_n-1+ΔT，而变位机1的倾斜轴Z保持角度θ_P不变，旋转轴Y作匀速圆周运动，每次旋转一圈的时间同样为T_n＝T_n-1+ΔT，在机器人和变位机运动的同时开始出激光和同轴送粉，从而完成锥体形零件空间曲面的激光熔覆。

当变位机1旋转一周后，激光加工头4在锥体形表面熔覆完半径r_n＝R+ndsinθ的一圈，循环次数加1，每一圈机器人和变位机运动的时间增量为ΔT＝2πdsinθ/v，当循环次数到了设定次数N时，完成整个锥体形的表面熔覆，变位机和激光加工头回到初始位置。

本发明将锥体形零件倾斜自身锥面的角度，使熔覆面处于水平位置，从而将激光熔覆工作点P简化为纯粹的水平向前或向后平移运动，不需要繁琐的示教或者复杂的离线编程，而位置和姿态控制更为精确。熔覆时，只需机器人带动激光加工头水平向前或者向后平移，同时变位机旋转轴带动锥体形零件做圆周运动就可实现复杂锥体空间曲面的表面熔覆。方法简便易行，效率高，位置和姿态控制精确，熔覆质量好，在一些矿料输送等领域具有重要的实际应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种锥体形零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将锥体形零件通过工装与变位机同轴装卡固定在变位机上；

步骤二、变位机和激光熔覆工作点P运动到熔覆起始位置，此时锥体形零件的熔覆面位于水平位置；

步骤三、激光加工头向前或向后水平移动，同时变位机绕旋转轴周期性地作循环的圆周运动，与此同时激光加工头开始出激光和同轴送粉；变位机每转完一圈，激光加工头的熔覆间距递增d，直至激光熔覆工作点P转动到设定距离或循环到设定次数，即完成所述锥体形零件表面的激光熔覆；

步骤二中，所述熔覆起始位置具体为：变位机位于顺时针倾斜角度θ_P，θ_P等于锥体形零件自身锥面的倾斜角度θ，调整激光加工头垂直向下，调整激光熔覆工作点P位于所述锥体形零件表面的熔覆开始处；

步骤三中，所述激光加工头的激光熔覆工作点P水平平移一个熔覆间距d的时间与变位机在每次循环中转完一圈的时间相同，且T_n＝T_n-1+ΔT，每次循环的时间增量为n为循环次数，v为熔覆速度。

2.根据权利要求1所述的锥体形零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，所述激光熔覆为多道焊，其最大熔覆循环次数为其中R₂为锥体形零件最大熔覆锥面处的熔覆半径，R为锥体形零件最小熔覆锥面处的熔覆半径。

3.根据权利要求2所述的锥体形零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆方法还包括如下步骤：

A、整个锥体形零件表面的激光熔覆完成后，锥体形表面的熔覆层厚度为δ，激光熔覆工作点P垂直向上平移熔覆层厚度δ的距离，相应的熔覆半径增加δ/cosθ；

B、以新的熔覆半径为基础，重复所述步骤三；

C、重复步骤A、B，直至得到预设的激光熔覆层厚度。

4.根据权利要求1所述的锥体形零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述变位机为2轴的旋倾变位机，包括绕水平方向旋转的旋转轴和绕垂直方向旋转的倾斜轴。