CN105331974B - 一种宽带激光熔覆系统及其送粉喷嘴 - Google Patents

一种宽带激光熔覆系统及其送粉喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带激光熔覆系统，包括送粉喷嘴以及角度调节装置，所述送粉喷嘴的出料口为矩形，且所述矩形的宽度大于所述矩形的高度，所述角度调节装置与所述送粉喷嘴连接，用于调节所述出料口在水平方向的角度，从而改变所述送粉喷嘴的送粉宽度。本发明还公开了一种用于该宽带激光熔覆系统的送粉喷嘴，该送粉喷嘴为左右对称的六面体结构，其上表面和下表面为梯形，前表面设置有送料口，所述送粉喷嘴用于将所述送料口送入的粉料整形成平直宽带，并从矩形出料口送出。通过本发明，实现了在不更换喷嘴的前提下进行送粉宽度的改变，使得送粉宽度更加可控，不仅减少了粉料的浪费，还更加适应宽带激光熔覆系统的要求。

Description

一种宽带激光熔覆系统及其送粉喷嘴
技术领域
本发明属于激光熔覆工艺与设备领域，更具体地，涉及一种宽带激光熔覆系统及其送粉喷嘴。
背景技术
高质量激光熔覆是材料表面改性的重要途径，在实现大面积激光熔覆的时候，需要采用宽带熔覆技术，光束截面形状为长条矩形，送粉的宽度需要与条形的宽带相适应，当送粉宽度大于激光宽度时，则造成粉末材料的浪费，而激光宽度大于送粉宽度时，则容易对基材造成热冲击和热输入，使涂层的表面与内部出现裂纹。
激光熔覆的送粉方法分为预置法和同步送粉法，同步送粉法中，根据送粉方式不同，送粉喷嘴的结构也不同。目前在宽带熔覆技术中，多采用更换喷头，或者更换喷头内的零件来调节同步送粉的宽度，如专利文献CN103484856B。这种方法不仅操作比较繁琐，而且由于喷头型号以及零件型号都是固定设计，大多数情况下无法完全适应激光的宽度，从而造成激光熔覆材料的浪费。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽带激光熔覆系统，其目的在于将送粉喷嘴的出料口设计为矩形结构，通过送粉喷嘴(13)角度的调节，从而在不更换喷嘴的前提下实现送粉宽度的改变。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种宽带激光熔覆系统，包括送粉喷嘴以及角度调节装置，所述送粉喷嘴的出料口为矩形，且所述矩形的宽度大于所述矩形的高度，所述角度调节装置与所述送粉喷嘴连接，用于调节所述出料口在水平方向的角度，从而改变所述送粉喷嘴的送粉宽度，使所述送粉宽度在所述矩形的宽度与高度之间变化。
优选地，所述角度调节装置包括支撑架，旋转盘，转轴以及螺旋升降板，所述转轴通过轴承安装于所述支撑架上，从而在垂直方向固定，在水平方向绕所述轴承自由转动，所述转轴通过固定于所述转轴上的旋转盘与所述螺旋升降板水平套接，所述转轴下端与所述送粉喷嘴固定连接；所述螺旋升降板用于沿其中心轴上下移动，从而改变与所述旋转盘套接处的旋转角，进而改变所述转轴的角度；所述转轴通过改变自身的角度，从而改变固定于下端的送粉喷嘴的角度，进而改变出料口的宽度与熔覆方向的夹角，最终改变送粉宽度。
作为进一步优选地，所述螺旋升降板的高度大于等于1/4个螺距，使得所述送粉喷嘴的旋转角度大于等于90°。
作为进一步优选地，还包括过渡板以及聚焦镜，所述过渡板与所述聚焦镜以及所述螺旋升降板固定连接；所述过渡板用于控制所述聚焦镜的高度，从而改变所述熔覆系统的激光光斑宽度，同时用于控制所述螺旋升降板的高度，并改变所述送粉喷嘴的送粉宽度，使得所述激光光斑宽度与送粉宽度相适应。
作为进一步优选地，所述宽带激光熔覆系统还包括中央控制装置以及电机，所述中央控制装置、电机以及过渡板依次相连，所述中央控制装置用于对所述电机发出指令信号，从而控制所述过渡板的高度，进而改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。
作为进一步优选地，所述中央控制装置包括依次相连的熔宽检测器以及PID反馈单元，所述PID反馈单元与电机相连，所述熔宽检测器用于检测激光光斑宽度，所述PID反馈单元用于根据所述熔宽检测器的检测结果调节所述激光光斑宽度。
作为进一步优选地，还包括手动调节装置，所述手动调节装置与所述过渡板相连，用于控制所述过渡板的高度，从而改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于该系统的送粉喷嘴，所述送粉喷嘴为左右对称的六面体结构，其上表面和下表面为梯形，前表面设置有送料口，后表面设置有矩形出料口，且所述矩形出料口的宽度a大于高度h，所述送粉喷嘴(13)用于将所述送料口(14)送入的粉料整形成平直宽带，并从矩形出料口送出，所述送粉喷嘴的送粉宽度w为出料口的宽度与熔覆方向的夹角α的正弦之积，即w＝asinα。
优选地，在所述送粉喷嘴内部设置有多个扩粉柱，所述多个扩粉柱贯穿所述送粉喷嘴的高度方向，用于将从送料口送入的粉料扩散分流。
作为进一步优选地，所述扩粉柱的直径与间距相同。
作为进一步优选地，所述多个扩粉柱的直径从送料口方向至矩形出料口(15)方向逐渐递减。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过将送粉喷嘴的出料口的设计为矩形结构，能够取得下列有益效果：
1、将送粉喷嘴的出料口设计为矩形结构，通过角度调节装置与送粉喷嘴相连接，改变出料口与熔覆方向的夹角，从而在不更换喷嘴的前提下改变送粉宽度，不仅简化了操作流程，还使得送粉宽度更加可控，不仅减少了粉料的浪费，还更加适应宽带激光熔覆系统的要求；
2、通过螺旋升降板，把送粉喷嘴角度的控制转化为高度的控制，从而使得控制更加精确；
3、优选通过过渡板连接聚焦镜和螺旋升降板，通过改变聚焦镜的高度改变激光光斑宽度，使得激光光斑宽度与送粉宽度相适应，避免了粉料的浪费以及激光对基材的破坏；
4、优选利用熔宽检测器和PID反馈单元，自动检测激光光斑宽度从而实现自适应调节，避免了温度等环境因素对熔覆宽度的影响；
5、送粉喷嘴设计为梯形结构，内部设置有扩粉柱，使得送出的粉料更加均匀，宽带激光熔覆的效果更好。
附图说明
图1是本发明宽带激光熔覆系统结构示意图；
图2是本发明宽带激光熔覆系统的角度调节装置以及中央控制装置结构示意图；
图3是本发明送粉喷嘴结构示意图；
图4是本发明送粉喷嘴送粉宽度最大时的示意图，其中，图4a为送粉喷嘴的侧视图，图4b为送粉喷嘴的送粉宽度示意图；
图5是本发明送粉喷嘴送粉宽度最小时的示意图，其中，图5a为送粉喷嘴的正视图，图5b为送粉喷嘴的送粉宽度示意图；
图6是本发明送粉喷嘴的宽度与熔覆方向呈α角时的送粉宽度示意图，其中，图6a为送粉喷嘴的示意图，图6b为送粉喷嘴的送粉宽度示意图；
图7是实施例1送粉喷嘴扩束原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-中央控制装置，2-角度调节装置，3-送粉系统，4-电机，5-过渡板，6-连杆，7-手动轮盘，8-螺旋升降板，9-旋转盘，10-转轴，11-输送管，12-扩粉柱，13-送粉喷嘴，14-进料口，15-出料口，21-输送管粉流区，22-进料口粉流区，23-近出口粉流区，24-出口部位粉流区，22a-弥漫飞散区，22b-扩散粉流区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种宽带激光熔覆系统，包括送粉系统3以及角度调节装置2以及中央控制装置1等部分，所述送粉系统包括送粉喷嘴，送粉喷嘴的出料口为矩形，且所述矩形的宽度大于所述矩形的高度，所述角度调节装置2与所述送粉喷嘴连接，用于调节所述出料口在水平方向的角度，从而改变所述送粉喷嘴的送粉宽度，使所述送粉宽度在所述矩形的宽度Wmax与高度Wmin之间变化，如图1所示。
其中，所述角度调节装置2包括支撑架，旋转盘9，转轴10以及螺旋升降板8，如图2所示，所述转轴10通过上下两端的轴承安装于所述支撑架上，从而在垂直方向固定，在水平方向绕所述轴承转动，且所述转轴10通过固定于所述转轴上的旋转盘9与所述螺旋升降板8套接，所述转轴下端与所述送粉喷嘴的上端固定连接；所述螺旋升降板8用于沿所述螺旋升降板的中心轴上下移动，从而改变与所述旋转盘9套接处的旋转角，进而改变所述转轴10的角度；所述转轴10通过改变自身的角度，从而改变固定于下端的送粉喷嘴的角度，进而改变出料口的宽度与熔覆方向的夹角，最终改变送粉宽度；所述螺旋升降板的高度最小为1/4个螺距，使得所述送粉喷嘴的旋转角度大于等于90°。
在激光熔覆过程中，激光焦点处的光斑宽度最小，通常需要通过调节聚焦镜使熔覆部位有一定的离焦量，从而改变其激光光斑宽度，当采用正离焦时，聚焦镜越高，则激光宽度越大，当采用负离焦时，聚焦镜越低，则激光宽度越大。实际应用中，需要根据激光熔覆的需求采用正离焦或者负离焦。该宽带激光熔覆系统还包括可以包括过渡板6以及聚焦镜，所述聚焦镜与所述螺旋升降板8固定于所述过渡板6上；所述过渡板6用于控制所述聚焦镜的高度，从而改变所述熔覆系统的激光光斑宽度，同时用于控制所述螺旋升降板的高度，并改变所述送粉喷嘴的送粉宽度，使得所述激光光斑宽度与送粉宽度相适应。在实际应用中，可以将激光器的光斑尺寸，聚焦镜的焦距以及螺旋升降板8的螺距相配合，实现过渡板6在升降的过程中，光斑宽度的变化趋势与送粉宽度的变化趋势相一致，且送粉宽度约等于光斑宽度。通过设计送粉喷嘴的宽度和高度，螺旋升降板的螺距，以及选择合适的激光器和聚焦镜，该系统可以满足不同的宽带激光熔覆需求。
所述宽带激光熔覆系统还可以包括电机4，所述中央控制装置1、电机4以及过渡板6依次相连，所述中央控制装置1用于对所述电机4发出指令信号，从而控制所述过渡板6的高度，同时改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。中央控制装置通过依次相连的熔宽检测器以及PID反馈单元实现，所述PID反馈单元与电机相连，所述熔宽检测器用于检测所述激光光斑宽度，所述PID反馈单元用于根据所述熔宽检测器的检测结果对激光光斑宽度进行调节。
所述宽带激光熔覆系统还可以包括手动调节装置7，所述手动调节装置7与所述过渡板6相连，用于控制所述过渡板6的高度，从而改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。
用于该宽带激光熔覆系统的送粉喷嘴的结构如图3所示，所述送粉喷嘴为左右对称的六面体结构，其上表面和下表面为梯形，前表面设置有送料口14，用于与输送管11相连，后表面设置有矩形出料口，且所述矩形出料口的宽度Wmax大于高度Wmin，送粉喷嘴的左右侧面可以设计为底边大于上边的四边形结构，使得所述送粉喷嘴的内部形状逐渐变为扁平矩形，所述送粉喷嘴用于将所述送料口送入的粉料整形成平直宽带，并从矩形出料口送出。
所述送粉喷嘴内部可设置多个扩粉柱12，所述多个扩粉柱贯穿所述送粉喷嘴的高度方向，用于将从送料口送入的粉料扩散分流。所述扩粉柱的直径可相同或不同，例如，在出料口附近的扩粉柱可粗于在送粉口附近的送粉柱，便于使粉料在送粉喷嘴内部扩散均匀。扩粉柱的直径可设置为与间距相似的大小，在扩散粉料的同时，不至于阻碍粉料的向前运动。
当送粉喷嘴的宽度与熔覆方向垂直时，送粉宽度W达到最大值，与送粉喷嘴的宽度相等，即W＝Wmax，如图4所示。
由于送粉喷嘴与基材呈一角度向前送粉，当送粉喷嘴的宽度与熔覆方向一致时，送粉宽度W达到最小值，可近似看作与送粉喷嘴的高度相等，即W＝Wmin，如图5所示。
当送粉喷嘴的宽度与熔覆方向呈α角时，送粉宽度W可近似看成送粉喷嘴的宽度Wmax与α角余弦的乘积，即W＝|Wmax sinα|，如图6所示。
以下内容为实施例：
该宽带激光熔覆系统包括PID反馈系统1，角度调节装置2以及送粉系统3等部分，其中，PID反馈系统1用于根据熔覆过程中的激光宽度变化对送粉宽度以及激光宽度进行调节，角度调节装置2则用于调节送粉装置的角度，从而改变送粉宽度，如图1所示。
其中，送粉系统3由输送管11、送粉喷嘴13等部分组成，结构如图3所示。送粉喷嘴13整体为六面体的箱装结构，六面体的前端为8mm×8mm的方形平面，正中间开有直径6mm的进料口14，与输送管11相连，后端为10mm×1mm的扁平矩形出料口15，有利于粉料扩束成平直宽带的形状。送粉喷嘴13的上底面和下底面为梯形，左侧面和右侧面为相同的倒梯形，送粉喷嘴13的内部设置有多个不同大小的圆柱12，靠近进料口处的圆柱粗而疏，直径和间隔为1mm；靠近出料口14的圆柱细而密直径和间隔为0.5mm。从输送管11到矩形出料口15的方向分别为输送管粉流区21，进料口粉流区22，近出口粉流区23以及出口部位粉流区24。
当粉料经过输送管11、送粉装置3后矩形出料口15送出时，粉料在输送管内通过气体推动，在输送管粉流区21堆积状；进入喷嘴后，经过进料口处圆柱12的作用，在进料口粉流区22扩散分流，逐渐成带状堆积22b，但有粉料弥漫在空余区间22a；在近出口粉流区，粉料已经经过多级分流，逐渐平坦，空余区间仍有粉料弥漫；喷嘴出口为扁平状，在出口部位粉流区24将粉料整形成平直宽带送出，即完成整个扩束过程，如图7所示。
采用上述技术方案后，可使粉末汇聚成均匀平坦粉末层，即在有效喷嘴距离内，粉末束的横截面形状和大小保持一致，可以与激光熔池的大小相匹配，使粉末利用率达到95％以上。
通常采用空气、氮气、氩气作为输送粉末进入熔池的载体，对于自熔性粉末合金而言，气体类型对合金化层的形成没有多少影响，而对非自熔性粉末合金而言，必须采用惰性气体以防止熔覆层氧化。粉末粒度在40μm～160μm的粒状粉末具有最好的工艺流动性。采用尺寸过小的粉末易产生结团，反之，尺寸过大的粉末容易堵塞送料喷嘴。
由送粉载气粉末从上述送粉喷嘴喷出，在有效范围内可在任意方位使粉末束精确对准和射入激光熔池，不仅大大提高粉末利用率，而且可满足全方位激光加工的要求；另一方面保护气喷出后对激光熔池形成一帷幕式保护气罩，既可隔绝空气载入，以避免高温熔池的氧化，又不直接吹搅熔池，大大增强保护效果。
在该宽带激光熔覆系统中的角度调节装置2包括螺旋升降板8、随动旋转盘9以及转轴10，转轴8固定在过渡板6上，随动旋转盘9套接于螺旋升降板8上，螺旋升降板8上下移动，从而带动过渡板6转动。由于转轴在高度方向固定，螺旋升降板8移动一个螺距P的距离，旋转盘转动360°，即α＝x/P×360°，其中，θ为转轴10转过的角度，x为螺旋升降板升高或降低的高度，由于转轴10的底部中央固定连接有送粉喷嘴，因此送粉喷嘴也随之改变了α的角度。根据图4-图6可知，如果α可在90°范围内变化，即可使得送粉宽度在最大值和最小值之间变化，因此螺旋升降板的移动距离大于1/4个螺距时即可满足送粉宽度的变化要求。
PID反馈系统1包括连杆5以及过渡板6，还包括依次相连的熔宽检测器，PID反馈单元以及电机4，连杆5和螺旋升降板8共同固定于过渡板6上，连杆5同时还控制聚焦镜。而电机4设置于连杆上端，用于控制连杆5上下移动，当连杆上下移动时，聚焦镜和螺旋升降板8的高度同时改变，从而同时改变激光光斑宽度与送粉宽度，使两者相适应。而熔宽检测器和PID反馈单元则用于根据检测到的激光光斑宽度，对连杆5的升降进行调节，从而调节其熔覆宽度。连杆5下方还装配了一个控制连杆的手动轮盘7，因此通过手动设置，也可改变熔覆宽度。
该宽带激光熔覆系统的工作过程如下：
(1)根据需求的熔覆宽度，电机控制连杆的上下移动，使得过渡板带动聚焦镜以及螺旋升降板同时上升或者下降距离x；或者通过手动轮盘的调节，使得过渡板带动聚焦镜以及螺旋升降板同时上升或者下降距离x；
(2)聚焦镜高度的改变使得激光光斑宽度发生了改变；同时，螺旋升降板通过高度的改变从而改变了送粉喷嘴出料口与熔覆方向的夹角，使送粉宽度与激光宽度相适应；
(3)在熔覆过程中需要改变熔宽(如环境温度变化影响激光光源时)，PID反馈系统会实时探测激光光斑的大小，计算出离焦量需要调整的长度，然后通过电机的提升或者降低聚焦镜来改变离焦量的值，以控制光斑大小，即达到调节熔宽的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带激光熔覆系统，其特征在于，包括送粉喷嘴(13)以及角度调节装置(2)，所述送粉喷嘴的出料口(15)为矩形，且所述矩形的宽度大于所述矩形的高度，所述角度调节装置与所述送粉喷嘴(13)连接，用于调节所述出料口(15)在水平方向的角度，从而改变所述送粉喷嘴(13)的送粉宽度；
所述角度调节装置(2)包括支撑架，旋转盘(9)，转轴(10)以及螺旋升降板(8)，所述转轴(10)通过轴承安装于所述支撑架上，从而在垂直方向固定，在水平方向绕所述轴承自由转动，所述转轴(10)通过固定于所述转轴(10)上的旋转盘(9)与所述螺旋升降板(8)水平套接，所述转轴(10)下端与所述送粉喷嘴(13)固定连接；所述螺旋升降板(8)用于沿其中心轴上下移动，从而改变与所述旋转盘(9)套接处的旋转角，进而改变所述送粉喷嘴(13)的送粉宽度。
2.如权利要求1所述的宽带激光熔覆系统，其特征在于，所述宽带激光熔覆系统还包括过渡板(6)以及聚焦镜，所述过渡板(6)与所述聚焦镜以及所述螺旋升降板(8)固定连接；所述过渡板(6)用于控制所述聚焦镜的高度，从而改变所述熔覆系统的激光光斑宽度，同时用于控制所述螺旋升降板(8)的高度，并改变所述送粉喷嘴(13)的送粉宽度，使得所述激光光斑宽度与送粉宽度相适应。
3.如权利要求2所述的宽带激光熔覆系统，其特征在于，所述宽带激光熔覆系统还包括中央控制装置(3)以及电机(4)，所述中央控制装置(3)、电机(4)以及过渡板(6)依次相连，所述中央控制装置(3)用于对所述电机(4)发出指令信号，从而控制所述过渡板(6)的高度，进而改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。
4.如权利要求3所述的宽带激光熔覆系统，其特征在于，所述中央控制装置(3)包括依次相连的熔宽检测器以及PID反馈单元，所述PID反馈单元与电机相连，所述熔宽检测器用于检测激光光斑宽度，所述PID反馈单元用于根据所述熔宽检测器的检测结果调节所述激光光斑宽度。
5.如权利要求4所述的宽带激光熔覆系统，其特征在于，所述宽带激光熔覆系统还包括手动调节装置(7)，所述手动调节装置(7)与所述过渡板(6)相连，用于控制所述过渡板(6)的高度，从而改变所述激光光斑宽度与送粉宽度。
6.如权利要求1所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述送粉喷嘴(13)为左右对称的空心六面体结构，其上表面和下表面为梯形，前表面设置有送料口(14)，后部为矩形出料口(15)，且所述矩形出料口(15)的宽度大于高度，所述送粉喷嘴(13)用于将所述送料口(14)送入的粉料整形成平直宽带，并从矩形出料口(15)送出。
7.如权利要求6所述的激光熔覆系统，其特征在于，在所述送粉喷嘴(13)内部设置有多个扩粉柱(12)，所述多个扩粉柱(12)贯穿所述送粉喷嘴(13)的高度方向，用于将从送料口(14)送入的粉料扩散分流。
8.如权利要求7所述的激光熔覆系统，其特征在于，所述扩粉柱(12)的直径与间距相同。
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