CN105568278A - 激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法及装置，其特征是所述的装置主要包括计算机系统、伺服电机、动力设备、丝杠传动机构、凸轮机构和粉末压片机构等。本装置先利用动力设备带动粉末压片机构中的带高强度模具弹簧的可移动螺母将精确称量的手动输送粉末进行向下压片，再利用凸轮机构将压好的粉末压片顶出，同时水平方向的丝杠传动机构带动推杆向右移动，推杆与滚子从动件实现联动将粉末压片沿着引导槽推送至所需熔覆基材表面，最后进行激光熔覆加工。该装置有效解决了在无同步激光熔覆装置和手动压制且放置粉末压片效率低的情况下，实现快速激光熔覆预置粉末压片的同时提高熔覆过程自动化水平问题。该装置具有结构简单、效率高、可实现自动压粉与自动放置压片的激光熔覆操作。

Description

激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆技术，尤其是一种利用激光熔覆技术对材料表面进行激光熔覆处理的方法和装置，具体地说是一种激光熔覆过程中自动压片与自动放置粉末压片的方法及装置。

背景技术

激光熔覆技术是一种先进表面处理工艺，其可以在低成本材料表面获得稀释率极低并与基体形成冶金结合的具有高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性和高抗氧化性等特殊性能的涂层。激光熔覆工艺分预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。其中，预置式激光熔覆由于具有粉末种类和粉末粒度尺寸适用范围广、粉末利用率高等优势被广泛应用于激光熔覆制备复合涂层研究领域中。对于粉末合金材料，常用预置方式包括热喷涂、添加粘结剂和压制预置片等。热喷涂方法虽效率高，但粉末利用率低，粉末浪费大且对粉末粒度尺寸要求较高。添加粘结剂虽可将合金粉末制成膏状涂覆在基体表面上，但该方法不仅效率低而且所获得的涂层厚度难以均匀，另外粘结剂的加入易使熔覆层产生气孔并且对熔覆层成分也会产生影响。针对所述粉末预置方式的不足，王宏宇（参见王宏宇，左敦稳，马浩，王明娣，陆英艳.材料工程，2009（9）：80-83，88.）提出了一种新的粉末预置方法——压片预置法，即将粉末进行压片再放置于基体表面进行激光熔覆处理。但是，压片预置式激光熔覆由于是将粉末压片放置于基材表面，一般是手动放置再用机械方法固定，故与同步式激光熔覆相比效率低且熔覆位置不精确。如专利号为CN200710135477.0的中国专利公开了一种以压片法预置粉末进行激光熔覆得到涂层的方法，该方法主要利用压片模具对粉末进行压片处理，以直接在基材表面进行压片处理或利用机械粘接法进行压片与基材的固定方式再进行激光熔覆处理，该方法虽可在基材表面实现粉末预置片激光熔覆，但熔覆效率低，主要因为压片模具需手动装夹与拆卸，并且压制好的粉末压片需手动放置于基材表面再用机械方法固定，另外若用于大尺寸基材预置式激光熔覆则相应压片模具尺寸也很大，成本也随之增加，故不易满足大批量和实现自动化生产要求。所以，本发明提出一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法及装置，利用粉末压片机构与丝杠传动及凸轮机构的联动实现了粉末自动压片与粉末压片自动放置于熔覆基材表面上，该方法具有结构简单、熔覆效率高且可满足自动化大面积多道多层激光熔覆的优势，对实际生产应用有着积极的作用。通过对国内外文献进行检索，尚未发现自动压片及自动放置粉末压片用于激光熔覆领域相关的方法及装置报道，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于针对目前进行激光熔覆时压片和熔覆需人工分次进行，自动化水平不高的问题，发明一种预置式激光熔覆过程中自动压片与自动放置粉末压片的方法，同时设计一种相应的自动压片和放片装置，以实现在无同步激光熔覆装置情况下，粉末压片自动压制与压片自动放置于基体表面，达到提高预置式激光熔覆的效率及自动化水平。

本发明的技术方案之一是：

一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法，其特征在于它包括如下步骤：

A.将待熔覆基材14用砂纸打磨并用酒精或丙酮超声清洗5-10min，去除表面的油渍和污垢；

B.将处理好的熔覆基材14放置于运动平台15上，并在控制器16的控制下使其置于引导槽11工作区域内；

C.计算机1发出信号，使动力设备2开始转动，转动丝杠5在减速器3的带动下原位转动，移动螺母6通过模具弹簧7带动压头8向下移动，对手动放置经精确称量的凹槽中的粉末9进行向下压片处理；

D.保压结束后动力设备2开始反转，当压头8脱离凹槽时，激光位移传感器25发送信号给计算机1，动力设备2停止转动，压片结束；

E.计算机1发出信号，使伺服电机30开始转动，转动丝杠19通过减速器31减速，阶梯轴20经减速器32减速，凸轮21带动滚子从动件10向上运动，同时移动台22带动推杆23向右移动，滚子从动件10与推杆23实现联动将粉末压片13推送至熔覆基材14表面；

F.当推杆23移动距离达到位（16cm）时，激光位移传感器28发送信号给计算机1，伺服电机30停止转动并反转，推杆23和凸轮21复位；

G.五轴联动运动平台15在控制器16的作用下，将放置好粉末压片13的熔覆基材14精确移动至激光束12作用区，实现从左至右的激光熔覆处理。

所述的保压时间为10秒。

本发明的技术方案之二是：

一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的装置，其特征是它包括：

一粉末压片机构，该粉末压片机构主要由动力设备2、转动丝杠I5、移动螺母6和压头8组成，动力设备2受控于计算机1，它带动转动丝杠I5转动，转动丝杠I5驱动移动螺母6在基座24的导向槽中作上下直线移动，移动螺母6带动压头8对基座24中的粉末槽中的粉末9进行压制并保压后反向移动离开已压制成形的粉末9；

一顶片送片机构，该顶片送片机构包括丝杠传动机构和凸轮机构，该顶片送片机构主要由伺服电机30、转动丝杠II19、阶梯轴20、凸轮21、移动台22和推杆23组成，凸轮21安装在阶梯轴20上，推杆安装在移动台22上，移动台22安装在转动丝杠II19上，压片结束后，伺服电机30带动转动丝杠II19转动，转动丝杠II19带动移动台22移动，阶梯轴20与转动丝杠II19相连并带动凸轮21转动，凸轮21带动滚子从动件10上移，滚子从动件10将放置有粉末压片13的顶板连同粉末压片一并顶出压片槽，此时，推杆23移动到位将滚子从动件顶出的粉末压片13沿引导槽11推动到一侧的熔覆基材14上，从而完成顶片与送片的联动；

一运动平台15，该运动平台15上安装有用于接收经顶片送片机构压送来的粉末压片13的熔覆基材14，该运动平台在控制器16和计算机1控制下进行五轴运动以使熔覆基材14带动粉末压片13位于激光束12的下方。

所述的动力设备2为液压马达或电机。

所述的阶梯轴20通过减速器III32与转动丝杠II19相连。

所述的粉末槽中安装有与计算机1相连的数显压力传感器26，当数显压力传感器26检测到压头8的压力达到28Mpa时，动力设备2停止工作，压头8保压至设定的时间后，动力设备带动压头反向运动，移离粉末9。

所述的动力设备2与减速器3连接后用螺栓27垂直固定于端盖4上，移动螺母6放置于基座24的导槽中，能沿导槽上下移动，模具弹簧7压装入压头8和移动螺母6中实现两者的连接。

所述的滚子从动件10端部焊有与凹槽形状尺寸一样的顶板。

所述的伺服电机通过减速器II31与转动丝杠19相连，经减速器31减速后转动丝杠II19的转速为120r/min，转动丝杠19带动减速器32，经减速器32减速后阶梯轴20的转速为2r/min，凸轮21转动一圈所需时间为30s，其中推程时间为5s，远休止时间为15s，粉末压片13在顶出过程中凸轮转动60°，同时推杆23移动40mm时开始接触到压片13，凸轮21继续转动进入远休止角，压片13高度位置保持不变，此时推杆23推动压片13进入引导槽11，推动距离120mm，粉末压片13落入熔覆基材表面，实现粉末压片的自动放置，当推杆23移动距离达到16cm时，激光位移传感器28发送信号给计算机1，伺服电机30停止转动并反转，推杆23和凸轮21开始复位。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种在无同步送粉装置下，以及手动压制粉末片且放置效率低的情况下，实现快速激光熔覆预置粉末压片的同时提高熔覆过程自动化水平，为推动激光熔覆技术在再制造工程，增材制造等领域更广泛的应用奠定了基础。

本发明利用动力设备带动粉末压片机构可轻松实现粉末压片的自动压制成型，压制效率高且粉末适用范围广，尤其可压制超细粉末压片，可实现纳米粉末压片的制备。

本发明通过丝杠传动与凸轮机构的联动可将压制好的粉末压片自动放置于基材所需熔覆位置，实现精确的定位。在无同步激光熔覆装置情况下，实现高效激光熔覆预置粉末压片，该装置自动化程度高，便于实现自动化生产。

本发明可根据熔覆基材表面的形状，更换滚子从动件端部顶板和压头的形状，在粉压片机构作用下制备与熔覆基材表面形状一样的粉末压片，从而满足对异形基材的熔覆要求。

本发明的装置结构简单、通用性好、过程易控制且成本较低。

附图说明

图1激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的装置示意图。

图2自动压粉与自动推送粉末压片局部放大图。

图3凸轮机构及运动过程。

图中：1.计算机；2.动力设备；3.减速器；4.端盖；5.转动丝杠；6.移动螺母；7.模具弹簧；8.压头；9.粉末；10.滚子从动件；11.引导槽；12.激光束；13.粉末压片；14.熔覆基材；15.运动平台；16.控制器；17.轴承；18.螺母；19.转动丝杠；20.阶梯轴；21.凸轮；22.移动台；23.推杆；24.基座；25.激光位移传感器；26.数显压力传感器；27.螺栓；28.激光位移传感器；29.螺栓；30.伺服电机；31.减速器；32.减速器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一。

如图1，2所示。

一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的装置，它主要包括计算机系统、伺服电机、动力设备、粉末压片机构、凸轮传动机构和丝杠传动机构；所述伺服电机30、动力设备2均与所述计算机系统1连接；所述粉末压片机构包括动力设备2、减速器3、端盖4、转动丝杠5、可移动螺母6、模具弹簧7和压头8，动力设备2与减速器3连接后用螺栓27垂直固定于端盖4上，可移动螺母6放置于基座24的导槽中，可沿导槽上下移动，模具弹簧7压装入压头8和可移动螺母6中实现两者的连接，计算机1控制动力设备2通过减速器3带动转动丝杠5原位转动，可移动螺母6推动压头8将手动放置经精确称量的凹槽中的粉末9进行向下压制，当压力达到28Mpa时，数显压力传感器26给计算机1发出信号，动力设备2停止转动，进行保压10s，保压结束后动力设备2开始反转，当压头8脱离凹槽3cm时，激光位移传感器28发送信号给计算机1，动力设备2停止转动，压片结束；所述凸轮传动机构包括凸轮21和滚子从动件10，滚子从动件10端部焊有与凹槽尺寸一样长和宽的顶板，凸轮21由转动丝杠19带着转动，凸轮21在阶梯轴20上通过键、轴肩和螺母18连接实现周向和轴向固定，滚子从动件10实现上下移动，同时利用端部顶板将尺寸为40*3*1mm的粉末压片13顶出，同时丝杠传动机构中移动台22带动推杆23向右移动，与凸轮机构实现联动将顶出粉末压片13沿着引导槽11推送至熔覆基材14表面；所述丝杠传动机构中转动丝杠19用于连接减速器31和减速器32，移动台22与推杆23通过螺栓29固定；所述辅助工作系统包括五轴联动运动平台15，五轴联动运动平台15与所述控制器16相连，工作台控制器16与所述计算机系统1连接，计算机系统发出信号控制运动平台15左右移动，将放置好粉末压片13的熔覆基材14精确移动至激光束12下进行熔覆加工。当粉末压片沿着滑道放置于基材表面所需熔覆处，打开激光器开始熔覆处理，计算机系统1通过控制器16对五轴联动工作台15进行各方位平面移动，以满足多层多道自动化激光熔覆加工。所述动力设备2与减速器3连接后用螺栓27垂直固定于端盖4上，可移动螺母6放置于基座24的导槽中，可沿导槽上下移动，模具弹簧7压装入压头8和可移动螺母6中实现两者的连接。所述滚子从动件10端部焊有与凹槽尺寸一样长和宽的顶板。所述粉末9是经精度为0.0001g的电子天平精确称量所得，再手动均匀放置凹槽中。所述凸轮21在阶梯轴20上通过键、轴肩和螺母18连接实现周向和轴向固定。所述转动丝杠19经减速器31减速后转速为120r/min，转动丝杠19带动凸轮转动的阶梯轴20经减速器32减速后转速为2r/min，凸轮21转动一圈所需时间为30s，其中推程时间为5s，远休止时间为15s，粉末压片13在顶出过程中凸轮转动60°，同时推杆23移动40mm时开始接触到压片13，凸轮21继续转动进入远休止角，压片13高度位置保持不变，此时推杆23推动压片13进入引导槽11，推动距离120mm，粉末压片13落入熔覆基材表面，实现自动放置粉末压片功能，当推杆23移动距离达到16cm时，激光位移传感器28发送信号给计算机1，伺服电机30停止转动并反转，推杆23和凸轮21开始复位。本发明所使用的转动丝杠I、II均可采用梯形丝杠，单头螺纹，外径18mm，螺距4mm。

实施例二。

一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法，以AZ91D镁合金（长度为40mm，宽度为40mm，高度为5mm）表面光纤激光熔覆Ni/WC粉末压片涂层为例，其方法步骤如下：

A.将待熔覆基材AZ91D镁合金用砂纸打磨并用酒精或丙酮超声清洗5-10min，去除表面的油渍和污垢；

B.将处理好的熔覆基材放置于运动平台上，并在控制器的控制下使其置于引导槽工作区域内；

C.计算机发出信号，使动力设备开始转动，转动丝杠在减速器的带动下原位转动，移动螺母带动压头向下移动，对手动放置经精确称量的凹槽中的Ni/WC粉末进行向下压片处理；

D.当压入压强达到28Mpa时，数显压力传感器26给计算机1发出信号，计算机系统发出信号使动力设备停止转动，进行10秒钟保压。保压结束后动力设备开始反转，当压头脱离凹槽3cm时，激光位移传感器发送信号给计算机1，动力设备2停止转动，压片结束；

E.计算机发出信号，使伺服电机开始转动，转动丝杠通过减速器减速后转速为120r/min，阶梯轴经减速器减速后转速为2r/min，凸轮带动滚子从动件向上运动，同时移动台带动推杆向右移动，滚子从动件与推杆实现联动将Ni/WC粉末压片推送至熔覆基材表面；当推杆23移动距离达到16cm时，激光位移传感器28发送信号给计算机1，伺服电机30停止转动并反转，推杆23和凸轮21复位；

F.五轴联动运动平台在控制器的作用下，将放置好Ni/WC粉末压片的熔覆基材精确移动至激光束作用区，光纤激光器打开，开始熔覆处理。设置光纤激光熔覆工艺参数：激光功率800w，扫描速度420mm/min，光斑直径3mm。

G.激光熔覆操作结束，计算机系统发出信号，使伺服电机开始反转，凸轮带动滚子从动件向下运动，同时移动台带动推杆向左移动，计算机系统再发出信号使动力设备转动，移动螺母推动压头向下移动进行下一次的Ni/WC粉末压片的压制。

对于相同尺寸规格的Ni/WC粉末压片，经与手动压粉与手动放置压片进行激光熔覆对比，自动压粉与自动放置粉末压片激光熔覆单次熔覆时间仅为1.5min，显著快于手动压粉与手动放置粉末压片激光熔覆所需的5min/次。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的方法，其特征在于它包括如下步骤：

A.将待熔覆基材（14）用砂纸打磨并用酒精或丙酮超声清洗5-10min，去除表面的油渍和污垢；

B.将处理好的熔覆基材（14）放置于运动平台（15）上，并在控制器（16）的控制下使其置于引导槽（11）工作区域内；

C.计算机（1）发出信号，使动力设备（2）开始转动，转动丝杠（5）在减速器（3）的带动下原位转动，移动螺母（6）通过模具弹簧（7）带动压头（8）向下移动，对手动放置经精确称量的凹槽中的粉末（9）进行向下压片处理；

D.保压结束后动力设备（2）开始反转，当压头（8）脱离凹槽时，激光位移传感器（25）发送信号给计算机（1），动力设备（2）停止转动，压片结束；

E.计算机（1）发出信号，使伺服电机（30）开始转动，转动丝杠（19）通过减速器（31）减速，阶梯轴（20）经减速器（32）减速，凸轮（21）带动滚子从动件（10）向上运动，同时移动台（22）带动推杆（23）向右移动，滚子从动件（10）与推杆（23）实现联动将粉末压片（13）推送至熔覆基材（14）表面；

F.当推杆（23）移动到位时，激光位移传感器（28）发送信号给计算机（1），伺服电机（30）停止转动并反转，推杆（23）和凸轮（21）复位；

G.五轴联动运动平台（15）在控制器（16）的作用下，将放置好粉末压片（13）的熔覆基材（14）精确移动至激光束（12）作用区，实现从左至右的激光熔覆处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的保压时间为10秒。

3.一种激光熔覆过程中自动压片与放置粉末压片的装置，其特征是它包括：

一粉末压片机构，该粉末压片机构主要由动力设备（2）、转动丝杠I（5）、移动螺母（6）和压头（8）组成，动力设备（2）受控于计算机（1），它带动转动丝杠I（5）转动，转动丝杠I（5）驱动移动螺母（6）在基座（24）的导向槽中作上下直线移动，移动螺母（6）带动压头（8）对基座（24）中的粉末槽中的粉末（9）进行压制并保压后反向移动离开已压制成形的粉末（9）；

一顶片送片机构，该顶片送片机构包括丝杠传动机构和凸轮机构，主要由伺服电机（30）、转动丝杠II（19）、阶梯轴（20）、凸轮（21）、移动台（22）和推杆（23）组成，凸轮（21）安装在阶梯轴（20）上，推杆安装在移动台（22）上，移动台（22）安装在转动丝杠II（19）上，压片结束后，伺服电机（30）带动转动丝杠II（19）转动，转动丝杠II（19）带动移动台（22）移动，阶梯轴（20）与转动丝杠II（19）相连并带动凸轮（21）转动，凸轮（21）带动滚子从动件（10）上移，滚子从动件（10）将放置有粉末压片（13）的顶板连同粉末压片一并顶出压片槽，此时，推杆（23）移动到位将滚子从动件顶出的粉末压片（13）沿引导槽（11）推动到一侧的熔覆基材（14）上，从而完成顶片与送片的联动；

一运动平台（15），该运动平台（15）上安装有用于接收经顶片送片机构压送来的粉末压片（13）的熔覆基材（14），该运动平台在控制器（16）和计算机（1）控制下进行五轴运动以使熔覆基材（14）带动粉末压片（13）位于激光束（12）的下方。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的动力设备（2）为液压马达或电机。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的阶梯轴（20）通过减速器III（32）与转动丝杠II（19）相连。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的粉末槽中安装有与计算机（1）相连的数显压力传感器（26），当数显压力传感器（26）检测到压头（8）的压力达到28Mpa时，动力设备（2）停止工作，压头（8）保压至设定的时间后，动力设备带动压头反向运动，移离粉末（9）。

7.根据权利要求3或4所述的装置，其特征是所述的动力设备（2）与减速器（3）连接后用螺栓（27）垂直固定于端盖（4）上，移动螺母（6）放置于基座（24）的导槽中，能沿导槽上下移动，模具弹簧（7）压装入压头（8）和移动螺母（6）中实现两者的连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的滚子从动件（10）端部焊有与凹槽形状尺寸一样的顶板。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的伺服电机通过减速器II（31）与转动丝杠（19）相连，经减速器（31）减速后转动丝杠II（19）的转速为120r/min，转动丝杠（19）带动减速器（32），经减速器（32）减速后阶梯轴（20）的转速为2r/min，凸轮（21）转动一圈所需时间为30s，其中推程时间为5s，远休止时间为15s，粉末压片（13）在顶出过程中凸轮转动60°，同时推杆（23）移动40mm时开始接触到压片（13），凸轮（21）继续转动进入远休止角，压片（13）高度位置保持不变，此时推杆（23）推动压片（13）进入引导槽（11），推动距离120mm，粉末压片（13）落入熔覆基材表面，实现粉末压片的自动放置，当推杆（23）移动距离达到16cm时，激光位移传感器（28）发送信号给计算机（1），伺服电机（30）停止转动并反转，推杆（23）和凸轮（21）开始复位。