CN105695985A - 一种多用途金属粉末修复机 - Google Patents

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孟兆军
熊旭辉
李国良
郭安胜
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明涉及金属结构件缺陷修复技术领域，尤其涉及一种多用途金属粉末修复机。本发明包括外壳、控制单元、电源模块，外壳的左侧下方设置有下箱门；外壳的右侧上方设置有主箱门，主箱门的侧边与外壳铰接；主箱门的另一个侧边中部设置有主箱门把手，主箱门的中部开有观察窗口；观察窗口的内框安装有护目镜片；本发明采用观察窗口的内框安装有护目镜片，有利于工作人员对整个修复过程的监测，保护观察者的眼睛；采用控制面板和控制单元的组合，可以通过控制面板控制六自由度数控机械工作台，更方便精确快捷；采用熔覆材料送粉器，可以在熔覆材料送粉器内更换不同的金属粉末，保证金属结构件的强度和金相结构不发生改变。

Description

一种多用途金属粉末修复机
技术领域
本发明涉及金属结构件缺陷修复技术领域，尤其涉及一种多用途金属粉末修复机。
背景技术
金属结构件在制造和服役过程中不可避免产生各种微观裂纹，例如焊接裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹、电加工裂纹、电火花裂纹、金属疲劳裂纹、激光熔覆裂纹等，随着服役时间的增加，微观裂纹不断扩展，造成机械零件的失效，甚至导致突发性灾难性事故，给国家和人民财产造成巨大损失。由于微观裂纹的早期扩展多发生在局部范围，因此对尚未达到设计寿命的金属结构件、特别是重大机械装备零部件的局部微小裂纹的早期修复，对于节省资源，延长装备的寿命尤为重要。
目前，金属结构件的修复方法主要有常规焊接技术和基于激光技术的激光填料焊接和激光熔覆技术等。采用常规焊接技术多使用焊枪，如申请号为CN90222738的“便携式焊枪”和申请号为CN89203471的“双嘴便携式焊枪”，进行裂纹缺陷部位的手工补焊。由于修复过程中完全需要操作者根据经验判断修复的位置、时机、修复时间长短和参数，修复质量难以控制。采用基于激光技术的激光填料焊接和激光熔覆技术，如汪定江等“基于激光熔覆技术的航空发动机涡轮叶片裂纹修复新工艺”。虽然修复质量得到充分保证，然而现有的激光焊接和激光熔覆设备体积庞大，需要复杂的数控系统与驱动部件，设备成本高；而且激光焊接和激光熔覆设备通常针对一种或一类工件根据特定的编程路径进行修复，通用性差，修复位置受限，无法实施现场不规则裂纹的修复，修复质量差。
金属结构件缺陷修复技术在模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头等磨损表面形成抗磨损、耐疲劳的修复层，从而延长模具、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头等使用寿命。如果通过修复再造延长金属工件寿命50％以上，不仅会给企业带来巨大经济效益，还可以优化资源配置，节约贵重金属材料，降低能源消耗，具有显著的社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种多用途金属粉末修复机，该装置能够快速地自动定位待修复区域，并且不会损伤或损坏金属结构件，在金属结构件缺陷修复过程中，有助于提高自动定位的效率，此外，本发明装置制造成本低，使用寿命长，维护和维修简单，本发明采用主箱门的侧边与外壳铰接，有利于工作人员及时完成对金属结构件的取放，同时，主箱门对工作人员起到保护作用；采用观察窗口的内框安装有护目镜片，有利于工作人员对整个修复过程的监测，保护观察者的眼睛；采用控制面板和控制单元的组合，可以通过控制面板控制六自由度数控机械工作台，更方便精确快捷；采用熔覆材料送粉器，可以在熔覆材料送粉器内更换不同的金属粉末，保证金属结构件的强度和金相结构不发生改变；采用等离子发生器的顶端两侧均连接有送粉管，可以使金属粉末均匀落下分布于金属结构件的待修复区域，有效避免了修复不均匀的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括外壳、控制单元、电源模块，外壳的左侧下方设置有下箱门；外壳的右侧上方设置有主箱门，主箱门的侧边与外壳铰接；主箱门的另一个侧边中部设置有主箱门把手，主箱门的中部开有观察窗口；观察窗口的内框安装有护目镜片；主箱门的后方内壁固定安装有竖直固定台；外壳的左侧上方设置有控制面板；竖直固定台的上方固定连接有六自由度数控机械工作台；主箱门的后方底部固定安装有水平工作台；外壳的顶端中部上方设置有熔覆材料送粉器；六自由度数控机械工作台的底端连接有等离子发生器；等离子发生器设置于水平工作台的正上方；等离子发生器的顶端两侧均连接有送粉管；两根送粉管的顶端均与熔覆材料送粉器连接。
进一步优化本技术方案，所述的六自由度数控机械工作台包括X轴向运动轴、Z轴向运动轴、Y轴向运动轴；X轴向运动轴的横截面设置为矩形；X轴向运动轴的一侧中部开有X轴滑槽；X轴滑槽的内部设置有与X轴滑槽配合的X轴滑块；X轴滑块的外侧与Z轴向运动轴的顶端固定连接；X轴向运动轴的一端焊接有X轴顶板；X轴顶板的一侧中部固定安装有X轴液压缸；X轴液压缸的一端中部设置有X轴活塞杆；X轴活塞杆的顶端与Z轴向运动轴固定连接。
进一步优化本技术方案，所述的Z轴向运动轴的横截面设置为工字形；Z轴向运动轴的两侧中部开有Z轴滑槽；Z轴滑槽的内部设置有与Z轴滑槽配合的Z轴滑块；Z轴滑块的外侧与Y轴向运动轴的一端固定连接；Z轴向运动轴的一端焊接有Z轴顶板；Z轴顶板的一侧中部固定安装有Z轴液压缸；Z轴液压缸的一端中部设置有Z轴活塞杆；Z轴活塞杆的顶端与Y轴向运动轴连接。
进一步优化本技术方案，所述的Y轴向运动轴的一端焊接有Y轴顶板；Y轴顶板的一侧中部固定安装有Y轴液压缸；Y轴液压缸的一端中部设置有Y轴活塞杆；Y轴活塞杆的顶端连接有Y轴滑块；Y轴向运动轴的一侧中部开有通孔；通孔的内壁与Y轴活塞杆配合；Y轴滑块的外侧固定连接有夹具。
进一步优化本技术方案，所述的控制单元为一台工业控制计算机，该计算机具有熔覆材料流量控制模块、等离子控制通讯接口、氩气流量控制模块、数控加工模块；控制面板通过电路与控制单元连接。
进一步优化本技术方案，所述的电源模块的一端连接到380V工业用电；电源模块的另一端为控制单元、控制面板、六自由度数控机械工作台、熔覆材料送粉器、等离子发生器、氩气阀提供稳定电源。
进一步优化本技术方案，所述的熔覆材料流量控制模块通过电路与熔覆材料送粉器连接；等离子控制通讯接口通过电路与等离子发生器连接；氩气流量控制模块通过电路连接有氩气阀；数控加工模块通过电路与X轴液压缸、Z轴液压缸、Y轴液压缸分别连接。
进一步优化本技术方案，所述的夹具的中部设置有与夹具配合的连杆；连杆的底端焊接有支撑板；支撑板的一端设置有套筒；套筒的中部与等离子发生器配合；氩气阀设置于等离子发生器的底部一侧；支撑板的另一端设置有氩气罐；氩气阀的一端连接有氩气管；氩气阀通过氩气管与氩气罐连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、采用主箱门的侧边与外壳铰接，有利于工作人员及时完成对金属结构件的取放，同时，主箱门对工作人员起到保护作用；2、采用观察窗口的内框安装有护目镜片，有利于工作人员对整个修复过程的监测，保护观察者的眼睛；3、采用控制面板和控制单元的组合，可以通过控制面板控制六自由度数控机械工作台，更方便精确快捷；4、采用熔覆材料送粉器，可以在熔覆材料送粉器内更换不同的金属粉末，保证金属结构件的强度和金相结构不发生改变；5、采用等离子发生器的顶端两侧均连接有送粉管，可以使金属粉末均匀落下分布于金属结构件的待修复区域，有效避免了修复不均匀的缺陷；6、六自由度数控机械工作台包括X轴向运动轴、Z轴向运动轴、Y轴向运动轴，可以根据工作人员的指令在各个方向自由操纵等离子发生器的位置，修复金属结构件的位置更精确；7、熔覆材料流量控制模块通过电路与熔覆材料送粉器连接，可以精确控制金属粉末的出粉速度，氩气流量控制模块通过电路连接有氩气阀，可以精确控制氩气的通气速度，有利于提高修复的精确度。
附图说明
图1为一种多用途金属粉末修复机的主视图；
图2为一种多用途金属粉末修复机的俯视图；
图3为一种多用途金属粉末修复机的侧视图；
图4为夹具部分的结构示意图；
图5为六自由度数控机械工作台的结构示意图；
图6为等离子发生器的结构示意图；
图7为一种多用途金属粉末修复机的控制结构框图。
图中，1、外壳；2、下箱门；3、主箱门；4、主箱门把手；5、观察窗口；6、护目镜片；7、控制面板；8、竖直固定台；9、六自由度数控机械工作台；10、X轴向运动轴；11、X轴滑槽；12、X轴顶板；13、X轴液压缸；14、X轴活塞杆；15、X轴滑块；16、Z轴向运动轴；17、Z轴滑槽；18、Z轴顶板；19、Z轴液压缸；20、Z轴活塞杆；21、Z轴滑块；22、Y轴向运动轴；23、Y轴顶板；24、Y轴液压缸；25、Y轴活塞杆；26、Y轴滑块；27、夹具；28、连杆；29、支撑板；30、套筒；31、等离子发生器；32、氩气阀；33、氩气管；34、氩气罐；35、送粉管；36、熔覆材料送粉器；37、控制单元；38、水平工作台；39、电源模块；40、熔覆材料流量控制模块；41、等离子控制通讯接口；42、氩气流量控制模块；43、数控加工模块；44、通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-7所示，包括外壳1、控制单元37、电源模块39，外壳1的左侧下方设置有下箱门2；外壳1的右侧上方设置有主箱门3，主箱门3的侧边与外壳1铰接；主箱门3的另一个侧边中部设置有主箱门把手4，主箱门3的中部开有观察窗口5；观察窗口5的内框安装有护目镜片6；主箱门3的后方内壁固定安装有竖直固定台8；外壳1的左侧上方设置有控制面板7；竖直固定台8的上方固定连接有六自由度数控机械工作台9；主箱门3的后方底部固定安装有水平工作台38；外壳1的顶端中部上方设置有熔覆材料送粉器36；六自由度数控机械工作台9的底端连接有等离子发生器31；等离子发生器31设置于水平工作台38的正上方；等离子发生器31的顶端两侧均连接有送粉管35；两根送粉管35的顶端均与熔覆材料送粉器36连接；六自由度数控机械工作台9包括X轴向运动轴10、Z轴向运动轴16、Y轴向运动轴22；X轴向运动轴10的横截面设置为矩形；X轴向运动轴10的一侧中部开有X轴滑槽11；X轴滑槽11的内部设置有与X轴滑槽11配合的X轴滑块15；X轴滑块15的外侧与Z轴向运动轴16的顶端固定连接；X轴向运动轴10的一端焊接有X轴顶板12；X轴顶板12的一侧中部固定安装有X轴液压缸13；X轴液压缸13的一端中部设置有X轴活塞杆14；X轴活塞杆14的顶端与Z轴向运动轴16固定连接；Z轴向运动轴16的横截面设置为工字形；Z轴向运动轴16的两侧中部开有Z轴滑槽17；Z轴滑槽17的内部设置有与Z轴滑槽17配合的Z轴滑块21；Z轴滑块21的外侧与Y轴向运动轴22的一端固定连接；Z轴向运动轴16的一端焊接有Z轴顶板18；Z轴顶板18的一侧中部固定安装有Z轴液压缸19；Z轴液压缸19的一端中部设置有Z轴活塞杆20；Z轴活塞杆20的顶端与Y轴向运动轴22连接；Y轴向运动轴22的一端焊接有Y轴顶板23；Y轴顶板23的一侧中部固定安装有Y轴液压缸24；Y轴液压缸24的一端中部设置有Y轴活塞杆25；Y轴活塞杆25的顶端连接有Y轴滑块26；Y轴向运动轴22的一侧中部开有通孔44；通孔44的内壁与Y轴活塞杆25配合；Y轴滑块26的外侧固定连接有夹具27；控制单元37为一台工业控制计算机，该计算机具有熔覆材料流量控制模块40、等离子控制通讯接口41、氩气流量控制模块42、数控加工模块43；控制面板7通过电路与控制单元37连接；电源模块39的一端连接到380V工业用电；电源模块39的另一端为控制单元37、控制面板7、六自由度数控机械工作台9、熔覆材料送粉器36、等离子发生器31、氩气阀32提供稳定电源；熔覆材料流量控制模块40通过电路与熔覆材料送粉器36连接；等离子控制通讯接口41通过电路与等离子发生器31连接；氩气流量控制模块42通过电路连接有氩气阀32；数控加工模块43通过电路与X轴液压缸13、Z轴液压缸19、Y轴液压缸24分别连接；夹具27的中部设置有与夹具27配合的连杆28；连杆28的底端焊接有支撑板29；支撑板29的一端设置有套筒30；套筒30的中部与等离子发生器31配合；氩气阀32设置于等离子发生器31的底部一侧；支撑板29的另一端设置有氩气罐34；氩气阀32的一端连接有氩气管33；氩气阀32通过氩气管33与氩气罐34连接。
该装置在具体实施时，将待修复金属工件放置在水平工作台38上，通过主箱门把手4关上主箱门3，闭合电源模块39，启动六自由度数控机械工作台9、等离子发生器31、熔覆材料送粉器36、氩气阀32、控制面板7、控制单元37；通过六自由度数控机械工作台9调整等离子发生器31与金属失效表面的相对位置；工作人员通过操纵控制面板7，将数控加工程序传递到控制单元37，控制单元37把信息通过数控加工模块43分析计算，数控加工模块43按照加工程序控制六自由度数控机械工作台9，数控加工模块43通过电路与X轴液压缸13、Z轴液压缸19、Y轴液压缸24分别连接，通过控制X轴液压缸13、Z轴液压缸19、Y轴液压缸24的进程，使等离子发生器31和工件的表面发生相对移动，采用氩气等离子弧作高温热源，采用合金粉末作填充金属，等离子发生器31使气体电离形成电弧，金属粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态落入工件表面的上方，合金和工件表层熔合。随着等离子发生器31和工件的相对移动，合金逐渐凝固，便在工件上获得所需要的合金堆焊层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，完成金属失效表面修复。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种多用途金属粉末修复机，其特征在于：包括外壳(1)、控制单元(37)、电源模块(39)，外壳(1)的左侧下方设置有下箱门(2)；外壳(1)的右侧上方设置有主箱门(3)，主箱门(3)的侧边与外壳(1)铰接；主箱门(3)的另一个侧边中部设置有主箱门把手(4)，主箱门(3)的中部开有观察窗口(5)；观察窗口(5)的内框安装有护目镜片(6)；主箱门(3)的后方内壁固定安装有竖直固定台(8)；外壳(1)的左侧上方设置有控制面板(7)；竖直固定台(8)的上方固定连接有六自由度数控机械工作台(9)；主箱门(3)的后方底部固定安装有水平工作台(38)；外壳(1)的顶端中部上方设置有熔覆材料送粉器(36)；六自由度数控机械工作台(9)的底端连接有等离子发生器(31)；等离子发生器(31)设置于水平工作台(38)的正上方；等离子发生器(31)的顶端两侧均连接有送粉管(35)；两根送粉管(35)的顶端均与熔覆材料送粉器(36)连接。
2.根据权利要求1所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：六自由度数控机械工作台(9)包括X轴向运动轴(10)、Z轴向运动轴(16)、Y轴向运动轴(22)；X轴向运动轴(10)的横截面设置为矩形；X轴向运动轴(10)的一侧中部开有X轴滑槽(11)；X轴滑槽(11)的内部设置有与X轴滑槽(11)配合的X轴滑块(15)；X轴滑块(15)的外侧与Z轴向运动轴(16)的顶端固定连接；X轴向运动轴(10)的一端焊接有X轴顶板(12)；X轴顶板(12)的一侧中部固定安装有X轴液压缸(13)；X轴液压缸(13)的一端中部设置有X轴活塞杆(14)；X轴活塞杆(14)的顶端与Z轴向运动轴(16)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：Z轴向运动轴(16)的横截面设置为工字形；Z轴向运动轴(16)的两侧中部开有Z轴滑槽(17)；Z轴滑槽(17)的内部设置有与Z轴滑槽(17)配合的Z轴滑块(21)；Z轴滑块(21)的外侧与Y轴向运动轴(22)的一端固定连接；Z轴向运动轴(16)的一端焊接有Z轴顶板(18)；Z轴顶板(18)的一侧中部固定安装有Z轴液压缸(19)；Z轴液压缸(19)的一端中部设置有Z轴活塞杆(20)；Z轴活塞杆(20)的顶端与Y轴向运动轴(22)连接。
4.根据权利要求2所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：Y轴向运动轴(22)的一端焊接有Y轴顶板(23)；Y轴顶板(23)的一侧中部固定安装有Y轴液压缸(24)；Y轴液压缸(24)的一端中部设置有Y轴活塞杆(25)；Y轴活塞杆(25)的顶端连接有Y轴滑块(26)；Y轴向运动轴(22)的一侧中部开有通孔(44)；通孔(44)的内壁与Y轴活塞杆(25)配合；Y轴滑块(26)的外侧固定连接有夹具(27)。
5.根据权利要求1所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：控制单元(37)为一台工业控制计算机，该计算机具有熔覆材料流量控制模块(40)、等离子控制通讯接口(41)、氩气流量控制模块(42)、数控加工模块(43)；控制面板(7)通过电路与控制单元(37)连接。
6.根据权利要求1所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：电源模块(39)的一端连接到380V工业用电；电源模块(39)的另一端为控制单元(37)、控制面板(7)、六自由度数控机械工作台(9)、熔覆材料送粉器(36)、等离子发生器(31)、氩气阀(32)提供稳定电源。
7.根据权利要求5所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：熔覆材料流量控制模块(40)通过电路与熔覆材料送粉器(36)连接；等离子控制通讯接口(41)通过电路与等离子发生器(31)连接；氩气流量控制模块(42)通过电路连接有氩气阀(32)；数控加工模块(43)通过电路与X轴液压缸(13)、Z轴液压缸(19)、Y轴液压缸(24)分别连接。
8.根据权利要求4所述的一种多用途金属粉末修复机,其特征在于：夹具(27)的中部设置有与夹具(27)配合的连杆(28)；连杆(28)的底端焊接有支撑板(29)；支撑板(29)的一端设置有套筒(30)；套筒(30)的中部与等离子发生器(31)配合；氩气阀(32)设置于等离子发生器(31)的底部一侧；支撑板(29)的另一端设置有氩气罐(34)；氩气阀(32)的一端连接有氩气管(33)；氩气阀(32)通过氩气管(33)与氩气罐(34)连接接。
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