CN106862769B - 熔覆轨迹可调的激光熔覆装置及调节熔覆轨迹宽度的方法 - Google Patents

Abstract

熔覆轨迹可调的激光熔覆装置及调节熔覆轨迹宽度的方法，激光熔覆装置包括激光熔覆头构件、激光器、送粉器和中央控制器；熔覆头安装在可驱动熔覆头沿竖直方向上下移动的竖直调节装置上，熔覆头内设有透镜；送粉管通过可调节送粉管与熔覆头之间的夹角大小的角度调节装置安装在熔覆头上；所述中央控制器内具有信号变送器、送粉控制器和计算器。本发明既可以调节熔覆轨迹的宽度，也可以在光斑尺寸变化的同时根据熔覆宽度的变化调整粉末输送量和送粉角度，不会造成熔覆轨迹高度的起伏和截面形状的不稳定，且激光功率密度保持不变，使得熔覆层的厚度保持不变，保证熔覆效果。

Description

熔覆轨迹可调的激光熔覆装置及调节熔覆轨迹宽度的方法

技术领域

本发明涉及一种熔覆轨迹可调的激光熔覆装置及调节熔覆轨迹宽度的方法。

背景技术

同轴熔覆头是一种常用的激光熔覆加工工具，传统的同轴熔覆头的结构为：以通过中轴线的固定透镜组汇聚激光束，以沿同一中轴线对称分布的送粉流道实现粉末流的汇聚，激光束与粉末流都汇聚到同一轴线上。这种传统的同轴熔覆头的激光汇聚焦点和粉末汇聚点都是固定的，因此，不能在一条熔覆轨迹上实现不同位置处截面宽度的调整与变化。

叶片等薄壁复杂零件具有壁薄、截面轨迹复杂、截面宽度随轨迹变化的特点，采用传统同轴熔覆头进行该类零件的熔覆制造与再制造修复时，由于熔覆轨迹的宽度不能调整，往往需要在同一层面上多次搭接，这样增加了热循环的加工次数，既不利于质量控制又降低了效率。为了实现激光熔覆过程中光斑大小的调节，德国弗朗霍夫激光研究所(ILT)设计了移动透镜组结构的熔覆头，其工作原理如图1所示：在加工过程中，熔覆头2’的激光出口距离加工平面的距离(H’)不改变，粉末输送装置3’的输送角度α’也不改变；但是，在加工运动轨迹的不同位置处，通过采用由丝杠电机7’和螺母6’构成的直线位移调整装置带动透镜4’沿其中轴线上下移动，以改变透镜4’与熔覆头2’的激光出口的距离(L’)，从而改变加工过程中激光束1’汇聚的焦点，以实现同一加工平面上不同位置处汇聚光斑5’的直径(D’)大小的调节。

德国弗朗霍夫激光研究所的上述方法虽然能够通过改变轨迹上不同位置的光斑尺寸实现熔覆轨迹宽度的变化，但并没有在改变光斑尺寸的同时根据熔覆宽度的变化调整粉末输送量和粉末输送的位置，这会造成熔覆轨迹高度的起伏和截面形状的不稳定；另外，由于大功率激光束通过透镜会造成透镜上热量的集聚，该方案采用伺服电机带动透镜移动的方案，不利于在熔覆头内部较小的空间内布置散热装置，因此会限制通过透镜的激光光束的功率。

发明内容

为克服背景技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种激光熔覆过程中熔覆轨迹宽度可调且不会造成熔覆层高低的起伏和截面形状的不稳定的一种熔覆轨迹可调的激光熔覆装置及调节熔覆轨迹宽度的方法。

本发明在激光熔覆轨迹扫描的过程中，一方面，通过竖直调节装置带动调节透镜与熔覆头的激光出口的距离，形成光斑汇聚点与熔覆平面的离焦量变化，从而调整光斑尺寸的大小以实现熔覆轨迹宽度的变化；另一方面，在熔覆宽度变化的同时调整粉末输送量的和粉末汇聚的角度，从而使宽度变化的熔覆轨迹的高度和截面形状稳定，提高了熔覆质量。

本发明解决上述问题的技术方案是：

熔覆轨迹可调的激光熔覆装置，包括激光熔覆头构件、激光器、送粉器和中央控制器，激光器和送粉器均与激光熔覆头构件相连，激光熔覆头构件、激光器和送粉器均与中央控制器相连；

所述激光熔覆头构件包括熔覆头，所述熔覆头安装在可驱动熔覆头沿竖直方向上下移动的竖直调节装置上，所述熔覆头沿竖直方向的上方设有激光入口，所述熔覆头沿竖直方向的下方设有激光出口；熔覆头内设有透镜，且透镜与所述熔覆头同轴设置；

所述熔覆头外设有送粉管，送粉管通过可调节送粉管与熔覆头之间的夹角大小的角度调节装置安装在熔覆头上；送粉管的出口向下，且送粉管的中轴线的延长线与熔覆头的中轴线的延长线相交，以保证来自激光出口的激光束与来自送粉管的出口的粉体相聚；

所述竖直调节装置包括固定设置的第一丝杠电机，所述第一丝杠电机的第一输出轴垂直向下，熔覆头的外壁上设有与所述第一输出轴相配合的第一螺母，所述第一输出轴与所述第一螺母相啮合，以驱动熔覆头上下移动；

所述角度调节装置包括第二丝杠电机和第二螺母，所述送粉管靠近出口的一端与熔覆头的外壁铰接，所述送粉管靠近进口的一端与第二螺母的外壁铰接，所述第二螺母与第二丝杠电机的第二输出轴相啮合，且所述第二输出轴水平设置；中央控制器与第一丝杠电机和第二丝杠电机相连；

激光器通过激光输送通道与激光入口相连，送粉器通过送粉通道与送粉管的入口相连；

所述中央控制器内具有用于调节激光器的输出功率的信号变送器，所述中央控制器通过信号变送器与激光器相连；所述中央控制器内具有用于调节送粉器的送粉量的送粉控制器，所述中央控制器通过送粉控制器与送粉器相连；

定义送粉管的中轴线与送粉管安装处的熔覆头的外壁面的切线之间的夹角为送粉角度；

所述中央控制器内具有用于控制第一丝杠电机的第一电机驱动器、用于控制第二丝杠电机的第二电机驱动器；所述中央控制器内还具有根据第一电机驱动器反馈给中央控制器的第一丝杠电机的位置信息计算送粉量、送粉角度和所需激光功率的计算器，所述中央控制器根据计算器输出的用粉量信息、送粉角度信息和所需激光功率信息分别驱动送粉器、第二丝杠电机和激光器动作。

一种利用本发明所述的熔覆轨迹可调的激光熔覆装置实施的调节熔覆轨迹宽度的方法，包括以下步骤：

(1)中央控制器发送控制指令至第一电机驱动器，第一电机驱动器根据来自中央控制器的转动方向、转动速度、转动时间的控制指令驱动第一丝杠电机转动，以带动熔覆头竖直运动，使激光束在加工平面上离焦，产生直径大小变化的光斑，从而调节熔覆轨迹宽度；

(2)为保证在熔覆轨迹宽度变化的同时熔覆效果不变，中央控制器的计算器根据第一丝杠电机的实时位置信息计算出为适应大小实时变化的光斑而应匹配的送粉量、送粉角度和激光功率，以确保光斑获得的激光功率密度保持不变和熔覆层的厚度保持不变；

(3)中央控制器根据计算器输出的所需激光功率信息发出控制指令至信号变送器，激光器启动，且信号变送器实时调整激光器的输出功率，使得直径大小变化的光斑获得的激光功率密度保持不变；

(4)中央控制器根据计算器输出的送粉角度信息发出控制指令至第二电机驱动器，第二电机驱动器实时调整送粉管的送粉角度，使粉末束始终汇聚在加工零件表面；

(5)中央控制器根据计算器输出的送粉量信息实时发出控制指令至送粉控制器，送粉器启动，且送粉控制器实时调整送粉器的送粉量，以适应直径大小变化的光斑，使熔覆层的厚度保持不变。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明既可以调节熔覆轨迹的宽度，也可以在光斑尺寸变化的同时根据熔覆宽度的变化调整粉末输送量和送粉角度，不会造成熔覆轨迹高度的起伏和截面形状的不稳定，且激光功率密度保持不变，使得熔覆层的厚度保持不变，保证熔覆效果。

2、透镜设置在熔覆头内，通过改变熔覆头的竖直位置来间接调节透镜与熔覆头激光出口之间的距离，解决了背景技术中存在的激光功率受限的问题。

附图说明

图1是现有的激光熔覆头构件的结构示意图。

图2是本发明的激光熔覆头构件的结构示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图1、图2和图3中空心的箭头表示对应部件的运动方向；图2和图3中实心的弧形箭头表示对应部件的旋转方向。

具体实施方式

参照附图，熔覆轨迹可调的激光熔覆装置，包括激光熔覆头构件、激光器10、送粉器12和中央控制器11，激光器10和送粉器12均与激光熔覆头构件相连，激光熔覆头构件、激光器10和送粉器12均与中央控制器11相连；

所述激光熔覆头构件包括熔覆头2，所述熔覆头2安装在可驱动熔覆头2沿竖直方向上下移动的竖直调节装置上，所述熔覆头2沿竖直方向的上方设有激光入口，所述熔覆头2沿竖直方向的下方设有激光出口；熔覆头2内设有透镜4，且透镜4与所述熔覆头2同轴设置；

所述熔覆头2外设有送粉管3，送粉管3通过可调节送粉管3与熔覆头2之间的夹角大小的角度调节装置安装在熔覆头2上；送粉管3的出口向下，且送粉管2的中轴线的延长线与熔覆头2的中轴线的延长线相交，以保证来自激光出口的激光束1与来自送粉管2的出口的粉体相聚；

所述竖直调节装置包括固定设置的第一丝杠电机7，所述第一丝杠电机7的第一输出轴垂直向下，熔覆头2的外壁上设有与所述第一输出轴相配合的第一螺母6，所述第一输出轴与所述第一螺母6相啮合，以驱动熔覆头2上下移动；

所述角度调节装置包括第二丝杠电机9和第二螺母8，所述送粉管3靠近出口的一端与熔覆头2的外壁铰接，所述送粉管3靠近进口的一端与第二螺母8的外壁铰接，所述第二螺母8与第二丝杠电机9的第二输出轴相啮合，且所述第二输出轴水平设置；中央控制器与第一丝杠电机和第二丝杠电机相连，第一丝杠电机和第二丝杠电机均为步进电机，中央控制器控制第一丝杠电机和第二丝杠电机的正反转，以驱动驱动熔覆头上下移动和送粉管靠近进口的一端水平移动(送粉管靠近进口的一端水平移动，可调整送粉管与熔覆头之间的夹角)。

激光器10通过激光输送通道与激光入口相连，送粉器12通过送粉通道与送粉管3的入口相连；

所述中央控制器11内具有用于调节激光器10的输出功率的信号变送器13，所述中央控制器11通过信号变送器13与激光器10相连；所述中央控制器11内具有用于调节送粉器12的送粉量的送粉控制器15，所述中央控制器11通过送粉控制器15与送粉器12相连；

定义送粉管3的中轴线与送粉管3安装处的熔覆头2的外壁面的切线之间的夹角为送粉角度α；

所述中央控制器11内具有用于控制第一丝杠电机7的第一电机驱动器14、用于控制第二丝杠电机9的第二电机驱动器16；所述中央控制器内还具有根据第一电机驱动器14反馈给中央控制器11的第一丝杠电机7的位置信息计算送粉量、送粉角度α和所需激光功率的计算器，所述中央控制器11根据计算器输出的用粉量信息、送粉角度信息和所需激光功率信息分别驱动送粉器12、第二丝杠电机9和激光器10动作。

一种利用本发明所述的熔覆轨迹可调的激光熔覆装置实施的调节熔覆轨迹宽度的方法，包括以下步骤：

(1)中央控制器11发送控制指令至第一电机驱动器14，第一电机驱动器14根据来自中央控制器11的转动方向、转动速度、转动时间的控制指令驱动第一丝杠电机7转动，以带动熔覆头2竖直运动，使激光束1在加工平面上离焦，产生直径大小变化的光斑5，从而调节熔覆轨迹宽度；

(2)为保证在熔覆轨迹宽度变化的同时熔覆效果不变，中央控制器11的计算器根据第一丝杠电机7的实时位置信息计算出为适应大小实时变化的光斑5而应匹配的送粉量、送粉角度α和激光功率，以确保光斑5获得的激光功率密度保持不变和熔覆层的厚度保持不变；

(3)中央控制器11根据计算器输出的所需激光功率信息发出控制指令至信号变送器13，激光器10启动，且信号变送器13实时调整激光器10的输出功率，使得直径大小变化的光斑5获得的激光功率密度保持不变；

(4)中央控制器11根据计算器输出的送粉角度α信息发出控制指令至第二电机驱动器16，第二电机驱动器16实时调整送粉管3的送粉角度α，使粉末束始终汇聚在加工零件的表面；

(5)中央控制器11根据计算器输出的送粉量信息实时发出控制指令至送粉控制器15，送粉器12启动，且送粉控制器15实时调整送粉器12的送粉量，以适应直径D大小变化的光斑，使熔覆层的厚度保持不变。

调节熔覆头2的竖直位置，透镜4与熔覆头2的激光出口的距离L从而改变加工过程中激光汇聚焦点相对于加工平面的离焦量，以实现同一加工平面上不同位置处汇聚光斑大小(D)的调节，则熔覆轨迹宽度发生变化。但由于光出口与加工平面的距离H也会变化，导致粉末汇聚点偏离加工平面，需要调整送粉角度α使粉末汇聚到加工平面上。

本发明既可以通过改变轨迹上不同位置的光斑尺寸实现熔覆轨迹宽度的变化，也可以在改变光斑尺寸的同时根据熔覆宽度的变化调整粉末输送量和送粉角度α，不会造成熔覆轨迹高度的起伏和截面形状的不稳定，且激光功率密度保持不变，使得熔覆层的厚度保持不变，保证熔覆效果。

另外，背景技术中记载的透镜4’设置在熔覆头2’外，当大功率激光束1’通过透镜2’时会造成透镜2’上热量集聚，但因熔覆头内没有散热装置而导致激光功率必须受限的问题，但本发明的透镜4固定设置在熔覆头2内，有效解决了该问题。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.熔覆轨迹可调的激光熔覆装置，其特征在于：包括激光熔覆头构件、激光器、送粉器和中央控制器，激光器和送粉器均与激光熔覆头构件相连，激光熔覆头构件、激光器和送粉器均与中央控制器相连；

所述激光熔覆头构件包括熔覆头，所述熔覆头安装在可驱动熔覆头沿竖直方向上下移动的竖直调节装置上，所述熔覆头沿竖直方向的上方设有激光入口，所述熔覆头沿竖直方向的下方设有激光出口；熔覆头内设有透镜，且透镜与所述熔覆头同轴设置；

所述熔覆头外设有送粉管，送粉管通过可调节送粉管与熔覆头之间的夹角大小的角度调节装置安装在熔覆头上；送粉管的出口向下，且送粉管的中轴线的延长线与熔覆头的中轴线的延长线相交，以保证来自激光出口的激光束与来自送粉管的出口的粉体相聚；

所述竖直调节装置包括固定设置的第一丝杠电机，所述第一丝杠电机的第一输出轴垂直向下，熔覆头的外壁上设有与所述第一输出轴相配合的第一螺母，所述第一输出轴与所述第一螺母相啮合，以驱动熔覆头上下移动；

所述角度调节装置包括第二丝杠电机和第二螺母，所述送粉管靠近出口的一端与熔覆头的外壁铰接，所述送粉管靠近进口的一端与第二螺母的外壁铰接，所述第二螺母与第二丝杠电机的第二输出轴相啮合，且所述第二输出轴水平设置；中央控制器与第一丝杠电机和第二丝杠电机相连；

激光器通过激光输送通道与激光入口相连，送粉器通过送粉通道与送粉管的入口相连；

所述中央控制器内具有用于调节激光器的输出功率的信号变送器，所述中央控制器通过信号变送器与激光器相连；所述中央控制器内具有用于调节送粉器的送粉量的送粉控制器，所述中央控制器通过送粉控制器与送粉器相连；

定义送粉管的中轴线与送粉管安装处的熔覆头的外壁面的切线之间的夹角为送粉角度；

所述中央控制器内具有用于控制第一丝杠电机的第一电机驱动器、用于控制第二丝杠电机的第二电机驱动器；所述中央控制器内还具有根据第一电机驱动器反馈给中央控制器的第一丝杠电机的位置信息计算送粉量、送粉角度和所需激光功率的计算器，所述中央控制器根据计算器输出的用粉量信息、送粉角度信息和所需激光功率信息分别驱动送粉器、第二丝杠电机和激光器动作。

2.一种利用如权利要求1所述的熔覆轨迹可调的激光熔覆装置实施的调节熔覆轨迹宽度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)中央控制器发送控制指令至第一电机驱动器，第一电机驱动器根据来自中央控制器的转动方向、转动速度、转动时间的控制指令驱动第一丝杠电机转动，以带动熔覆头竖直运动，使激光束在加工平面上离焦，产生直径大小变化的光斑，从而调节熔覆轨迹宽度；

(2)为保证在熔覆轨迹宽度变化的同时熔覆效果不变，中央控制器的计算器根据第一丝杠电机的实时位置信息计算出为适应大小实时变化的光斑而应匹配的送粉量、送粉角度和激光功率，以确保光斑获得的激光功率密度保持不变和熔覆层的厚度保持不变；

(3)中央控制器根据计算器输出的所需激光功率信息发出控制指令至信号变送器，激光器启动，且信号变送器实时调整激光器的输出功率，使得直径大小变化的光斑获得的激光功率密度保持不变；

(4)中央控制器根据计算器输出的送粉角度信息发出控制指令至第二电机驱动器，第二电机驱动器实时调整送粉管的送粉角度，使粉末束始终汇聚在光斑的中心；

(5)中央控制器根据计算器输出的送粉量信息实时发出控制指令至送粉控制器，送粉器启动，且送粉控制器实时调整送粉器的送粉量，以适应直径大小变化的光斑，使熔覆层的厚度保持不变。