CN106947969B - 一种可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，小齿轮Ⅲ与步进电机Ⅱ连接，并与大齿轮啮合传动；小齿轮Ⅱ与步进电机Ⅰ连接，并与小齿轮Ⅰ啮合带动螺纹轴旋转；氩气喷嘴与烘干箱、压力指示节流阀、高压氩气罐相连，氩气气流将粉末输送至出粉口，出粉口通过电磁阀分别与粉末回收箱和出粉喷嘴连通；计算机控制步进电机驱动器控制步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ的转速，并控制PLC控制器实现电磁阀、烘干箱和压力指示节流阀的调控。本发明能解决目前送粉装置的熔覆效率不高、粉末浪费严重、自动化程度低、粉末由于湿润在轴套内壁积聚导致的粉末堵塞等问题，以满足同步送粉激光熔覆在制备多层或者梯度热障涂层、增材制造等领域的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆送粉装置，属于激光加工及材料表面改性装备技术领域。
背景技术
近年来随着激光器及其单元技术的发展，激光熔覆技术在机械制造、航空航天、汽车交通和新材料等领域的应用日益广泛。激光熔覆是一种将预期粉末置于基体材料之上，通过激光作为输出能量源使得粉末与基体材料冶金结合的材料表面改性技术。其涂层与基体的结合强度高，熔覆涂层性能优良，在继承基体材料的性能的基础上，又能获得熔覆粉末的优良性能。激光熔覆工艺有两种添加粉末的方式：其一，预置粉末，即在激光熔覆加工之前将粉末预置在基体材料上，这种方法效率低，而且每熔覆一个单道就要重新预置粉末，粉末的利用率极低，有的粉末由于自身流动性高、粒度大很难预置在基体上或压制成片，且该方法成本高，效率低，对操作精度要求高；其二，同步送粉方式，这种送粉方式能够大大的提高熔覆效率，并且提高粉末的利用率，易于实现自动化控制。因此，同步送粉方式被普遍的应用。
同步送粉激光熔覆技术被广泛应用于材料表面改性、零件修复、热障涂层制备以及增材制造领域。而在这些工业领域中，要求粉末持续可控的定量定时地输出，满足熔覆层的多层、梯度叠加设计的要求。在多层热障涂层制备过程中涂层需要沿垂直基体方向逐层熔覆，而且为了增强涂层的隔热效果，层与层之间的粉末会不尽相同，因此同时需要多种粉末材料；梯度热障涂层的制备需要实现两种粉末之间的均匀配比以及粉末之间的快速切换，目前的单路送粉装置由于熔覆效率低、自动化程度不高、粉末浪费严重等缺陷已经不能很好的满足上述要求。如专利CN105862030A公开了一种激光熔覆送粉装置，采用了单路送粉的方式，粉末利用率低，一次只能熔覆一种粉末，且更换粉末时还要清洗螺旋送粉装置，以防止粉末间污染，从而降低了熔覆效率，并影响了熔覆质量。因此，设计一种能够适用于激光熔覆制备多层或者梯度热障涂层、增材制造等应用的送粉装置对其发展就有重大意义。
经检索，专利CN103602978A公开了一种激光熔覆同步送粉器机械式自动转换装置，虽能很好的实现激光熔覆制备梯度涂层的自动化，提高生产效率，但其转换机构复杂，对位置精度要求很高，并且凸轮凹槽的轨迹制造复杂，以及单路传送导致螺旋送粉器内部出现粉末间污染。专利CN204185564U公开了一种多仓式激光熔覆送粉器，虽可以满足不同比例的熔覆要求，一次存储多次熔覆实用的效果，但不能实现精确的定量定时控制，且粉末利用率不高、回收难。专利CN102560474A公开了一种激光熔覆多路同步送粉器，其能够实现粉末连续均匀输送，各路送粉装置既能独立送粉也能同时工作，但该装置粉末浪费严重，并且多路分开设置不利于粉末的稳定输送，以及扩展粉路需要的制造成本高。专利CN103014696A公开了一种用于激光熔覆加工的同步送粉装置，虽然其能够实现自动加粉，提高生产效率，但是该装置结构比较复杂，且粉末利用率不高，并不能保证粉末输送的均匀性。以上专利技术均未涉及到送粉过程辅助烘干、粉末分类回收再利用，具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，解决目前送粉装置的熔覆效率不高、粉末浪费严重、自动化程度低、粉末由于湿润在轴套内壁积聚导致的粉末堵塞等问题，以满足同步送粉激光熔覆在制备多层或者梯度热障涂层、增材制造等领域的需求。
本发明提供的技术方案为：
一种可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于：包括多个螺旋送粉装置、转换装置、出粉仓、粉末回收箱、计算机和PLC控制器，
所述动力转换装置包括步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、大齿轮、小齿轮Ⅱ、小齿轮Ⅰ、小齿轮Ⅲ、传动轴，
所述步进电机Ⅰ通过高架固定在底座上，所述小齿轮Ⅱ固定连接在步进电机Ⅰ的输出轴上；所述小齿轮Ⅲ固定连接在步进电机Ⅱ的输出轴上、并与大齿轮啮合，
所述大齿轮与固定在底座上的支撑架Ⅰ滚动连接，所述传动轴的一端与大齿轮固定连接，另一端与端盖Ⅰ固定连接并支撑在支撑架Ⅱ上；
所述多个螺旋送粉装置以大齿轮的分度圆圆心为中心均布，且所述螺旋送粉装置的螺纹轴为阶梯轴均穿过所述大齿轮、固定连接小齿轮Ⅰ；所述小齿轮Ⅰ能够与小齿轮Ⅱ啮合；
所述出粉仓两端分别连接端盖Ⅰ、端盖Ⅱ，且均为转动连接，所述端盖Ⅰ上具有通孔，出粉仓、端盖Ⅰ、端盖Ⅱ围成出料通道；所述端盖Ⅱ上连接有与高压氩气罐连通的氩气喷嘴；所述出料通道的出料口通过电磁阀分别与粉末回收箱和出粉喷嘴连通；
所述步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ均通过步进电机驱动器与计算机连接，所述电磁阀通过PLC控制器与计算机连接，所述计算机通过控制步进电机驱动器控制步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ的转速实现定量定时输送粉末，并通过PLC控制器实现电磁阀的调控。
优选地，所述高压氩气罐与氩气喷嘴之间的管道上设置有烘干箱和压力指示节流阀，所述烘干箱和压力指示节流阀均与PLC控制器连接，所述计算机通过PLC控制器实现烘干箱和压力指示节流阀的调控。
优选地，所述螺旋送粉装置的数量为2个、4个、6个、或者更多。
优选地，所述螺旋送粉装置主要包括螺纹轴、圆柱形轴套、储粉仓、密封仓盖，圆柱形轴套上端固定有储粉仓，储粉仓设置在圆柱形轴套的中点靠左部分、上端有螺纹连接固定的密封仓盖，圆柱形轴套左端与大齿轮通过螺纹连接固定、右端与端盖Ⅰ配合形成水平支撑；螺纹轴与圆柱形轴套配合，其左端设有密封轴承、密封圈以及端盖，并通过键槽与小齿轮Ⅰ连接，采用螺母固定压紧。
优选地，所述的密封仓盖采用透明材料制成。
优选地，出料仓与端盖Ⅰ之间设置圆柱滚子，所述圆柱滚子与外部空气接触端，装有保持架和密封圈。
优选地，所述出粉仓中出料通道形状为花瓶形；与端盖Ⅰ上的通孔对位的出粉仓出料通道入口孔下边缘有倒角。
优选地，氩气喷嘴通过密封件固定在端盖Ⅱ上，密封件的中心轴线与端盖Ⅱ的表面垂直，氩气喷嘴与密封件的中心轴线成一定角度。
优选地，所述的电磁阀为二位三通电磁阀，粉末由出粉口流至电磁阀，电磁阀左位接粉末回收箱，右位接出粉喷嘴，只有在熔覆时为右位连通，其余时间都是左位接通。
优选地，所述粉末回收箱有与螺旋送粉装置对应数量的箱位，从电磁阀出口至粉末回收箱的管路上设有一个与PLC控制器连接的直动式电磁阀组，每个直动式电磁阀控制一路通向粉末回收箱的管道，当转换不同粉路时，PLC控制器调控各个直动式电磁阀的通断，将粉末输送到对应的箱位，以分类收集粉末，防止粉末间污染。。
本发明与现有技术相比的优点：
1)本发明将多个螺旋送粉装置通过机械结构集成在一起，其结构紧凑，装置之间转换灵活，所占空间比小，便于与激光器集成；采用齿轮啮合带动螺纹轴转动，相比联轴器，对电机与螺纹轴的位置精度要求更低，便于装配。
2)本发明具有多个螺旋送粉装置，可以一次同时装载多种粉末，减少了在制备多层或者梯度热障涂层、增材制造等过程中更换粉末、以及更换粉末时清理装置内部残余粉末的时间，大大提高了熔覆效率以及送粉效率；
3)本发明通过计算机控制步进电机驱动器从而控制步进电机的转速、步进角及其启停，而且该螺旋送粉装置电机的转速与粉末的质量流量成正比关系，在选定粉末种类、粒度，确定所需的质量流量的前提下可以自动计算转速大小，并根据转速大小自动调节电机转速实现精确定量定时控制粉末输送；
4)本发明通过烘干箱将气体加热后输送到出粉仓，从而达到烘干粉末，提高粉末流动性，防止由于潮湿导致的粉末积聚；
5)本发明通过二位三通电磁阀控制粉末流向，设置粉末回收装置，对粉末进行分类回收，提高了粉末回收利用率，降低了成本；
6)本发明易于实现，操作简单，自动化程度高，经济，适用于工业化生产。
本发明能够实现根据不同熔覆需求，同时装入多种不同的粉末，并能够通过转换机构实现多个粉路之间的转换，满足应用于多层或者梯度热障涂层制备时的需求；通过计算机控制系统实现精确定量定时控制粉末的持续输送；辅助烘干装置可以用来解决在装存及输送粉末，或者送粉器在长期不使用存放过程中导致的内部受潮致使粉末受潮，进而导致的粉末积聚、堵塞、电机堵转现象，提高熔覆涂层的质量；粉末回收箱可以确保粉末的合理回收利用，提高熔覆过程的粉末利用率；通过计算机控制实现自动化，提高熔覆效率以更适合激光熔覆制备多层或者梯度热障涂层，增材制造等领域。
附图说明
图1为本发明所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置结构示意图；
图2为所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置俯视图；
图3为所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置的转换结构原理图；
图4为图1中Ⅱ处的结构剖视图；
图5为图1中Ⅲ处的出粉口结构剖视图；
图6为图1中Ⅰ处的结构剖视图；
图7为花瓶形出粉仓结构示意图。
图中：
1-圆柱形轴套，2-螺纹轴，3-密封仓盖，4-储粉仓，5-圆柱滚子，6-端盖Ⅰ，7-出粉仓，8-端盖Ⅱ，9-氩气喷嘴，10-密封件，11-烘干箱，12-压力指示节流阀，13-高压氩气罐，14-支撑架Ⅱ，15-PLC控制器，16-计算机，17-出粉喷嘴，18-电磁阀，19-粉末回收箱，20-步进电机驱动器，21-底座，22-高架，23-步进电机Ⅰ，24-小齿轮Ⅱ，25-小齿轮Ⅰ，26-支撑架Ⅰ，27-小齿轮Ⅲ，28-大齿轮，29-步进电机Ⅱ，30-传动轴，31-直动式电磁阀组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2、图3、图6所示，本发明所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，具有六路螺旋送粉装置、动力转换装置、出粉仓7、粉末回收箱19、计算机16和PLC控制器。
所述动力转换装置包括步进电机Ⅰ23、步进电机Ⅱ29、大齿轮28、小齿轮Ⅱ24、小齿轮Ⅰ25、小齿轮Ⅲ27、传动轴30，所述步进电机Ⅰ23通过高架22固定在底座21上，所述小齿轮Ⅱ24固定连接在步进电机Ⅰ23的输出轴上；所述小齿轮Ⅲ27固定连接在步进电机Ⅱ29的输出轴上、并与大齿轮28啮合，所述大齿轮28与固定在底座21上的支撑架Ⅰ26滚动连接，所述传动轴30的一端与大齿轮28固定连接，另一端与端盖Ⅰ6固定连接并支撑在支撑架Ⅱ14上。
所述螺旋送粉装置主要包括螺纹轴2、圆柱形轴套1、储粉仓4、密封仓盖3，圆柱形轴套1上端固定有储粉仓4，储粉仓4设置在圆柱形轴套1的中点靠左部分、上端有螺纹连接固定的密封仓盖3，圆柱形轴套1左端与大齿轮28通过螺纹连接固定、右端与端盖Ⅰ6配合形成水平支撑；螺纹轴2与圆柱形轴套1配合，其左端设有密封轴承、密封圈以及端盖，并通过键槽与小齿轮Ⅰ25连接，采用螺母固定压紧。所述的密封仓盖3采用透明材料制成。
如图2所示，所述多个螺旋送粉装置以大齿轮28的分度圆圆心为中心均布，且所述螺旋送粉装置的螺纹轴2为阶梯轴均穿过所述大齿轮28、固定连接小齿轮Ⅰ25；所述小齿轮Ⅰ25能够与小齿轮Ⅱ24啮合；所述出粉仓7左端与端盖Ⅰ6滚动连接、右端与端盖Ⅱ8螺纹连接所述端盖Ⅰ6上具有通孔，出粉仓7、端盖Ⅰ6、端盖Ⅱ8围成出料通道；出粉仓7与端盖Ⅰ6之间设置圆柱滚子5，所述圆柱滚子5与外部空气接触端，装有保持架和密封圈。所述出粉仓7中出料通道形状为花瓶形；与端盖Ⅰ6上的通孔对位的出粉仓7出料通道入口孔下边缘有倒角，如图4、图5、图7所示。所述端盖Ⅱ8上连接有与高压氩气罐13连通的氩气喷嘴9，所述高压氩气罐13与氩气喷嘴9之间的管道上设置有烘干箱11和压力指示节流阀12；所述出料通道的出料口通过电磁阀18分别与粉末回收箱19和出粉喷嘴17连通；所述步进电机Ⅰ23、步进电机Ⅱ29均通过步进电机驱动器20与计算机16连接，所述电磁阀18、烘干箱11、压力指示节流阀12通过PLC控制器与计算机16连接，所述计算机16通过控制步进电机驱动器20控制步进电机Ⅰ23和步进电机Ⅱ29的转速实现定量定时输送粉末，并通过PLC控制器15实现电磁阀18、烘干箱11和压力指示节流阀12的调控。
小齿轮Ⅲ27与步进电机Ⅱ29连接，连接采用键槽定位螺母压紧固定的方式，并与大齿轮28啮合传动，实现六个螺旋送粉装置之间的转换，每个螺旋送粉装置中都装有粉末，其粉末可以不同或者相同，视具体要求而定，以满足激光熔覆对多种粉末的需求；其一，当六个储粉仓4中装载不同粉末时，可用于激光熔覆制备多层或者梯度热障涂层或者多种不同涂层的制备；其二，当六个储粉仓4中装载相同的粉末的时候可以节约加粉时间，实现一次装载长时间熔覆，以提高熔覆效率，比较适用于增材制造。
小齿轮Ⅱ24与步进电机Ⅰ23连接，连接采用键槽定位螺母压紧固定的方式，并与小齿轮Ⅰ25啮合带动螺纹轴2旋转，粉末依靠自身重力作用进入到螺纹牙之间的区域，螺纹轴传动将粉末传送到出粉仓7；螺纹轴2的右端与出粉仓7的上部小孔对准，粉末自小孔流入花瓶形出粉仓7中。
氩气喷嘴9通过密封件10固定在端盖Ⅱ8上，密封件10的中心轴线与端盖Ⅱ8的表面垂直，氩气喷嘴9与密封件10的中心轴线成60-90°角度，氩气喷嘴9与烘干箱11通过铜管相连，烘干箱11、压力指示节流阀12、高压氩气罐13通过塑胶气管相连，氩气经过烘干箱11的加热流入出粉仓7中，烘干箱11与PLC控制器15连接，在送粉之前，将烘干箱的温度设置在100-200℃，压力指示节流阀12的气压在0.5-1MPa范围内，与PLC控制器15相连，通过计算机控制气体通断，氩气起到烘干粉末、充当保护气、输送粉末的作用；
气流将粉末输送至出粉口，出粉口与二位三通电磁阀18连通，电磁阀18与PLC控制器15连接，控制通断，电磁阀18左位经直动式电磁阀组31分为六路接粉末回收箱19，右位接出粉喷嘴17，只有在熔覆时为右位连通，其余时间都是左位接通。当使用不同的送粉粉路时，PLC控制器输送电信号给各个直动式电磁阀，调控其通断，以使得粉末对位分类回收，提高粉末利用率，保持熔覆焊道周围清洁。
本发明所述的送粉装置，连接电器元件的导线采用外部绝缘的铜导线，气体管道均采用塑胶管道，粉末喷嘴由纯铜制成，与一段纯铜管相连，通过夹持架固定在熔覆头侧面，通过粉末的自重和气流将粉末输送至基材表面，并与激光光斑重合。
计算机16通过程序控制步进电机驱动器20，从而精确地控制步进电机Ⅰ23和步进电机Ⅱ29的转速实现根据实际需求定量定时输送粉末，其定量关系根据实验得出：电机的转速与粉末的质量流量成正比关系，而且粉末的种类、粒度、密度不同，其比例系数也不同。据此可以通过测定不同粉末的比例系数建立一个标准的熔覆粉末比例系数数据库。在选定粉末种类、粒度，确定所需的质量流量的前提下可以自动计算转速大小，并根据转速大小自动调节电机转速实现精确定量控制粉末输送；在输送Ni60A粉末，粒度为-100～+300目，测定比例系数为0.07499g/r，要想获得质量流量为15g/min的粉末供应，计算得到电机转速为200r/min。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于：包括多个螺旋送粉装置、动力转换装置、出粉仓(7)、粉末回收箱(19)、计算机(16)和PLC控制器，所述动力转换装置包括步进电机Ⅰ(23)、步进电机Ⅱ(29)、大齿轮(28)、小齿轮Ⅱ(24)、小齿轮Ⅰ(25)、小齿轮Ⅲ(27)、传动轴(30)，所述步进电机Ⅰ(23)通过高架(22)固定在底座(21)上，所述小齿轮Ⅱ(24)固定连接在步进电机Ⅰ(23)的输出轴上；所述小齿轮Ⅲ(27)固定连接在步进电机Ⅱ(29)的输出轴上、并与大齿轮(28)啮合，所述大齿轮(28)与固定在底座(21)上的支撑架Ⅰ(26)滚动连接，所述传动轴(30)的一端与大齿轮(28)固定连接，另一端与端盖Ⅰ(6)固定连接并支撑在支撑架Ⅱ(14)上；所述多个螺旋送粉装置以大齿轮(28)的分度圆圆心为中心均布，且所述螺旋送粉装置的螺纹轴(2)为阶梯轴均穿过所述大齿轮(28)、固定连接小齿轮Ⅰ(25)；所述小齿轮Ⅰ(25)能够与小齿轮Ⅱ(24)啮合；所述出粉仓(7)左端与端盖Ⅰ(6)滚动连接、右端与端盖Ⅱ(8)螺纹连接，所述端盖Ⅰ(6)上具有通孔，出粉仓(7)、端盖Ⅰ(6)、端盖Ⅱ(8)围成出料通道；所述端盖Ⅱ(8)上连接有与高压氩气罐(13)连通的氩气喷嘴(9)；所述出料通道的出料口通过电磁阀(18)分别与粉末回收箱(19)和出粉喷嘴(17)连通；所述步进电机Ⅰ(23)、步进电机Ⅱ(29)均通过步进电机驱动器(20)与计算机(16)连接，所述电磁阀(18)通过PLC控制器与计算机(16)连接，所述计算机(16)通过控制步进电机驱动器(20)控制步进电机Ⅰ(23)和步进电机Ⅱ(29)的转速实现定量定时输送粉末，并通过PLC控制器(15)实现电磁阀(18)的调控；
所述高压氩气罐(13)与氩气喷嘴(9)之间的管道上设置有烘干箱(11)和压力指示节流阀(12)，所述烘干箱(11)和压力指示节流阀(12)均与PLC控制器(15)连接，所述计算机(16)通过PLC控制器(15)实现烘干箱(11)和压力指示节流阀(12)的调控。
2.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述螺旋送粉装置的数量为2个、4个、6个。
3.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述螺旋送粉装置主要包括螺纹轴(2)、圆柱形轴套(1)、储粉仓(4)、密封仓盖(3)，圆柱形轴套(1)上端固定有储粉仓(4)，储粉仓(4)设置在圆柱形轴套(1)的中点靠左部分、上端有螺纹连接固定的密封仓盖(3)，圆柱形轴套(1)左端与大齿轮(28)通过螺纹连接固定、右端与端盖Ⅰ(6)配合形成水平支撑；螺纹轴(2)与圆柱形轴套(1)配合，其左端设有密封轴承、密封圈以及端盖，并通过键槽与小齿轮Ⅰ(25)连接，采用螺母固定压紧。
4.根据权利要求3所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述的密封仓盖(3)采用透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，出粉仓(7)与端盖Ⅰ(6)之间设置圆柱滚子(5)，所述圆柱滚子(5)与外部空气接触端，装有保持架和密封圈。
6.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述出粉仓(7)中出料通道形状为花瓶形；与端盖Ⅰ(6)上的通孔对位的出粉仓(7)出料通道入口孔下边缘有倒角。
7.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，氩气喷嘴(9)通过密封件(10)固定在端盖Ⅱ(8)上，密封件(10)的中心轴线与端盖Ⅱ(8)的表面垂直，氩气喷嘴(9)与密封件(10)的中心轴线成一定角度。
8.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述的电磁阀(18)为二位三通电磁阀，粉末由出粉口流至电磁阀(18)，电磁阀(18)左位接粉末回收箱(19)，右位接出粉喷嘴(17)，只有在熔覆时为右位连通，其余时间都是左位接通。
9.根据权利要求1所述的可回收式多路转换辅助烘干激光熔覆送粉装置，其特征在于，所述的粉末回收箱(19)具有与螺旋送粉装置对应数量的箱位，从电磁阀(18)出口至粉末回收箱(19)的管路上设有一个与PLC控制器(15)连接的直动式电磁阀组(31)，每个直动式电磁阀控制一路通向粉末回收箱(19)的管道，当转换不同粉路时，PLC控制器(15)调控各个直动式电磁阀的通断，将粉末输送到对应的箱位，以分类收集粉末，防止粉末间污染。
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