CN107502849A - 一种用于激光喷涂的同步送丝方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光喷涂的同步送丝装置，主要由丝盘、送丝驱动装置、送丝控制装置、铜管、送丝嘴、连接元件和气路系统组成。送丝装置操作简单、调节时间短、使用方便；喷涂过程中，可以保证送丝过程中金属丝与激光光斑聚焦于一点，喷涂效果好，材料利用率高。

Description

一种用于激光喷涂的同步送丝方法与装置

技术领域

本发明涉及一种用于激光喷涂的同步送丝装置和送丝方法，特别是一种涉及集控制、驱动、同步送丝为一体的新型激光加工辅助设备。

背景技术

激光喷涂是一种随着大功率激光器发展而兴起的一种新型材料表面改性再制造技术，通过在基材表面添加合金材料，将高能密度激光束辐射至涂层材料，瞬间加热至熔融状态，再由喷出的高压气体使熔融部分粒子化，加速喷射到基材表面形成涂层，从而提高其表面硬度、耐磨性、耐蚀性及抗氧化等特性，可大幅度提高基材的性能和寿命。激光喷涂技术可喷涂大量材料，所获得的涂层与原始喷涂材料相同，涂层气孔率低，且对环境几乎没有负面作用，可节省贵金属成本资源，与其他喷涂技术相比有明显的优点。

激光喷涂根据喷涂材料供给方式的不同，可分为预置法和同步法。同步法是指采用专门的输送装置将喷涂材料直接送入激光作用区，在激光的作用下使材料熔化由高压气体喷射形成涂层。同步法工艺过程简单，自动化程度高，可控性好，是激光喷涂技术优先选用的方法。

激光加工对基材表面进行激光喷涂的同时，要加入某种金属粉末或金属丝。在同步送粉工艺中，首先遇到的问题就是送粉难的问题，送粉过程中粉末的不均匀性、粉末输送过程的不畅通、粉末易氧化、储存容易受潮等一系列问题都有待解决。实际上，金属粉末熔化在基体表面的利用率只有20-30％，利用率极低。当喷涂材料是金属丝时，喷涂形成的涂层厚度均匀，表面质量好，材料利用率几乎为100％，且金属材料呈丝状时，送丝过程易于控制，送丝精度高，有很大的发展空间。

送丝装置性能的好坏直接影响到喷涂层的质量，所以开发高性能的送丝装置对激光喷涂加工显得尤为重要。喷涂中必须解决的一个关键的问题是如何实现在激光头和金属丝的同步移动过程中，保证金属丝和激光光斑聚焦于一点。另外，加工过程中，送丝装置中金属丝的高度、角度、直线度、送丝速度和伸出长度等对加工质量有重要影响。送丝装置决定了输送率和输送速度，是激光喷涂技术中的核心元件之一。

目前送丝装置所处的水平大多是操作人员手动送丝，不仅加大了操作人员的劳动强度，而且运动过程中送丝参数的不稳定，根本无法保证送丝过程中金属和光斑聚焦于一点，直接影响喷涂的的效率和质量。对于送丝装置激光光斑与金属丝聚焦于一点的问题，送丝参数的确定，目前还没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于针对目前现有技术的不足而提供一种激光喷涂同时送丝装置。这种送丝装置通过精确控制送丝装置的送丝参数，确保喷涂过程中金属丝和光斑聚焦于一点，确保喷涂质量和效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：主要由丝盘、送丝驱动装置、送丝控制装置、铜管、送丝嘴、连接元件和气路系统组成的送丝系统。

丝盘采用内饶式，丝盘安装在送丝装置盘轴上。

本送丝系统的送丝驱动装置主要由步进电机、送丝滚轮、加压滚轮、加压滚轮支架、可调预紧力压杆组成。加压滚轮支架位于送丝滚轮上方；加压滚轮固定在加压滚轮架下方，位置与送丝滚轮上下相对，中间留有间隙，用于引丝；可调预紧力压杆位于加压滚轮架上方。将金属丝从丝盘手动引出穿过送丝滚轮与加压滚轮的间隙，根据金属丝直径，可通过加压滚轮上方的可调预紧力压杆调节压紧度。

本送丝系统的送丝控制装置主要由可选择连续送丝或脉动送丝的开关及精确控制送丝速度、延迟时间、回抽时间、脉动实际送丝时间和脉动停顿时间五个旋转按钮组成。送丝速度按钮旋转圈数越大，送丝速度越快。送丝速度控制的范围在0.2-3m/min；延迟送丝时间的调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.5s，可调范围5s。送丝回抽时间的调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.2s，可调范围2s。当开关处于脉动送丝状态时，工作周期内可选择实际送丝时间与实际停顿时间，调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.5s，可调范围5s。

铜管位于送丝滚轮与送丝嘴之间，对金属丝直线度有重要影响，能保护金属丝并能将金属丝送入送丝嘴内，金属丝可以通过开关从铜管进入送丝嘴前端导出至喷涂区域。

送丝嘴位于工件的上方，调节送丝嘴与工件水平面的角度，高度能控制送丝的角度和高度，保证喷涂的质量。

本送丝系统的连接元件主要包括金属连杆和万向节。送丝嘴通过金属连杆与万向节和激光器连接，可以实现送丝嘴和激光发射器同步进行，通过调整万向节精确控制送丝嘴的送丝方向。

气路系统主要采用氩气保护，气体喷嘴通过金属连杆与万向节与激光器连接，可以实现喷涂过程中气体喷嘴、激光器、与送丝嘴的同步运行。

本发明与现有技术相比：送丝装置操作简单、调节时间短、使用方便；喷涂过程中，可以保证送丝过程中金属丝与激光光斑聚焦于一点，喷涂效果好，材料利用率高。

附图说明：

图1激光喷涂系统示意图。

1.步进电机；2.盘轴；3.丝盘；4.加压滚轮；5.加压滚轮支架；

6.可调预紧力压杆；7.金属丝；8.送丝滚轮；9.铜管；10.氩气；11.激光系统；

12.激光头；13.F7卡斯格林光学系统；14.送丝嘴；15.工件；16.涂层；

17.工作台；18.喷涂粒子流；19.金属连杆；20.万向节；21.气体喷嘴；

图2激光头、送丝嘴与气体喷嘴连接位置示意图。

图3激光喷涂铝涂层XRD物相分析。

图4不同喷涂方式铝涂层的表面形貌。

(a)激光喷涂铝涂层表面形貌；(b)电弧喷涂铝涂层表面形貌。

具体实施方式

如图1所示。激光喷涂的送丝装置工作过程：

(1)填丝准备；将丝盘3装在送丝装置盘轴2上；固定激光头12和丝盘3的位置，激光头12固定在工作台17上方，丝盘3位于激光系统11的两侧；将金属丝7从丝盘3手动引出穿过送丝滚轮8与加压滚轮4之间的间隙，通过加压滚轮4上方的可调预紧力压杆6调节压紧度，保证金属丝7的压紧。步进电机1通电后带动送丝滚轮3转动，金属丝7导出并手动插入铜管9。

(2)定位与装夹；将金属丝7从铜管9引出穿过送丝嘴14后，气体喷嘴21通过金属连杆19与万向节20安装在激光头12上，调整固定后保证金属丝7与激光光斑交于同一点，送丝位置保证要前送丝(金属丝在熔池前沿)或中央送丝(金属丝在熔池中央)。气体保护系统安装在激光头12上，通过金属连杆19与万向节20固定气体喷嘴21位置，实现送丝嘴14、激光头12和气体喷嘴21的固定，保证喷涂过程的同步运动。

(3)确定送丝参数；送丝角度和送丝高度对金属丝熔化后能否稳定进入熔池，能否保证激光喷涂质量的关键因素。送丝角度与水平方向夹角45⁰，送丝高度为2mm，金属丝伸出长度为一般为焊丝直径的10倍，可以保证熔滴过渡稳定，熔池成型好；

(4)当调整完所有部件时即可开始激光喷涂。加工时，激光束通过F7卡斯格林光学系统13聚焦成一个4mm的光斑，同时金属丝7通过送丝滚轮8、铜管9、送松嘴14送至激光聚焦处，瞬间加热至熔融状态，气体保护系统将气帘保护室中的氩气保护气10通过气体喷嘴21吹出，在氩气保护下，加速喷射到工件15表面形成涂层16。

(5)采用本送丝装置输送铝丝，采用上面所述加工参数，采用连续送丝工作状态，送丝速度为1.8m/min，脉动送丝时间为5s，脉动停顿时间为2s，延迟时间为3s，回抽丝时间为2s，进行激光喷涂，喷涂后的铝涂层XRD分析如图3所示，由铝相组成。喷涂后的铝涂层的表面形貌如图4(a)所示，表面致密均匀，无裂纹，涂层成型较好。采用电弧喷涂铝涂层表面形貌如图4(b)所示，涂层表面存在孔、裂纹及点坑，涂层松散、分层，成型效果较差。

Claims (3)

1.一种用于激光喷涂的同步送丝装置，同步送丝装置对称分布于工作台两侧，其特征在于：其主要由丝盘、送丝驱动装置、送丝控制装置、铜管、送丝嘴、连接元件和气路系统组成；

丝盘采用内饶式，丝盘安装在送丝装置盘轴上；

送丝驱动装置主要由步进电机、送丝滚轮、加压滚轮、加压滚轮支架、可调预紧力压杆组成；加压滚轮支架位于送丝滚轮上方；加压滚轮固定在加压滚轮架下方，位置与送丝滚轮上下相对，中间留有间隙，用于引丝；可调预紧力压杆位于加压滚轮架上方；将金属丝从丝盘手动引出穿过送丝滚轮与加压滚轮的间隙，根据金属丝直径，可通过加压滚轮上方的可调预紧力压杆调节压紧度；

送丝控制装置主要由可选择连续送丝或脉动送丝的开关及精确控制送丝速度、延迟时间、回抽时间、脉动实际送丝时间和脉动停顿时间五个旋转按钮组成；

铜管位于送丝滚轮与送丝嘴之间，对金属丝直线度有重要影响，能保护金属丝并能将金属丝送入送丝嘴内，金属丝可以通过开关从铜管进入送丝嘴前端导出至喷涂区域；

送丝嘴位于工件的上方，调节送丝嘴与工件水平面的角度，高度能控制送丝的角度和高度，保证喷涂的质量；

连接元件主要包括金属连杆和万向节；送丝嘴通过金属连杆与万向节和激光器连接，可以实现送丝嘴和激光发射器同步进行，通过调整万向节精确控制送丝嘴的送丝方向；

气路系统主要采用氩气保护，气体喷嘴通过金属连杆与万向节与激光器连接，可以实现喷涂过程中气体喷嘴、激光器、与送丝嘴的同步运行。

2.如权利要求1所述的一种用于激光喷涂的同步送丝装置，其特征在于：送丝速度按钮旋转圈数越大，送丝速度越快，送丝速度控制的范围在0.2-3m/min；延迟送丝时间的调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.5s，可调范围5s；送丝回抽时间的调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.2s，可调范围2s；当开关处于脉动送丝状态时，工作周期内可选择实际送丝时间与实际停顿时间，调节按钮刻度为1-10，刻度间隔时间为0.5s，可调范围5s。

3.使用如权利要求1所述装置送丝进行激光喷涂的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)填丝准备；将丝盘装在送丝装置盘轴上；固定激光头和丝盘的位置，激光头固定在工作台上方，丝盘位于激光系统的两侧；将金属丝从丝盘手动引出穿过送丝滚轮与加压滚轮之间的间隙，通过加压滚轮上方的可调预紧力压杆调节压紧度，保证金属丝的压紧；步进电机通电后带动送丝滚转动，金属丝导出并手动插入铜管；

(2)定位与装夹；将金属丝从铜管引出穿过送丝嘴后，送丝嘴通过金属连杆与万向节安装在激光器上，调整固定后保证金属丝与激光光斑交于同一点，送丝位置保证要前送丝(金属丝在熔池前沿)或中央送丝(金属丝在熔池中央)；通过金属连杆与万向节固定气体喷嘴位置，实现送丝嘴、激光头和气体喷嘴的固定，保证喷涂过程的同步运动；

(3)确定送丝参数；送丝角度和送丝高度对金属丝熔化后能否稳定进入熔池，能否保证激光喷涂质量的关键因素；送丝角度与水平方向夹角45⁰，送丝高度为2mm，金属丝伸出长度为一般为焊丝直径的10倍，可以保证熔滴过渡稳定，熔池成型好；

(4)当调整完所有部件时即可开始激光喷涂；加工时，激光束通过F7卡斯格林光学系统聚焦成光斑，同时金属丝通过送丝滚轮、铜管、送松嘴送至激光聚焦处，瞬间加热至熔融状态，气体保护系统将气帘保护室中的氩气保护气通过气体喷嘴吹出，在氩气保护下，加速喷射到工件表面形成涂层。