CN107812943B - 一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩，该方法包括如下步骤：采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接；在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气将空气由保护罩内完全驱逐出去；在工作时，保护罩随激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。本发明能够省去舱室和真空机组，不仅大幅降低设备造价，减轻了设备的重量，而且彻底改变舱式设备的设计模式和结构，加工空间不受体积限制，充气时间短，轻便灵活，方便运输。

Description

一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种能够随激光熔覆头移动以使激光熔池始终处于氦气保护下的激光增材制造或再制造随形保护方法，以及应用于该方法的保护罩。

背景技术

激光增材制造或激光再制造技术利用激光将金属粉末熔化，在工件表面形成熔池，在三维成形软件和机器人的驱动下，激光熔池逐点凝固、逐层堆积成形。由于金属材料熔点较高，为避免氧化、氮化，激光熔池必须与空气隔离，处在惰性气体保护环境中。目前，激光增材制造/再制造成套设备一般都采用舱式结构，将机械运动系统、激光送粉系统等子系统封闭在舱室内，通过给舱室充氩气进行保护。

充气方式一般有两种，一种是先抽真空，再充氩气；第二种是从舱室底部充入氩气，利用氩气密度较大的特性，将空气或激光熔化粉末时产生的烟气等密度较低的气体从底部驱逐到舱室的顶部，通过顶部出口排除或抽出。以有效加工体积800mm×500mm×400mm＝0.16m³的设备为例，其舱室容积约为10米³，采用第一种方法，构建保护环境所用的时间约50分钟。这不仅要配置真空机组，还需要较厚的钢板制造外壳，以承受因抽真空造成的巨大的内外压差，因而设备笨重，体积较大，不利于快速保障运输。采用第二种方法，虽然对设备外壳的要求不高，也无需真空机组，但是，其排气速率约为0.65米³/小时，10米³空间约耗时15小时，不仅做不到快速反应，在日常生产中也难以接受。即使是加工过程中，通过隔离箱更换小型工件，也需要几分钟甚至十几分钟的建立环境的时间，而对于大型结构件，必须开舱门重新充气。总之，无论采用哪种充气方式，都会带来设备笨重、充气时间长等问题。其次，加工空间受到舱室体积的限制。以一种移动式激光增材制造/再制造装备为例，其外形尺寸为2800mm×3200mm×2900mm，有效加工空间为800mm×600mm×500mm。目前通用的运输方舱外形尺寸约为6100mm×2500mm×2500mm。相应成套设备的有效加工空间大约只有800mm×500mm×400mm。这显然不能满足大型工件，特别是细长轴类件的修复需求。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够随激光熔覆头移动以使激光熔池始终处于氦气保护下的激光增材制造或再制造随形保护方法，以及应用于该方法的保护罩。

特别地，本发明提供一种激光增材制造或再制造随形保护方法，包括如下步骤：

步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；

步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；

步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；

步骤400，在工作时，保护罩随激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，然后将检测信号分别传送给氮气分析仪和氧气分析仪，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。

在本发明的一个实施方式中，所述非圆筒型保护罩与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤400中，氮气探测头和氧气探测头的安装位置低于被加工工件上激光熔池的位置。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤100中的保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

在本发明的一个实施方式中，提供一种激光增材制造或再制造使用的保护罩，所述保护罩为内凹的一端开口的结构，通过顶部与激光熔覆头密封安装，开口端朝下且其底边位于同一水平面上；在所述保护罩的顶部设置有向所述保护罩内充入氦气的充气孔；在所述保护罩的底边附近对称安装有检测所述保护罩内氮气含量和氧气含量的氮气探测头和氧气探测头，氮气探测头和氧气检测头分别连接有相应的分析仪，分析仪反馈信号与氦气储存设备的控制阀门连接。

在本发明的一个实施方式中，所述非圆筒型保护罩与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。

在本发明的一个实施方式中，

所述保护罩为透明或不透明的阻燃材料制作；所述阻燃材料为尼龙布、钢板或铅箔。

在本发明的一个实施方式中，所述保护罩的耐热温度至少不低于150摄氏度。

在本发明的一个实施方式中，所述保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

在本发明的一个实施方式中，所述氮气控制头和所述氧气探测头的安装位置低于被加工工件上的激光熔池位置，且所述氧气探测头和所述氮气探测头距底边沿的距离不小于30mm，伸入保护罩内的长度不小于200mm。

本发明在激光熔覆头上安装一个可随其一起运动的保护罩，将激光熔池扣在保护罩内，使激光熔池处于保护罩底边所在水平面之上一定的位置，从保护罩顶部向保护罩内充氦气，利用氦气密度比空气、烟气都轻的特点，用“轻气”驱逐(排挤)“重气”，将各种杂质气体从保护罩底部排出，在保护罩侧面底边附近特定位置布置若干氮、氧探测头，测量这些位置的氮气、氧气含量，通过氮、氧分析仪反馈控制氦气的充气阀门，使氮气、氧气含量始终保持在规定值以下，使激光熔池及其周边区域始终处在氦气保护环境中。

本发明能够省去舱室和真空机组，不仅大幅降低设备造价，减轻了设备的重量，而且彻底改变舱式设备的设计模式和结构，加工空间不受被加工工件体积限制，充气时间短，轻便灵活，方便运输，特别有利于快速反应。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施方式中保护罩安装探测头的结构示意图；

图3是本发明一个实施方式中保护罩的工作状态示意图；

图4是本发明一个实施方式中保护罩针对棒状加工件时的工作状态示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式的激光增材制造或再制造随形保护方法，一般性地包括如下步骤：

步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；该保护罩的形状可以为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。激光熔覆头也可以是电焊头。保护罩的尺寸可以在Φ700×400mm左右。

步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；氦气可以对激光熔池进行保护，避免受到其它气体的影响。氦气的密度比空气小，因此，可以利用氦气由保护罩的上部逐渐向下端的开口方向将保护罩内的空气完全驱逐出去，保护罩形成一个充满氦气的保护仓。

步骤300，

在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；

充气口可以直接与带有控制开关的氦气储存设备连接，并在开始激光熔覆前为保护罩提供氦气。

步骤400，

在工作时，保护罩与激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，然后将检测信号分别传送给氮气分析仪和氧气分析仪，通过检测信号反馈控制阀门，最终使氮气、氧气低于规定值。

该步骤中的氮气探测头和氧气探测头用于检测保护罩内的氮气和氧气含量，然后将测量信息传送给相应的氮气分析仪和氧气分析仪，当相应的气体含量超过规定的标准时，氮气分析仪和氧气分析仪发出信号控制氦气储存设备的阀门，以使氦气储存设备自动向保护罩内补充氦气，使激光熔池及其周边区域始终处在一定的氦气浓度的保护环境中。

为确保激光熔池附近有足够的氦气浓度，氮气探测头和氧气探测头的安装位置需要低于被加工工件上的激光熔池位置。

本方法在激光熔覆头上安装一个可随其一起运动的保护罩，将激光熔池扣在保护罩内，使激光熔池处于保护罩底边所在水平面之上一定的位置，从保护罩顶部向保护罩内充氦气，利用氦气密度比空气、烟气都轻的特点，用“轻气”驱逐(排挤)“重气”，将各种杂质气体从保护罩底部排出，在保护罩侧面底边附近特定位置布置若干氮、氧探测头，测量这些位置的氮气、氧气含量，通过氮、氧分析仪反馈信号来控制氦气的控制阀门，使氮气、氧气含量始终保持在规定值以下，使激光熔池及其周边区域始终处在氦气保护环境中。

在前述实施方式的基础上，为方便加工细长轴类结构的工件，保护罩可以为非圆筒型，其与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边可以为柔性底边，该柔性底边可在与被加工工件接触时产生柔性变形。当保护罩与加工件接触时，其接触底边与被加工工件挤压而变形，从而在保持保护罩整体形状不变的情况下，使底边能够尽量与被加工工件的接触点形成贴合关系，保证保护罩内的氦气浓度不低于规定值。

如图2、3、4所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种应用于激光增材制造或再制造中使用的保护罩2，该保护罩2为内凹的一端开口的结构，通过顶部与激光熔覆头1密封安装，开口端朝下且其底边位于同一水平面上，保护罩2的大小以至少能够将激光熔覆头1及其激光熔池包括在内为准。该保护罩2的形状可以为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

在保护罩2的顶部设置有向保护罩内充入氦气的充气孔3，该充气孔3与提供氦气的储存设备连接。

在保护罩2的底边附近对称安装有检测保护罩2内部氮气含量和氧气含量的氮气探测头6和氧气探测头7，氮气探测头6和氧气检测头7分别连接相应的氮气分析仪和氧气分析仪，氮、氧分析仪与向充气口3充氦气的存储设备连接。与保护罩2连接的充气管路上可以安装充气阀，充气阀受氮气分析仪、氧气分析仪测量信号控制，可通过设定参数来控制阀门流量，进而控制保护罩2内氮氧含量低于规定的要求。

本实施方式中，氮气控制头6和氧气探测头7的安装位置需要低于被加工工件上的激光熔池位置，以保证氮氧含量低于规定的要求。

具体的氧气探测头7和氮气探测头6可以均布在保护罩2开口端侧边圆周的4个等分点上，氧气探测头7和氮气探测头6距底边的距离H在30mm左右，氧气探测头7和氮气探测头6插入保护罩内的长度L在200mm左右。当氧气探测头7和氮气探测头6测量的氮气含量>100ppm，或氧气含量>100ppm，氮、氧分析仪输出控制信号，开启阀门，补充氦气，使氮气含量始终≤100ppm，氧气含量始终≤100ppm。

本实施方式在激光熔覆头上安装一个可随其一起运动的保护罩2，罩顶部与激光熔覆头1密封连接，由于激光熔覆头1内的透镜组决定了激光熔池的位置，因而可以保证激光熔池始终处于保护罩2内，保护罩2随着激光熔池的凝固和堆积成形而运动，故可称作随形保护罩。工作时，保护罩2将激光熔池扣在保护罩2内，保护罩2的侧边底边低于激光熔池所在水平面，利用充气口向保护罩2内充入氦气，利用氦气密度比空气、烟气都轻的特点，用“轻气”驱逐“重气”，将各种杂质气体从保护罩2的开口端挤出，使激光熔池及其附近区域始终处在氦气气氛的保护环境中。

本发明省去了现有技术中的舱室和真空机组，不仅大幅降低设备造价，减轻设备的重量，而且彻底改变舱式设备的设计模式和结构。整个加工空间不受体积限制，充气时间短，轻便灵活，方便运输。

在本发明的一个实施方式中，该保护罩2可以采用透明或不透明的阻燃材料制作。如阻燃材料可以为阻燃尼龙布类的柔性材料，也可以为钢板或铝箔一类刚性材料。阻燃材料的耐热温度至少不低于150摄氏度。保护罩2的形状可以为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

在本发明的一个实施方式中，为了使长度超过保护罩2宽度的加工工件的激光熔池4位置能够位于保护罩2内，可以将保护罩2的开口端的侧边设置成柔性侧边5，当保护罩2与工件接触时，可以利用柔性侧边5的柔性与被加工工件贴合，使整个保护罩2可以下降至将激光熔池4包含在内的位置。此外，采用柔性侧边5还可以使保护罩2的侧边与工件紧密贴合，避免周围的氮气、氧气等气体进入保护罩。

以下以具体实施例来说明保护罩的结构和作用。

实施例1：

保护罩2的形状为圆筒形，外形为Φ700×400mm，侧面和顶面用厚度为0.2mm的不锈钢薄板制作，罩顶留有接口，可以与通用的激光熔覆头1连接；

通过罩顶附近的充气管向罩内充氦气，由于氦气比空气密度低，罩内的氦气逐渐驱逐空气，将空气从保护罩2底部挤出，通过与保护罩2内的探头测量氧气、氮气含量，使氧含量≤100ppm，氮含量≤100ppm；

激光增材制造的工件将在一块200mm×200mm×20mm的钢板上堆积成形，钢板被水平地固定在可-90°～+90°侧倾，360°旋转的变位机上，变位机工作平台体积小于Φ400×150mm。将钢板和变位机扣在保护罩2内，使保护罩2底边低于钢板上表面30mm；

打开送粉器、激光器，在钢板上形成激光熔池，变位机、机器人控制的激光熔覆头1的联合运动使送入激光熔池的粉末不断熔化、凝固、堆积成形，激光熔池始终处于保护罩2内，罩内氦气隔绝了激光熔池与氧气、氮气的接触，使激光熔池得到了保护。

实施例2：

保护罩2的形状为钟罩形，底边为300mm×300mm正方形，高200mm，罩面用阻燃布制作，罩顶留有接口，可以与通用的激光熔覆头连接；

通过罩顶附近的充气管向罩内充氦气，由于氦气比空气密度低，罩内的氦气逐渐驱逐空气，将空气从保护罩2底部挤出，通过与保护罩2内的探头测量氧气、氮气含量，使氧含量≤100ppm，氮含量≤100ppm；

需要进行激光再制造的工件是一根Φ400×2000mm的轴，该轴中心线呈水平，两端被固定在变位机和可360°旋转的支撑座上，通过激光熔覆头1施加一定压力将保护罩2紧扣在轴的待加工侧面，使保护罩2的两个侧面底边附近发生变形，通过罩面张力使侧面底边紧贴轴的圆柱面，保护罩2的四个角构成的平面低于轴侧面的最高点，通常这个最高点就是激光熔池4所在位置。

打开送粉器、激光器，在轴侧面最高点处形成激光熔池4，轴不断地旋转，机器人控制的激光熔覆头沿轴的中心线方向运动，送入激光熔池4的粉末不断凝固，在轴的侧面成形激光熔覆层，激光熔池4始终处于保护罩2内，罩内氦气隔绝了激光熔池4与氧气、氮气的接触，使激光熔池4得到了保护。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；

步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；

步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；

步骤400，在工作时，保护罩随激光熔覆头一起运动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。

2.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，

所述保护罩为非圆筒型，其与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。

3.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，

所述步骤400中，氮气探测头和氧气探测头的安装位置低于被加工工件上的激光熔池位置。

4.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，

所述步骤100中的保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

5.一种激光增材制造或再制造使用的保护罩，其特征在于，

所述保护罩为内凹的一端开口的结构，顶部与激光熔覆头密封安装，开口端朝下且其底边位于同一水平面上；在所述保护罩的顶部设置有向所述保护罩内充入氦气的充气孔；在所述保护罩的底边附近对称安装有检测所述保护罩内氮气含量和氧气含量的氮气探测头和氧气探测头，氮气探测头和氧气检测头分别连接有相应的分析仪，分析仪反馈信号与氦气储存设备的控制阀门连接。

6.根据权利要求5所述的保护罩，其特征在于，

所述保护罩为非圆筒型，且与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。

7.根据权利要求6所述的保护罩，其特征在于，

所述保护罩为透明或不透明的阻燃材料制作；所述阻燃材料为尼龙布、钢板或铅箔。

8.根据权利要求7所述的保护罩，其特征在于，

所述保护罩的耐热温度至少不低于150摄氏度。

9.根据权利要求8所述的保护罩，其特征在于，

所述保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。

10.根据权利要求5所述的保护罩，其特征在于，

所述氮气控制头和所述氧气探测头的安装位置低于被加工工件上的激光熔池位置，且所述氧气探测头和所述氮气探测头距底边沿的距离不小于30mm，伸入保护罩内的长度不小于200mm。