CN109252160B - 金属圆棒表面激光熔覆方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光熔覆领域，公开一种金属圆棒表面激光熔覆方法和装置，准备一台激光器，激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒端部的外周表面处，使金属圆棒在作匀速旋转运动的同时还可沿轴向匀速移动，使得激光熔覆喷头相对于金属圆棒的运动轨迹为沿金属圆棒表面的螺旋线。本金属圆棒表面激光熔覆方法颠覆传统的以激光熔覆喷头移动进行熔覆的理念，转而采用激光熔覆喷头静止、而金属圆棒同时作回旋和直线移动的方式来进行熔覆，如此使得金属圆棒表面的最终熔覆层为螺旋线，确保熔覆连接部位的性能稳定。

Description

金属圆棒表面激光熔覆方法和装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体地，涉及一种金属圆棒表面激光熔覆方法和装置。

背景技术

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既能满足对材料表面特定性能的要求，又可节约大量的贵重元素。

在传统的激光熔覆工艺中，通常采用小功率激光器进行熔覆，其功率一般为三千到五千瓦，在熔覆过程中是激光熔覆喷头沿被熔覆件（圆柱形）轴向移动、而被熔覆件只进行旋转，但激光熔覆喷头在移动过程中可能产生大幅振动，导致送粉不均等不良问题出现，当振动频率大时还需加装减震器，此外激光熔覆喷头喷出的粉末量较少，激光熔覆喷头在被熔覆件表面的走线呈“圆珠笔划线”般细小，如此一来，每次熔覆范围小、时间长，熔覆效率低下，且熔覆的连接部位性能较差，无法真正满足被熔覆件的使用要求。

此外，现有技术中的激光熔覆工艺针对的圆柱形件主要是直径较大的圆柱件，暂时还没有专门针对具有细长特征的金属圆棒进行熔覆的熔覆方法和装置，大直径圆柱件在熔覆时，熔覆粉末在圆柱件表面停留的时间较长，易于被熔覆，而金属圆棒则受制于其直径很小的形状特征，如照搬针对圆柱件的激光熔覆工艺，熔覆粉末与金属圆棒表面接触的时间将很短，难以在短时间内被完全熔覆至金属圆棒表面，如此熔覆得到的金属圆棒表面将有较大面积处于未熔覆状态，且在激光熔覆金属圆棒的过程中还往往会造成许多贵重粉末的浪费。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可有效提高熔覆效率的金属圆棒表面激光熔覆方法。

本发明同时还提供一种结构简单、熔覆效率高、产品适应性强、可大量节约熔覆粉末的金属圆棒表面激光熔覆装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种金属圆棒表面激光熔覆方法，具体为：准备一台激光器，激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒端部的外周表面处，使金属圆棒在作匀速旋转运动的同时还可沿轴向匀速移动，使得激光熔覆喷头相对于金属圆棒的运动轨迹为沿金属圆棒表面的螺旋线。

进一步地，激光熔覆喷头的喷嘴呈扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒轴向平行。

更进一步地，激光器的功率为万瓦级。

一种金属圆棒表面激光熔覆装置，包括激光器和可带动金属圆棒旋转的旋转电机，旋转电机与金属圆棒第一端部通过连接装置相接，金属圆棒第二端部下方设有与金属圆棒外周表面适配的支撑台用于支撑金属圆棒呈水平布置；激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒任一端部的外周表面处；还包括设于金属圆棒下方且与金属圆棒轴线平行的直线滑移机构，支撑台和旋转电机均设于直线滑移机构上，直线滑移机构可带动金属圆棒沿轴向移动。

进一步地，激光熔覆喷头的喷嘴呈扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒轴向平行。

更进一步地，激光器的功率为万瓦级。

进一步地，直线滑移机构包括一根导轨和可沿导轨同步移动的第一滑块和第二滑块，支撑台设于第二滑块上，旋转电机通过安装座安装至第一滑块上。

更进一步地，支撑台与第二滑块可拆卸连接。

进一步地，激光熔覆喷头设于金属圆棒的轴侧，激光熔覆喷头的喷嘴处还设有与金属圆棒外周表面呈间隙贴合的耐高温挡板。

更进一步地，耐高温挡板整体呈倾斜设置，耐高温挡板远离金属圆棒的端部高于其与金属圆棒外周呈间隙贴合的端部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本金属圆棒表面激光熔覆方法颠覆传统的以激光熔覆喷头移动进行熔覆的理念，转而采用激光熔覆喷头静止、而金属圆棒同时作回旋和直线移动的方式来进行熔覆，如此使得金属圆棒表面的最终熔覆层为螺旋线，确保熔覆连接部位的性能稳定；

2）本金属圆棒表面激光熔覆装置结构简单，仅需设置简单的直线滑移机构（如常见的导轨滑块配合机构）和旋转电机，即可实现金属圆棒既作水平移动又作旋转移动，而激光熔覆喷头始终保持在固定位置不动，一来可避免激光熔覆喷头发生振动问题，二来可确保喷嘴送粉均匀，且最终在金属圆棒表面形成的熔覆层为螺旋线，每圈熔覆层均具有一定角度且连接紧密，确保金属圆棒的最终质量；

3）本装置配备万瓦级的激光器，其激光熔覆喷头喷嘴呈扁平矩形开口结构，粉末被送至喷嘴后，激光熔覆喷头将如笔刷一般将粉末熔覆至金属圆棒表面，同时因激光熔覆区面积较大、温度梯度小，因此熔覆效率高，熔覆时间短，且热影响区温度分布更加均匀，可以减少气孔的产生；

4）本装置专门针对具有细长特征的金属圆棒研制，通过耐高温挡板与激光熔覆喷头相配合，即时将喷嘴喷出的多余粉末收集并用于后续熔覆过程，使熔覆粉末在金属圆棒表面得以较长时间停留，确保金属圆棒上的熔覆层覆盖全面且饱满，同时这一设置还可使贵重的熔覆粉末得以重复利用，显著降低熔覆成本。

附图说明

图1为实施例2所述的金属圆棒表面激光熔覆装置的结构示意图；

图2为实施例2所述的金属圆棒熔覆过程的简要说明示意图；

图3为实施例2所述的金属圆棒熔覆后的表面熔覆图示。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

一种金属圆棒表面激光熔覆方法，具体为：准备一台激光器，激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒端部的外周表面处，激光熔覆喷头位置固定，通过设置相应装置使金属圆棒既可作匀速旋转运动又可同时沿轴向匀速移动，使得激光熔覆喷头相对于金属圆棒的运动轨迹为沿金属圆棒表面的螺旋线，即随着金属圆棒边旋转边前进，从一个视角看过去，金属圆棒表面将形成多个紧密相接且带有一定角度的熔覆圈。

为进一步提高熔覆效率，本方法中激光熔覆喷头的喷嘴呈扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒轴向平行，此外，与该矩形开口结构的喷嘴结构相适应地，宜选用功率在万瓦级以上的激光器，以使得送粉和熔覆过程顺利高效。

本方法颠覆了传统的以激光熔覆喷头移动进行熔覆的理念，转而采用激光熔覆喷头静止、而金属圆棒同时作回旋和直线移动的方式来进行熔覆，如此使得金属圆棒表面的最终熔覆层为螺旋线，确保熔覆连接部位的性能稳定。

实施例2

如图1所示，提供一种金属圆棒表面激光熔覆装置，其包括激光器（仅示出了激光熔覆喷头1）和可带动金属圆棒2作匀速旋转的旋转电机3，旋转电机3与金属圆棒2第一端部通过连接装置4相接，金属圆棒2第二端部下方设有与金属圆棒外周表面适配的支撑台5用于支撑金属圆棒2呈水平布置；激光器的激光熔覆喷头1位于靠近金属圆棒2任一端部的外周表面处；还包括设于金属圆棒2下方且与金属圆棒轴线平行的直线滑移机构6，支撑台5和旋转电机3均设于直线滑移机构6上，直线滑移机构6可带动金属圆棒2沿轴向作匀速移动。事实上，激光熔覆喷头1位置可以先固定，然后使金属圆棒2在直线滑移机构6带动下移动至其一端部靠近激光熔覆喷头1作为初始熔覆位置即可。

具体地，连接装置4可为现有常见的机床上的三爪卡盘，金属圆棒第一端部可牢牢装夹在三爪卡盘内，三爪卡盘与旋转电机的电机轴连接并在电机轴的带动下发生旋转，三爪卡盘与电机轴的连接方式与常见机床上的三爪卡盘被带动作旋转运动的连接方式相同。

当然，连接装置也可为其它形式，只要是能使金属圆棒在电机轴的带动下发生旋转的连接结构均可，此外，为避免金属圆棒在旋转过程中发生松动或甩动，也可在金属圆棒第二端部设置顶尖结构，金属圆棒第二端部端面设置相应的顶尖孔与顶尖结构配合，顶尖结构也设置在直线滑移机构上与圆棒同步作轴向移动（如设置了顶尖结构则可将支撑台取消）。

本激光熔覆装置选用功率为万瓦级以上的激光器进行熔覆，同时适应性地将激光熔覆喷头1的喷嘴11设置为扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒2轴向平行，熔覆过程中，激光熔覆喷头1将如笔刷一般将粉末熔覆至金属圆棒2表面，激光熔覆区面积较大、温度梯度小，可确保熔覆效率高，熔覆时间短，且热影响区温度分布将更加均匀，可以减少气孔的产生，整体来说，相对于现有技术中采用小功率激光器进行熔覆而言，本实施例的激光熔覆喷头送粉和熔覆过程将顺利高效进行。

具体来说，直线滑移机构6包括一根导轨61和可沿导轨同步移动的第一滑块62和第二滑块63，支撑台5设于第二滑块63上，旋转电机3通过安装座7安装至第一滑块62上，第一滑块62和第二滑块63的移动由电机64控制（图中电机64的设置位置仅是示意，并不代表实际设置位置），直线滑移机构的这种简单结构设置可在低成本的背景下实现金属圆棒的轴向移动过程顺利进行。

为适应不同直径的金属圆棒的激光熔覆，宜将支撑台5设为与第二滑块63可拆卸连接，一般地，支撑台上具有螺纹通孔，第二滑块上设有螺纹盲孔，支撑台和第二滑块通过螺钉即可稳固连接。当需更换支撑台时，只需将螺钉旋出，换上不同的支撑台后重新用螺钉拧紧即可，当然，无论采用哪种支撑台，均需保证金属圆棒呈水平布置。

激光熔覆喷头1一般位于金属圆棒2的轴侧，且为金属圆棒旋转时其表面上任意一点为由下至上旋转的轴侧，如此可使激光熔覆喷头喷出的粉末最大限度地被利用熔覆。

然而因金属圆棒特殊的形状特征，在熔覆过程中，激光熔覆喷头1喷出的贵重粉末仍可能因熔覆不及时而产生较大浪费，本实施例创造性地在激光熔覆喷头的喷嘴11处设置一位置固定的耐高温挡板8，耐高温挡板8与金属圆棒2外周表面呈间隙贴合，本实施例的耐高温挡板8整体呈倾斜设置，耐高温挡板远离金属圆棒的端部高于其与金属圆棒外周呈间隙贴合的端部，其可在熔覆时收集激光熔覆喷头喷出的多余粉末并实现即时重复利用。

耐高温挡板8与金属圆棒2表面的间隙很小，小到熔覆的粉末几乎不会从该间隙处逃逸。

具体地，熔覆过程中，多余的粉末将集结至耐高温挡板8的倾斜底部，激光熔覆喷头1发射的激光可迅速将这些集结的粉末重复利用熔覆至金属圆棒2表面，从而显著降低熔覆成本。

耐高温挡板可采用耐高温复合材料制作，也可采用耐高温合金材料（如镍基或钴基合金）制作，本实施例的耐高温挡板材料采用性能优异的C/C复合材料，其工作温度可达1500～1700 ℃。

本激光熔覆装置的具体熔覆过程如图2所示，随着金属圆棒2边旋转边前进，从定义的原点开始熔覆直至金属圆棒旋转一周，形成的第一条熔覆圈91将带有一定角度，而第二条熔覆圈的起点刚好是第一条熔覆圈的终点，同时熔覆一周的金属圆棒向前移动的长度等于各熔覆圈的宽度。

图3示出了金属圆棒熔覆后的表面熔覆图示（从一个特定的视角看去），第二条熔覆圈92的熔覆区域刚好与第一条熔覆圈91的熔覆区域紧密连接，依次类推，直至熔覆完整根金属圆棒。图中通过不同颜色标记对相邻熔覆圈进行了区分，事实上各条熔覆圈实质是相同的，该颜色标记不代表任何意义。

在整根金属圆棒熔覆完成后，将两端未进行熔覆的端部采用相应装置截去即可得到表面为完全熔覆状态的金属圆棒。

本激光熔覆装置专门针对金属圆棒进行熔覆，克服了现有的激光熔覆装置应用于金属圆棒熔覆时效果差的缺陷，耐高温挡板可为熔覆粉末与金属圆棒表面的充分接触提供时间，确保最终熔覆得到的金属圆棒整体性能优异。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于：耐高温挡板呈水平设置，其同样可将多余粉末收集并实现即时重复利用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属圆棒表面激光熔覆方法，其特征在于，准备一台激光器，激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒端部的外周表面处，使金属圆棒在作匀速旋转运动的同时还可沿轴向匀速移动，使得激光熔覆喷头相对于金属圆棒的运动轨迹为沿金属圆棒表面的螺旋线；

激光熔覆喷头的喷嘴呈扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒轴向平行。

2.根据权利要求1所述的金属圆棒表面激光熔覆方法，其特征在于，激光器的功率为万瓦级。

3.一种金属圆棒表面激光熔覆装置，其特征在于，包括激光器和可带动金属圆棒旋转的旋转电机，旋转电机与金属圆棒第一端部通过连接装置相接，金属圆棒第二端部下方设有与金属圆棒外周表面适配的支撑台用于支撑金属圆棒呈水平布置；激光器的激光熔覆喷头位于靠近金属圆棒任一端部的外周表面处；还包括设于金属圆棒下方且与金属圆棒轴线平行的直线滑移机构，支撑台和旋转电机均设于直线滑移机构上，直线滑移机构可带动金属圆棒沿轴向移动；

激光熔覆喷头的喷嘴呈扁平矩形开口结构，矩形开口结构的长边与金属圆棒轴向平行；

激光熔覆喷头位于金属圆棒的轴侧，且为金属圆棒旋转时其表面上任意一点为由下至上旋转的轴侧，激光熔覆喷头的喷嘴处还设有与金属圆棒外周表面呈间隙贴合的耐高温挡板。

4.根据权利要求3所述的金属圆棒表面激光熔覆装置，其特征在于，激光器的功率为万瓦级。

5.根据权利要求3所述的金属圆棒表面激光熔覆装置，其特征在于，直线滑移机构包括一根导轨和可沿导轨同步移动的第一滑块和第二滑块，支撑台设于第二滑块上，旋转电机通过安装座安装至第一滑块上。

6.根据权利要求5所述的金属圆棒表面激光熔覆装置，其特征在于，支撑台与第二滑块可拆卸连接。

7.根据权利要求3所述的金属圆棒表面激光熔覆装置，其特征在于，耐高温挡板整体呈倾斜设置，耐高温挡板远离金属圆棒的端部高于其与金属圆棒外周呈间隙贴合的端部。

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