CN109306486A - 一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置 - Google Patents

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刘双
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张达军
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Abstract

本发明所述一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置，六轴机械手臂总成通过内六角螺栓联结在横梁上，激光器夹紧装置把激光器总成固定在横梁上，激光控制器和激光器总成通过光纤连接。激光器发射端与夹紧装置连接，出粉装置通过软管和合金粉末出口连接，合金粉末出口通过支架固定在支座上，支座焊接在第二竖梁上。惰性气体装置通过橡胶软管和惰性气体喷射口连接，惰性气体喷射口通过支架用内六角螺栓固定在支座上，支座焊接在第一竖梁上。本装置根据需求精度跟换多种型号出粉头，且功率可调，不易堵塞；根据不同产品需求，设计不同软件程序，通过调功率和更换材料及出粉头，实现激光熔覆表面强化和再制造有机结合在一起，提高了生产效率。

Description

一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置
技术领域
本发明涉及石油装备技术领域，特别涉及一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置。
背景技术
在石油行业中的高附加值的金属件的修复主要采用热喷涂、电刷镀、电弧焊和冷堆焊等技术。这些传统的修复方法虽然实施起来技术成熟、方便快捷，可以恢复原件几何尺寸和提高耐磨性，但修复后存在镀层薄、涂层与原件表面的结合强度不高，还容易由于局部应力集中而产生涂层裂纹或涂层剥落，在一定程度上降低了强化和修复效果；而且传统的修复工艺还存在原件受热易变形以及冷修复次数受限及易造成污染等缺点。而石油行业中的高附加值的金属件作为大型贵重零部件难以采用上述方法保证其修复质量。
目前市面的激光熔覆设备都是采用单个熔覆头，考虑到最后产品的精度，一般熔覆头的宽度就比较细，这样工作时间就比较长且出粉装置易堵塞；无法实现表面强化和再制造有机结合在一起，这样浪费了工作时间，降低了生产效率；再制造过程受机械手臂及机台大小及装置空间限制，实用范围受限；送粉装置上下料基本上无法实现完全自动化，要么需要操作人员辅助，要么完全需要人工进行上下料操作，降低了工作效率。
发明内容
本发明的目的是解决：1.激光熔覆恢复原件几何尺寸和强化表面耐磨性。2.激光熔覆对原件表面残损部分进行再制造；进而提供一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置。
为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：
一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置，包括激光熔覆装置底板(1)、XY工作台(2)、竖梁(3)激光器总成(4)、六轴机械手臂总成(5)横梁(6)、激光器夹紧装置(7)、激光头发射端(8)、惰性气体喷射口(9)、合金粉末出口(10)、第一固定支架(11)、第二固定支架(12)、第一支座(13)、第二支座(14)、工件(15)、工件夹紧装置(16)、出粉装置(17)、激光控制器(18)、惰性气体装置(19)；
第一竖梁(3)、所述XY-工作台(2)和第二竖梁(3)分别通过电焊依次焊接在所述激光熔覆底板(1)上，所述工件(15)通过所述工件夹紧装置(16)固定在所述XY-工作台(2)上；所述横梁(6)通过电焊与两个竖梁(3)焊接，所述六轴机械手臂总成(5)通过内六角螺栓联结在所述横梁(6)上，通过所述激光器夹紧装置(7)的一端把所述激光器总成(4)固定在所述横梁(6)上，把所述激光控制器(18)和所述激光器总成(4)通过光纤连接起来；
所述激光器发射端(8)与所述激光器夹紧装置(7)的另一端连接；所述出粉装置(17)通过软管和所述合金粉末出口(10)连接，所述合金粉末出口(10)通过所述第二固定支架(12)固定在所述第二支座(14)上，所述第二固定支架(12)通过内六角螺栓固定在所述第二支座(14)上，所述第二支座(14)通过电焊焊接在所述第二竖梁(3)上；
所述惰性气体装置(19)通过橡胶软管和所述惰性气体喷射口(9)连接，所述惰性气体喷射口(9)通过所述第一固定支架(11)用内六角螺栓固定在所述第一支座(13)上，所述第一支座(13)通过电焊焊接在所述第一竖梁上(3)。
本发明的积极效果是：本装置根据需求精度跟换多种型号出粉头，且功率可调，不易堵塞；根据不同产品需求，设计不同软件程序，通过调功率和更换材料及出粉头，实现激光熔覆表面强化和再制造有机结合在一起，提高了生产效率；再制造过程受机械手臂及机台大小及装置空间可随产品批量调节，可以在石油钻井等户外区域使用，实用范围大大增加；送粉装置采取真空虹吸装置，上下料基本上无法实现完全自动化，要么需要操作人员辅助，要么完全需要人工进行上下料操作，降低了工作效率。
附图说明
图1新型激光熔覆装置结构示意图。
其中：1-激光熔覆装置底板、2-XY工作台、3-竖梁、4-激光器总成、5-六轴机械手臂总成6-横梁、7-激光器夹紧装置、8-激光头发射端、9-惰性气体喷射口、10-合金粉末出口、11-固定支架、12-固定支架、13-支座、14-支座、15-工件、16-工件夹紧装置、17-出粉装置、18-激光控制器、19-惰性气体装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明一个实施例的一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置，包括激光熔覆装置底板(1)、XY工作台(2)、竖梁(3)激光器总成(4)、六轴机械手臂总成(5)横梁(6)、激光器夹紧装置(7)、激光头发射端(8)、惰性气体喷射口(9)、合金粉末出口(10)、固定支架(11)、固定支架(12)、支座(13)、支座(14)、工件(15)、工件夹紧装置(16)、出粉装置(17)、激光控制器(18)、惰性气体装置(19)。
第一竖梁(3)、XY-工作台(2)和第二竖梁(3)分别通过电焊依次焊接在激光熔覆底板(1)上，工件(15)通过工件夹紧装置(16)固定在XY-工作台(2)上。横梁(6)通过电焊与两个竖梁(3)焊接，六轴机械手臂总成(5)通过内六角螺栓联结在横梁(6)上，通过激光器夹紧装置(7)的一端把激光器总成(4)固定在横梁(6)上，把激光控制器(18)和激光器总成(4)通过光纤连接起来。
激光器发射端(8)与夹紧装置(7)的另一端连接，激光器发射端(8)左侧为惰性气体喷射口(9)，右侧为合金粉末出口(10)。出粉装置(17)通过软管和合金粉末出口(10)连接，合金粉末出口(10)通过固定支架(12)固定在支座(14)上，支架(12)通过内六角螺栓固定在支座(14)上，支座(14)通过电焊焊接在第二竖梁(3)上。
惰性气体装置(19)通过橡胶软管和惰性气体喷射口(9)连接，惰性气体喷射口(9)通过支架(11)用内六角螺栓固定在支座(13)上，支座(13)通过电焊焊接在第一竖梁上(3)。
本装置采用半导体激光器作为热源，以铁基或镍基合金粉末作为熔覆材料，实现熔覆层与原件基材成冶金结合，熔覆层硬度为：HRC20-60,激光熔覆工艺参数如下：激光器输出功率：1800～2000W；激光波长：980nm±10nm；激光焦距：360～380mm；聚束光斑面积：5X6mm；熔覆熔池宽度：4～6mm；扫描速率～5irai/s；单层熔覆厚度：0.2～0.8mm；按螺旋线熔覆，泵轴转速＝扫描速率/(X轴直径)，激光器直线进给速度＝熔覆熔池宽度X(1-两熔池间搭接量)X原件转速，其中，所述两熔池间搭接量为20～30％。
具体实施步骤：
1.对金属表面进行预处理，括除去关键部位的锈迹、油污及杂质。其中，除去锈迹的方式可以采用化学方式进行消除；
2.预制金属合金粉末，粉末为钴基合金粉末，其成分按重量百分比为：10％碳化钨，0.1％碳，5％氟化钙，2％氮化硅，3％硼，15％铬，1％硅，7％铁，18％钼，余量为钴。以上材料均为100-200目的金属合金粉末；
3.通过对金属工件工作受力情况的研究，X-Y轴工作平台使工件实现XY方向移动，釆用六轴机械手臂总成(5)送粉的方式使用激光器总成(4)对金属工件表面进行激光熔覆，激光行走方式采用六轴机械手臂总成(5)数控行走方式，并在熔覆过程中对激光熔覆区域进行惰性气体保护，可实现金属工件的再制造和修复；
4.后续处理，对熔覆后的金属工件(15)进行后期机加工，包括对工件尺寸外形或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
上述的激光器为二氧化碳激光器，激光波长为10.6um，输出功率4000W，运行速度为5-10mm/s，扫描宽度为3-6mm，送粉速度为40-60g/min，激光的搭接率为30-50％，激光与钻头表面的交角为82°-87°。
上述的步骤3中的惰性气体为氮气、氩气或者氦气。
经以上操作，得到熔覆层厚度在0.5-5mm左右，熔覆层硬度HRC22左右，表面平整，无裂缝、气孔等缺陷，熔覆层与基体成冶金结合，基体无热变形，机械性能良好。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种激光熔覆金属表面强化及增材制造的装置，其特征在于，包括激光熔覆装置底板(1)、XY工作台(2)、竖梁(3)激光器总成(4)、六轴机械手臂总成(5)横梁(6)、激光器夹紧装置(7)、激光头发射端(8)、惰性气体喷射口(9)、合金粉末出口(10)、第一固定支架(11)、第二固定支架(12)、第一支座(13)、第二支座(14)、工件(15)、工件夹紧装置(16)、出粉装置(17)、激光控制器(18)、惰性气体装置(19)；
第一竖梁(3)、所述XY-工作台(2)和第二竖梁(3)分别通过电焊依次焊接在所述激光熔覆底板(1)上，所述工件(15)通过所述工件夹紧装置(16)固定在所述XY-工作台(2)上；所述横梁(6)通过电焊与两个竖梁(3)焊接，所述六轴机械手臂总成(5)通过内六角螺栓联结在所述横梁(6)上，通过所述激光器夹紧装置(7)的一端把所述激光器总成(4)固定在所述横梁(6)上，把所述激光控制器(18)和所述激光器总成(4)通过光纤连接起来；
所述激光器发射端(8)与所述激光器夹紧装置(7)的另一端连接；所述出粉装置(17)通过软管和所述合金粉末出口(10)连接，所述合金粉末出口(10)通过所述第二固定支架(12)固定在所述第二支座(14)上，所述第二固定支架(12)通过内六角螺栓固定在所述第二支座(14)上，所述第二支座(14)通过电焊焊接在所述第二竖梁(3)上；
所述惰性气体装置(19)通过橡胶软管和所述惰性气体喷射口(9)连接，所述惰性气体喷射口(9)通过所述第一固定支架(11)用内六角螺栓固定在所述第一支座(13)上，所述第一支座(13)通过电焊焊接在所述第一竖梁上(3)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114000146A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 华北电力大学 一种陶瓷增强金属基复合涂层的激光熔覆制备装置

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