CN110773869A - 稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置 - Google Patents
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Abstract
一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置，稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置包括激光器、送丝机、送丝头以及用于固定送丝头且可调节送丝头位置的夹具；送丝头通过夹具固定在激光器上，送丝头外部设有励磁线圈，向励磁线圈通入直流电流，使得焊丝上产生稳态磁场，通过焊丝将稳态磁场精确送入熔池区域；送丝头采用非铁磁性材料制作，焊丝采用铁磁性材料。本发明将励磁线圈附加于送丝头上，将焊丝当作铁芯，使得稳态磁场可精确稳定的作用于熔池区域，可适用于轴类、曲面等不同形状的零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置
背景技术
激光再制造技术是利用高能量激光束作为能源对废旧零部件进行再制造处理的技术统称。为了不过多的破坏基体或者对于内部裂纹的修复，需要深宽比高的铣槽来满足修复性能要求，最后在铣槽区域利用激光再制造技术填充同材料或类似性能的金属。但采用金属粉末作为填充材料进行修复时，会存在粉末难以送入窄槽内、由于空心粉等原因导致的气孔，熔和不良等缺陷。而激光填丝焊具有热影响小、焊接变形小以及由于采用焊丝，具备一定刚度，可直接将填充金属送入窄槽底部，可实现极窄槽的修复。但激光填丝焊也存在一些问题：如焊缝中容易残留夹杂气孔等缺陷，影响修复后的性能；单纯激光工艺参数的调节无法控制熔池内部流体的运动方向，从而达到控制凝固层组织和性能。
针对上述问题，国内外学者利用外加磁场的方式对激光焊接进行调控。M.Bachmann等学者利用永磁铁提供的稳态磁场对铝合金全深熔焊进行调控。研究表明稳态磁场由于导电流体的运动方向与磁场方向不平行时会产生与熔池对流方向相反的洛伦兹力，抑制熔池的流动，进而改善焊缝的截面和表面形貌，抑制焊接过程中的飞溅现象。Asai等学者发现交变磁场可以减小等轴晶尺寸和减小柱状晶区的相对体积。国内的刘洪喜等学者利用交变磁场细化了激光熔覆层的组织。以上文献公开的装置未见稳态磁场用于激光填丝焊，且装置所产生的磁场均作用于整个基板无法精确作用于熔池，以及难以适用于轴类曲面类等复杂形貌零件。
发明内容
本发明为克服现有技术的上述缺点，提供一种稳态磁场耦合激光送丝窄槽修复装置，通过励磁线圈于填充焊丝将稳态磁场引入熔池以实现调控凝固组织形态，优化修复性能，改善焊缝形貌等目的。
为达到上述目的本发明采用以下的技术方案：
一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置，包括激光器，送丝机，送丝头以及用于固定送丝头且可调节送丝头位置的夹具。
所述送丝头通过夹具固定在激光器上，送丝头外部设有励磁线圈，向励磁线圈通入直流电流，使得焊丝上产生稳态磁场，通过焊丝将稳态磁场精确送入熔池区域。所述送丝头材料为非铁磁性材料，焊丝采用铁磁性材料。
所述夹具包括将夹具固定在激光器上的底板，沿X轴方向的第一调节板，沿Y轴方向的第二调节板以及沿Z轴方向的螺杆。
所述底板上开有4个通孔，可通过螺钉将其固定在激光器上，所述第一调节板一端开有通孔通过螺钉将其固定在底板上，所述第一调节板上开有沿X轴方向延伸的通槽，在通槽可滑动的设有第一螺栓，所述第一螺栓底端与第二调节板相连，顶端装有可将第一调节板与第二调节板拧紧在一起的第一螺母，以便第二调节板沿X轴方向在第一调节板上移动或定位；所述第二调节板中部开有沿Y轴方向延伸的通槽，槽中穿有螺柱，螺柱上下端均有第二螺母，采用上下均为双螺母的结构，可将螺柱与第二调节板拧紧，从而实现螺柱在通槽内沿Y轴方向以及沿Z轴方向移动与定位；两个螺柱中间夹有送丝头，并通过第二螺栓与第三螺母拧紧，使得送丝头可绕第二螺栓在XZ平面内进行旋转与定位。
本发明主要通过励磁线圈在焊丝上产生稳态磁场，并通过焊丝将稳态磁场导入熔池。利用稳态磁场由于导电流体的运动方向与磁场方向不平行时会产生与熔池对流方向相反的洛伦兹力，抑制熔池的流动，从而达到调控凝固组织、改善焊缝形貌、减少缺陷数量等目的。
本发明具有以下优点：
(1)本发明将励磁线圈附加于送丝头上，将焊丝当作铁芯，使得稳态磁场可精确稳定的作用于熔池区域，可适用于轴类、曲面等不同形状的零件。
(2)本发明采用的磁场装置简单，成本低廉，仅需对原有送丝头进行简单改装，无需采购额外设备。
(3)本发明采用外加能场的方式调控凝固组织、减少缺陷数量，无需反复进行激光工艺研究，简化修复流程。
附图说明
图1是本发明中的稳态磁场耦合激光送丝窄槽修复的装置示意图。
图2是本发明中的稳态磁场耦合激光送丝窄槽修复的装置励磁线圈部分剖面图。
图3是本发明中的稳态磁场耦合激光送丝窄槽修复装置的夹具图。
图4是本发明中的稳态磁场耦合激光送丝窄槽修复装置夹具的螺柱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细说明
一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置，包括激光器2，送丝机1，送丝头4以及用于固定送丝头且可调节送丝头位置的夹具3。
所述送丝头4通过夹具3固定在激光器2上，送丝头4外部设有励磁线圈6，向励磁线圈6通入直流电流，使得焊丝上产生稳态磁场，通过焊丝将稳态磁场精确送入熔池区域。
所述夹具3包括将夹具固定在激光器上的底板7，沿X轴方向的第一调节板9，沿Y轴方向的第二调节板13以及沿Z轴方向的第一螺柱14。
所述底板7上开有4个通孔，可通过螺钉8将其固定在激光器上，底板7的两侧各连接一个第一调节板9；所述第一调节板9一端开有通孔通过螺钉将其固定在底板7上，所述第一调节板9上开有沿X轴方向延伸的第一通槽，在第一通槽可滑动的设有第一螺栓11，所述第一螺栓11底端与第二调节板13相连，顶端装有可将第一调节板9与第二调节板13拧紧在一起的第一螺母12，以便第二调节板13沿X轴方向在第一调节板9上移动或定位；所述第二调节板13中部开有沿Y轴方向延伸的第二通槽，第二通槽中穿有第一螺柱14，第一螺柱14在第二通槽的上下侧均有第二螺母10，采用上下均为双螺母的结构，可将第一螺柱14与第二调节13板拧紧，从而实现第一螺柱14在通槽内沿Y轴方向以及沿Z轴方向移动与定位；两个第一螺柱14的下端均连接有套筒，两个套筒穿在Y方向的第二螺栓15上，中间夹有送丝头外壳的耳环，送丝头外壳的耳环也穿在第二螺栓15上，并通过第二螺栓15与第三螺母16拧紧，使得送丝头4可绕第二螺栓15在XZ平面内进行旋转与定位。
本发明的使用方法如下：
(1)根据待修复工件5的裂纹深度，采用机械加工的方法加工出深度大于等于裂纹深度4mm的矩形槽，其宽度为2mm～4mm,以去除裂纹区域；对待修复工件5进行打磨清洗干燥的初步处理，然后将待修复工件5安装在工作台上使得矩形槽开口朝上；定义矩形槽长度方向为X轴方向。
(2)激光器2放置于矩形槽正上方，设激光束方向为Z轴，将送丝头4通过夹具3安装在激光器2上，送丝头4与激光器2位于XZ平面上，填充焊丝与激光束的轴线夹角为30°～70°；
(3)励磁线圈6缠绕在送丝头4上，焊丝作为导磁铁芯，所选励磁线圈圈数为100～400匝，通入10～20A直流电流，使得送丝头内部的焊丝上产生强度为0.2～0.5T的稳态磁场；
(4)开启激光器2，激光束在矩形槽区域沿X轴方向扫描，同时开启送丝机1向激光光斑区域送入焊丝，填充焊丝尖端与激光光斑中心间距为0～1mm；停止激光器2与送丝机1即完成修复过程。
光斑直径2mm～4mm，送丝速度为10mm/s～25mm/s，焊丝直径为0.8mm～2mm，激光功率为1kw～3kw，扫描速度为4mm/s～12mm/s。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置，其特征在于：包括激光器(2)，送丝机(1)，送丝头(4)以及用于固定送丝头且可调节送丝头位置的夹具(3)；
所述送丝头(4)通过夹具(3)固定在激光器(2)上，送丝头(4)外部设有励磁线圈(6)，向励磁线圈(6)通入直流电流，使得焊丝上产生稳态磁场，通过焊丝将稳态磁场精确送入熔池区域；
所述送丝头(4)采用非铁磁性材料制作，焊丝采用铁磁性材料。
2.如权利要求1所述的一种稳态磁场耦合激光填丝窄槽修复装置，其特征在于：所述夹具(3)包括将夹具固定在激光器上的底板(7)，沿X轴方向的第一调节板(9)，沿Y轴方向的第二调节板(13)以及沿Z轴方向的第一螺柱(14)；
所述底板(7)固定在激光器上，底板(7)的两侧各连接一个第一调节板(9)；所述第一调节板(9)一端通过螺钉固定在底板(7)上，所述第一调节板(9)上开有沿X轴方向延伸的第一通槽，在第一通槽可滑动的设有第一螺栓(11)，所述第一螺栓(11)底端与第二调节板(13)相连，第一螺栓(11)顶端装有可将第一调节板(9)与第二调节板(13)拧紧在一起的第一螺母(12)，以便第二调节板(13)沿X轴方向在第一调节板(9)上移动或定位；所述第二调节板(13)中部开有沿Y轴方向延伸的第二通槽，第二通槽中穿有第一螺柱(14)，第一螺柱(14)在第二通槽的上下侧均有第二螺母(10)，采用上下均为双螺母的结构，将螺柱(14)与第二调节(13)板拧紧，实现螺柱(14)在通槽内沿Y轴方向以及沿Z轴方向移动与定位；两个第一螺柱(14)的下端均连接有套筒，两个套筒穿在Y方向的第二螺栓(15)上，中间夹有送丝头外壳的耳环，送丝头外壳的耳环也穿在第二螺栓(15)上，并通过第二螺栓(15)与第三螺母(16)拧紧，使得送丝头(4)可绕第二螺栓(15)在XZ平面内进行旋转与定位。
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