CN111118497B - 场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置 - Google Patents
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Abstract
场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置，包括与激光光路同轴设置的激光传输通道、喷嘴，激光传输通道外套有轴套套筒，激光传输通道和轴套套筒的下端均连接喷嘴；轴套套筒与激光传输通道、喷嘴同轴心设置；轴套套筒上套接有轴套，轴套上套接卡槽环装置，卡槽环装置包括上锥齿轮卡槽环、传动锥齿轮、下锥齿轮卡槽环，其中传动锥齿轮与轴套固结，上锥齿轮卡槽环、下锥齿轮卡槽环分别通过轴承连接在轴套套筒上；传动锥齿轮的上下侧分别与上锥齿轮卡槽环、下锥齿轮卡槽环啮合。本发明的外加稳态磁场可随激光熔覆头同步移动，可以实现复杂路径的调控加工，方便快捷，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于激光加工制造技术领域，具体涉及一种场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置。
背景技术
激光熔覆技术是以高能密度激光束为热源，在基材表面熔覆一层与基材完全不同成分和性能合金涂层的表面改性技术，可以显著提高基材表面的力学性能及耐磨、耐热、耐腐蚀性能，达到局部修复或整体强化的目的。激光熔覆具有冷却速度快、涂层稀释率低、热输入和畸变较小、耗材少、无粉末选择限制、绿色低污染、易于实现自动化等优点。但由于金属粉末和基材的熔化和凝固都是在极快的时间内完成的，激光熔覆还存在着一些共性问题：
1.激光熔覆组织的调控一般是通过改变工艺参数，而工艺参数只能改变熔覆层熔池的外部传热边界，难以对熔覆组织中晶体的形态、尺寸及晶体取向和熔池对流进行灵活控制。
2.激光熔覆的加热和凝固速度较快，熔覆层元素来不及均匀化热扩散，导致组织不均匀和成分偏析，且熔覆层产生的气体来不及排除，产生气孔等缺陷，影响熔覆层组织的性能。
3.在激光高能束的辐照下，熔覆层熔池发生强烈地搅动，在单层激光熔覆过程中难以实现其分层或梯度控制。
针对上述问题，国内外众多学者采用外加磁场来调控激光熔覆。王梁等研究了利用稳态磁场调控激光溶凝，得出结论稳态磁场会抑制熔池的对流，产生与熔池方向对流方向相反的驱动力，磁场强度越大，熔池内对流越慢，熔凝层表面波纹越低。刘洪喜等研究旋转磁场对激光熔覆的影响，得出旋转磁场可以降低内的冷却梯度和溶体粘度，导致结晶凝固过程中的液态金属可以向金属原子收缩引起的间隙内填充，降低显微组织的疏松程度和缩孔率，有效降低沉积层中气孔数量，提高硬质相分布均匀程度，并使基体与沉积层结合更好。
现有研究的磁场辅助装置大多都是固定在工作台上，不能随激光光斑移动而移动，不能保证每一刻激光加工熔池时磁场的施加是一致的，并且不能调控场强分布形式，调控方式单一且调控能力有限，只能用于简单路径上的激光加工，不能应用于复杂路径的加工，施加磁场的适应性较差。本发明的提出将有效解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术的上述技术问题，本发明要提供一种场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置，本发明能够实现场强的分布可调以及多角度调控，适用于不同的实验要求，有效调控熔覆层熔池的流动及熔覆层组织、改善熔覆层或整体的力学性能，改善熔覆层形貌，得到优异性能的熔覆组织。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种场强分布可调的分列式磁场辅助激光熔覆装置，包括与激光光路同轴设置的激光传输通道1、具有中心通孔的喷嘴5，其特征在于：激光传输通道1外套有轴套套筒2，激光传输通道1和轴套套筒 2的下端均连接喷嘴5的上端面，激光传输通道1的内壁设置有送粉管；轴套套筒2与激光传输通道1、喷嘴5同轴心设置；
喷嘴5是回转体状，喷嘴5的下部呈上大下小的圆台体状，喷嘴 5内具有送粉通道，送粉通道呈空心锥环状，送粉通道起自喷嘴5的上端面的环形进粉口、终于喷嘴5的下端面的环形喷口，送粉管的下端连接送粉通道的环形进粉口；
轴套套筒2上套接有轴套38，轴套38上套接卡槽环装置3，卡槽环装置3包括上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39，其中传动锥齿轮35与轴套38固结，上锥齿轮卡槽环37、下锥齿轮卡槽环39分别通过轴承连接在轴套套筒2上；传动锥齿轮35 的上下侧分别与上锥齿轮卡槽环37、下锥齿轮卡槽环39啮合；
定位螺钉34连接轴套38，定位螺钉34是传动锥齿轮35的枢轴，紧固螺钉33穿过传动锥齿轮35的螺孔351顶紧在定位螺钉34上；上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39上分别安装有连接片4，连接片4的下半段装有磁铁盒6并贴近喷嘴5，磁铁盒 6内装有永久磁铁7。
进一步，连接片4包括上部连接片41、中部连接片42、下部连接片43；上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39 上分别沿径向安装有一对径向对称的上部连接片41、中部连接片42、下部连接片43；上部连接片41顶部各有一沉头孔412通过第一内六角沉头螺钉411安装在锥齿轮卡槽环37上的卡槽371上；中部连接片42上设有第一螺孔421、第二螺孔423和定位孔422，第二内六角螺钉32通过第一螺孔421、第二螺孔423和第三螺孔321将中部连接片42与轴套38固定，传动锥齿轮35通过中部连接片42上定位孔 422与轴套38配合；下部连接片43底部各有一沉头孔432，下部连接片43通过第三内六角螺钉431安装在下锥齿轮卡槽环39上的卡槽 391上。
当需要调整角度时，先拧松紧固螺钉33，拨动紧固螺钉33，带动传动锥齿轮35转动，进行场强多角度调节。
所述的上锥齿轮卡槽环37和下锥齿轮卡槽环39相同，各卡槽的大小及尺寸相同。
转动紧固螺钉33，带动传动锥齿轮35转动，传动锥齿轮35带动上锥齿轮卡槽环37与下锥齿轮卡槽环39转动，且上下锥齿轮卡槽环带动连接片及永久磁铁相反转动，调节场强的分布。
本发明采用了以上技术方案，具有下述优点：
1、本发明通过一分三分裂结构克服了场强分布无法调节的缺陷，通过外加稳态磁场调控激光熔覆，调控熔池流动，减少熔覆缺陷，提高熔覆层的性能。
2、外加稳态磁场可随激光熔覆头同步移动，可以实现复杂路径的调控加工，方便快捷，适用范围广。
3、一分三分裂结构具有多角度调节场强分布功能，且操作简单，适用性强。
附图说明
图1是本发明的整体结构的示意图。
图2是本发明的整体结构的剖面示意图。
图3是分裂装置的俯视示意图。
图4a是分裂装置的剖面示意图；图4b是图4a的P1部局部放大图。
图5是小锥齿轮放大的示意图。
图6是中部连接片与轴套的装配示意图。
图7a是上部部连接片与锥齿轮卡槽环装配的剖面示意图；图7b 是图7a的P2部局部放大图。
图8a是上部部连接片与锥齿轮卡槽环装配的示意图；图8b是图8a的P3部局部放大图。
图9a是下部部连接片与锥齿轮卡槽环装配的剖面示意图；图9b 是图9a的P4部局部放大图。
图10a是下部部连接片与锥齿轮卡槽环装配的示意图；图10b是图10a的P5部局部放大图。
图11是各连接片的示意图。
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具体的说明。
参照图1-图11：
一种场强分布可调的分裂式磁场辅助激光熔覆装置，包括与激光光路同轴设置的激光传输通道1、具有中心通孔的喷嘴5，其特征在于：激光传输通道1外套有轴套套筒2，激光传输通道1和轴套套筒 2的下端均连接喷嘴5的上端面，激光传输通道1的内壁设置有送粉管；轴套套筒2与激光传输通道1、喷嘴5同轴心设置；
喷嘴5是回转体状，喷嘴5的下部呈上大下小的圆台体状，喷嘴 5内具有送粉通道，送粉通道呈空心锥环状，送粉通道起自喷嘴5的上端面的环形进粉口、终于喷嘴5的下端面的环形喷口，送粉管的下端连接送粉通道的环形进粉口；
轴套套筒2上套接有轴套38，轴套38上套接卡槽环装置3，卡槽环装置3包括上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39，其中传动锥齿轮35与轴套38固结，上锥齿轮卡槽环37、下锥齿轮卡槽环39分别通过轴承连接在轴套套筒2上；传动锥齿轮35 的上下侧分别与上锥齿轮卡槽环37、下锥齿轮卡槽环39啮合；
定位螺钉34连接轴套38，定位螺钉34是传动锥齿轮35的枢轴，紧固螺钉33穿过传动锥齿轮35的螺孔351顶紧在定位螺钉34上；上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39上分别安装有连接片4，连接片4的下半段装有磁铁盒6并贴近喷嘴5，磁铁盒 6内装有永久磁铁7。
进一步，连接片4包括上部连接片41、中部连接片42、下部连接片43；上锥齿轮卡槽环37、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39 上分别沿径向安装有一对径向对称的上部连接片41、中部连接片42、下部连接片43；上部连接片41顶部各有一沉头孔412通过第一内六角沉头螺钉411安装在锥齿轮卡槽环37上的卡槽371上；中部连接片42上设有第一螺孔421、第二螺孔423和定位孔422，第二内六角螺钉32通过第一螺孔421、第二螺孔423和第三螺孔321将中部连接片42与轴套38固定，传动锥齿轮35通过中部连接片42上定位孔422与轴套38配合；下部连接片43底部各有一沉头孔432，下部连接片43通过第三内六角螺钉431安装在下锥齿轮卡槽环39上的卡槽 391上。
本发明包括用于熔覆基体的激光熔覆装置、卡槽环装置和磁场装置；
熔覆基体的激光熔覆装置包括：激光传输通道1和轴套套筒2分别通过螺纹连接安装在喷嘴5上，轴套套筒2与激光传输通道1采用同轴心配合；
所述的卡槽环装置3包括上锥齿轮卡槽环37、紧固螺钉33、定位螺钉34、传动锥齿轮35、下锥齿轮卡槽环39、轴套38、上轴承 31、下轴承36、卡槽371、卡槽391；两个卡槽371对称分布在上锥齿轮卡槽环37上，两个卡槽391对称分布在下锥齿轮卡槽环39上。上轴承31和下轴承36分别与轴套38同轴心配合。上锥齿轮卡槽环 37和下锥齿轮卡槽环39采用同轴心配合，分别安装在上轴承31和下轴承36上。传动锥齿轮35通过定位螺钉34与轴套38上的阶梯定位孔381配合安装，传动锥齿轮35与上锥齿轮卡槽环37和下锥齿轮卡槽环39啮合。紧固螺钉33与传动锥齿轮35上的螺孔351配合，当需要调整角度时，转动紧固螺钉33，带动传动锥齿轮35转动，进行场强多角度调节。
所述的上锥齿轮卡槽环37和下锥齿轮卡槽环39相同，各卡槽的大小及尺寸相同。
上部连接片41顶部各有一沉头孔412通过第一内六角沉头螺钉411安装在上锥齿轮卡槽环37上的卡槽371上。中部连接片42上设有第一螺孔421、第二螺孔423和定位孔422，第二内六角螺钉32通过第一螺孔421、第二螺孔423和第三螺孔321将中部连接片42与轴套38固定，传动锥齿轮35通过中部连接片42上定位孔422与轴套38配合。下部连接片43底部有一沉头孔432，下部连接片43通过第三内六角螺钉431安装在下锥齿轮卡槽环39上的卡槽391上。
上部连接片41、中部连接片42、下部连接片43的下部设有斜槽 8，所述连接片上的斜槽尺寸一致。磁铁盒6安装在斜槽8内，永久磁铁7通过第四内六角螺钉61安装在磁铁盒6内，并固定在连接片 4上，磁铁盒6与喷嘴5重合配合。其余磁铁盒与磁铁的装配与上述一致，磁铁盒与连接片采用铜合金材料制作，铜合金具有良好的导热性，且无磁性，减小永久磁铁间的磁感应力，防止卡槽环发生倒转。永久磁铁采用锡纸反光材料包裹，防止激光反射损坏永久磁铁。
先拧松紧固螺钉33，拨动紧固螺钉33，带动传动锥齿轮35转动，传动锥齿轮35带动上锥齿轮卡槽环37与下锥齿轮卡槽环39转动，且上下锥齿轮卡槽环带动连接片及永久磁铁相反转动，调节场强的分布。
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.场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置，包括与激光光路同轴设置的激光传输通道(1)、具有中心通孔的喷嘴(5)，其特征在于：激光传输通道(1)外套有轴套套筒(2)，激光传输通道(1)和轴套套筒(2)的下端均连接喷嘴(5)的上端面，激光传输通道(1)的内壁设置有送粉管；轴套套筒(2)与激光传输通道(1)、喷嘴(5)同轴心设置；
喷嘴(5)是回转体状，喷嘴(5)的下部呈上大下小的圆台体状，喷嘴(5)内具有送粉通道，送粉通道呈空心锥环状，送粉通道起自喷嘴(5)的上端面的环形进粉口、终于喷嘴(5)的下端面的环形喷口，送粉管的下端连接送粉通道的环形进粉口；
轴套套筒(2)上套接有轴套(38)，轴套(38)上套接卡槽环装置(3)，卡槽环装置(3)包括上锥齿轮卡槽环(37)、传动锥齿轮(35)、下锥齿轮卡槽环(39)，其中传动锥齿轮(35)与轴套(38)固结，上锥齿轮卡槽环(37)、下锥齿轮卡槽环(39)分别通过轴承连接在轴套套筒(2)上；传动锥齿轮(35)的上下侧分别与上锥齿轮卡槽环(37)、下锥齿轮卡槽环(39)啮合；
定位螺钉(34)连接轴套(38)，定位螺钉(34)是传动锥齿轮(35)的枢轴，紧固螺钉(33)穿过传动锥齿轮(35)的螺孔(351)顶紧在定位螺钉(34)上；上锥齿轮卡槽环(37)、传动锥齿轮(35)、下锥齿轮卡槽环(39)上分别安装有连接片(4)，连接片(4)的下半段装有磁铁盒(6)并贴近喷嘴(5)，磁铁盒(6)内装有永久磁铁(7)。
2.如权利要求1所述的场强分布可调的分裂式磁场辅助同轴激光熔覆装置，其特征在于：连接片(4)包括上部连接片(41)、中部连接片(42)、下部连接片(43)；上锥齿轮卡槽环(37)、传动锥齿轮(35)、下锥齿轮卡槽环(39)上分别沿径向安装有一对径向对称的上部连接片(41)、中部连接片(42)、下部连接片(43)；上部连接片(41)顶部各有一沉头孔(412)通过第一内六角沉头螺钉(411)安装在上锥齿轮卡槽环(37)上的卡槽(371)上；中部连接片(42)上设有第一螺孔(421)、第二螺孔(423)和定位孔(422)，第二内六角螺钉(32)通过第一螺孔(421)、第二螺孔(423)和第三螺孔(321)将中部连接片(42)与轴套(38)固定，传动锥齿轮(35)通过中部连接片(42)上定位孔(422)与轴套(38)配合；下部连接片(43)底部各有一沉头孔(432)，下部连接片(43)通过第三内六角螺钉(431)安装在下锥齿轮卡槽环(39)上的卡槽(391)上。
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