CN112048697A - 一种金属管表面激光喷涂方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属管表面激光喷涂方法，采用全新设计思路，针对不同直径的金属管，通过控制激光束与金属合金粉末在金属管表面的交点，即可长时间连续喷涂，且激光热喷涂在金属管表面的路径为一条斜线，配合光斑直径d、速度Va、转速Vr之间所满足的设计关系，即可达到预设搭接率R的要求，实现对金属管表面高效、稳定的激光喷涂；本发明进一步设计了基于此方法的装置，构建模块化的组建方案，配合喷涂方法的应用，高效获得金属管表面牢固的涂层，延长金属管的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属管表面激光喷涂方法及装置，属于金属管表面激光喷涂技术领域。
背景技术
激光热喷涂是一种新型表面改性技术,它是利用高能激光束将基材表面层金属熔化，同时以不同的送料方式在基体表面喷涂合金粉末材料。经激光辐射后，合金粉末与基体表层同时熔化,并快速凝固形成与基体紧密结合的合金涂层。激光热喷涂技术节能无污染，符合工业环保要求，是目前表面改性处理研究热点之一；但是现有的激光热喷涂方法复杂，且结构繁琐，尤其对于诸如管状结构的曲面表面，实际喷涂效果不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金属管表面激光喷涂方法，采用全新设计思路，能够针对金属管表面实现高效、稳定的激光喷涂，获得金属管表面牢固的涂层，延长金属管的使用寿命。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种金属管表面激光喷涂方法，用于针对目标金属管表面实现目标涂层的构建，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.控制目标金属管呈水平姿态，并进入步骤B；
步骤B.控制激光束由目标金属管表面的正上方，以固定位置、竖直向下射向目标金属管的表面，并获得激光束射向目标金属管表面的光斑直径d，并进入步骤C；
步骤C.按预设喷射速度，将目标涂层所对应的金属合金粉末喷射到激光束射向目标金属管表面的光斑位置；
同时控制金属管以水平姿态、按速度Va沿其中轴线方向进行单方向的移动，并同时控制金属管以其中轴线为轴、按转速Vr进行转动，即针对目标金属管表面实现目标涂层的构建；其中，光斑直径d、速度Va、转速Vr与预设搭接率R满足如下关系：
式中，D表示目标金属管的直径，π表示圆周率。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中，应用保护性气体，按预设喷射速度，将目标涂层所对应的金属合金粉末喷射到激光束射向目标金属管表面的光斑位置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述保护性气体为氩气。
作为本发明的一种优选技术方案：所述目标金属管为钛合金管，所述目标涂层为CoCrW涂层。
作为本发明的一种优选技术方案：所述CoCrW涂层所对应的金属合金粉末为CrC、TiC、WC的混合物。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种金属管表面激光喷涂方法的装置，基于设计喷涂方法的思路，构建模块化的组建方案，能够针对金属管表面实现高效、稳定的激光喷涂，获得金属管表面牢固的涂层，延长金属管的使用寿命。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种金属管表面激光喷涂方法的装置，用于针对目标金属管(7)表面实现目标涂层的构建，其特征在于：包括送粉器(1)、激光器(2)、转动电机(3)、平移台(4)、内撑连接件；
其中，转动电机(3)设置于平移台(4)上表面，且转动电机(3)上转动轴所在直线呈水平姿态，以及平移台(4)水平移动方向所在直线与转动电机(3)上转动轴所在直线相平行，平移台(4)用于以所述速度Va进行水平移动；
转动电机(3)上转动轴端部固定对接内撑连接件，且内撑连接件活动对接目标金属管(7)上其中一端口的内侧，转动电机(3)上转动轴所在直线与目标金属管(7)的中轴线相共线，转动电机(3)用于以所述转速Vr带动目标金属管(7)围绕其中轴线进行转动；
激光器(2)固定设置于目标金属管(7)表面的正上方，且激光器(2)的激光射出端竖直向下指向目标金属管(7)的表面；送粉器(1)位于目标金属管(7)表面的上方，且送粉器(1)上的喷嘴指向激光器(2)上激光束射向目标金属管表面的光斑位置，送粉器(1)用于向其喷嘴所指向目标金属管表面的位置，喷射目标涂层所对应的金属合金粉末。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括至少一个滚轮支架(6)，各滚轮支架(6)的结构彼此相同，各滚轮支架(6)分别均包括Y形支架本体(6-1)、以及至少两个圆柱滚轮(6-2)；各滚轮支架(6)的结构中：各圆柱滚轮(6-2)分布设置于对应Y形支架本体(6-1)上两斜杆的内侧，且各圆柱滚轮(6-2)的中轴线均与Y形支架本体(6-1)所在面相垂直，以及各圆柱滚轮(6-2)分别以其中轴线为轴自由转动；
各滚轮支架(6)中Y形支架本体(6-1)竖直杆的端部固定设置于所述平移台(4)上表面，且各Y形支架本体(6-1)竖直杆端部的设置位置沿目标金属管(7)中轴线在平移台(4)上表面竖直方向的投影进行分布，以及各Y形支架本体(6-1)分别所在面彼此平行，且该所在面与目标金属管(7)中轴线相垂直；目标金属管(7)架设于各Y形支架本体(6-1)上两斜杆之间，且目标金属管(7)表面与各Y形支架本体(6-1)上的各圆柱滚轮(6-2)相接触。
作为本发明的一种优选技术方案：所述内撑连接件为内撑三爪卡盘(8)包括卡盘(8-1)、以及三组撑爪结构，各组撑爪结构彼此相同，各组撑爪结构分别均包括内撑爪(8-2)与调节螺钉(8-3)；各组撑爪结构中的内撑爪(8-2)沿卡盘(8-1)其中一表面边缘分布进行内嵌设置，且相邻内撑爪(8-2)之间彼此等间距，各内撑爪(8-2)分别与卡盘(8-1)表面中心位置之间的距离可调；各组撑爪结构中的调节螺钉(8-3)由卡盘(8-1)侧边活动插入卡盘(8-1)中、并连接对应内撑爪(8-2)，各调节螺钉(8-3)分别用于针对对应内撑爪(8-2)进行限位；
所述转动电机(3)上转动轴端部固定对接卡盘(8-1)上背向各内撑爪(8-2)的一表面的中心位置，且转动电机(3)上转动轴所在直线与卡盘(8-1)表面相垂直，各内撑爪(8-2)分别在其对应调节螺钉(8-3)对其的限位下、对接所述目标金属管(7)上其中一端口的内侧。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括底座(5)，所述平移台(4)活动位于底座(5)的上表面，且平移台(4)下表面与底座(5)上表面之间通过燕尾槽导轨结构进行活动连接，以及燕尾槽导轨所在直线与平移台(4)水平移动方向所在直线相平行，平移台(4)以所述速度Va沿燕尾槽导轨结构进行水平移动。
作为本发明的一种优选技术方案：所述转动电机(3)相距所述平移台(4)上表面的距离可调。
本发明所述一种金属管表面激光喷涂方法及装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计金属管表面激光喷涂方法，采用全新设计思路，针对不同直径的金属管，通过控制激光束与金属合金粉末在金属管表面的交点，即可长时间连续喷涂，且激光热喷涂在金属管表面的路径为一条斜线，配合光斑直径d、速度Va、转速Vr之间所满足的设计关系，即可达到预设搭接率R的要求，实现对金属管表面高效、稳定的激光喷涂；本发明进一步设计了基于此方法的装置，构建模块化的组建方案，配合喷涂方法的应用，高效获得金属管表面牢固的涂层，延长金属管的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所设计一种金属管表面激光喷涂方法的装置示意图；
图2是本发明所设计装置中滚轮支架、平移台、固定座三者之间结构示意图；
图3是本发明所设计装置中内撑三爪卡盘的结构示意图；
图4是本发明设计实施应用中钛合金管表面涂层形貌图；
图5是本发明设计实施应用中钛合金管表面涂层XRD分析。
其中，1.送粉器，2.激光器，3.转动电机，4.平移台，5.固定座，6.滚轮支架，6-1.Y形支架本体，6-2.圆柱滚轮，7.目标金属管，8.内撑三爪卡盘，8-1.卡盘，8-2.内撑爪，8-3.调节螺钉。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种金属管表面激光喷涂方法，用于针对目标金属管表面实现目标涂层的构建，实际应用当中，具体执行如下步骤A至步骤D。
步骤A.控制目标金属管呈水平姿态，并进入步骤B。
步骤B.控制激光束由目标金属管表面的正上方，以固定位置、竖直向下射向目标金属管的表面，并获得激光束射向目标金属管表面的光斑直径d，并进入步骤C。
步骤C.应用保护性气体，诸如氩气，按预设喷射速度，将目标涂层所对应的金属合金粉末喷射到激光束射向目标金属管表面的光斑位置；
同时控制金属管以水平姿态、按速度Va沿其中轴线方向进行单方向的移动，并同时控制金属管以其中轴线为轴、按转速Vr进行转动，即针对目标金属管表面实现目标涂层的构建；其中，光斑直径d、速度Va、转速Vr与预设搭接率R满足如下关系：
式中，D表示目标金属管的直径，π表示圆周率。
将本发明所设计金属管表面激光喷涂方法，应用于实际当中，诸如针对钛合金管的目标金属管，并针对钛合金管表面喷涂CoCrW涂层，则对应于CoCrW涂层的金属合金粉末为CrC、TiC、WC的混合物。
基于上述所设计金属管表面激光喷涂方法，本发明进一步设计了针对此方法的装置，用于针对目标金属管(7)表面实现目标涂层的构建，实际应用当中，具体包括送粉器(1)、激光器(2)、转动电机(3)、平移台(4)、底座(5)、内撑连接件、至少一个滚轮支架(6)。
如图1所示，转动电机(3)设置于平移台(4)上表面，转动电机(3)相距所述平移台(4)上表面的距离可调，且转动电机(3)上转动轴所在直线呈水平姿态，以及平移台(4)水平移动方向所在直线与转动电机(3)上转动轴所在直线相平行，平移台(4)用于以所述速度Va进行水平移动；这里设计转动电机(3)相距所述平移台(4)上表面的距离可调，目的是为了适应不同直径的金属管。
转动电机(3)上转动轴端部固定对接内撑连接件，且内撑连接件活动对接目标金属管(7)上其中一端口的内侧，转动电机(3)上转动轴所在直线与目标金属管(7)的中轴线相共线，转动电机(3)用于以所述转速Vr带动目标金属管(7)围绕其中轴线进行转动。
如图2所示，各滚轮支架(6)的结构彼此相同，各滚轮支架(6)分别均包括Y形支架本体(6-1)、以及至少两个圆柱滚轮(6-2)；各滚轮支架(6)的结构中：各圆柱滚轮(6-2)分布设置于对应Y形支架本体(6-1)上两斜杆的内侧，且各圆柱滚轮(6-2)的中轴线均与Y形支架本体(6-1)所在面相垂直，以及各圆柱滚轮(6-2)分别以其中轴线为轴自由转动。
如图2所示，各滚轮支架(6)中Y形支架本体(6-1)竖直杆的端部固定设置于所述平移台(4)上表面，且各Y形支架本体(6-1)竖直杆端部的设置位置沿目标金属管(7)中轴线在平移台(4)上表面竖直方向的投影进行分布，以及各Y形支架本体(6-1)分别所在面彼此平行，且该所在面与目标金属管(7)中轴线相垂直；目标金属管(7)架设于各Y形支架本体(6-1)上两斜杆之间，且目标金属管(7)表面与各Y形支架本体(6-1)上的各圆柱滚轮(6-2)相接触。
如图3所示，内撑连接件为内撑三爪卡盘(8)包括卡盘(8-1)、以及三组撑爪结构，各组撑爪结构彼此相同，各组撑爪结构分别均包括内撑爪(8-2)与调节螺钉(8-3)；各组撑爪结构中的内撑爪(8-2)沿卡盘(8-1)其中一表面边缘分布进行内嵌设置，且相邻内撑爪(8-2)之间彼此等间距，各内撑爪(8-2)分别与卡盘(8-1)表面中心位置之间的距离可调；各组撑爪结构中的调节螺钉(8-3)由卡盘(8-1)侧边活动插入卡盘(8-1)中、并连接对应内撑爪(8-2)，各调节螺钉(8-3)分别用于针对对应内撑爪(8-2)进行限位。
所述转动电机(3)上转动轴端部固定对接卡盘(8-1)上背向各内撑爪(8-2)的一表面的中心位置，且转动电机(3)上转动轴所在直线与卡盘(8-1)表面相垂直，各内撑爪(8-2)分别在其对应调节螺钉(8-3)对其的限位下、对接所述目标金属管(7)上其中一端口的内侧。
如图1、图2所示，平移台(4)活动位于底座(5)的上表面，且平移台(4)下表面与底座(5)上表面之间通过燕尾槽导轨结构进行活动连接，以及燕尾槽导轨所在直线与平移台(4)水平移动方向所在直线相平行，平移台(4)以所述速度Va沿燕尾槽导轨结构进行水平移动。
激光器(2)固定设置于目标金属管(7)表面的正上方，且激光器(2)的激光射出端竖直向下指向目标金属管(7)的表面；送粉器(1)位于目标金属管(7)表面的上方，且送粉器(1)上的喷嘴指向激光器(2)上激光束射向目标金属管表面的光斑位置，送粉器(1)用于向其喷嘴所指向目标金属管表面的位置，喷射目标涂层所对应的金属合金粉末。
将本发明所设计装置应用于实际当中，执行所设计金属管表面激光喷涂方法，针对针对钛合金管表面喷涂CoCrW涂层，钛合金具有较高的强度和良好的耐蚀性，主要应用于制造航空发动机的高温部件和机体用的结构部件，随着航空事业的发展，良好的耐磨损性能成为钛合金所必需的要求。
具体执行应用中，根据光斑直径d、钛合金管的直径D、预设搭接率R，按如下关系式：
设计速度Va、转速Vr之间的关系比；然后开启激光器(2)、送粉器(1)和转动电机(3)，实施激光热喷涂工艺，参数：激光功率1000W，氩气送粉速度8g·min–1，激光扫描速度30mm·s–1；由此针对钛合金管表面实现CoCrW涂层的喷涂，所制备的Co30Cr8W1.6C3Ni1.4Si涂层的形貌如图4所示，涂层表面出现细小、黑色的树状晶，无气孔、褶皱等明显缺陷，显示表面涂层质量良好；并且实际应用所制备的CoCrW涂层的物相如如图5所示，出现了CoO，(W,Ti)C1-X，NiTi等硬质相，表明涂层有较高的硬度。
上述技术方案所设计金属管表面激光喷涂方法，采用全新设计思路，针对不同直径的金属管，通过控制激光束与金属合金粉末在金属管表面的交点，即可长时间连续喷涂，且激光热喷涂在金属管表面的路径为一条斜线，配合光斑直径d、速度Va、转速Vr之间所满足的设计关系，即可达到预设搭接率R的要求，实现对金属管表面高效、稳定的激光喷涂；本发明进一步设计了基于此方法的装置，构建模块化的组建方案，配合喷涂方法的应用，高效获得金属管表面牢固的涂层，延长金属管的使用寿命。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种金属管表面激光喷涂方法，用于针对目标金属管表面实现目标涂层的构建，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.控制目标金属管呈水平姿态，并进入步骤B；
步骤B.控制激光束由目标金属管表面的正上方，以固定位置、竖直向下射向目标金属管的表面，并获得激光束射向目标金属管表面的光斑直径d，并进入步骤C；
步骤C.按预设喷射速度，将目标涂层所对应的金属合金粉末喷射到激光束射向目标金属管表面的光斑位置；
同时控制金属管以水平姿态、按速度Va沿其中轴线方向进行单方向的移动，并同时控制金属管以其中轴线为轴、按转速Vr进行转动，即针对目标金属管表面实现目标涂层的构建；其中，光斑直径d、速度Va、转速Vr与预设搭接率R满足如下关系：
式中，D表示目标金属管的直径，π表示圆周率。
2.根据权利要求1所述一种金属管表面激光喷涂方法，其特征在于：所述步骤C中，应用保护性气体，按预设喷射速度，将目标涂层所对应的金属合金粉末喷射到激光束射向目标金属管表面的光斑位置。
3.根据权利要求2所述一种金属管表面激光喷涂方法，其特征在于：所述保护性气体为氩气。
4.根据权利要求1所述一种金属管表面激光喷涂方法，其特征在于：所述目标金属管为钛合金管，所述目标涂层为CoCrW涂层。
5.根据权利要求4所述一种金属管表面激光喷涂方法，其特征在于：所述CoCrW涂层所对应的金属合金粉末为CrC、TiC、WC的混合物。
6.一种应用权利要求1至5中任意一项所述金属管表面激光喷涂方法的装置，用于针对目标金属管(7)表面实现目标涂层的构建，其特征在于：包括送粉器(1)、激光器(2)、转动电机(3)、平移台(4)、内撑连接件；
其中，转动电机(3)设置于平移台(4)上表面，且转动电机(3)上转动轴所在直线呈水平姿态，以及平移台(4)水平移动方向所在直线与转动电机(3)上转动轴所在直线相平行，平移台(4)用于以所述速度Va进行水平移动；
转动电机(3)上转动轴端部固定对接内撑连接件，且内撑连接件活动对接目标金属管(7)上其中一端口的内侧，转动电机(3)上转动轴所在直线与目标金属管(7)的中轴线相共线，转动电机(3)用于以所述转速Vr带动目标金属管(7)围绕其中轴线进行转动；
激光器(2)固定设置于目标金属管(7)表面的正上方，且激光器(2)的激光射出端竖直向下指向目标金属管(7)的表面；送粉器(1)位于目标金属管(7)表面的上方，且送粉器(1)上的喷嘴指向激光器(2)上激光束射向目标金属管表面的光斑位置，送粉器(1)用于向其喷嘴所指向目标金属管表面的位置，喷射目标涂层所对应的金属合金粉末。
7.根据权利要求6所述一种应用金属管表面激光喷涂方法的装置，其特征在于：还包括至少一个滚轮支架(6)，各滚轮支架(6)的结构彼此相同，各滚轮支架(6)分别均包括Y形支架本体(6-1)、以及至少两个圆柱滚轮(6-2)；各滚轮支架(6)的结构中：各圆柱滚轮(6-2)分布设置于对应Y形支架本体(6-1)上两斜杆的内侧，且各圆柱滚轮(6-2)的中轴线均与Y形支架本体(6-1)所在面相垂直，以及各圆柱滚轮(6-2)分别以其中轴线为轴自由转动；
各滚轮支架(6)中Y形支架本体(6-1)竖直杆的端部固定设置于所述平移台(4)上表面，且各Y形支架本体(6-1)竖直杆端部的设置位置沿目标金属管(7)中轴线在平移台(4)上表面竖直方向的投影进行分布，以及各Y形支架本体(6-1)分别所在面彼此平行，且该所在面与目标金属管(7)中轴线相垂直；目标金属管(7)架设于各Y形支架本体(6-1)上两斜杆之间，且目标金属管(7)表面与各Y形支架本体(6-1)上的各圆柱滚轮(6-2)相接触。
8.根据权利要求6所述一种应用金属管表面激光喷涂方法的装置，其特征在于：所述内撑连接件为内撑三爪卡盘(8)包括卡盘(8-1)、以及三组撑爪结构，各组撑爪结构彼此相同，各组撑爪结构分别均包括内撑爪(8-2)与调节螺钉(8-3)；各组撑爪结构中的内撑爪(8-2)沿卡盘(8-1)其中一表面边缘分布进行内嵌设置，且相邻内撑爪(8-2)之间彼此等间距，各内撑爪(8-2)分别与卡盘(8-1)表面中心位置之间的距离可调；各组撑爪结构中的调节螺钉(8-3)由卡盘(8-1)侧边活动插入卡盘(8-1)中、并连接对应内撑爪(8-2)，各调节螺钉(8-3)分别用于针对对应内撑爪(8-2)进行限位；
所述转动电机(3)上转动轴端部固定对接卡盘(8-1)上背向各内撑爪(8-2)的一表面的中心位置，且转动电机(3)上转动轴所在直线与卡盘(8-1)表面相垂直，各内撑爪(8-2)分别在其对应调节螺钉(8-3)对其的限位下、对接所述目标金属管(7)上其中一端口的内侧。
9.根据权利要求6所述一种应用金属管表面激光喷涂方法的装置，其特征在于：还包括底座(5)，所述平移台(4)活动位于底座(5)的上表面，且平移台(4)下表面与底座(5)上表面之间通过燕尾槽导轨结构进行活动连接，以及燕尾槽导轨所在直线与平移台(4)水平移动方向所在直线相平行，平移台(4)以所述速度Va沿燕尾槽导轨结构进行水平移动。
10.根据权利要求6所述一种应用金属管表面激光喷涂方法的装置，其特征在于：所述转动电机(3)相距所述平移台(4)上表面的距离可调。
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- 2020-09-17 CN CN202010979115.5A patent/CN112048697A/zh active Pending
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