CN112108769A - 一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，用于对基材进行增材制造、焊接，包括机器人、激光器、控制系统、送粉机构、激光熔覆头和送丝机构，所述基材安装在工作台上，所述激光器发射出的激光通过光纤和激光熔覆头照射至基材上形成光斑，所述送粉机构输出金属或合金粉末通过送粉管路和激光熔覆头输出至上述光斑内，所述送丝机构将金属焊丝通过送丝管路输出至上述光斑内，所述控制系统分别与机器人、激光器、送粉机构和送丝机构电连接，所述激光熔覆头安装在机器人的机械手臂末端。本发明的主要用途是提供一种熔覆效率高，熔覆质量好，材料利用率高，使用灵活，节约制造成本和时间成本的同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法。

Description

一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆焊接系统，特别是涉及一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法。

背景技术

激光熔覆(LMD)是指激光增材制造工艺，激光熔覆因其具有高冷却速率，且熔覆层具有细小显微组织结构，与母材冶金结合，热影响区小的特点，目前是替代表面镀铬的主要工艺。而且激光熔覆技术是金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。

目前激光熔覆大多都使用金属粉末作为填充材料，金属粉末与激光相互作用，形成的熔覆层表面质量好，但金属粉末沉积速度较低，材料利用率低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种熔覆效率高，熔覆质量好，材料利用率高，可以灵活调节熔覆金属成分，节约制造成本和时间成本的同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，用于对基材进行增材制造焊接，包括机器人、激光器、控制系统、送粉机构、激光熔覆头和送丝机构，所述基材安装在工作台上，所述激光器发射出的激光通过光纤和激光熔覆头照射至基材上形成光斑，所述送粉机构输出的金属或合金粉末通过送粉管路和激光熔覆头输出至上述光斑内，所述送丝机构将金属焊丝通过送丝管路输出至上述光斑内，所述控制系统分别与机器人、激光器、送粉机构和送丝机构电连接，所述激光熔覆头安装在机器人的机械手臂末端。

进一步地，所述金属焊丝与加热电源电连接，通过电阻热预加热金属焊丝。

进一步地，所述送丝管路与激光熔覆头安装在一起，且送丝管路送丝端的中轴线与激光熔覆头所输出激光束的中轴线之间呈30-40度角。

进一步地，所述激光熔覆头内设有激光镜组、送粉通道和激光输出通道，激光经光纤进入激光熔覆头后，通过激光镜组聚焦成束并通过激光输出通道照射至基材上形成光斑，所述激光熔覆头的送粉通道设有多个，呈环状均匀分布在激光输出通道的外侧，所述送粉通道将金属或合金粉末输送并汇集至上述光斑。

进一步地，所述送粉管路采用防静电输粉管。

一种同步送丝送粉激光熔覆焊接方法，适用于上述任一项的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，所述方法包括如下步骤：

S1、对待加工基材表面进行预处理；

S2、设定各项工艺参数；

S3、启动控制系统，控制送粉机构将金属或合金粉末输送至基材的待加工位置，然后激光器发射激光经激光熔覆头照射至基材表面的待加工位置处形成光斑，同时送丝机构启动并将金属焊丝输送至光斑内，光斑内的金属或合金粉末和金属焊丝在激光加热作用下在基材表面熔融形成熔池并在激光扫描路径后方凝固形成熔覆层。

进一步地，步骤S3中，所述控制系统先控制送粉机构送粉至基材的待加工位置，间隔15-20s待送粉均匀后再控制激光器发射激光照射到基材表面的待加工位置处形成光斑，同时控制送丝机构送丝至上述光斑内。

进一步地，所述金属焊丝直径为0.8-1.6mm，所述金属或合金粉末粒径为20-200um，所述光斑直径为1-6mm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明中将送粉与送丝相结合进行激光熔覆，相较于单独送粉或单独送丝的激光熔覆技术而言，通过热丝和粉末的同时添加，可以根据不同生产需要，在线改变熔覆金属成分，以获得新性能的熔覆金属，同时熔覆效率大大提高，熔覆质量更好，材料利用率更高，使用更加灵活，节约制造成本和时间成本；另外将使用冷金属焊丝改进为使用热金属焊丝，进一步提升了熔覆效率和熔覆质量，应用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明的同步送丝送粉激光熔覆焊接系统的结构示意图；

图2为图1所示同步送丝送粉激光熔覆焊接系统中激光熔覆头的结构图；

图3是本发明的同步送丝送粉激光熔覆焊接方法的流程图。

其中，1、激光器；2、控制系统；3、送粉机构；4、基材；5、激光熔覆头；51、激光镜组；52、送粉通道；53、激光输出通道；6、送丝机构；61、送丝管路。

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说明。

需要说明的是，在本发明的技术方案的描述中，为了清楚地描述本发明的技术特征所使用的一些方位词，例如“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”等均是按照本发明的附图方位而言的。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，用于对基材4进行增材制造，该激光熔覆焊接系统包括机器人、激光器1、控制系统2、送粉机构3、激光熔覆头5和送丝机构6，控制系统2主要包括西门子PLC和WinCC(视窗控制中心)两大模块，WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合；控制系统2通过现场总线分别与机器人、激光器1、送粉机构3和送丝机构6电连接，激光熔覆头5安装在机器人的机械手臂第六轴末端，机器人根据控制系统2发出的指令，通过机械手臂带动激光熔覆头5进行相应的转动或移动。

本实施例的基材4安装在回转工作台上，回转工作台完成工件回转运动，机器人在基材上方沿基材轴向运动。激光器1发射出的激光通过光纤和激光熔覆头5照射至基材4上形成光斑，光纤末端与激光熔覆头5相连接，用于将激光输送至激光熔覆头5内。送粉机构3输出金属或合金粉末通过送粉管路和激光熔覆头5的多孔送粉通道输出并汇集至上述光斑内，送粉管路采用防静电输粉管，具有防静电作用，可有效避免因静电吸附而产生的堵粉现象。送丝机构6将金属焊丝加热后通过送丝管路61输出至上述光斑内，金属焊丝与加热电源电连接，金属焊丝内通入电流后产生电阻热预加热金属焊丝，预加热后的金属焊丝通过送丝管路61输出至上述光斑内，相较于现有技术中采用冷丝而言，本实施例中先对金属焊丝进行加热，可以将熔融速率至少提升两倍，大大提高了加工效率，而且预加热后的金属焊丝熔融均匀，成形性佳，能够进一步提高熔融层的表面质量。本实施例中送丝管路61与激光熔覆头5安装在一起，可以随着激光熔覆头5同步移动，且送丝管路61送丝端的中轴线与激光熔覆头5所输出激光束的中轴线之间呈30-40度角，本实施例中优选为30度角。送丝端是指金属焊丝输出的一端；金属焊丝采用实芯丝材或药芯丝材，送丝方向和角度对基材4表面质量的影响很大，经技术人员多次试验计算得知，当金属焊丝与激光束呈30-40度夹角进入光斑内进行熔融时，与金属或合金粉末熔融后结合形成的熔覆层质量最好，而且稳定性高。

本实施例的激光熔覆头5内设有激光镜组51、送粉通道52和激光输出通道53，激光经光纤输送进入激光熔覆头5后通过激光镜组51聚焦成束并通过激光输出通道53照射至基材4上形成光斑，激光熔覆头5的送粉通道52设有多个，呈环状均匀分布在激光输出通道53的外侧，具体地，送粉通道52与送粉器连接，送粉器通过惰性送粉载气将金属或合金粉末送入送粉通道52内，载气可采用纯度高于99.99％的氩气或氦气，金属或合金粉末在载气带动下与激光同轴输出至基材4上的激光照射形成的熔池处并汇集形成粉斑，送粉通道52在激光输出通道外侧环状分布有3-6个，这3-6个送粉通道52与激光束中轴线之间均呈20°夹角，并在距离激光输出通道端口16mm处汇焦，形成的粉斑直径范围为1-3mm。另外，激光熔覆头5内设有与激光束同轴的保护气体通道，保护气体通道内通入的惰性保护气体为纯度高于99.99％的氩气，用于在焊接时对激光光路、激光镜组51和熔池区进行保护，避免发生飞溅损伤激光镜组51的镜片或者造成激光熔覆涂层的氧化。

如图3所示，本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接方法，适用于上述的激光熔覆焊接系统，该方法具体包括如下步骤：

S1、对待加工基材4表面进行预处理，预处理方式为清洁或打磨表面或机加工处理，具体操作根据需求确定；

S2、设定各项工艺参数，工艺参数主要包括激光功率、光斑大小等激光参数，还包括送粉速率、热丝速度等材料输送参数；

S3、启动控制系统2，控制送粉机构3将金属或合金粉末输送至基材4的待加工位置，然后激光器1发射激光经激光熔覆头5照射至基材4表面的待加工位置处形成光斑，同时送丝机构6启动并将金属焊丝输送至光斑内，光斑内的金属或合金粉末和金属焊丝在激光加热作用下在基材4表面熔融形成熔池并在激光扫描路径后方凝固形成熔覆层。开始熔覆时，控制系统2先控制送粉机构3送粉至基材4的待加工位置，间隔15-20s待送粉均匀后再控制激光器1发射激光照射到基材4表面的待加工位置处形成光斑，同时控制送丝机构6送丝至上述光斑内。金属或合金粉末和金属焊丝在光斑内同时被激光加热至熔融状态。

本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，主要针对的是热镀锌浸没辊或活套辊等具有旋转中心的零部件的熔覆增材制造，而且不限于上述的辊类结构，也可以是平板状的基材(如图2所示)。具体地，控制系统2发送指令信号至机器人、激光器1、送粉机构3和送丝机构6上，送粉机构3接收指令后以0-1.2kg/h的送粉速率将金属或合金粉末通过送粉管路和激光熔覆头5输出至基材4的待加工位置，金属或合金粉末粒径为20-200um。送粉机构3开启后间隔15-20s左右，使送粉达到稳定均匀输送，然后机器人、激光器1和送丝机构6接收指令后同时开始启动，激光器1发射波长为1030nm、功率为1000W-4000W的连续激光，激光通过光纤和激光熔覆头5照射至基材4的待加工位置上形成光斑，光斑直径为1-6mm；送丝机构6将预加热后的金属焊丝通过送丝管路61以倾斜30度角的方向侧向输出至上述光斑内，加热电源的电流为DC100A-DC300A，这个范围内的电流对金属焊丝的加热效果最好，既可以达到合适的预加热温度，又不会因温度过高而对送丝管路61或其他零件造成影响；所输送的金属焊丝直径为0.8-1.6mm，送丝速率为1-10kg/h。机器人通过控制机械手臂进而带动安装在机械手臂上的激光熔覆头5按照预设轨迹移动，移动的速度即为熔覆线速度，约为0.5-10m/min；在此过程中，光斑内的金属或合金粉末和金属焊丝融化并在基材4上形成熔池，金属或合金粉末与金属焊丝的添加比例为1:10时熔覆效果最佳，熔池凝固后形成熔覆层。

经本领域研发人员实验得知，若采用单独送粉进行激光熔覆，在激光功率为3000W时，熔覆效率为2kg/h，且粉末沉积率只有50％-70％。若采用上述方法即送粉与送丝相结合进行激光熔覆，熔覆效率可达到8kg/h，熔覆材料沉积率接近100％。显著提高了激光熔覆效率，时间成本可以节约将近75％，而且熔覆过程中产生的热效应影响非常小。

实施例2

本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其与上述实施例1的区别之处在于：本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，主要是用于煤矿液压支护设备的耐磨防腐表面强化处理，在预处理的步骤中，先对基材表面进行机加工，再用酒精对其表面进行清洁。金属或合金粉末选择碳化物或稀土，金属焊丝选择Fe-Cr-Mo-Ni。激光器1采用中心波长为1030nm、光束质量为8nm的碟片激光器，在启动控制系统2后，激光器1发出的激光为功率1200W-6000W的连续激光，金属焊丝的丝材直径在0.8-1.6mm范围内。

采用这种方法对煤矿液压支护设备表面进行耐磨防腐强化处理，产生的热效应影响小、母材稀释率低，可以在较薄的熔覆层时得到完全熔覆金属成分，加工的熔覆层厚度低至0.4-1mm。而且表面强化后的设备表面具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，表面硬度达到Hrc35-60，对表面强化后的设备表面进行中性盐雾试验，实验结果大于9级。

实施例3

本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其与上述实施例的区别之处在于：本实施例的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，主要是用于垃圾焚烧锅炉管排壁的表面强化，金属或合金粉末的材料可选择铁基、镍基，预处理的步骤中，采取对设备表面进行打磨处理，打磨处理的步骤中，先对工件表面进行打磨，再用酒精对其表面进行清洁。激光器1发出的激光为功率1000W-4000W的连续激光，金属或合金粉末在添加材料中的占比为10％～20％。

采用这种方法对垃圾焚烧锅炉管排壁的表面进行强化处理，加工的熔覆层厚度0.7-0.8mm，而且产生的热效应影响非常小，变形小，同时，表面强化后的工件表面具有良好的防腐蚀性和耐高温性能，使其稀释率小于5％，腐蚀速率小于0.14mm/年，具有良好的可控性、灵活性、可重复性、可大面积和批量加工，易于实现工业化。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，用于对基材(4)进行增材制造、焊接，其特征在于：包括机器人、激光器(1)、控制系统(2)、送粉机构(3)、激光熔覆头(5)和送丝机构(6)，所述基材(4)安装在回转工作台上，所述激光器(1)发射出的激光通过光纤和激光熔覆头(5)照射至基材(4)上形成光斑，所述送粉机构(3)输出的金属或合金粉末通过送粉管路和激光熔覆头(5)输出至上述光斑内，所述送丝机构(6)将金属焊丝通过送丝管路(61)输出至上述光斑内，所述控制系统(2)分别与机器人、激光器(1)、送粉机构(3)和送丝机构(6)电连接，所述激光熔覆头(5)安装在机器人的机械手臂末端。

2.根据权利要求1所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其特征在于：所述金属焊丝与加热电源电连接，通过电阻热预加热金属焊丝。

3.根据权利要求2所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其特征在于：所述送丝管路(61)与激光熔覆头(5)安装在一起，且送丝管路(61)送丝端的中轴线与激光熔覆头(5)所输出激光束的中轴线之间呈30-40度角。

4.根据权利要求1所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其特征在于：所述激光熔覆头(5)内设有激光镜组(51)、送粉通道(52)和激光输出通道(53)，激光经光纤进入激光熔覆头(5)后通过激光镜组(51)聚焦成束并通过激光输出通道(53)照射至基材(4)上形成光斑，所述激光熔覆头(5)的送粉通道(52)设有多个，呈环状均匀分布在激光输出通道(53)的外侧，所述送粉通道(52)将金属或合金粉末输送并汇集至上述光斑。

5.根据权利要求1所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，其特征在于：所述送粉管路采用防静电输粉管。

6.一种同步送丝送粉激光熔覆焊接方法，适用于权利要求1-5任意一项所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统，所述方法包括如下步骤：

S1、对待加工基材(4)表面进行预处理；

S2、设定各项工艺参数；

S3、启动控制系统(2)，控制送粉机构(3)将金属或合金粉末输送至基材(4)的待加工位置，然后激光器(1)发射激光经激光熔覆头(5)照射至基材(4)表面的待加工位置处形成光斑，同时送丝机构(6)启动并将金属焊丝输送至光斑内，光斑内的金属或合金粉末和金属焊丝在激光加热作用下在基材(4)表面熔融形成熔池并在激光扫描路径后方凝固形成熔覆层。

7.根据权利要求6所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接方法，其特征在于：步骤S3中，所述控制系统(2)先控制送粉机构(3)送粉至基材(4)的待加工位置，间隔15-20s待送粉均匀后再控制激光器(1)发射激光照射到基材(4)表面的待加工位置处形成光斑，同时控制送丝机构(6)送丝至上述光斑内。

8.根据权利要求7所述的一种同步送丝送粉激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述金属焊丝直径为0.8-1.6mm，所述金属或合金粉末粒径为20-200um，所述光斑直径为1-6mm。

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