CN113005447A - 一种变姿态激光熔覆加工方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变姿态激光熔覆加工方法及加工装置，通过电流产生装置产生电流、磁场产生装置产生磁场，使得磁场与电流共同作用而在激光熔覆加工的熔池中形成洛伦兹力，以平衡处于非水平的待加工面上形成的激光熔覆层的自身重力，避免激光熔覆层在重力的作用下向下流淌而造成激光熔覆层的变形，从而提高了变姿态激光熔覆再制造精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆加工领域，具体涉及一种变姿态激光熔覆加工方法及加工装置。
背景技术
激光熔覆再制造技术是基于激光熔覆技术对受损表面进行修复的一种表面处理技术，具有冷却速度快、涂层稀释率低、变形小、粉末材料几乎不受限制、熔覆层的厚度可控范围大和工艺过程易于实现自动化等优异特征，可显著改善基体受损表面耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等特性而得到广泛应用。
现有激光熔覆再制造技术中大多是基于水平基面加工的，即熔覆头/喷粉头始终保持垂直位置在水平基面上进行加工，而对于不便搬运及不便摆平的部件的表面（如大型火电站、核电站、轮船、石化和航空航天行业的装备、结构件、零部件的表面）很难进行熔覆和修复加工。为进一步拓宽激光熔覆再制造技术的应用，目前通常是通过机器人柔性变姿态实现在非水平基面上进行激光熔覆再制造。然而，在非水平面熔覆过程中，由于受重力的影响，造成激光熔覆层截面形貌下坠，表面质量难控制，严重影响了熔覆层的成形精度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种变姿态激光熔覆加工方法，以提高变姿态激光熔覆再制造精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变姿态激光熔覆加工方法，对激光熔覆的熔池增加磁场和电流，使得磁场与电流共同作用而在熔池中产生洛伦兹力，以平衡在待加工面上形成的激光熔覆层的重力，其中，所述磁场的磁场力方向与所述电流的电荷运动方向相互垂直。
优选地，加工过程中，用于产生磁场的磁场发生装置随激光熔覆头同步运动地设置，保持熔覆过程中熔池区域内磁场大小及方向始终不变。
优选地，产生的所述洛伦兹力至少具有沿竖直方向向上的竖直分力，激光熔覆加工时熔池所受准直气压力至少具有沿竖直方向向上的准直分力，所述竖直分力与所述准直分力之和与所述激光熔覆层的重力相互平衡。
优选地，所述电流的大小、所述磁场力的大小分别可调节地设置。
本发明的另一目的是提供一种变姿态激光熔覆加工装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变姿态激光熔覆加工装置，待加工工件的待加工面与水平面之间呈夹角，所述加工装置包括激光熔覆头、电流产生装置、磁场产生装置，所述激光熔覆头与磁场产生装置设于所述待加工面的同一侧，且所述激光熔覆头的出光通道、送粉通道均垂直于所述待加工面，所述电流产生装置固定地设置在所述待加工工件上，所述磁场产生装置设置在所述激光熔覆头上，且所述磁场产生装置与所述激光熔覆头始终保持同步运动。
优选地，所述电流产生装置包括正电极、负电极及稳压电源，所述正电极与所述负电极设置在所述待加工工件上，激光熔覆形成的熔覆层位于所述正电极与所述负电极之间。
优选地，所述磁场产生装置包括永磁铁，所述永磁铁有多块，所述激光熔覆头包括设有所述送粉通道的送粉喷嘴，所述送粉喷嘴的延伸方向垂直于所述待加工面，所有的所述永磁铁沿周向间隔地分布在所述送粉喷嘴的外侧。
进一步地，所述永磁铁与所述待加工面之间的距离能够调整地设置。
进一步地，所述永磁铁通过夹具装置固定地设置在所述激光熔覆头上，所述夹具装置包括可拆卸地安装在所述激光熔覆头上的夹具座，以及固设于所述夹具座上的多个安装杆，每个所述安装杆上均固定地设置有一个所述的永磁铁。
更进一步地，所述安装杆自所述夹具座朝向所述待加工面呈弧形向内弯曲地延伸，所述安装杆的一端部固定在所述夹具座上，所述安装杆的另一端部具有固定安装所述永磁铁的安装套筒。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：通过电流产生装置产生电流、磁场产生装置产生磁场，从而在激光熔覆加工的熔池中形成洛伦兹力，以平衡处于非水平的待加工面上形成的激光熔覆层的自身重力，避免激光熔覆层在重力的作用下向下流淌而造成激光熔覆层的变形，从而提高了变姿态激光熔覆再制造精度。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的变姿态激光熔覆加工装置的整体结构示意图；
图2为图1的加工装置中待加工工件及电流产生装置的结构示意图；
图3为图1的加工装置中激光熔覆头与磁场产生装置的结构示意图；
图4为图1工况下具体实施例中不同电流下熔覆层截面形貌对比图。
图5为待加工面为120°时激光熔覆层的受力分析示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1至图3所示，一种变姿态激光熔覆加工装置，待加工工件1的待加工面11与水平面之间呈夹角，本实施例示出的为待加工面11为竖直面的情形，其与水平面之间的夹角为90°。激光熔覆加工装置需要在待加工面11上加工形成激光熔覆层12。
该激光熔覆加工装置包括激光熔覆头2、电流产生装置及磁场产生装置，其中，激光熔覆头2设于待加工面11的一侧，且激光熔覆头的出光通道及送粉通道均垂直于待加工面11，电流产生装置固定地设置在待加工工件1上，磁场产生装置设置在激光熔覆头2上并与激光熔覆头2位于待加工面11的同一侧，且磁场产生装置与激光熔覆头2始终保持同步运动。
具体地，参见图1、图2所示，电流产生装置包括正电极41、负电极42及稳压电源（图中未示出），正电极41与负电极42分别设置在待加工工件1上，且激光熔覆形成的激光熔覆层11位于正电极41与负电极42之间。通过调节稳压电源的电压，能够实现对电流产生装置的电流大小进行调整，使得激光熔覆加工过程中在待加工面11上的熔池中产生不同大小的电流。
参见图1、图3所示，磁场产生装置包括永磁铁5，该永磁铁5可以为一块或多块。本实施例中永磁铁5设置有多块。激光熔覆头2包括头部本体21及设有送粉通道的送粉喷嘴22，头部本体21呈锥台状，送粉喷嘴22与头部本体21同轴设置，且送粉喷嘴22位于头部本体21的前侧以用于向待加工工件1送粉。送粉喷嘴22的长度沿方向垂直于待加工面11，所有的永磁铁5沿周向间隔地分布在送粉喷嘴22的外侧，且所有的永磁铁5与待加工面11之间的距离能够调整地设置，从而能够在激光熔覆加工过程中在待加工面11上的熔池中产生不同大小的磁场力。
具体地，参见图3所示，所有的永磁铁5通过夹具装置3固定地设置在激光熔覆头2上，夹具装置3包括可拆卸地安装在激光熔覆头2上的夹具座31，以及固设于夹具座31上的多个安装杆32，每个安装杆32上均固定地设置有一个永磁铁5。此处，夹具座31呈锥台环状，其套设在激光熔覆头2的头部本体21的外侧周部上，所有的安装杆32沿周向均匀间隔地设置在夹具座31的外侧周部，且自夹具座31向前朝向待加工面11呈弧形向内弯曲地延伸，安装杆32的一端部固定地设于夹具座31上，安装杆32的另一端部具有固定安装永磁铁5的安装套筒33，永磁铁5固定地设于安装套筒33中。
该激光熔覆加工装置在激光熔覆加工的过程中，由磁场产生装置产生磁场的磁场力方向与由电流产生装置产生电流的电荷运动方向相互垂直，由此，根据安培定律，磁场与电流的共同作用而在熔池中产生洛伦兹力，该洛伦兹力的方向与磁场力方向、电荷运动方向两两垂直，该洛伦兹力用于平衡激光熔覆层12自身的重力，使得激光熔覆层12不会因为自身重力引发的下坠而造成成形精度差的问题。
在实际的激光熔覆加工过程中，根据激光熔覆在待加工面11上的熔池的大小来调整电流及磁场的大小，即调整稳压电源的电压来调整电流的大小、通过调整磁铁距离待加工面11的距离来调整磁场力的大小。在整个激光熔覆加工过程中，磁场产生装置随激光熔覆头2同步运动，保持熔池区域内磁场大小与方向始终保持不变。产生的洛伦兹力至少有沿竖直方向向上的竖直分力，该竖直分力用于平衡激光熔覆层11的大部分重力。具体地，激光熔覆加工的过程中，熔池/激光熔覆层12还受到准直气压力，该准直气压力至少具有沿竖直方向向上的准直分力，洛伦兹力的竖直分力和准直分力之和与激光熔覆层的重力相互平衡。
图4 所示是基于附图1的加工装置的具体实验结果。该实验中，采用2000W IPG光纤激光器和库卡机械人，在立式316L不锈钢基板上熔覆一层Fe314粉末。主要加工参数为：激光功率2000W，扫描速度3mm/s，送粉速度8g/min，离焦量-5mm，待加工面11与水平面垂直，保持熔池位置的磁场强度为100mT不变，改变电流大小进行多次实验，熔覆后测量横截面熔宽、熔高以及顶点偏移量（实际最高点与理想最高点之间的水平距离），获得顶点偏移量随电流变化，并据此获得最佳电流值。
图4中给出的是选取的3种不同电流下熔覆层截面形貌，如图4（a），洛伦兹力不足以平衡重力，熔池仍然向下坍塌；如图4（b），可以得到顶点偏移量接近0的熔池；如图4（c），随洛伦兹力继续增大，偏移量逐渐降低为0，直至负值，达到了调控变姿态下熔覆层成形精度的目的。
图5示出了激光熔覆加工过程中，在熔池中施加磁场力和电流后，激光熔覆层11的受力分析图，其中：
X方向上：Gsinθ=Fa+Fb;
Y方向上：Gcosθ=Fc;
式中：
G为熔池自身的重力；
θ为待加工面11与水平面之间的夹角，该图中为120°；
Fa为对熔池产生的洛伦兹力；
Fb为由于熔池有向下流淌趋势而产生的粘性剪力；
Fc为熔池所受准直气压力。
可见，洛伦兹力的引入，使得激光熔覆层自身的重力得以平衡，避免激光熔覆层在重力的作用下向下流淌而造成激光熔覆层的变形，从而提高了变姿态激光熔覆再制造精度，这使得激光熔覆加工能够很好地适用于大型零件的熔覆及修复加工中。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变姿态激光熔覆加工方法，其特征在于：对激光熔覆的熔池增加磁场和电流，使得磁场与电流共同作用而在熔池中产生洛伦兹力，以平衡在待加工面上形成的激光熔覆层的重力，其中，所述磁场的磁场力方向与所述电流的电荷运动方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的变姿态激光熔覆加工方法，其特征在于：加工过程中，用于产生磁场的磁场发生装置随激光熔覆头同步运动地设置，保持熔覆过程中熔池区域内磁场大小及方向始终不变。
3.根据权利要求1所述的变姿态激光熔覆加工方法，其特征在于：产生的所述洛伦兹力至少具有沿竖直方向向上的竖直分力，激光熔覆加工时熔池所受准直气压力至少具有沿竖直方向向上的准直分力，所述竖直分力与所述准直分力之和与所述激光熔覆层的重力相互平衡。
4.根据权利要求1所述的变姿态激光熔覆加工方法，其特征在于：所述电流的大小、所述磁场力的大小分别可调节地设置。
5.一种变姿态激光熔覆加工装置，待加工工件的待加工面与水平面之间呈夹角，其特征在于：所述加工装置包括激光熔覆头、电流产生装置、磁场产生装置，所述激光熔覆头与磁场产生装置设于所述待加工面的同一侧，且所述激光熔覆头的出光通道、送粉通道均垂直于所述待加工面，所述电流产生装置固定地设置在所述待加工工件上，所述磁场产生装置设置在所述激光熔覆头上，且所述磁场产生装置与所述激光熔覆头始终保持同步运动。
6.根据权利要求5所述的变姿态激光熔覆加工装置，其特征在于：所述电流产生装置包括正电极、负电极及稳压电源，所述正电极与所述负电极设置在所述待加工工件上，激光熔覆形成的熔覆层位于所述正电极与所述负电极之间。
7.根据权利要求5所述的变姿态激光熔覆加工装置，其特征在于：所述磁场产生装置包括永磁铁，所述永磁铁有多块，所述激光熔覆头包括设有所述送粉通道的送粉喷嘴，所述送粉喷嘴的延伸方向垂直于所述待加工面，所有的所述永磁铁沿周向间隔地分布在所述送粉喷嘴的外侧。
8.根据权利要求7所述的变姿态激光熔覆加工装置，其特征在于：所述永磁铁与所述待加工面之间的距离能够调整地设置。
9.根据权利要求7所述的变姿态激光熔覆加工装置，其特征在于：所述永磁铁通过夹具装置固定地设置在所述激光熔覆头上，所述夹具装置包括可拆卸地安装在所述激光熔覆头上的夹具座，以及固设于所述夹具座上的多个安装杆，每个所述安装杆上均固定地设置有一个所述的永磁铁。
10.根据权利要求9所述的变姿态激光熔覆加工装置，其特征在于：所述安装杆自所述夹具座朝向所述待加工面呈弧形向内弯曲地延伸，所述安装杆的一端部固定在所述夹具座上，所述安装杆的另一端部具有固定安装所述永磁铁的安装套筒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210622 |
|
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