CN113290257A - 同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统与方法 - Google Patents
同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113290257A CN113290257A CN202110604620.6A CN202110604620A CN113290257A CN 113290257 A CN113290257 A CN 113290257A CN 202110604620 A CN202110604620 A CN 202110604620A CN 113290257 A CN113290257 A CN 113290257A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- powder feeding
- spot
- lateral
- feeding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 736
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 75
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 71
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 51
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 68
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 66
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 28
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 14
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 12
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 7
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 7
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 6
- 238000013439 planning Methods 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 4
- 229910001067 superalloy steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000013316 zoning Methods 0.000 claims 6
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 31
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 15
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 15
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 13
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 11
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 11
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 9
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910000619 316 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 2
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 2
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 VDM Metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012840 feeding operation Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004482 other powder Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明提供一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统与方法，包括激光熔覆加工头、激光光斑控制器、送粉装置以及送粉控制器，被设置用于控制送粉；送粉装置采用阵列式独立粉管的双侧送粉方式，并可通过送粉控制信号调整粉斑长度和/或宽度，并将光斑与粉斑最佳适配，实现高效高质量的异种材料同步分区打印，其中两侧的粉管成一一对称的方式同步向激光光斑位置送粉，其中至少一对向同一位置送粉的粉管分别输送不同的粉末，两种粉末在粉末汇聚点区域实现熔化冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区，从而实现宽带可调多管同步送粉，以利于进行高效率实现同一光斑下的同步分区旁轴送粉3D打印，提高熔覆效率和质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言涉及一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统与方法。
背景技术
激光熔覆增材制造，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的熔覆层。通过激光熔覆增材制造技术的应用，可在基体材料上制造出高性能的表面涂层，例如高强度、耐磨涂层，显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性，达到表面改性或者修复的目的。
在工业应用过程中，制约激光熔覆增材制造大规模推广的突出问题是熔覆效率和熔覆层的质量。较低的生产效率无法满足生产线产品的计划产能。
为了提高熔覆效率，现有技术中提出宽带激光熔覆技术，表现出较为明显的优势，与传统激光熔覆相比，宽带激光熔覆技术的熔覆效率得到显著的提升。但在在工业应用中，熔覆层的形貌难以有效控制，涂层截面成形形貌高宽比较大，容易出现中间高两边低且中间与两端高低差较大的问题，这种成形形貌带来的后续问题是机加工余量大、粉末材料浪费严重。
现有技术中尝试通过提高搭接量来减小机加工余量，但是却降低了单位时间的熔覆效率，同时由于搭接量的增加，降低的搭接区涂层的组织性能，导致表面不平度，内部组织裂纹、气孔的生成，从而影响熔覆层的成型质量和性能。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术中异种材料打印采用预混容易导致分层以及需要二次打印的效率问题，提出一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统与方法，可在同一打印层截面上不同位置成形不同的粉末材料，通过一个激光熔覆加工头可在一个单道宽度的不同区域内同时打印两种或两种以上的粉末材料(金属粉末材料)，而不需要进行分别打印，由此通过该实施可提高打印效率，而且可得到更好的涂层成形轮廓。
本发明的第一方面提出一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，包括：
激光熔覆加工头，被设置用于在工件表面形成激光光斑；
激光光斑控制器，被设置用于调节所述激光光斑；
送粉装置，被设置用以向所述激光光斑的位置输送粉末；以及
送粉控制器，被设置用于控制送粉；
其中，所述送粉装置包括：
至少一个送粉器，所述送粉器具有送粉桶；
分粉器组合，与所述至少一个送粉器连接；
第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件，位于激光熔覆加工头的两侧，并关于激光熔覆加工头的中心轴线成轴对称地设置；所述第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件内分别配置有多个独立分布的粉管；所述粉管的入口端连通至所述分粉器组合，出口端朝向激光熔覆加工头所形成的激光光斑位置；
所述送粉桶用于存储的粉末，所述送粉桶被设置成载气输送粉末至分粉器组合，并经由分粉器组合输送至所述第一侧向送粉组件的一个或者多个粉管，以及输送至第二侧向送粉组件的一个或者多个粉管；并且
所述第一侧向送粉组件的粉管被设置成与第二侧向送粉组件的粉管成一一对称的方式同步向所述激光光斑位置送粉，其中至少一对向同一位置送粉的粉管分别输送不同的粉末，两种粉末在粉末汇聚点区域实现熔化冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区。
优选地，所述激光光斑控制器被设置成控制激光光斑的宽度和/或长度。
优选地，所述激光光斑为长条形光斑，光斑尺寸大于送粉形成的粉斑尺寸。
优选地，所述第一侧向送粉组件的粉管与所述第二侧向送粉组件的粉管在数量与位置分布上均一一对应地设置。
优选地，所述第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件采用相同的结构设计。
优选地，所述第一侧向送粉组件包括扁平状的第一壳体以及安装在第一壳体内并成阵列式分布的多个粉管，相邻粉管之间的间距相等。
优选地，所述第一侧向送粉组件包括扁平状的第二壳体以及设置在第二壳体内的水冷管路，所述水冷管路具有冷却介质入口以及冷却介质出口；所述第二壳体安装在第一壳体上，并且第二壳体相对于第一壳体更加接近所述激光熔覆加工头。
优选地，所述第二壳体的截面积大于第一壳体的截面积。
优选地，所述第一侧向送粉组件的粉管为内部嵌套有石英玻璃管的铜管。
优选地，所述分粉器组合包括至少一个与第一侧向送粉组件配套连接的分粉器，以及至少一个与第二侧向送粉组件配套连接的分粉器。
优选地，所述送粉控制器被设置用于控制送粉器的送粉速度，以控制每一个粉管内的送粉量。
本发明还提出一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法，包括以下步骤：
首先，根据所需打印工件表面的熔覆层的尺寸，确定涂层制备区域大小和打印轨迹宽度、单道涂层的制备宽度，规划打印路径；再根据规划的打印路径设定送粉路径，进行送粉宽度、粉管数量及粉管间隔距离的设计，确定出粉斑尺寸；再根据设定好的送粉路径选择合适内径的粉管并确定所需送粉的粉管的数量，通过不同类型的分粉器进行粉管之间的连接，根据设定送粉路径确定送粉控制信号Si(i＝1，2……N)；
其中，在送粉路径设置时，第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的多个粉管被设置成：
1)第一侧向送粉组件的p个粉管与第二侧向送粉组件的p+1个粉管被设置同步输送第一种粉末；p小于等于P，P表示第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的粉管的总数；
2)第一侧向送粉组件的q+1个粉管与第二侧向送粉组件的q个粉管被设置同步输送第二种粉末；其中第一侧向送粉组件的第q+1个粉管与第二侧向送粉组件的第p+1个粉管输送的粉末在粉末汇聚点区域可被激光光斑熔化实现冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区；其中，P＝p+q+1；
其次，确定与粉斑尺寸适配的光斑尺寸，设定光斑尺寸大于粉斑尺寸；
最后，设置熔覆参数，编写打印程序，根据规划粉斑尺寸启动相应送粉控制信号Si同步送粉，i＝1，2……N，同时对应启动所需光斑尺寸的光斑控制信号Kj，j＝1，2……N；i≠j，得到所需尺寸的光斑，进行熔覆打印。
优选地，所述异种粉末选自钛合金、高温合金、不锈钢中的任意两种不同粉末的组合。
优选地，所述异种粉末包括：不同牌号的钢材粉末的组合；钛合金与高温合金粉末的组合；钛合金与不锈钢粉末的组合以及高温合金与不锈钢粉末的组合。
由此，在同一光斑条件下实现不同区域异种材料的同步打印送粉，只需根据打印路径分别得到异种材料的粉管组合方式，再进行调控，实现不同区域异种材料的同步打印送粉，图7B为不同粉末T1和T2打印复合层的示意，T1+T2形成冶金结合区，为两侧异种金属高性能连接提供过渡区，整个打印过程不需要分别打印，而且可以改善传统打印工艺中异种材料先进行混粉再进行输送、打印过程中造成的粉末分离和分层引起的熔覆层堆积和分层缺陷，通过本发明的分区同步送粉控制与熔覆加工可得到更好的涂层成形轮廓，且提高打印效率。
在本发明的实施例中，粉末T1和T2为钛合金(TC4)与不锈钢(316不锈钢)粉末。
本发明的一些实施例中，可依据不同产品的激光熔覆层要求和熔覆工艺，通过调整粉管的组合方式实现粉斑尺寸的位置与尺寸的调节，配合光斑尺寸，可实现在同一光斑下的异种材料分区同步送粉打印，在同一打印层截面上实现不同位置成形不同的粉末材料，即一个激光熔覆加工头可在一个单道宽度的不同区域内同时打印两种或两种以上的粉末材料(金属粉末材料)，而不需要进行分别打印，由此通过该实施可提高打印效率，而且可得到更好的涂层成形轮廓。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明示例性实施例的激光熔覆增材制造系统的示意图。
图2A是本发明示例性实施例的侧向送粉装置及侧向送粉示意图。
图2B是本发明示例性实施例的侧向送粉装置的第一侧向送粉组件的示意图。
图3是本发明示例性实施例的同一送粉器向2个侧向送粉组件送粉的示意图。
图4和图5是本发明示例性实施例的不同送粉器向2个侧向送粉组件送粉的示意图，图4和图5表示了通过不同的分粉器的组合进行分粉和输送的示例。
图6A是本发明示例性实施例的粉斑尺寸和光斑尺寸调节示意图。
图6B是本发明示例性实施例的各粉末束流在工件表面的位置关系示意图。
图7A是本发明示例性实施例的同一光斑条件下异种材料分区同步送粉打印的粉斑尺寸和光斑尺寸调节示意图，即不同区域异种材料打印粉末控制方式，其中包围了E、L虚线框区域表示两异种材料冶金混合区。
图7B是根据图7A所示进行同一光斑条件下异种材料分区同步送粉打印的结果示例，其中为不同粉末T1+T2打印复合层的示意。
图8A、8B分别是传统宽带送粉涂层截面与本发明制备的涂层截面对比示意图。
图9是本发明制备涂层和传统宽带熔覆制备涂层耐蚀性对比示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
激光熔覆增材制造系统
激光熔覆增材制造系统
结合图1-图5所示示例性实施例的激光熔覆增材制造系统，包括送粉器100、分粉器组合200、激光熔覆加工头300、旁轴送粉组件以及送粉控制器10与激光光斑控制器30。分粉器组合200与送粉器100连接。
激光光斑控制器30用以控制激光熔覆加工头300以在工件加工表面形成激光光斑，并可控制与调节光斑的宽度和/或长度。
在一些实施例中，激光熔覆加工头300优选采用OTZ可变光斑镜头，通过电动调节匀化镜单元以控制照射到工件表面的激光光斑的宽度和/或长度。
送粉控制器10，用于控制送粉器100进行送粉操作。
送粉器100可采用现有的多桶送粉器，具有多个送粉桶101，例如载气式多桶送粉器，尤其是在每个送粉桶内可设置搅拌器，对于流动性稍差的粉末可以实现连续稳定输送。一个送粉器100的多个送粉桶可装载同一种类和/或型号的粉末，或者在送粉桶中装载不同种类和/或型号的粉末，即每个送粉桶内装载一种种类和/或型号的粉末，前述的粉末尤其是指金属粉末或者合金粉末等用于增材制造的粉末材料。
分粉器组件200中设置分粉器，例如一分二分粉器、一分三分粉器、一分四分粉器等，连接到送粉器的送粉桶。
旁轴送粉组件包括第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402。第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402分别位于激光熔覆加工头的两侧，以激光熔覆加工头300的中心轴线成轴对称、并与激光熔覆加工头300成角度地安装。
结合图3、4、5所示，分粉器组合200包括至少一个与第一侧向送粉组件401配套连接的分粉器，以及至少一个与第二侧向送粉组件402配套连接的分粉器。
在一些实施例中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402与激光熔覆加工头300之间的角度可调节，例如第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402通过机械臂安装到激光熔覆加工头300两侧，则调节机械臂以调节角度。
在另一些实施例中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402与激光熔覆加工头300具有共同的安装基础平台，例如机床的床身或者升降平台上，则通过调节第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402本身的安装位置与角度，而不论他们是固定式安装或者可活动式安装。
如图1，结合图2A和2B所示，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402内分别配置有多个独立分布的粉管，为了便于描述，第一侧向送粉组件401内配置的套筒标记为401b，第二侧向送粉组件402内配置的套筒标记为402b。粉管的入口端连通至分粉器组合200，出口端朝向激光熔覆加工头300所形成光斑位置。
在图2A和2B的示例性结构中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402均以7个送粉用粉管为例，并在本发明以下实施例中以7个粉管进行送粉控制方式的说明。在本发明的教导下，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402内的送粉用粉管的数量并非以7个为限制，可设计更多或者更少的粉管，例如每一侧均包括3-6个粉管或者超过7个以上的粉管设计。
在可选的实施例中，第一侧向送粉组件401内配置的套筒401b，第二侧向送粉组件402内配置的套筒402b，可采用相同的设计，例如内部嵌套有石英玻璃管的铜管结构。石英玻璃管可设计不同的内径，例如内径为0.8mm、1.0mm、1.5mm、1.7mm、2.0mm等规格，内径尺寸依据不同工艺方式进行选择。
如图1、2A和2B所示，送粉器100的送粉桶内所存储的粉末受控地被载气输送至分粉器组合200，并经由分粉器组合200输送至第一侧向送粉组件401的一个或者多个粉管401b，以及输送至第二侧向送粉组件402的一个或者多个粉管402b，由两侧的粉管分别向光斑位置送粉，从而实现对称式宽带可调的旁轴送粉。
由此，可实现对称式宽带可调多管送粉，在激光熔覆打印加工时，可根据打印的熔覆层要求和熔覆工艺，通过调整送粉的粉管的组合方式实现粉斑尺寸的位置与尺寸的调节，达到宽带送粉、窄带送粉、间隔送粉的熔覆加工，减少搭接量和搭接次数，减少二次加热区，提高加工效率和熔覆层的质量。
优选地，第一侧向送粉组件401的粉管401b与第二侧向送粉组件402的粉管402b一一对应地设置，被设置成以对称送粉的方式向所斑位置送粉。
在优选的实施例中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402采用相同的结构设计。在以下的实施例中，我们以第一侧向送粉组件401对其结构和功能进行说明。
如图2A和2B所示的示例中，第一侧向送粉组件401包括扁平状的第一壳体401a以及安装在第一壳体内并成阵列式分布的多个粉管401b。优选地，相邻粉管401b之间的间距相等，以利于对称式宽带可调多管送粉时，均匀地控制粉斑的位置与尺寸。
如图2B所示，第一侧向送粉组件401还包括扁平状的第二壳体401c以及设置在第二壳体内的水冷管路(未表示出)，水冷管路具有冷却介质入口401c-1以及冷却介质出口401c-2，冷却介质在水冷管路内形成散热循环。
第二壳体401c安装在第一壳体401a上，并且第二壳体401c相对于第一壳体更加接近所述激光熔覆加工头300，由此，扁平状的第二壳体401c以及设置在第二壳体内的水冷管路构成水冷反光挡板，以保护送粉的筒管出口端免受激光损伤。第一壳体401a和第二壳体401c优选均为金属壳体。第一壳体401a和第二壳体401c可固定成一体式设计。
优选地，在朝向激光熔覆加工头的方向，第二壳体401c的截面积大于第一壳体401a的截面积，以更好的散热和隔绝激光，实现有效保护。
优选地，第一壳体401a的第二壳体401c的安装平面与第一壳体401a和第二壳体401c的表面平行。
在可选的实施例中，第一壳体401a设计成扁平状的长方体或者正方体结构。第二壳体402a具有上底面402a-1和与上底面平行的下底面402a-2，上底面402a-1的截面积大于下底面402a-2的截面积。下底面402a-2构成与第一壳体401a的安装面，并且下底面402a-2的截面积大于第一壳体401a的安装面的截面积。
优选地，在临近加工工件的一侧，下底面402a-2与上底面402a-1之间形成倾斜式连接。并且粉管401b的出口端的高度低于下底面402a-2的边缘。
宽带可调多管同步送粉控制
结合附图1、2A、2B所示，前述送粉器100、分粉器组合200以及位于激光熔覆加工头的两侧分布的第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402，构成宽带可调多管同步送粉装置，实现对称式宽带可调的旁轴同步送粉，可针对不同的工件表面的熔覆层要求和熔覆工艺，例如熔覆层厚度、宽度等，调节粉斑，并与粉斑适配地调节激光光斑，实现在同一光斑条件下的同种材料的宽带/窄带/间隔送粉与同步打印.。
优选地，激光光斑控制器30被设置成控制光斑尺寸与粉斑尺寸的最佳匹配，且粉斑尺寸小于光斑尺寸。
在图2A中，附图标记1表示工件，尤其是辊形工件，在激光熔覆加工过程中，被驱动沿着其中心轴线o做回转运动。通过本发明实施例的激光熔覆增材制造系统可在其表面制备功能涂层，例如耐磨、耐温、耐腐蚀、低摩擦等功能的涂层。
附图标记301表示激光束，在工件表面形成光斑A。
图3示例性表示了双侧送粉的示意图，采用一个送粉器对双侧的两个侧边送粉组件进行送粉。送粉器100以三个送粉桶为例，分别为101a、101b和101c，以分粉器组合200中包括与分别与第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402配套的一分五分粉器，其中送粉器的第一个送粉桶101a接入一个一分五分粉器，一分五分粉器的出口分别连接到第一侧向送粉组件401的五个送粉用的粉管401b中，实现粉末输送。送粉器的第二个送粉桶101b接入另一个一分五分粉器，另一个一分五分粉器的出口分别连接到第二侧向送粉组件402的五个送粉用的粉管402b中，实现粉末输送。
在具体送粉控制时，通过送粉控制器10控制送粉量和速度，实现五路对称式同步可调侧边送粉。
图3示例中以一分五为例进行的说明，实现一个送粉控制信号控制第一个送粉桶101a和第二个送粉桶101b的同步送粉，实现五个对向设置的粉管输送的粉末形成的粉斑的复合，构成宽带粉斑，在激光熔覆后，可形成接近于矩形截面的熔覆层，提高熔覆层质量。
在另外的实施例中，在采用一个送粉器对双侧的两个侧边送粉组件进行送粉的实施例中，还可以具有其他形式与数量送粉桶的送粉器，以及与熔覆层要求和熔覆工艺确定的光斑大小和宽度而选定分粉器进行配合，实现宽带粉斑、窄带或者间隔送粉的加工。
在一些实施例中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402被设置成通过同一送粉器的多个送粉桶进行送粉，尤其是指第一侧向送粉组件401的粉管和第二侧向送粉组件的粉管402所输送的粉末为同一种粉末。
图3所示的示例中，在第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的多个粉管了使用了五个，还可以使用更多或者更少的进行送粉。
图4和图5所示示例中，第一侧向送粉组件401和第二侧向送粉组件402可被设置成通过不同送粉器的送粉桶进行送粉。在可选的实施例中，第一侧向送粉组件401配套至少一个送粉器，第二侧向送粉组件402配套至少一个送粉器，分别通过各自的送粉器进行送粉。
尤其优选地，第一侧向送粉组件401的至少一个粉管以及与其对应的第二侧向送粉组件402的粉管所输送的粉末为异种粉末。
应当理解，前述图3、4与5所示的送粉器、送粉桶、分粉器组合的示例及其与第一侧向送粉组件401、第二侧向送粉组件402的配合关系，旨在示例性地表示其中的配合关系。在待打印的工件表面熔覆层的要求和熔覆工艺要求下，可根据熔覆层的尺寸、宽度和厚度，选择对应不同的送粉器、送粉桶、分粉器组合与第一侧向送粉组件401、第二侧向送粉组件402进行配合，实现送粉调整，获得不同的宽度、长度的粉斑。
粉斑和光斑调节
粉斑调节
本发明实施例的送粉装置及激光熔覆增材制造系统，实现宽带激光熔覆。可依据工艺不同要求，灵活调整送粉的粉管的组合方式。不同的组合方式得到的送粉宽度不同，将每一组合方式按照得到的粉末宽度由小到大依次通过送粉控制信号Si(i＝1，2……N)来实现开、关，每一组控制信号的启停依据具体熔覆要求或打印模型路径规划来实现，以实现不同送粉宽度的调节。而且，还可单独设置每一组连接方式的送粉量大小，实现不同区域的涂层厚度不同。
光斑调节
设置与送粉控制信号Si相对应的光斑控制信号为Kj(j＝1，2……N)，以控制光斑尺寸变化，Kn与Sn在长边方向上的尺寸关系为Kn对应的尺寸＝Sn对应的尺寸+1mm。
结合前述实施例，激光熔覆加工头采用Laserline OTZ可变光斑镜头，通过电动调节匀化镜单元来控制照射到工件表面光斑的宽度和/或长度，光斑的几何参数也可以在运动过程中得以改变，实现光斑尺寸与粉斑尺寸的最佳匹配。
在宽带激光熔覆和宽带送粉3D打印过程中，依据产品不同区域熔覆宽度要求，可调整送粉的粉管的组合方式和激光光斑的尺寸，确定粉斑尺寸和光斑尺寸，送粉控制信号S和光斑控制信号K在熔覆轨迹和3D打印轨迹程序中通过轨迹规划软件进行添加，即编写好熔覆程序，进行打印。
优选地，在每一步骤的控制信号S和K在变化之后，运动机构和工作激光出光指令统一延迟3秒钟后启动，来实现激光熔覆加工头电机运动完成和送粉宽度变换后稳定送粉。
如此，结合图1、2A、2B所示，在一个工件表面熔覆加工时，首先根据所需打印工件表面的熔覆层的要求，确定出打印路径和送粉规划；再根据送粉规划进行光斑规划；然后将送粉规划和光斑规划通过轨迹规划软件进行程序编写，设定好送粉控制信号和光斑控制信号的执行，程序被执行时，进行熔覆加工操作。
在一个示例性的打印工艺中，具体包括：
首先，根据所需打印工件表面的熔覆层的尺寸，确定涂层制备区域大小和打印轨迹宽度、单道涂层的制备宽度，规划打印路径；再根据规划的打印路径设定送粉路径，进行送粉宽度、粉管数量及粉管间隔距离的设计，确定出粉斑尺寸；再根据设定好的送粉路径选择合适内径的粉管并确定所需送粉的粉管的数量，通过不同类型的分粉器进行粉管之间的连接，根据设定送粉路径确定送粉控制信号Si(i＝1，2……N)；
其次，确定与粉斑尺寸适配的光斑尺寸，设定光斑尺寸大于粉斑尺寸；
最后，设置熔覆参数，编写打印程序，根据规划粉斑尺寸启动相应送粉控制信号Si，i＝1，2……N，同时对应启动所需光斑尺寸的光斑控制信号Kj，j＝1，2……N；i≠j，得到所需尺寸的光斑，进行熔覆打印。
其中，优选的实施例中，光斑尺寸大于粉斑尺寸1mm。
图6A是本发明示例性实施例的粉斑尺寸和光斑尺寸调节示意图，图6B是本发明示例性实施例的各粉末束流在工件表面的位置关系示意图，其中以粉末汇聚点大小3.0mm，各粉末束流在作用点的搭接量为1mm为例进行说明
我们采用Laserline LDF 10000W激光器、OTZ可变光斑加工头进行打印测试，激光器配备激光器水冷机，送粉器采用载气式送粉器，配套多个分粉器，在KUKA60-3型机器人的运动配合进行熔覆加工，熔覆层打印路径规划采用中科煜宸RAY-CAM分层切片轨迹规划软件。
我们选用Φ200m 45钢管材和规格300mm×200mm×20mm钢平板作为试验材料，粉末选择钛合金粉末体系，粒径25-150μm，真空干燥预处理2h备用。
结合图6A和6B所示，控制信号Si和Kj对应逻辑关系标记表如下：
表1粉末束搭接量1mm时控制信号Si和Ki对应关系(单位mm)
表2粉末束搭接量1.5mm时控制信号Si和Kj对应关系(单位mm)
| 编号 | S<sub>i</sub>信号组合方式对应粉斑尺寸 | K<sub>j</sub>信号对应光斑尺寸 |
| 1 | S<sub>1</sub>+S<sub>2</sub>+S<sub>3</sub>+S<sub>4</sub>+S<sub>5</sub>+S<sub>6</sub>＝12 | K<sub>4</sub>＝13 |
宽带激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层
在本实施例中，采用同种粉末材料宽带激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层，具体工艺步骤如下：
(1)工件装夹：将Φ200m 45钢管材装夹到回转平台上，管材表面用激光清洗机预处理，例如去除氧化皮和油污；
(2)激光熔覆加工头选择与安装：激光熔覆加工头选用OTZ可变光斑加工头，安装加工头信号控制线连接以及出光口保护气刀；
(3)粉管送粉连接：按照图6A的方式连接各个粉管、分粉器，并连接于送粉器的各个送粉桶，并将各组合方式的送粉控制信号标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过不同送粉控制信号的启停实现送粉器不同送粉桶的开关；
其中，第一侧向送粉组件与所述第二侧向送粉组件的粉管内径选择1.7mm，粉管下端部距离熔池35mm，35mm处粉末汇聚点大小实测3.0mm，各粉末束流在作用点的搭接量为1mm；稀释率为0.35/3*100％，约11.7％；粉末采用中科煜宸的粉末库中的耐腐蚀镍合金粉末；也可以选用其他钴基合金、耐腐蚀镍合金等粉末，例如VDM Metals的多个牌号；
(4)控制信号确定：
在钢管材表面进行2个光斑尺寸的螺旋线熔覆轨迹测试，每段测试长度100mm，第一段测试熔覆宽度7mm，即启动粉斑控制信号S3和S4，依据粉斑尺寸小于光斑尺寸1mm左右的原则，光斑尺寸长边为8mm，控制信号为K1；
第二段进行熔覆宽度15mm熔覆测试，即启动粉斑控制信号S1、S2、S3、S4、S5和S6，光斑尺寸长边为16mm，控制信号为K2；
(5)熔覆参数设置：第一段激光熔覆功率4000W，第一段激光熔覆功率6500W，扫描速度660mm/min，每个粉管出粉量设定在16g/min，依据组合方式在送粉器各个送粉桶控制界面上设定好粉盘转数；
(6)通过RAY-CAM软件编写打印轨迹程序，试运行，确定无误后出光进行熔覆加工，制备涂层。
传统激光熔覆打印过程使用单光束Φ3mm圆形光斑激光再制造，加工效率一般为0.1—0.2m2/h，本发明涉及的涂层制备效率基于粉斑和光斑尺寸可调，可在0.1—1.6m2/h范围内调整，最高加工效率相比传统圆光斑提高8—16倍以上，大幅改善传统再制造和送粉打印效率低的问题。
涂层截面形貌测试
通过上述工艺所制备的涂层截面如图8B所示，结合图8A的采用传统宽带送粉涂层截面的对比可见，本发明采用的涂层制备方法得到的涂层截面形貌与传统宽带熔覆相比，截面形状轮廓发生明显变化，涂层中间区域与左右两侧相比高低差减小，在相同有效涂层厚度h0条件下，传统宽带送粉制备的涂层搭接区长度w1大于本发明制备的涂层搭接区长度w0，呈现出矩形的趋势。因此，在单位长度方向，本发明的送粉与熔覆处理的搭接量和搭接次数减少，减少了二次加热区，相应的涂层制备效率和质量提高。
现有宽带送粉结构，由于粉末重力原因会出现粉末中间区域粉量多、两侧粉量少的问题，最终导致涂层中间区域厚两端区域薄的问题，结合图8A所示，这就会增加单道之间的搭接量，进而影响了加工效率和搭接区涂层质量。本发明针对送粉截面上粉量分布不均的问题，采用双侧多管可调式同步旁轴送粉，实现多个区域独立送粉控制，通过独立控制粉管使得中间区域和两侧区域的送粉量相同，实现了宽带送粉截面上不同区域的粉量控制，使得两侧的送粉量与中间区域送粉量相当，从而得到涂层中间和两侧厚度相当的截面形貌，解决了传统宽带送粉方式中间粉量多、两侧粉量少的问题，熔覆加工得到的涂层截面形貌就不再是传统的中间厚两侧薄的截面形状，而且接近于矩形，由此，减少搭接量，提高后期加工效率，也节约了成本。
结合图8A和8B所示，通过本发明的送粉装置送粉进行激光熔覆制备的涂层，其端部与传统方式相比，二者弧面曲率不同。工艺实施环节需要在有效涂层厚度h0这一基准线上进行搭接量的设定，传统方式制备的涂层从涂层边界到h0这一高度值的水平尺寸w1明显大于本发明制备的涂层w0值，w值即为搭接区尺寸，由此可见，熔覆加工所需要的搭接区域减少了，相应的，在相同熔覆面积、相同单道宽度条件下，采用本发明的送粉处理所需要的单道熔覆数量少，因此，涂层制备时间相应地缩短，效率得到提升。
同时，由于搭接区为二次重熔区，二次重熔会导致涂层某些微量元素的烧损，进而影响相应的性能，同时二次重熔在某种程度上也加剧了涂层元素的氧化，可能二次引入氧化物，这会降低涂层的耐腐蚀性能。在单位长度方向，本发明采用的送粉控制之后，熔覆加工的搭接量和搭接次数减少了，减少了二次加热区，相应的涂层制备效率和质量提高。
涂层耐腐蚀测试
结合图9所示，采用相同规格管材表面采用传统宽带熔覆和本发明方式制备单层涂层机加工之后进行表面中性盐雾性能测试(280h中性盐雾测试)，本发明制备的涂层腐蚀锈点明显比传统宽带熔覆制备的涂层锈点少，其中左侧位置部分为本发明制备的涂层耐蚀性测试表面形貌，右侧位置部分为传统宽带熔覆制备的涂层耐蚀性测试表面形貌，可见二者的耐蚀性能具有较大差别，本发明制备的单层涂层的耐腐蚀性能明显优于传统的涂层。
本发明涉及的涂层制备方法中，采用的载气式送粉，尤其是使用氩气，与传统重力送粉相比，增加了熔池氩气保护作用，减少了熔池熔融金属氧化现象，同时由于单道熔覆宽度和截面形貌可调，单位面积内的搭接区数量和单道熔覆层之间的搭接率减少，由于搭接区为二次重熔区，二次重熔会导致涂层某些微量元素或功能元素的烧损，进而影响相应的性能，同时二次重熔在某种程度上也加剧了涂层元素的氧化，可能二次引入氧化物，这会降低涂层的耐腐蚀性能。在相同熔覆面积、相同单道宽度条件下，采用本发明的送粉方式进行熔覆加工的搭接量少，进一步减少涂层中氧化物夹渣、未熔合等缺陷的产生，相应的涂层性能弱化区少，涂层性能得到提升。
可变光斑、可变粉斑3D打印
(1)工件装夹：将45钢平板装夹到工作平台上，板材表面用激光清洗机预处理，例如去除氧化皮和油污；
(2)激光熔覆加工头选择与安装：激光熔覆加工头选用OTZ可变光斑加工头，安装加工头信号控制线连接以及出光口保护气刀；
(3)粉管送粉连接：按照图6A的方式连接各个粉管、分粉器，并连接于送粉器的各个送粉桶，并将各组合方式的送粉控制信号标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过不同送粉控制信号的启停实现送粉器不同送粉桶的开关；
其中，第一侧向送粉组件与所述第二侧向送粉组件的粉管内径选择1.7mm，粉管下端部距离熔池35mm，35mm处粉末汇聚点大小实测3.0mm，各粉末束流在作用点的搭接量为1mm；
(4)控制信号确定：在平板表面进行三个光斑尺寸的单道墙打印测试，每段测试长度100mm：
第一道墙打印宽度7mm，即启动粉斑控制信号S3和S4，依据粉斑尺寸小于光斑尺寸1mm左右的原则，光斑尺寸长边为8mm，控制信号为K1；
第二道墙打印宽度11mm，即启动粉斑控制信号S2、S3、S4和S5，光斑尺寸长边为12mm，控制信号为K3；
第三道墙打印宽度15mm，即启动粉斑控制信号S1、S2、S3、S4、S5和S6，光斑尺寸长边为16mm，控制信号为K2；
(5)打印参数设置：三道墙打印的激光功率依次设置为4000W、5000W和6500W，扫描速度600mm/min，每个粉管出粉量设定在16g/min，依据组合方式在送粉器各个送粉桶控制界面上设定好粉盘转数；
(6)通过RAY-CAM软件编写打印轨迹程序，将控制信号S和K添加到打印轨迹程序中，试运行，确定无误后出光打印。
同一光斑条件下异种材料分区同步送粉打印
在本实施例中，采用前述实施例的送粉装置及激光熔覆系统，在同一光斑条件下，针对异种材料进行分区同步送粉打印。送粉装置采用阵列式独立粉管的双侧送粉方式，通过送粉控制信号调整粉斑长度和/或宽度，并将光斑与粉斑最佳适配，实现高效高质量的异种材料同步分区打印，其中两侧的粉管成一一对称的方式同步向激光光斑位置送粉，其中至少一对向同一位置送粉的粉管分别输送不同的粉末，两种粉末在粉末汇聚点区域实现熔化冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区，从而实现宽带可调多管同步送粉，以利于进行高效率进行同一光斑下的同步分区旁轴送粉3D打印，提高熔覆效率和质量。
作为优选的实施例的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法，包括以下步骤：
首先，根据所需打印工件表面的熔覆层的尺寸，确定涂层制备区域大小和打印轨迹宽度、单道涂层的制备宽度，规划打印路径；再根据规划的打印路径设定送粉路径，进行送粉宽度、粉管数量及粉管间隔距离的设计，确定出粉斑尺寸；再根据设定好的送粉路径选择合适内径的粉管并确定所需送粉的粉管的数量，通过不同类型的分粉器进行粉管之间的连接，根据设定送粉路径确定送粉控制信号Si(i＝1，2……N)；
其中，在送粉路径设置时，第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的多个粉管被设置成：
1)第一侧向送粉组件的p个粉管与第二侧向送粉组件的p+1个粉管被设置同步输送第一种粉末；p小于等于P，P表示第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的粉管的总数；
2)第一侧向送粉组件的q+1个粉管与第二侧向送粉组件的q个粉管被设置同步输送第二种粉末；其中第一侧向送粉组件的第q+1个粉管与第二侧向送粉组件的第p+1个粉管输送的粉末在粉末汇聚点区域可被激光光斑熔化实现冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区；其中，P＝p+q+1；
其次，确定与粉斑尺寸适配的光斑尺寸，设定光斑尺寸大于粉斑尺寸；
最后，设置熔覆参数，编写打印程序，根据规划粉斑尺寸启动相应送粉控制信号Si同步送粉，i＝1，2……N，同时对应启动所需光斑尺寸的光斑控制信号Kj，j＝1，2……N；i≠j，得到所需尺寸的光斑，进行熔覆打印。
作为示例的打印工艺如下：
(1)工件装夹：将45钢平板装夹到工作平台上，板材表面用激光清洗机预处理，例如去除氧化皮和油污；
(2)激光熔覆加工头选择与安装：激光熔覆加工头选用OTZ可变光斑加工头，安装加工头信号控制线连接以及出光口保护气刀；
(3)粉管送粉连接：按照图7A的方式连接各个粉管、分粉器，并连接于送粉器的各个送粉桶，并将各组合方式的送粉控制信号标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过不同送粉控制信号的启停实现送粉器不同送粉桶的开关；
其中，第一侧向送粉组件与所述第二侧向送粉组件的粉管内径选择1.7mm，粉管下端部距离熔池35mm，35mm处粉末汇聚点大小实测3.0mm，各粉末束流在作用点的搭接量为1mm；
(4)控制信号确定：在刚平板表面进行异种材料T1和T2冶金结合复合板单道墙打印测试：
测试长度200mm，启动粉斑控制信号S1、S2和S4、S5，四个信号启动后共同输送粉末T1，启动光斑控制信号K3；启动粉斑控制信号S3和S6，两个信号共同输送粉末T2，启动光斑控制信号K1；
图7A中标记为E和L的粉管分别输送T2和T1粉末，两种粉末材料在该区域实现熔化冶金反应，T1+T2形成冶金结合区，为两侧异种金属高性能连接提供过渡区；
(5)打印参数设置：激光功率为5400W，扫描速度730mm/min，每个粉管出粉量设定在16g/min，依据组合方式在送粉器各个送粉桶控制界面上设定好粉盘转数；
(6)通过RAY-CAM软件编写打印轨迹程序，将控制信号S和K添加到打印轨迹程序中，试运行，确定无误后出光打印。
结合图7A和7B所示，两种不同材料的激光熔覆加工，其中，第一侧向送粉组件401的粉管与第二侧向送粉组件402的粉管成一一对称的方式同步向激光光斑位置送粉；并且，其中至少一对向同一位置送粉的粉管(即图示中的E和L粉管)分别输送不同的粉末，两种粉末在粉末汇聚点区域实现熔化冶金反应，形成冶金结合区。
由此，在同一光斑条件下实现不同区域异种材料的同步打印送粉，只需根据打印路径分别得到异种材料的粉管组合方式，再进行调控，实现不同区域异种材料的同步打印送粉，图7B为不同粉末T1和T2打印复合层的示意，T1+T2形成冶金结合区，为两侧异种金属高性能连接提供过渡区，整个打印过程不需要分别打印，而且可以改善传统打印工艺中异种材料先进行混粉再进行输送、打印过程中造成的粉末分离和分层引起的熔覆层堆积和分层缺陷，通过本发明的分区同步送粉控制与熔覆加工可得到更好的涂层成形轮廓，且提高打印效率。
在本发明的实施例中，粉末T1和T2为钛合金(TC4)与不锈钢(316不锈钢)粉末。
在另外的实施例中，还可以实现其他类型的钛合金、高温合金、不锈钢中的不同粉末的组合，包括但不限于：不同牌号的钢材粉末的分区同步送粉打印，如316与235牌号的不锈钢粉末的混合；钛合金与高温合金粉末的分区同步送粉打印，例如TC4钛合金粉末与IN625/IN718牌号的镍基高温合金的混合；钛合金与不锈钢粉末的分区同步送粉打印，例如TC4钛合金粉末与316牌号的不锈钢粉末的混合；以及高温合金与不锈钢粉末的分区同步送粉打印，例如N625/IN718牌号镍基高温合金与316不锈钢粉末的混合。
在不同的打印组合下，可根据所选择的材料和熔覆层要求，确定工艺参数，例如激光功率、扫描速度、出粉量等。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (11)
1.一种同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，包括：
激光熔覆加工头，被设置用于在工件表面形成激光光斑；
激光光斑控制器，被设置用于调节所述激光光斑；
送粉装置，被设置用以向所述激光光斑的位置输送粉末；以及
送粉控制器，被设置用于控制送粉；
其中，所述送粉装置包括：
至少一个送粉器，所述送粉器具有送粉桶；
分粉器组合，与所述至少一个送粉器连接；
第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件，位于激光熔覆加工头的两侧，并关于激光熔覆加工头的中心轴线成轴对称地设置；所述第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件内分别配置有多个独立分布的粉管；所述粉管的入口端连通至所述分粉器组合，出口端朝向激光熔覆加工头所形成的激光光斑位置；
所述送粉桶用于存储的粉末，所述送粉桶被设置成载气输送粉末至分粉器组合，并经由分粉器组合输送至所述第一侧向送粉组件的一个或者多个粉管，以及输送至第二侧向送粉组件的一个或者多个粉管；并且
所述第一侧向送粉组件的粉管被设置成与第二侧向送粉组件的粉管成一一对称的方式同步向所述激光光斑位置送粉，其中至少一对向同一位置送粉的粉管分别输送不同的粉末，两种粉末在粉末汇聚点区域实现熔化冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区。
2.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述激光光斑控制器被设置成控制激光光斑的宽度和/或长度。
3.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述激光光斑为长条形光斑，光斑尺寸大于送粉形成的粉斑尺寸。
4.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述第一侧向送粉组件的粉管与所述第二侧向送粉组件的粉管在数量与位置分布上均一一对应地设置。
5.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述第一侧向送粉组件包括扁平状的第一壳体以及安装在第一壳体内并成阵列式分布的多个粉管，相邻粉管之间的间距相等。
6.根据权利要求5所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述第一侧向送粉组件包括扁平状的第二壳体以及设置在第二壳体内的水冷管路，所述水冷管路具有冷却介质入口以及冷却介质出口；所述第二壳体安装在第一壳体上，并且第二壳体相对于第一壳体更加接近所述激光熔覆加工头。
7.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述第二壳体的截面积大于第一壳体的截面积。
8.根据权利要求1所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统，其特征在于，所述送粉控制器被设置用于控制送粉器的送粉速度，以控制每一个粉管内的送粉量。
9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆系统的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据所需打印工件表面的熔覆层的尺寸，确定涂层制备区域大小和打印轨迹宽度、单道涂层的制备宽度，规划打印路径；再根据规划的打印路径设定送粉路径，进行送粉宽度、粉管数量及粉管间隔距离的设计，确定出粉斑尺寸；再根据设定好的送粉路径选择合适内径的粉管并确定所需送粉的粉管的数量，通过不同类型的分粉器进行粉管之间的连接，根据设定送粉路径确定送粉控制信号Si(i＝1，2……N)；
其中，在送粉路径设置时，第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的多个粉管被设置成：
1)第一侧向送粉组件的p个粉管与第二侧向送粉组件的p+1个粉管被设置同步输送第一种粉末；p小于等于P，P表示第一侧向送粉组件和第二侧向送粉组件的粉管的总数；
2)第一侧向送粉组件的q+1个粉管与第二侧向送粉组件的q个粉管被设置同步输送第二种粉末；其中第一侧向送粉组件的第q+1个粉管与第二侧向送粉组件的第p+1个粉管输送的粉末在粉末汇聚点区域可被激光光斑熔化实现冶金反应，形成冶金结合区作为过渡区；其中，P＝p+q+1；
其次，确定与粉斑尺寸适配的光斑尺寸，设定光斑尺寸大于粉斑尺寸；
最后，设置熔覆参数，编写打印程序，根据规划粉斑尺寸启动相应送粉控制信号Si同步送粉，i＝1，2……N，同时对应启动所需光斑尺寸的光斑控制信号Kj，j＝1，2……N；i≠j，得到所需尺寸的光斑，进行熔覆打印。
10.根据权利要求9所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法，其特征在于，所述异种粉末选自钛合金、高温合金、不锈钢中的任意两种不同粉末的组合。
11.根据权利要求9所述的同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法，其特征在于，所述异种粉末包括：不同牌号的钢材粉末的组合；钛合金与高温合金粉末的组合；钛合金与不锈钢粉末的组合以及高温合金与不锈钢粉末的组合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110604620.6A CN113290257B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110604620.6A CN113290257B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113290257A true CN113290257A (zh) | 2021-08-24 |
| CN113290257B CN113290257B (zh) | 2022-11-29 |
Family
ID=77326563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110604620.6A Active CN113290257B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113290257B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113182534A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-30 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 送粉装置及具有送粉装置的激光熔覆增材制造系统与方法 |
| CN114000144A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-01 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 零件及其涂层制备方法 |
| CN114032541A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-11 | 武汉武钢华工激光大型装备有限公司 | 一种激光熔覆宽带送粉嘴和激光熔覆装置 |
| CN114632945A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-17 | 南华大学 | 激光金属直接成形工艺的形貌误差补偿方法 |
| CN115229215A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-10-25 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 用于增材制造梯度材料的装置与方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106513676A (zh) * | 2016-08-23 | 2017-03-22 | 西北工业大学 | 一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法 |
| CN107287590A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-10-24 | 大连理工大学 | 激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴 |
| US20180318929A1 (en) * | 2017-05-02 | 2018-11-08 | Additec Additive Technologies, LLC | Smart additive manufacturing device |
| CN109536955A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-03-29 | 南京工业大学 | 采用激光同轴同步送粉法熔覆模具修复工艺 |
| CN110684974A (zh) * | 2019-09-10 | 2020-01-14 | 武汉武钢华工激光大型装备有限公司 | 一种可变光斑的振镜扫描式激光熔覆加工头装置 |
| CN213203206U (zh) * | 2020-08-06 | 2021-05-14 | 沈阳中钛装备制造有限公司 | 激光熔敷送粉系统、激光熔敷装置 |
| CN113182534A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-30 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 送粉装置及具有送粉装置的激光熔覆增材制造系统与方法 |
-
2021
- 2021-05-31 CN CN202110604620.6A patent/CN113290257B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106513676A (zh) * | 2016-08-23 | 2017-03-22 | 西北工业大学 | 一种光斑与粉斑自动协同可控的激光金属增材制造装置及方法 |
| US20180318929A1 (en) * | 2017-05-02 | 2018-11-08 | Additec Additive Technologies, LLC | Smart additive manufacturing device |
| CN107287590A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-10-24 | 大连理工大学 | 激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴 |
| CN109536955A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-03-29 | 南京工业大学 | 采用激光同轴同步送粉法熔覆模具修复工艺 |
| CN110684974A (zh) * | 2019-09-10 | 2020-01-14 | 武汉武钢华工激光大型装备有限公司 | 一种可变光斑的振镜扫描式激光熔覆加工头装置 |
| CN213203206U (zh) * | 2020-08-06 | 2021-05-14 | 沈阳中钛装备制造有限公司 | 激光熔敷送粉系统、激光熔敷装置 |
| CN113182534A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-30 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 送粉装置及具有送粉装置的激光熔覆增材制造系统与方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113182534A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-30 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 送粉装置及具有送粉装置的激光熔覆增材制造系统与方法 |
| CN113182534B (zh) * | 2021-05-31 | 2022-11-29 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 基于激光熔覆增材制造系统实现的激光熔覆增材制造方法 |
| CN114032541A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-11 | 武汉武钢华工激光大型装备有限公司 | 一种激光熔覆宽带送粉嘴和激光熔覆装置 |
| CN114032541B (zh) * | 2021-10-28 | 2024-03-26 | 武汉武钢华工激光大型装备有限公司 | 一种激光熔覆宽带送粉嘴和激光熔覆装置 |
| CN114000144A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-01 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 零件及其涂层制备方法 |
| CN114000144B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-11-07 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 零件及其涂层制备方法 |
| CN114632945A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-17 | 南华大学 | 激光金属直接成形工艺的形貌误差补偿方法 |
| CN115229215A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-10-25 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 用于增材制造梯度材料的装置与方法 |
| CN115229215B (zh) * | 2022-07-27 | 2023-08-29 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 用于增材制造梯度材料的装置与方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113290257B (zh) | 2022-11-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113182534B (zh) | 基于激光熔覆增材制造系统实现的激光熔覆增材制造方法 | |
| CN113290257B (zh) | 同一光斑异种材料同步分区送粉激光熔覆方法 | |
| CN216226916U (zh) | 激光熔覆增材制造系统 | |
| CN214736092U (zh) | 激光熔覆增材制造用送粉装置 | |
| US2295702A (en) | Method of and apparatus for applying metal coatings | |
| CN107717189B (zh) | 一种三丝焊枪和多丝埋弧焊方法 | |
| CN112108769A (zh) | 一种同步送丝送粉激光熔覆焊接系统及熔覆焊接方法 | |
| EP0279113B1 (en) | Manufacture of shape melted austenitic material components | |
| CN100509243C (zh) | 大型滑履磨筒体进、出口滑环的装焊工艺方法 | |
| CN101508049B (zh) | 炮弹铜合金导带tig自动堆焊工艺及装置 | |
| KR20220100951A (ko) | 다중 레이저 증착 용접 헤드를 갖는 레이저 증착 용접 장치 | |
| US4160048A (en) | Method of making a composite cast iron dryer or the like | |
| CN112195467B (zh) | 盘类件高速激光熔覆制备功能涂层变形量控制方法与系统 | |
| CN206415882U (zh) | 一种大幅面零部件的增减材复合制造设备 | |
| US20100034647A1 (en) | Processes for the formation of positive features on shroud components, and related articles | |
| CN110923700A (zh) | 一种钢表面涂层、制备方法及装置 | |
| CN211199407U (zh) | 一种金属基体表面涂层结构及成型装置 | |
| CN109604771B (zh) | 一种双面交替toptig冷丝增材制造系统及制造方法 | |
| CN110560833A (zh) | 火焰切割过渡坡口的加工方法 | |
| KR20080103269A (ko) | 선체 외판의 곡면가공 자동화 장치 | |
| CN114226911A (zh) | 一种等离子-电弧复合焊接方法 | |
| CN115846686A (zh) | 一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法 | |
| CN107127455A (zh) | 一种激光‑搅拌摩擦焊接金刚石工具的方法 | |
| CN108437607A (zh) | 一种三明治板成型用的连续式生产工艺 | |
| CN212264826U (zh) | 一种用于窄间隙焊接的焊炬结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |