CN113427007A - 一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光表面熔覆技术领域，特别涉及一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，包括建立被损伤零件的修复区数模；根据修复区数模设置扫描轨迹；依据扫描轨迹利用熔覆头对被损伤零件进行熔覆处理。进一步的，所述建立被损伤零件的修复区数模包括：将被损伤零件水平固定在固定工装上，保持损伤区表面水平，被损伤零件能以水平轴线转动；对被损伤零件的损伤尺寸进行量取；通过量取到的损伤尺寸确定熔覆区的扫描区域尺寸；通过熔覆区的扫描区域尺寸设计损伤修复区数模；实现超高强钢和钛合金零件的超高速扫描沉积，从而实现超高强钢和钛合金等高性能零件的激光熔覆稀释率小于5％。
Description
技术领域
本发明属于激光表面熔覆技术领域，特别涉及一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法。
背景技术
现有超高强钢和钛合金等高性能结构材料的损伤，通常采用激光熔覆和氩弧焊等熔化方法；目前常规激光熔覆技术熔覆层的重熔区大，熔覆合金成分的稀释率在20％以上，对超高强钢和钛合金等零件基材的力学性能影响大，难以达到使用要求。因此需要采用低稀释率的高精度熔覆技术，来减小熔覆层的重熔区，并使激光熔覆的稀释率降低至5％以下。其中激光熔覆的稀释率是指熔覆一层涂层时基材的熔化深度除以涂层厚度和熔化深度之和，表示激光熔化过程基材熔化扩散进涂层的多少。
此外，超高速激光熔覆需要零件是轴对称结构高速旋转，实现激光的相对高速运动获得小的重熔区，对于复杂结构零件或者非轴对称沉积区无法使用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，所述方法包括：
建立被损伤零件的修复区数模；
根据修复区数模设置扫描轨迹；
依据扫描轨迹利用熔覆头对被损伤零件进行熔覆处理。
进一步的，所述建立被损伤零件的修复区数模包括：
将被损伤零件水平固定在固定工装上，保持损伤区表面水平，被损伤零件能以水平轴线转动；
对被损伤零件的损伤尺寸进行量取；
通过量取到的损伤尺寸确定熔覆区的扫描区域尺寸；
通过熔覆区的扫描区域尺寸设计损伤修复区数模。
进一步的，所述设置扫描轨迹包括：
通过在损伤修复区数模上，模拟若干组单道熔覆层依次搭接，从而形成扫描轨迹。
进一步的，所述模拟若干组单道熔覆层依次搭接包括：
将相邻两组单道熔覆层的搭接率设置为80％-90％，所述搭接率的计算公式为：搭接率＝D/W×100％，其中D为搭接区的宽度；所述搭接区为相邻两组单道熔覆层之间的重合区域；W为单道熔覆层的宽度。
进一步的，所述熔覆处理包括：
若干组激光器5发出的激光汇聚于一点形成激光汇聚点，通过机械手使激光汇聚点与被损伤零件的表面保持水平；测量激光会聚点的高度；使激光会聚点的高度保持在被修复区损伤区表面上方10-20mm；
将被损伤零件放在惰性气氛保护箱中，当氧含量低于1000PPM后开始激光熔覆；
打开气载送粉器，启动超声振动换能器和变幅杆，振动毛细送粉管的同时通过气载送粉器将30-50μm的金属粉末送出；
打开若干组激光器，所述毛细送粉管中的金属粉末垂直经过激光会聚区送进熔覆区域，熔覆在被损伤零件的表面；
将机械手提升一层熔覆层的高度开始下一层重复熔覆，直到损伤区数模全部扫描轨迹完成并达到要求的熔覆层厚度。
进一步的，所述熔覆处理还包括：
将所述激光器的激光功率设置为500-1000W；将所述激光器和毛细送粉管以10-200m/min的速度沿扫描轨迹进行扫描移动。
进一步的，所述扫描移动包括：
沿被损伤零件的水平轴向方向往复扫描；当水平轴向方向扫描完成后，将被损伤零件沿水平径向转动角度，继续沿水平轴向方向扫描，直到完成本层所有需要熔覆的区域。
进一步的，所述被损伤零件沿水平径向转动的角度的计算公式为：
沿水平径向转动的角度＝360°×W×(1-搭接率)/2πR，其中W为单道熔覆层的宽度，R为损伤零件的水平径向转动半径；搭接率设置为80％-90％。
进一步的，所述方法还包括：所述熔覆处理完成后，依次关闭激光器、气载送粉器、超声振动换能器和变幅杆。
本发明的有益效果是：
1、通过打开气载送粉器、若干组激光器、启动超声振动换能器和变幅杆，金属粉末经过激光会聚点后熔覆在被损伤零件的表面，激光功率500-1000W，毛细送粉管以10-200m/min的速度进行扫描移动，实现超高强钢和钛合金零件的超高速扫描沉积，从而实现超高强钢和钛合金等高性能零件的激光熔覆稀释率小于5％；
2、通过超声振动辅助毛细送粉管的同步送粉，金属粉末垂直经过激光会聚区送进熔覆区域，高速移动激光熔覆头，实现超高强钢和钛合金零件的超高速激光熔覆。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的熔覆头的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的激光汇聚区与单道熔覆层的示意图；
图中：1、送粉管；2、超声振动换能器；3、毛细送粉管安装座；4、毛细送粉管；5、激光器；6、熔覆区域；7、基板；8、激光汇聚区；9、单道熔覆层；10、搭接区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，包括：
建立被损伤零件的修复区数模；
根据修复区数模设置扫描轨迹；
依据扫描轨迹利用熔覆头对被损伤零件进行熔覆处理；
熔覆完成，并将修复后的被损伤零件从惰性气氛保护箱中取出。
具体的，所述建立被损伤零件的修复区数模包括：
将被损伤零件水平固定在固定工装上，保持损伤区表面水平，被损伤零件能以水平轴线转动；
对被损伤零件的损伤尺寸进行游标卡尺量取；
通过游标卡尺量取到的损伤尺寸确定熔覆区的扫描区域尺寸；
通过熔覆区的扫描区域尺寸设计损伤修复区数模。
示例性的，所述被损伤零件可以为超高强钢和钛合金零件。
具体的，所述设置扫描轨迹包括：
通过在损伤修复区数模上，通过增材路径规划软件，模拟若干组单道熔覆层依次搭接，从而形成扫描轨迹。
具体的，所述模拟若干组单道熔覆层依次搭接包括：
将相邻两组单道熔覆层的搭接率设置为80％-90％；
具体的，所述搭接率的计算公式为：搭接率＝D/W×100％，其中D为搭接区10的宽度；所述搭接区10为相邻两组单道熔覆层9之间的重合区域；W为单道熔覆层9的宽度。
具体的，如图1所示，在工作过程中，采用机械手对熔覆头进行夹持。所述熔覆头包括超声振动换能器2、毛细送粉管安装座3、毛细送粉管4和激光器5；
所述毛细送粉管4固定安装在所述毛细送粉管安装座3的下方，且与所述毛细送粉管安装座3连通；所述毛细送粉管4的内径为100μm；所述毛细送粉管安装座3上还设置有送粉管1，所述送粉管1与所述毛细送粉管4连通，所述送粉管1通过气载的方式提供熔覆所需的金属粉末；
所述毛细送粉管安装座3还与所述超声振动换能器2固定连接，所述超声振动换能器2上还设置有变幅杆，所述变幅杆用于改变增大所述超声振动换能器2的振幅、提高振速比，延长超声振动换能器2的使用寿命。
若干组所述激光器5以所述毛细送粉管4的中轴线为中心轴呈环形阵列，并与所述毛细送粉管4固定连接，且若干组激光器5的发出的激光汇聚于一点处，称为激光汇聚点。
示例性的，若干组所述激光器5下方设置有基板7，且若干组所述激光器5发出的激光汇聚点高于基板9的表面，若干组所述激光器5发出的激光照射在从所述毛细送粉管4落下的金属粉末上，在所述基板7的表面上形成单道熔覆层9。
示例性的，所述基板7可为被损伤零件。
使激光汇聚点与被损伤零件的表面保持水平，测量激光会聚点的高度；使激光会聚点的高度保持在被修复区损伤区表面上方10-20mm。
将被损伤零件放在惰性气氛保护箱中，当氧含量低于1000PPM后开始激光熔覆。
打开气载送粉器，启动超声振动换能器和变幅杆，振动所述毛细送粉管的同时通过气载送粉器将30-50μm的金属粉末送出，可以有效减少毛细送粉管中金属粉末的堵塞。
具体的，如图2所示；打开若干组激光器5，毛细送粉管4中的金属粉末垂直经过激光会聚区8送进熔覆区域6，熔覆在被损伤零件的表面，形成单道熔覆层9；所述激光汇聚区8是由若干组所述激光器5发出的激光束汇聚而成的区域。
进一步的，所述熔覆处理包括：
将所述激光器的激光功率设置为500-1000W；
将所述激光器和毛细送粉管以10-200m/min的速度沿扫描轨迹进行扫描移动。
示例性的，通过打开气载送粉器、若干组激光器、启动超声振动换能器和变幅杆，实现超高强钢和钛合金零件的超高速扫描沉积，从而实现超高强钢和钛合金等高性能零件的激光熔覆稀释率小于5％；例如，当激光沉积层厚约1mm时，此时基材的重熔深度小于50μm；当激光沉积层厚约2mm时，此时基材的重熔深度小于100μm。
扫描移动沿着被损伤零件的水平轴向方向，并往复扫描；
当水平轴向方向扫描完成后，将被损伤零件沿水平径向转动角度，继续沿水平轴向方向扫描熔覆直到完成本层所有需要熔覆的区域。
所述被损伤零件沿水平径向转动的角度为：
沿水平径向的转动角度的计算公式为：
沿水平径向转动的角度＝360°×W×(1-搭接率)/2πR，其中W为单道熔覆层的宽度，R为损伤零件的水平径向转动半径。所述搭接率设置为80％-90％。
通过超声振动辅助毛细送粉管的同步送粉，金属粉末垂直经过激光会聚区送进熔覆区域，高速移动激光熔覆头，实现超高强钢和钛合金零件的超高速激光熔覆。
将机械手提升一层熔覆层的高度开始下一层重复熔覆，直到损伤区数模全部扫描轨迹完成并达到要求的熔覆层厚度。
需要说明的是，在对被损失零件熔覆修复完成后，需要依次关闭激光器、气载送粉器、超声振动换能器和变幅杆。
示例性的，以超高强钢作动筒外壁激光熔覆修复为例，通过上述方法其实现过程如下：
将被损伤作动筒筒体水平固定在固定工装上，保持损伤区表面水平，被损伤作动筒能以水平轴线转动；对被损伤作动筒的损伤尺寸进行量取；通过量取到的损伤尺寸确定熔覆区的扫描区域尺寸；通过熔覆区的扫描区域尺寸设计损伤修复区数模。
通过在损伤修复区数模上，模拟若干组单道熔覆层依次搭接，从而形成扫描轨迹；将相邻两组单道熔覆层的搭接率设置为80％。
采用机械手夹持熔覆头；使激光汇聚点与被损伤作动筒的表面保持水平，测量激光会聚点的高度，使激光会聚点的高度保持在被修复区损伤区表面上方10mm。
将被损伤作动筒放在惰性气氛保护箱中，当氧含量低于1000PPM后开始激光熔覆。
打开气载送粉器，启动超声振动换能器和变幅杆，振动所述毛细送粉管的同时通过气载送粉器将30-50μm的金属粉末送出，可以有效减少毛细送粉管中金属粉末的堵塞。
打开若干组激光器，毛细送粉管中的金属粉末垂直经过激光会聚区熔覆在被损伤作动筒的表面；
所述激光器的激光功率设置为600W；所述激光器和毛细送粉管以30m/min的速度沿扫描轨迹进行扫描移动；扫描移动沿着被损伤作动筒的水平轴向(作动筒筒体母线)方向，并往复扫描。
当水平轴向(作动筒筒体母线)方向扫描完成后：
将被损伤作动筒沿水平径向转动角度，其中沿水平径向的转动角度的计算公式为：沿水平径向转动的角度＝360°×W×(1-搭接率)/2πR，所述搭接率为80％。
将所述激光器和毛细送粉管继续沿水平轴向(作动筒筒体母线)方向扫描熔覆直到完成本层所有需要熔覆的区域。
将机械手提升100μm层厚的高度开始下一层重复熔覆，直到损伤区数模全部扫描轨迹完成并达到要求的熔覆层厚度。
依次关闭激光器、气载送粉器、超声振动换能器和变幅杆，待作动筒冷却至室温后将其从惰性气氛保护箱中取出。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：所述方法包括：
建立被损伤零件的修复区数模；
根据修复区数模设置扫描轨迹；
依据扫描轨迹利用熔覆头对被损伤零件进行熔覆处理。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：
所述建立被损伤零件的修复区数模包括：
将被损伤零件水平固定在固定工装上，保持损伤区表面水平，被损伤零件能以水平轴线转动；
对被损伤零件的损伤尺寸进行量取；
通过量取到的损伤尺寸确定熔覆区的扫描区域尺寸；
通过熔覆区的扫描区域尺寸设计损伤修复区数模。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：
所述设置扫描轨迹包括：
通过在损伤修复区数模上，模拟若干组单道熔覆层依次搭接，从而形成扫描轨迹。
4.根据权利要求3所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：
所述模拟若干组单道熔覆层依次搭接包括：
将相邻两组单道熔覆层的搭接率设置为80％-90％，所述搭接率的计算公式为：搭接率＝D/W×100％，其中，D为搭接区的宽度，所述搭接区为相邻两组单道熔覆层之间的重合区域；W为单道熔覆层的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：所述熔覆处理包括：
若干组激光器5发出的激光汇聚于一点形成激光汇聚点，通过机械手使激光汇聚点与被损伤零件的表面保持水平；测量激光会聚点的高度；使激光会聚点的高度保持在被修复区损伤区表面上方10-20mm；
将被损伤零件放在惰性气氛保护箱中，当氧含量低于1000PPM后开始激光熔覆；
打开气载送粉器，启动超声振动换能器和变幅杆，振动毛细送粉管的同时通过气载送粉器将30-50μm的金属粉末送出；
打开若干组激光器，所述毛细送粉管中的金属粉末垂直经过激光会聚区送进熔覆区域，熔覆在被损伤零件的表面；
将机械手提升一层熔覆层的高度开始下一层重复熔覆，直到损伤区数模全部扫描轨迹完成并达到要求的熔覆层厚度。
6.根据权利要求5所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：所述熔覆处理还包括：
将所述激光器的激光功率设置为500-1000W；将所述激光器和毛细送粉管以10-200m/min的速度沿扫描轨迹进行扫描移动。
7.根据权利要求6所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：所述扫描移动包括：
沿被损伤零件的水平轴向方向往复扫描；当水平轴向方向扫描完成后，将被损伤零件沿水平径向转动角度，继续沿水平轴向方向扫描，直到完成本层所有需要熔覆的区域。
8.根据权利要求7所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：
所述被损伤零件沿水平径向转动的角度的计算公式为：
沿水平径向转动的角度＝360°×W×1搭接率)/2πR，其中W为单道熔覆层的宽度，R为损伤零件的水平径向转动半径；搭接率设置为80％-90％。
9.根据权利要求1所述的一种超声振动同轴气载送粉激光熔覆的方法，其特征在于：所述方法还包括：所述熔覆处理完成后，依次关闭激光器、气载送粉器、超声振动换能器和变幅杆。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115992353A (zh) * | 2022-12-31 | 2023-04-21 | 芜湖舍达激光科技有限公司 | 一种用于管屏激光熔覆的自动化轨迹即时跟踪方法 |
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