CN113584475A - 磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法 - Google Patents

磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法，使用稳态磁场对铁基粉末激光熔覆进行实时调控，通过增加粉末落于激光熔覆凹陷处的数量增加熔覆搭接凹陷处熔覆高度解决凹陷问题；虽然调整粉末会改变后续熔覆层的直线性且稍微降低熔覆层的高度，但是使得制备的涂层更加平整，解决了激光熔覆粉末束无法实时调控，探索时间长，参数调整难以量化等问题。本发明通过实时监控熔覆层最高点与搭接凹陷最低点的高度差来调控粉末束位置，从而改善激光熔覆搭接凹陷的缺陷；由于单纯的磁场并不会对熔池产生影响，避免了外加能场可能产生的不良影响。

Description

磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，更具体的说，尤其涉及一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法。
背景技术
在激光加工领域，使用激光熔覆技术对零件进行强化或者修复时，常常需要一层熔覆层或者多层熔覆层才能完成需求。而一层或多层熔覆层需要对单道熔覆层进行搭接，熔覆层的搭接效果影响到整体的性能指标，如果搭接不好导致涂层出现凹陷会阻碍多层熔覆进行，甚至会导致强化涂层制备失败。因此改善熔覆层搭接常见的凹陷缺陷十分重要。
目前对于激光熔覆搭接区域凹陷问题一般采用多次实验寻找最优参数外的方法。不采用更优的方法的主要问题是首先无法对粉末束进行实时调控来填补凹陷，一旦熔覆开始就无法监控过程来调整结果。并且在多道多层熔覆时，受限于熔覆层的形状，一般挑选宽高比为2-5的单道熔覆层进行熔覆，这样就需要大量的时间和实验。最后由于现在的激光熔覆工艺调整往往是定性的调整，得到的结果并不十分准确，对于搭接效果的改善需要理论量化。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的激光熔覆搭接区域无法对粉末束进行实施调控来填补凹陷导致影响后续多层熔覆进行甚至会导致强化涂层制备失败的问题，提出了一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置及方法，使用稳态磁场对铁基粉末激光熔覆进行实时调控，通过增加粉末落于激光熔覆凹陷处的数量增加熔覆搭接凹陷处熔覆高度解决凹陷问题；虽然调整粉末会改变后续熔覆层的直线性且稍微降低熔覆层的高度，但是使得制备的涂层更加平整，解决了激光熔覆粉末束无法实时调控，探索时间长，参数调整难以量化等问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置，包括加工平台和待加工工件，待加工工件安装在加工平台上，待加工工件设置有并排设置的两个，两个待加工工件之间设置有熔覆层搭接凹陷处，需要在两个待加工工件的熔覆层搭接凹陷处制备熔覆层；还包括激光发生器、移动支架、稳态磁场发生装置、反馈控制器、红外测距仪和送粉装置，激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头固定在移动支架的移动板上，移动支架工作时带动激光发生器的激光头、送粉装置的送粉头和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；所述送粉头和激光头均设置在熔覆层搭接凹陷处正上方且送粉头和激光头错开设置；所述稳态磁场发生装置固定在待加工工件一侧的加工平台上，稳态磁场发生装置工作时吸引送粉头中落下的金属粉末向稳态磁场发生装置方向移动；所述红外测距仪也固定在移动板上，红外测距仪正对熔覆层搭接凹陷处，红外测距仪工作时射出的红外线落在熔覆层搭接凹陷处，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％；所述反馈控制器与稳态磁场发生装置和红外测距仪电连接，反馈控制器接收红外测距仪发出的信号并根据该信号调节稳态磁场发生装置发出的磁场大小来改变送粉头送出的金属粉末在磁场中受到磁力的大小，进而带动金属粉末在磁场中向稳态磁场发生装置的方向水平移动一段距离。
进一步的，所述金属粉末为铁基粉末。
进一步的，所述稳态磁场发生装置设置有一对，两个稳态磁场发生装置分别设置在待加工工件的左右两侧。
一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头固定在移动支架的移动板上，移动支架工作时带动激光发生器的激光头、送粉装置的送粉头和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；
步骤二：送粉装置开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头中落入下方的熔覆层搭接凹陷处；同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到待加工工件的熔覆层搭接凹陷处进行金属粉末的熔覆工作，同时移动支架带动激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；从而在待加工工件的熔覆层搭接凹陷处形成第一道熔覆层；
步骤三：关闭送粉装置和激光发生器，移动支架带动激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头回到初始位置，并在移动支架的带动下上移单层熔覆层高度的距离；
步骤四：送粉装置再次开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头中落入下方的第一道熔覆层表面上，同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到第一道熔覆层表面上进行第二道熔覆层的金属粉末的熔覆工作；
步骤五：固定在移动板上且正对熔覆层搭接凹陷处的红外测距仪开始工作，红外测距仪射出红外线落在，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％，若高度差超过10％则转到步骤六，若是超过10％则转到步骤七：
步骤六：稳态磁场发生装置启动，稳态磁场发生装置发出磁场，对送粉头中送出的金属粉末产生吸引作用，金属粉末受到的重力不变，磁场产生的磁力改变金属粉末在下落过程中的水平加速度，使得原本落于熔覆层中的金属粉末在水平距离上移动一段距离，使得更多的金属粉末填补到第一道熔覆层的凹陷中；
步骤七：移动支架带动激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动，直至在整个第一道熔覆层上方形成整二道熔覆层；
步骤八：移动支架带动激光发生器的激光头和送粉装置的送粉头回到初始位置，并在移动支架的带动下上移单层熔覆层高度的距离，重复步骤四到步骤六的步骤，完成下一层熔覆层的制备；
步骤七：重复步骤六，直至完成待加工工件的所有熔覆层的加工。
本发明的有益效果在于：本发明通过实时监控熔覆层最高点与搭接凹陷最低点的高度差来调控粉末束位置，从而改善激光熔覆搭接凹陷的缺陷；由于单纯的磁场并不会对熔池产生影响，避免了外加能场可能产生的不良影响。
附图说明
图1是本发明一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置的整体结构示意图。
图2是本发明红外测距仪的测试范围示意图。
图3是本发明磁场发生器控制金属粉末落点示意图。
图中，1-激光头、2-移动支架、3-稳态磁场发生装置、4-反馈控制器、5-红外测距仪、6-送粉头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～3所示，一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置，包括加工平台和待加工工件，待加工工件安装在加工平台上，待加工工件设置有并排设置的两个，两个待加工工件之间设置有熔覆层搭接凹陷处，需要在两个待加工工件的熔覆层搭接凹陷处制备熔覆层；还包括激光发生器、移动支架2、稳态磁场发生装置3、反馈控制器4、红外测距仪5和送粉装置，激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6固定在移动支架2的移动板上，移动支架2工作时带动激光发生器的激光头1、送粉装置的送粉头6和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；所述送粉头6和激光头1均设置在熔覆层搭接凹陷处正上方且送粉头6和激光头1错开设置；所述稳态磁场发生装置3固定在待加工工件一侧的加工平台上，稳态磁场发生装置3工作时吸引送粉头6中落下的金属粉末向稳态磁场发生装置3方向移动；所述红外测距仪5也固定在移动板上，红外测距仪5正对熔覆层搭接凹陷处，红外测距仪5工作时射出的红外线落在熔覆层搭接凹陷处，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％；所述反馈控制器4与稳态磁场发生装置3和红外测距仪5电连接，反馈控制器4接收红外测距仪5发出的信号并根据该信号调节稳态磁场发生装置3发出的磁场大小来改变送粉头6送出的金属粉末在磁场中受到磁力的大小，进而带动金属粉末在磁场中向稳态磁场发生装置3的方向水平移动一段距离。
所述金属粉末为铁基粉末。
所述稳态磁场发生装置3设置有一对，两个稳态磁场发生装置3分别设置在待加工工件的左右两侧。
一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6固定在移动支架2的移动板上，移动支架2工作时带动激光发生器的激光头1、送粉装置的送粉头6和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；
步骤二：送粉装置开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头6中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头6中落入下方的熔覆层搭接凹陷处；同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到待加工工件的熔覆层搭接凹陷处进行金属粉末的熔覆工作，同时移动支架2带动激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；从而在待加工工件的熔覆层搭接凹陷处形成第一道熔覆层；
步骤三：关闭送粉装置和激光发生器，移动支架2带动激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6回到初始位置，并在移动支架2的带动下上移单层熔覆层高度的距离；
步骤四：送粉装置再次开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头6中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头6中落入下方的第一道熔覆层表面上，同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到第一道熔覆层表面上进行第二道熔覆层的金属粉末的熔覆工作；
步骤五：固定在移动板上且正对熔覆层搭接凹陷处的红外测距仪5开始工作，红外测距仪5射出红外线落在，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％，若高度差超过10％则转到步骤六，若是超过10％则转到步骤七：
步骤六：稳态磁场发生装置3启动，稳态磁场发生装置3发出磁场，对送粉头6中送出的金属粉末产生吸引作用，金属粉末受到的重力不变，磁场产生的磁力改变金属粉末在下落过程中的水平加速度，使得原本落于熔覆层中的金属粉末在水平距离上移动一段距离，使得更多的金属粉末填补到第一道熔覆层的凹陷中；
步骤七：移动支架2带动激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动，直至在整个第一道熔覆层上方形成整二道熔覆层；
步骤八：移动支架2带动激光发生器的激光头1和送粉装置的送粉头6回到初始位置，并在移动支架2的带动下上移单层熔覆层高度的距离，重复步骤四到步骤六的步骤，完成下一层熔覆层的制备；
步骤七：重复步骤六，直至完成待加工工件的所有熔覆层的加工。
本申请红外测距仪的工作原理如下：将红外测距仪5测量出的距离最远的点为m1，距离最近的点为m2。假如熔覆层搭接表面平整的话m1与m2所测的距离是一样的，即m1和m2的距离差可以定量表示红外测距仪5测量范围内熔覆层搭接凹陷处最高点与最低点的高度差，如果这个高度差计算高于单层熔覆层高度的10％，则反馈控制器4控制磁场发生装置3增加粉末落于凹陷处的数量，改善熔覆效果。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置，包括加工平台和待加工工件，待加工工件安装在加工平台上，待加工工件设置有并排设置的两个，两个待加工工件之间设置有熔覆层搭接凹陷处，需要在两个待加工工件的熔覆层搭接凹陷处制备熔覆层；其特征在于：还包括激光发生器、移动支架(2)、稳态磁场发生装置(3)、反馈控制器(4)、红外测距仪(5)和送粉装置，激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)固定在移动支架(2)的移动板上，移动支架(2)工作时带动激光发生器的激光头(1)、送粉装置的送粉头(6)和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；所述送粉头(6)和激光头(1)均设置在熔覆层搭接凹陷处正上方且送粉头(6)和激光头(1)错开设置；所述稳态磁场发生装置(3)固定在待加工工件一侧的加工平台上，稳态磁场发生装置(3)工作时吸引送粉头(6)中落下的金属粉末向稳态磁场发生装置(3)方向移动；所述红外测距仪(5)也固定在移动板上，红外测距仪(5)正对熔覆层搭接凹陷处，红外测距仪(5)工作时射出的红外线落在熔覆层搭接凹陷处，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％；所述反馈控制器(4)与稳态磁场发生装置(3)和红外测距仪(5)电连接，反馈控制器(4)接收红外测距仪(5)发出的信号并根据该信号调节稳态磁场发生装置(3)发出的磁场大小来改变送粉头(6)送出的金属粉末在磁场中受到磁力的大小，进而带动金属粉末在磁场中向稳态磁场发生装置(3)的方向水平移动一段距离。
2.根据权利要求1所述的一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置，其特征在于：所述金属粉末为铁基粉末。
3.根据权利要求1所述的一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的装置，其特征在于：所述稳态磁场发生装置(3)设置有一对，两个稳态磁场发生装置(3)分别设置在待加工工件的左右两侧。
4.一种磁场引导铁基粉末填补激光熔覆搭接凹陷的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：将激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)固定在移动支架(2)的移动板上，移动支架(2)工作时带动激光发生器的激光头(1)、送粉装置的送粉头(6)和移动板组成的整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；
步骤二：送粉装置开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头(6)中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头(6)中落入下方的熔覆层搭接凹陷处；同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到待加工工件的熔覆层搭接凹陷处进行金属粉末的熔覆工作，同时移动支架(2)带动激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动；从而在待加工工件的熔覆层搭接凹陷处形成第一道熔覆层；
步骤三：关闭送粉装置和激光发生器，移动支架(2)带动激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)回到初始位置，并在移动支架(2)的带动下上移单层熔覆层高度的距离；
步骤四：送粉装置再次开始工作，金属粉末从送粉装置的送粉头(6)中落下，在自重的作用下金属粉末从送粉头(6)中落入下方的第一道熔覆层表面上，同时激光发生器开始工作，激光发生器发射激光束到第一道熔覆层表面上进行第二道熔覆层的金属粉末的熔覆工作；
步骤五：固定在移动板上且正对熔覆层搭接凹陷处的红外测距仪(5)开始工作，红外测距仪(5)射出红外线落在，通过比较熔覆层最高点与熔覆层搭接凹陷处最低点的高度差来判断该高度差是否超过单层熔覆层高度的10％，若高度差超过10％则转到步骤六，若是超过10％则转到步骤七：
步骤六：稳态磁场发生装置(3)启动，稳态磁场发生装置(3)发出磁场，对送粉头(6)中送出的金属粉末产生吸引作用，金属粉末受到的重力不变，磁场产生的磁力改变金属粉末在下落过程中的水平加速度，使得原本落于熔覆层中的金属粉末在水平距离上移动一段距离，使得更多的金属粉末填补到第一道熔覆层的凹陷中；
步骤七：移动支架(2)带动激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)整体沿着两个待加工工件之间的熔覆层搭接凹陷处直线运动，直至在整个第一道熔覆层上方形成整二道熔覆层；
步骤八：移动支架(2)带动激光发生器的激光头(1)和送粉装置的送粉头(6)回到初始位置，并在移动支架(2)的带动下上移单层熔覆层高度的距离，重复步骤四到步骤六的步骤，完成下一层熔覆层的制备；
步骤七：重复步骤六，直至完成待加工工件的所有熔覆层的加工。
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