CN114318329B - 一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及工艺 - Google Patents

一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及工艺，包括激光发生器、分光器、粉末装置、回转工装和磁场发生器；所述回转工装内安装基体，通过驱动装置使回转工装旋转；所述磁场发生器用于在回转工装内产生磁场；所述激光发生器通过分光器产生不同能量的第一激光束和第二激光束，所述第一激光束和第二激光束共同聚焦在基体表面；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体表面，通过第一激光束和第二激光束实现激光熔覆。本发明在离心力与磁力的双重挤压作用下气体可快速逃逸，保证熔覆层致密并减少孔隙，克服了现阶段超高速激光熔覆加工轴类或盘类零件时离心力的不良影响。

Description

一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及 工艺
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别涉及一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及工艺。
背景技术
超高速激光熔覆技术是德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)和亚琛工业大学(RWTH-Aachen)的研究者于2017年开发出一种新型表面涂层技术。基于同轴送粉喷嘴的优化设计，超高速激光熔覆技术实现了粉末粒子与激光束的最佳耦合，在高能密度激光束的作用下使粉末与高速运动的基体表面同时熔化，快速凝固后形成与基体呈高强冶金结合的熔覆层，极大提高了熔覆速率，突破了传统熔覆的效率瓶颈。
目前，超高速激光熔覆加工对象多为轴类和盘类零部件。通过工件的旋转来获得超高的熔覆速度，这种加工方式存在较大的离心力，制备的熔覆层存在气孔等缺陷，且该技术尚未在工件内壁领域应用。同时超高速激光熔覆技术目前仍处在推广应用阶段，制备过程中的基础性研究尚不完善，在成型精度和缺陷控制方面仍有许多工作需要完成。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置及工艺，通过磁场与离心力配合在圆筒内壁上实现超高速激光压制熔覆，同时在激光压制熔覆中，开启高速摄像机，对激光熔覆过程进行实时检测，动态调整工艺参数，从而达到制备无缺陷高性能金属构件目的。增设辅助激光头，在熔覆过程中形成较大矩形光斑，与主熔覆头的小光斑配合，光斑重叠部分能够提供较高能量促进粉末融化，提高熔覆效率；非重叠部分能够对基体进行预加热，降低温度梯度，减少熔覆层残余应力，并在多道熔覆过程中对熔覆层进行重熔修复，提高熔覆层质量。此外，通过本发明提出的装置和方法也可将现有超高速激光熔覆二维增材技术拓展至超高速激光沉积三维增材技术，能够弥补传统三维增材技术效率和精度的不足，从而拓宽超高速激光沉积技术的应用范围，促进其推广应用。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，包括激光发生器、分光器、粉末装置、回转工装和磁场发生器；
所述回转工装内安装基体，通过驱动装置使回转工装旋转；所述磁场发生器用于在回转工装内产生磁场；所述激光发生器通过分光器产生不同能量的第一激光束和第二激光束，所述第一激光束和第二激光束共同聚焦在基体表面；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体表面，通过第一激光束和第二激光束实现激光熔覆。
进一步，所述第一激光束通过主熔覆头输出形成的第一光斑面积小于所述第二激光束通过辅助激光头输出形成第二光斑的面积，且所述第一光斑的能量大于第二光斑的能量；所述第二光斑与第一光斑的重叠部分用于促进粉末融化，所述第二光斑与第一光斑非重叠部分用于对基体进行预加热。
进一步，所述第一激光束通过主熔覆头输出形成圆形光斑，所述第二激光束通过辅助激光头输出形成矩形光斑，所述矩形光斑覆盖圆形光斑。
进一步，在第一激光束和第二激光束作用下熔融态粉末在基体表面形成熔池，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使熔池受压，用于形成高密度致密结构的熔池。
进一步，所述回转工装底面均匀分布若干通孔，用于粉末下落；所述通孔下方设有粉末收集槽，通过带锥度的支架使粉末汇聚到粉末收集槽内；所述粉末收集槽上方设有过滤网，用于过滤熔覆过程中产生的残渣。
进一步，所述分光器通过升降机构安装在移动平台上；所述磁场发生器包括环形线圈，所述环形线圈缠绕在回转工装外部，使环形线圈通电，用于在回转工装内产生磁场。
进一步，所述回转工装内通过夹具均布安装若干基体，用于多零件同步加工；所述回转工装的转速不低于1200rpm。
一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置的工艺，包括如下步骤：
将基体安装在回转工装；
调整辅助激光头的位置，使第二光斑聚焦到基体表面，用于预热基体；
调整主熔覆头的位置，使第一光斑聚焦到基体表面，且第一光斑与第二光斑重叠；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体表面，通过所述第二光斑与第一光斑的重叠部分使粉末熔覆在基体表面；通过驱动装置带动回转工装旋转，同时磁场发生器在回转工装内产生磁场，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体表面的熔池受压，形成高密度致密结构的熔池。
进一步，还包括如下步骤：
通过高速摄像机拍摄熔池的状态，控制系统利用图像识别技术判断粉末熔化是否充分，若粉末熔化不满足设定要求，所述控制系统控制回转工装降低转速。
进一步，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体表面的熔池受压的高度ΔH表示为：
其中：
F洛伦兹为磁场产生的洛伦兹力；
F离心为旋转产生的离心力；
K为常数；
Tc为临界温度；
M为粉末粒子原子量；
ρ为熔体密度；
T为熔池温度。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，相比于传统的激光熔覆增材制造，本发明改变了获得扫描速度的形式，传统的激光熔覆增材制造利用熔覆头的移动实现不同速度的熔覆，而本装置通过回转工装转动获得扫描速度，扫描速度可实现1200rpm以上。
2.本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，通过回转工装内安装多个基体或者直接安装环形的基体，可以进行整个环形零件熔覆或多同类零件同时熔覆，大大提高生产效率；同时本装置既可以进行多层激光熔覆，也可以进行多道激光熔覆增材制造，进而可以将现有超高速激光熔覆二维增材技术拓展至超高速激光沉积三维增材技术。
3.本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使熔池受压，在离心力与磁力的双重挤压作用下气体快速逃逸，保证熔覆层致密并减少孔隙，克服了现阶段超高速激光熔覆加工轴类或盘类零件时离心力的不良影响。
4.本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，通过所述第一激光束通过主熔覆头输出形成的第一光斑面积小于所述第二激光束通过辅助激光头输出形成第二光斑的面积，且所述第一光斑的能量大于第二光斑的能量，所述第二光斑与第一光斑的重叠部分用于促进粉末融化，提高熔覆效率，所述第二光斑与第一光斑非重叠部分用于对基体进行预加热，降低温度梯度，减少熔覆层残余应力，并在多道熔覆过程中对熔覆层进行重熔修复，提高熔覆层质量。
5.本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，回转工装底部均匀分布有通孔，便于粉末下落；支架设置成坡形，表面光滑，便于粉末汇聚于粉末收集槽；粉末收集槽上方设置有过滤网，构成粉末收集系统，有利于粉末回收利用。
附图说明
图1为本发明所述基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置示意图。
图2为本发明所述的电磁线圈原理图。
图3为激光熔覆过程中粉末汇聚示意图。
图4为熔融态粉末到达壁面受力分析图。
图5为激光多层压制熔覆轨迹图，
图6为激光多道压制熔覆轨迹图。
图7为本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆工艺流程图。
图8为矩形光斑与圆形光斑重叠图。
图9为夹具模型图及其安装方向。
图10是壁面压制熔覆仿真图。
图中：
1-激光发生器；2-气泵；3-粉末储存装置；4-电磁线圈；5-控制系统；6-电动滑轨；7-电动滑块；8-升降机构；9-分光器；10-高速摄像机；11-辅助激光头；12-主熔覆头；13-基体；14-回转工装；15-坡形支架；16-安装架；17-减速离合器；18-过滤网；19-伺服电机；20-同步带；21-粉末收集槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，包括激光发生器1、分光器9、粉末装置、回转工装14和磁场发生器；
所述激光发生器1通过分光器9产生不同能量的第一激光束和第二激光束，所述第一激光束通过主熔覆头12输出形成的第一光斑，所述第二激光束通过辅助激光头11输出形成的第二光斑；所述分光器9安装在升降机构8上，实现分光器9高度方向移动，所述升降机构8通过电动滑块7安装在可水平移动的电动滑轨6上，能够实现分光器9沿x轴和y轴运动。辅助激光头11和主熔覆头12均采用腕关节结构，能够进行小角度转动。
所述回转工装14内安装基体13，通过驱动装置使回转工装14旋转；减速离合器17、伺服电机19和同步带20构成驱动装置，所述磁场发生器包括电磁线圈4，所述电磁线圈4缠绕在回转工装14外部，使电磁线圈4通电，用于在回转工装14内产生磁场，如图2所示；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体13表面，通过第一激光束和第二激光束实现激光熔覆。所述粉末装置包括气泵2和粉末储存装置3，粉末由气泵2从粉末储存装置3送至主熔覆头12进行最终熔覆。如图3、图4和图5所示，在第一激光束和第二激光束作用下熔融态粉末在基体13表面形成熔池，所述电磁线圈4构建磁感线向下的磁场，回转工装14逆时针旋转，熔融态粉末到达基体13表面后在洛伦兹力与离心力的双重作用下使熔池受压，用于形成高密度致密结构的熔池。在离心力与磁力的双重挤压作用下气体快速逃逸，保证熔覆层致密并减少孔隙，克服了现阶段超高速激光熔覆加工轴类或盘类零件时离心力的不良影响。
如图8所示，所述第一激光束通过主熔覆头12输出形成的第一光斑面积小于所述第二激光束通过辅助激光头11输出形成第二光斑的面积，且所述第一光斑的能量大于第二光斑的能量；所述第二光斑与第一光斑的重叠部分用于促进粉末融化，提高熔覆效率，所述第二光斑与第一光斑非重叠部分用于对基体进行预加热，降低温度梯度，减少熔覆层残余应力，并在多道熔覆过程中对熔覆层进行重熔修复，提高熔覆层质量。所述第一激光束通过主熔覆头12输出形成圆形光斑，所述第二激光束通过辅助激光头11输出形成矩形光斑，所述矩形光斑覆盖圆形光斑。
所述激光发生器1、气泵2、电磁线圈4、电动滑块7、升降机构8、辅助激光头11、主熔覆头12、伺服电机19和高速摄像机10通过信号线与控制系统5相连，并由其控制。高速摄像机10对准熔池，用于获取粉末融合状态。
所述回转工装14上可以通过夹具安装多个基体13，一次可以熔覆多个零件，大大提高生产效率，夹具如图9所示。
所述回转工装14底面均匀分布若干通孔，用于粉末下落；所述通孔下方设有粉末收集槽21，通过带锥度的支架15使粉末汇聚到粉末收集槽21内；所述粉末收集槽21上方设有过滤网18，用于过滤熔覆过程中产生的残渣。
下面以TiC/Inconel625合金为例进行简单环形内壁多道熔覆，本发明所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆工艺，如图7所示，包含以下步骤：
A.将基体13打磨、清洗和吹干；
B.将基体13固定在回转工装14上，调整辅助激光头11的角度位置，使第二光斑聚焦到基体13表面，用于预热基体13；
C.控制升降机构8调整主熔覆头12的位置，使第一光斑聚焦到基体13表面，且第一光斑与第二光斑重叠；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体13表面，通过所述第二光斑与第一光斑的重叠部分使粉末熔覆在基体13表面；通过驱动装置带动回转工装14按转速1200rpm旋转，使基体13和主熔覆头12产生相对位移；第二光斑保持矩形光斑5*5mm，功率为800W；第一光斑保持圆形光斑2mm，功率为2800W；
D.同时磁场发生器在回转工装14内产生磁场，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体13表面的熔池受压，形成高密度致密结构的熔池；
E.通过高速摄像机10拍摄熔池的状态，控制系统5利用图像识别技术判断粉末熔化是否充分，若粉末熔化不满足设定要求，所述控制系统5控制回转工装14降低转速。
F.当基体13整旋转一圈后，根据搭接率90％，以及单道宽度80μm，升降机构8带动主熔覆头12向上移动移动一定距离8μm进行下一道熔覆；其中多余粉末通过回转工装14底部的通孔下落，经光滑坡形支架15汇聚于粉末收集槽21；
H.重复步骤D，E，F直至环形内壁多道熔覆加工完成，如图6所示；
在超高速激光压制熔覆过程中，电磁线圈4构建磁感线向下的磁场，回转工装14逆时针旋转，熔融态粉末到达基体13表面后在洛伦兹力与离心力的双重作用下，熔池受到压制，形成高密度致密结构的多道熔覆层；辅助激光头11提供矩形光斑，主熔覆头12提供高能量圆形小光斑，矩形光斑覆盖圆形光斑，重叠部分能够提供较高能量促进粉末融化，提高熔覆效率；非重叠部分能够对基体进行预加热，降低温度梯度，减少熔覆层残余应力，并在多道熔覆过程中对熔覆层进行重熔修复，提高熔覆层质量，最终形成厚度为100μm的超薄环形熔覆层。
如图10a为传统熔覆的熔道，如图10b为本发明工艺熔覆的熔道，两种熔道高度的对比，可见采用本发明方式熔覆的熔道高度低，受到了明显的压制作用，并且熔道致密未发现气孔等缺陷。
在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体13表面的熔池受压的高度ΔH表示为：
其中：
F洛伦兹为磁场产生的洛伦兹力；
F离心为旋转产生的离心力；
K为常数；
Tc为临界温度；
M为粉末粒子原子量；
ρ为熔体密度；
T为熔池温度。
当圆筒半径为0.5m，转速600r/min时经计算离心力为18N，当磁场提供洛伦兹力为15N时，对于Inconel 625粉末，取原子量M为55，熔体密度ρ为7300kg/m3，熔池温度T为3600℃，可计算出ΔH约为15μm。
n为压制率，H为未压制时的熔池高度；经计算得出如下规律，
当离心力与洛伦兹力之和为30N左右，压制率n为5％-20％；
当离心力与洛伦兹力之和为80N左右，压制率n为20％-50％；
当离心力与洛伦兹力之和为80N以上，压制率n超过50％。应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，包括激光发生器(1)、分光器(9)、粉末装置、回转工装(14)和磁场发生器；
所述回转工装(14)内安装基体(13)，通过驱动装置使回转工装(14)旋转；所述磁场发生器用于在回转工装(14)内产生磁场；所述激光发生器(1)通过分光器(9)产生不同能量的第一激光束和第二激光束，所述第一激光束和第二激光束共同聚焦在基体(13)表面；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体(13)表面，通过第一激光束和第二激光束实现激光熔覆；
所述第一激光束通过主熔覆头(12)输出形成的第一光斑面积小于所述第二激光束通过辅助激光头(11)输出形成第二光斑的面积，且所述第一光斑的能量大于第二光斑的能量；所述第二光斑与第一光斑的重叠部分用于促进粉末融化，所述第二光斑与第一光斑非重叠部分用于对基体进行预加热。
2.根据权利要求1所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，所述第一激光束通过主熔覆头(12)输出形成圆形光斑，所述第二激光束通过辅助激光头(11)输出形成矩形光斑，所述矩形光斑覆盖圆形光斑。
3.根据权利要求1所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，在第一激光束和第二激光束作用下熔融态粉末在基体(13)表面形成熔池，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使熔池受压，用于形成高密度致密结构的熔池。
4.根据权利要求3所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，所述回转工装(14)底面均匀分布若干通孔，用于粉末下落；所述通孔下方设有粉末收集槽(21)，通过带锥度的支架(15)使粉末汇聚到粉末收集槽(21)内；所述粉末收集槽(21)上方设有过滤网(18)，用于过滤熔覆过程中产生的残渣。
5.根据权利要求1所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，所述分光器(9)通过升降机构(8)安装在移动平台上；所述磁场发生器包括环形线圈(4)，所述环形线圈(4)缠绕在回转工装(14)外部，使环形线圈(4)通电，用于在回转工装(14)内产生磁场。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置，其特征在于，所述回转工装(14)内通过夹具均布安装若干基体(13)，用于多零件同步加工。
7.一种根据权利要求1所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将基体(13)安装在回转工装(14)；
调整辅助激光头(11)的位置，使第二光斑聚焦到基体(13)表面，用于预热基体(13)；
调整主熔覆头(12)的位置，使第一光斑聚焦到基体(13)表面，且第一光斑与第二光斑重叠；所述粉末装置输送的粉末喷射到基体(13)表面，通过所述第二光斑与第一光斑的重叠部分使粉末熔覆在基体(13)表面；通过驱动装置带动回转工装(14)旋转，同时磁场发生器在回转工装(14)内产生磁场，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体(13)表面的熔池受压，形成高密度致密结构的熔池。
8.根据权利要求7所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置的工艺，其特征在于，还包括如下步骤：
通过高速摄像机(10)拍摄熔池的状态，控制系统(5)利用图像识别技术判断粉末熔化是否充分，若粉末熔化不满足设定要求，所述控制系统(5)控制回转工装(14)降低转速。
9.根据权利要求7所述的基于磁力与离心力双重压制的超高速激光熔覆装置的工艺，其特征在于，在磁场产生的洛伦兹力与旋转产生的离心力的双重作用下使基体(13)表面的熔池受压的高度ΔH表示为：
其中：
F洛伦兹为磁场产生的洛伦兹力；
F离心为旋转产生的离心力；
K为常数；
Tc为临界温度；
M为粉末粒子原子量；
ρ为熔体密度；
T为熔池温度。
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