CN114561637B

CN114561637B - 用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法及装置

Info

Publication number: CN114561637B
Application number: CN202210074643.5A
Authority: CN
Inventors: 王玉岱; 程序; 李卓; 朱言言; 冉先喆
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: CN114561637A

Abstract

本发明提供了一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法及装置，该激光熔覆装置包括：激光熔覆组件，包括至少一个振镜；振镜置于轴类零件的正上方，且与轴类零件表面的待熔覆区域对应设置；供料机构，其一端端部具有出料口；出料口相对于竖直方向倾斜设置并与轴类零件表面柔性抵接，并且出料口与轴类零件表面之间存在缺口，用于在轴类零件转动作用下将粉末刮出并平铺在轴类零件表面的待熔覆区域上。该装置采用自铺粉的原料供给方式，自铺粉过程通过轴类零件的旋转运动实现，粉末利用率可达100％，激光束经由振镜完成对粉末层的扫描熔覆，可以实现分区离散扫描，降低熔覆过程产生的残余应力。

Description

用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法及装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法及装置。

背景技术

激光熔覆技术是一种用于零件表面改性的激光加工技术，在航空航天、机械、能源动力、重型装备等领域有广泛的应用。其中，轴类零件的激光熔覆方法一般是采用高功率激光熔化同步送给的特定粉末，粉末通过送粉器和送粉头的输运后，以同轴或侧向同步送给的方式供给，其被激光束熔化后，沉积于旋转的轴类零件表面上，整个熔覆过程的运动控制通过轴类零件的旋转运动以及激光加工头沿零件轴向的相对运动来实现。

然而现有轴类零件的激光熔覆方法采用粉末同步送给方式，粉末利用率一般在10～80％，粉末并不能完全送入熔池并熔化沉积，部分粉末飞溅到周围环境中，造成大量粉末浪费，也容易引起环境污染；另外，由于熔覆过程的运动控制通过轴类零件的旋转运动以及激光加工头沿零件轴向的相对运动来实现，激光熔覆路径是一个个圆形轨迹搭接而成，激光熔覆路径比较固定，熔覆路径的调整空间有限，容易造成应力集中，导致零件变形甚至开裂；再者，轴类零件的激光熔覆层厚度通常在几百微米至几毫米范围，一般来说，熔覆层越厚，其表面精度越低且熔覆层越容易开裂，而更小厚度的熔覆层受限于技术特点，难以实现，制约了其应用。

发明内容

为了解决现有技术中的至少一个问题，本发明的主要目的在于提供一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法及装置，该装置采用自铺粉的原料供给方式，自铺粉过程通过轴类零件的旋转运动实现，粉末利用率可达100％，激光束经由振镜完成对粉末层的扫描熔覆，可以实现分区离散扫描，降低熔覆过程产生的残余应力。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置。

该用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置包括：

激光熔覆组件，包括至少一个振镜；所述振镜置于轴类零件的正上方，且与所述轴类零件表面的待熔覆区域对应设置；

供料机构，其一端端部具有出料口；所述出料口相对于竖直方向倾斜设置并与所述轴类零件表面柔性抵接，并且所述出料口与所述轴类零件表面之间存在缺口，用于在所述轴类零件转动作用下将粉末刮出并平铺在轴类零件表面的待熔覆区域上。

进一步的，所述供料机构包括内部中空的供给槽，且其一端端部敞口形成所述出料口；所述供给槽包括前挡板、后挡板和两个侧板，且由其合围形成；所述前挡板和所述两个侧板均与所述轴类零件表面柔性抵接，所述后挡板与所述轴类零件表面之间具有空隙以形成所述缺口；

优选的，所述缺口的高度ΔZ为10μm～5mm。

进一步的，所述供给槽呈长方体状，且所述后挡板与所述轴类零件的中心轴线平行；

优选的，所述出料口的长度与所述轴类零件表面待熔覆区域的轴向宽度相同。

进一步的，所述供给槽相对于竖直方向的夹角α为0～90°；

优选的，所述前挡板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形；

更优选的，所述侧板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形；

更优选的，所述后挡板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形。

进一步的，所述前挡板为橡胶条或毛刷，所述侧板为橡胶条或毛刷，所述后挡板为橡胶条。

进一步的，所述供料机构还包括与所述供给槽连通的料斗。

进一步的，所述振镜设有多个，且所述多个振镜沿所述轴类零件的轴向和/或周向规则排布；

优选的，所述振镜为动态聚焦振镜。

进一步的，所述动态聚焦振镜根据所述待熔覆区域的弧形曲面变化而动态调整激光焦距。

进一步的，所述激光熔覆组件还包括激光器、光纤和安装支架；所述振镜固定在所述安装支架上，所述激光器通过所述光纤连接所述振镜。

进一步的，还包括转台和控制系统，所述轴类零件水平固定在所述转台上并由所述转台驱动旋转；所述控制系统控制所述激光器、所述振镜以及所述转台工作。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法。

该用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法基于上述的激光熔覆装置，包括以下步骤：

在轴类零件转动作用下，粉末通过出料口刮出并平铺在所述轴类零件表面的待熔覆区域，形成粉末层；

利用振镜射出的激光束对所述粉末层进行激光扫描熔覆；其中，所述激光扫描熔覆与所述轴类零件的转动同步或交替进行。

进一步的，还包括在完成一层粉末层的激光熔覆后，继续形成粉末层以及激光扫描熔覆，以进行多层熔覆；

优选的，所述激光扫描熔覆的激光功率为100W～15kW、扫描速度为100mm/s～7m/s、光斑直径为10μm～10mm；

更优选的，所述待熔覆区域分成若干分区，并通过所述控制系统调整每个分区的激光功率、激光束的扫描方向和扫描速度，实现分区熔覆。

与现有轴类零件的激光熔覆方法及设备相比，本发明中的激光熔覆装置采用自铺粉熔覆方式，粉末利用率可达100％；同时，通过振镜偏摆可实现轴类零件的分区离散扫描，降低熔覆过程产生的残余应力。

本发明具有设备结构简单、操作灵活、粉末利用率高、加工零件表面精度高以及变形小等优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明提供的实施例中用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置的结构示意图；

图2为本发明提供的实施例中振镜、供料机构及轴类零件三者的位置关系图；

图3为本发明提供的实施例中供给槽底端出料口的局部放大剖面图。

图中：

1、轴类零件；2、振镜；3、供给槽；4、料斗；5、激光器；6、光纤；7、安装支架；8、转台；9、控制系统；10、粉末层；11、激光束；12、待熔覆区域；13、前挡板；14、后挡板。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的具体实施方式，提供了一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，并且该激光熔覆装置也可以用于轴类零件的选区熔化增材制造。

如图1至图3所示，该用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置包括激光熔覆组件，该激光熔覆组件包括至少一个振镜2；其中，振镜2置于轴类零件1的正上方，且与轴类零件1表面的待熔覆区域12对应设置；该用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置还包括供料机构，该供料机构的一端端部具有出料口；出料口相对于竖直方向倾斜设置并与轴类零件1表面柔性抵接，并且出料口与轴类零件1表面之间存在缺口，用于在轴类零件转动作用下将粉末刮出并平铺在轴类零件1表面的待熔覆区域12上。

在上述实施例中，粉末在轴类零件1旋转运动的作用下，由供给槽3的出料口与轴类零件1表面之间存在的缺口处刮出并平铺在轴类零件1的待熔覆区域12上，形成粉末层10，当粉末层10旋转至轴类零件1的顶部附近时，被其上方的振镜2射出的激光束11熔化并熔覆于轴类零件1表面上，轴类零件1旋转一周时，整个待加工表面完成一次单层激光熔覆。当然还可以根据实际需要，重复上述激光熔覆过程，可完成多层熔覆。

在本发明的实施例中，供料机构置于轴类零件1的侧上方，可以理解为供料机构可以位于轴类零件1的左侧上方或者右侧上方，如图1所示，当供料机构位于轴类零件1的左侧上方时，轴类零件1顺时针转动，由此可以在转动的过程中将粉末刮出并平铺在轴类零件1表面形成粉末层10；相应的，当供料机构位于轴类零件1的右侧上方时，轴类零件1逆时针转动，同样可以在转动的过程中将粉末刮出并平铺在轴类零件1表面形成粉末层10。

如图1所示，该供料机构包括供给槽3，供给槽3内部形成粉末通道，并且供给槽3的底端敞口形成出料口；结合图3所示，该供给槽3包括前挡板13、后挡板14和两个侧板，且由其合围形成；前挡板13和两个侧板均与轴类零件1表面柔性抵接，后挡板14与轴类零件1表面之间具有空隙以形成缺口。

其中，该缺口的高度可以根据实际需要进行设计，如缺口高度ΔZ为单个粉末层10的厚度；粉末在重力作用下由料斗4进入供给槽3，并在轴类零件1旋转运动的作用下，从供给槽3的后挡板14与轴类零件1之间的空隙处刮出并平铺在轴类零件1的待熔覆区域12上，刮出的粉末层10旋转至轴类零件1的顶部位置时，被轴类零件1正上方的振镜2所射出的激光束11熔化并熔覆于轴类零件1表面上。

在本发明的实施例中，缺口的高度ΔZ在10μm～5mm范围内，可以根据实际需要进行设定。

在本发明的实施例中，前挡板13为橡胶条或者毛刷，侧板为橡胶条或者毛刷，后挡板14为橡胶条，前挡板13和侧板均与轴类零件1表面柔性接触，防止粉末掉落。当然，前挡板13、侧板以及后挡板14还可以为其他柔性材质件，只要能够实现与轴类零件1表面柔性接触即可。

如图2所示，供给槽3呈长方体状，且后挡板14平行于轴类零件1的轴向，轴类零件1旋转时粉末从后挡板14与轴类零件1表面之间的缺口中刮出，形成粉末层10，粉末层10的宽度与待熔覆区域12的轴向宽度保持一致，也即出料口的长度与轴类零件1表面待熔覆区域12的轴向宽度保持一致。

在本发明中，供给槽3相对于竖直方向的夹角α为0～90°，也即将供给槽3相对于竖直方向倾斜设置，以避免粉末由轴类零件1表面掉落。

需要说明的是，在一些实施例中，可以将前挡板13或者后挡板14相对于竖直方向的夹角α限定在0～90°范围内，以确保整个供给槽3相对于竖直方向倾斜0～90°。

在本发明的实施例中，后挡板14与轴类零件1表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形，图3示出了一种纵截面呈U形的后挡板14结构。

前挡板13与轴类零件1表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形，图3示出了一种纵截面呈U形的前挡板13结构。

相应的，侧板与轴类零件1表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形。

需要说明的是，当前挡板13以及侧板均为毛刷时，无需将二者的端部纵截面加工成U形或尖端倒圆角V形。

如图1所示，供料机构还包括料斗4，料斗4置于轴类零件1的侧上方，料斗4的出料口连接供给槽3的进料口。

在本发明的实施例中，振镜2可以设置多个，并且当设置多个振镜2时，多个振镜2可以沿轴类零件1的轴向和/或周向规则排布，实现多个振镜2同时扫描加工，大幅提高激光熔覆速度。

其中，振镜2连接激光器5，因此两者数量需保持一致。

在本发明的实施例中，振镜2可以为动态聚焦振镜，能够根据熔覆区域12的弧形曲面变化而动态调整激光焦距。

如图1所示，激光熔覆组件还包括激光器5、光纤6和安装支架7；振镜2固定在安装支架7上，激光器5通过光纤6连接振镜2。激光束11由激光器5产生后，通过振镜2的偏摆照射在轴类零件1表面上的待熔覆区12，进行激光熔覆。

如图1所示，该用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置还包括转台8，轴类零件1水平固定在转台8上并由转台8驱动旋转。

如图1所示，该用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置还包括控制系统9，该控制系统9控制激光器5、振镜2以及转台8工作。其中，轴类零件1表面的待熔覆区域12可根据不同的加工需求分成若干分区，通过调控控制系统9来调整每个分区的激光功率、激光束11的扫描方向和扫描速度等，实现分区熔覆。

根据本发明的具体实施方式，还提供了一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，该激光熔覆方法是基于上述的激光熔覆装置。

该激光熔覆方法包括以下步骤：

在轴类零件1转动作用下，粉末通过出料口刮出并平铺在轴类零件1表面的待熔覆区域12，形成粉末层10。其中，粉末层10的单层高度ΔZ在10μm～5mm之间。

利用振镜2射出的激光束11对粉末层10进行激光扫描熔覆；其中，激光扫描熔覆与轴类零件1的转动同步或交替进行。若交替进行时，将轴类零件1旋转一定角度，将位于轴类零件1表面顶部位置待熔覆区域12熔覆完成后，轴类零件1再次旋转一定角度，进行下一个待熔覆区域12的激光熔覆，如此往复，直至完成整个零件周向的激光熔覆。

进一步的，还可以在单层熔覆的基础上进行多层熔覆。在完成一层粉末层10的激光熔覆后，继续形成粉末层10以及激光扫描熔覆，完成多层熔覆。

在本发明中，激光扫描熔覆的激光功率为100W～15kW、扫描速度为100mm/s～7m/s、光斑直径为10μm～10mm，具体可以根据实际需要进行设置。

以下将通过实施例对本发明中的激光熔覆方法进行说明。

实施例1：

一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，激光束11由激光器5产生后，通过振镜2的偏摆，照射在轴类零件1顶部位置的待熔覆区域12，轴类零件1水平固定在转台8上并由转台8带动旋转，粉末在轴类零件1旋转运动的作用下，由供给槽3底端的出料口处刮出并平铺在轴类零件1的待熔覆区域12上，刮出的粉末层10旋转至轴类零件1顶部位置时，被其上方振镜2射出的激光束11熔化并熔覆于轴类零件1上，轴类零件1旋转一周时，整个待加工表面完成一次单层激光熔覆。

(2)供给槽3置于轴类零件1的侧上方，与轴类零件1竖直方向的夹角为45°。

(3)供给槽3呈长方体状，其前挡板13和侧板均为橡胶条，与轴类零件1的表面柔性接触，防止粉末掉落。后挡板14为橡胶条，后挡板14平行于轴类零件1的轴向，轴类零件1旋转时粉末从后挡板14与轴类零件1之间的缺口中刮出形成粉末层10，粉末层10的轴向宽度与待熔覆区的轴向宽度保持一致。后挡板14与轴类零件1接触端的截面形状为U型。

(4)振镜2的数量为1台，激光器5的数量为1台。

(5)振镜2为动态聚焦振镜，能够根据待熔覆区域12的弧形曲面变化而动态调整激光焦距。

(5)将轴类零件1表面的待熔覆区域12分成10mm×10mm的小分区，每个分区的激光功率、扫描速度、搭接率保持一致，相邻分区的激光束扫描方向夹角为90°。

(6)激光熔覆工艺参数范围：激光功率为300W、扫描速度为1.2m/s、光斑直径为100μm、单层熔覆高度ΔZ为40μm。

(7)激光扫描熔覆过程与轴类零件1的旋转运动交替进行。其过程是，将轴类零件1旋转一定角度，进行激光熔覆，位于轴类零件1顶部位置的待熔覆区域12熔覆完成后，轴类零件1再次旋转一定角度，再次激光熔覆，如此往复，直至完成整个零件周向的激光熔覆。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。

在本发明中，术语“侧上方”、“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶部”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，包括：

供料机构，其一端端部具有出料口；所述出料口相对于竖直方向倾斜设置并与所述轴类零件表面柔性抵接，并且所述出料口与所述轴类零件表面之间存在缺口，用于在所述轴类零件转动作用下将粉末刮出并平铺在轴类零件表面的待熔覆区域上；所述供料机构包括内部中空的供给槽，且其一端端部敞口形成所述出料口；所述供给槽包括前挡板、后挡板和两个侧板，且由其合围形成；所述前挡板和所述两个侧板均与所述轴类零件表面柔性抵接，所述后挡板与所述轴类零件表面之间具有空隙以形成所述缺口。

2.根据权利要求1所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述缺口的高度ΔZ为10μm~5mm。

3.根据权利要求1所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述供给槽呈长方体状，且所述后挡板与所述轴类零件的中心轴线平行。

4.根据权利要求3所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述出料口的长度与所述轴类零件表面待熔覆区域的轴向宽度相同。

5.根据权利要求1或3所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述供给槽相对于竖直方向的夹角α为0~90°。

6.根据权利要求5所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述前挡板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形。

7.根据权利要求5所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述侧板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形。

8.根据权利要求5所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述后挡板与所述轴类零件表面相接触的端部纵截面呈U形或尖端倒圆角V形。

9.根据权利要求1所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述供料机构还包括与所述供给槽连通的料斗。

10.根据权利要求1所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述振镜设有多个，且多个所述振镜沿所述轴类零件的轴向和/或周向规则排布。

11.根据权利要求10所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述振镜为动态聚焦振镜。

12.根据权利要求1所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述激光熔覆组件还包括激光器、光纤和安装支架；所述振镜固定在所述安装支架上，所述激光器通过所述光纤连接所述振镜。

13.根据权利要求12所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆装置，其特征在于，所述激光熔覆装置还包括转台和控制系统，所述轴类零件水平固定在所述转台上并由所述转台驱动旋转；所述控制系统控制所述激光器、所述振镜以及所述转台工作。

14.一种用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，其特征在于，所述的激光熔覆方法基于权利要求1-11任一项所述的激光熔覆装置；其中，所述激光熔覆组件还包括激光器、光纤和安装支架；所述振镜固定在所述安装支架上，所述激光器通过所述光纤连接所述振镜；所述激光熔覆装置还包括转台和控制系统，所述轴类零件水平固定在所述转台上并由所述转台驱动旋转；所述控制系统控制所述激光器、所述振镜以及所述转台工作；

所述激光熔覆方法包括以下步骤：

15.根据权利要求14所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，其特征在于，还包括在完成一层粉末层的激光熔覆后，继续形成粉末层以及激光扫描熔覆，以进行多层熔覆。

16.根据权利要求15所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光扫描熔覆的激光功率为100W~15kW、扫描速度为100mm/s~7m/s、光斑直径为10μm~10mm。

17.根据权利要求15所述的用于轴类零件表面改性的激光熔覆方法，其特征在于，所述待熔覆区域分成若干分区，并通过所述控制系统调整每个分区的激光功率、激光束的扫描方向和扫描速度，实现分区熔覆。