CN115106544A - 激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统及成形装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术领域，公开了一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统及成形装置，送粉系统的送粉支筒包括安装座和筒体，筒体的顶端同轴固定有安装座，安装座中心开设有通孔，其周向边缘上设有与激光加工头固定的第一连接结构；吹气法兰套设于筒体上，并与安装座固定连接；送粉支架包括支架主体和对称设置于支架主体外侧面的固定结构；开口环与支架主体套设于筒体上，且二者固定于一体；开口环的开口端设置有夹紧结构，每个固定结构上设置有连接调整板，连接调整板能相对于固定结构水平移动，且其下部设置有送粉喷嘴结构。本发明能克服制备颗粒增强复合材料时，使用激光电弧加工的性能低下，使用激光熔覆加工则粉末利用率低的问题。

Description

激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统及成形装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统及成形装置。
背景技术
颗粒增强复合材料因为优良的静载性能和疲劳性能，广泛应用于交通运输和航空航天领域。其中，第二相颗粒在铝基体中不仅能够起到位错强化、弥散强化的效果，还能够作为异质形核质点增大形核率，以及钉扎晶界阻碍晶界移动，从而抑制晶粒长大并实现材料强化。
目前，电弧和激光是熔融制备颗粒增强复合材料的两大主要热源。其中，电弧热源具有成本低和操作简单的特点，其形成的大熔池可有效提高含第二相颗粒的复合粉末的利用率，促使其在熔池中起到细化晶粒的作用。但是电弧热源本身大热输入的特点，导致细化晶粒作用较弱，而且其加工速度较低，难以满足现代工业对效率的要求。相对而言，激光热源具有能量密度和加工效率高的优点，可在一定程度上细化晶粒，特别是在第二相颗粒的作用下，可以实现晶粒显著细化，但其同样也面临一些难点：1、由于极快的熔池冷却速率，材料内部容易产生气孔以及裂纹缺陷；2、由于激光束过小的光斑尺寸，其热源辐照面积小，粉末利用率低，导致沉积效率低，特别是对于高反射率材料，其加工难度更大。
激光电弧工艺虽然加工效率高，但其加工产品性能、精度较差；而激光熔覆加工虽然加工质量高，但由于热源辐照面积小，导致粉末利用率低，加工效率低。并且激光电弧工艺中现有的颗粒添加方式多为在母材涂布粉末后再进行激光加工，流程繁琐且存在粉末涂布不均匀的问题。激光加工常用送粉方式只能输送将第二相颗粒和金属粉末按照预设比例配置好的预制复合粉末，不能实现在线调整复合粉末组分比例的效果。因此，需要一种能够将两种加工工艺结合起来的加工装置，以解决上述问题，提高颗粒增强复合材料的加工效率和加工质量。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于设计一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统及成形装置，解决颗粒增强复合材料加工中使用激光电弧加工质量低，预制粉末涂布不均匀；使用激光熔覆加工时加工效率低、粉末利用率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，所述送粉系统包括送粉支筒、吹气法兰、开口环、送粉支架和连接调整板，其中：
所述送粉支筒包括安装座和筒体，所述筒体的顶端同轴固定有所述安装座，所述安装座中心开设有与所述筒体内径相同的通孔，其周向边缘上设有第一连接结构；
所述吹气法兰套设于所述筒体上，并与所述安装座固定连接；
所述送粉支架包括支架主体和对称设置于支架主体外侧的固定结构，支架主体与所述开口环固定于一体并套设于所述筒体上；所述开口环的开口端设置有夹紧结构，用于使开口环夹紧固定在筒体上；
每个所述固定结构上设置有所述连接调整板，所述连接调整板能相对于所述固定结构水平移动，且所述连接调整板下端设置有所述送粉喷嘴结构，所述送粉喷嘴结构能相对于所述连接调整板转动以改变其出粉口的朝向。
进一步地，所述筒体上设置有气体通道,所述吹气法兰上设置有与所述气体通道贯通的送气孔。
进一步地，所述连接调整板的上部开设有椭圆滑槽，所述固定结构上设置有与所述椭圆滑槽配合的第一销孔，所述椭圆滑槽和所述第一销孔中穿设有第一定位销，所述第一定位销能在所述椭圆滑槽中滑动，从而使得连接调整板相对于固定结构水平移动。
进一步地，所述第一销孔至少有两个。
进一步地，所述开口环的侧面上设置有若干个垂直于轴线的螺栓孔，用于穿设螺丝，将所述开口环紧固于所述筒体上。
进一步地，所述连接调整板下部开设有第二销孔，所述送粉喷嘴结构上开设有与所述第二销孔配合的第四销孔，第二销孔与所述第四销孔中穿设有第三定位销固定，送粉喷嘴结构能以所述第三定位销为中心转动。
进一步地，所述连接调整板下部还开设有弧形槽，所述送粉喷嘴结构上开设有与所述弧形槽配合的第三销孔，所述第三销孔与所述弧形槽中穿设有第二定位销固定，使所述送粉喷嘴结构能以所述第三定位销为中心，沿所述弧形槽的弧度相对于所述连接调整板转动。
进一步地，所述气体通道至少开设有4个。
进一步地，所述送粉喷嘴结构内部开设有送粉通道，所述冷却水通道用于冷却送粉喷嘴结构。
进一步地，每个所述送粉喷嘴结构下端可拆卸地安装有导嘴。
进一步地，所述固定结构有多对。
根据本发明的另一个方面，还公开一种激光电弧和激光熔覆一体成形装置，所述装置包括如前任一所述的送粉系统、激光加工头和电弧焊枪，所述激光加工头安装于所述送粉支筒顶端，其上设置有与所述第一连接结构配合的第二连接结构；所述送粉系统旁侧设置有所述电弧焊枪。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
1.本发明的送粉系统中，该送粉系统的送粉支筒顶端安装有激光加工头，激光可从筒体中直射至加工位置。吹气法兰将保护气体(如氮气)，均匀化后通过送粉支筒侧壁四周的气体通道送入，一方面对激光加工头进行冷却，另一方面避免加工过程中烟尘和飞溅对激光加工头内部镜头的损伤。送粉支架上设置有连接调整板，连接调整板相对于送粉支架能水平移动，进一步调节送粉支架两侧送粉喷嘴结构之间的距离，实现两个喷嘴均匀送粉的效果。通过在连接调整板上设置出粉口朝向可改变的送粉喷嘴结构，实现出粉口可轻易调整至朝向激光热源中心，提高加工效率。此外，将激光加工头安装到送粉系统顶端，其旁侧设置有电弧焊枪，通过简单结构将激光电弧复合加工和激光熔覆两种复杂工艺结合，通过两个喷嘴中喷出的金属基复合粉末的激光熔覆实现组织性能调控，且前述金属基复合粉末的组分比例可通过两个喷嘴分别喷出不同的粉末材料来实现在线调节混合比例，又具备激光电弧-熔覆复合热源加工效率和沉积效率高的特点，而且激光电弧-熔覆复合热源形成的大熔池可极大提高粉末利用率，从而克服了激光熔覆加工粉末利用率低，同时克服激光电弧加工效率低的问题。
2、本发明的送粉系统，通过在连接调整板下端开设弧形槽和第二销孔，送粉喷嘴结构上开设有与弧形槽配合的第三销孔，以及与第二销孔配合的第四销孔，第三销孔与弧形槽中穿设有第二定位销，第二销孔与第四销孔中穿设有第三定位销固定，使送粉喷嘴结构能以第三定位销为中心，相对于连接调整板沿弧形槽的弧度进行转动，这样能够使送粉喷嘴结构确定送粉口朝向后，通过定位销固定的连接调整板和送粉喷嘴结构固定效果更佳、调整出粉口的位置时更佳便利。
3、本发明的送粉系统，送粉喷嘴结构上还设有水冷通道，在加工过程中受激光和电弧辐射受热后，通过水冷通道注水实现喷嘴冷却，保证送粉稳定性。
4、本发明的加工装置，将电弧焊枪与激光加工头旁轴复合，通过电弧的预热作用，可极大提高粉末材料对激光的吸收率，从而提高对高反射率材料的加工效率，因此本加工装置不仅可用于修复以及增材制造领域，还可以用于碳钢、不锈钢、钛合金等材料熔融焊接，特别适用于铜合金、铝合金和镁合金等高反射率材料的熔融焊接，应用较为广泛。
附图说明
图1是本发明实施例中的送粉系统结构示意图；
图2是本发明实施例中的送粉支筒结构的示意图；
图3是本发明实施例中的吹气法兰结构示意图；
图4是本发明实施例中的开口环结构示意图；
图5是本发明实施例中的送粉支架结构示意图；
图6是本发明实施例中的连接调整板结构示意图；
图7是本发明实施例中的送粉喷嘴示意图；
图8是本发明实施例中的送粉喷嘴剖视图；
图9是本发明实施例中的激光电弧和激光熔覆一体成形装置结构示意图；
图10是本发明实施例中的激光电弧复合-熔覆一体化焊接2219铝合金焊缝EBSD(Electron Backscattered Diffraction，电子背散射衍射)表征示意图；
图11是本发明实施例中的AZ31B镁合金/碳纳米管复合焊缝EBSD表征示意图；
图12是本发明实施例中的不同颗粒含量15-5PH/WC金属基复合材料的SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)表征示意图。
图中：1-送粉支筒、11-安装座、12-筒体、121-气体通道、13-通孔、111-第一连接结构、14-刻度条、2-吹气法兰、21-送气孔、22-橡胶垫圈、3-开口环、31-夹紧结构、32-螺栓孔、4-送粉支架、41-支架主体、42-固定结构、421-第一销孔、5-连接调整板、51-椭圆滑槽、52-弧形槽、53-第二销孔、6-送粉喷嘴结构、61-第三销孔、62-第四销孔、63-冷却水通道、64-送粉孔、65-进水口、66-出水口、7-激光加工头、71-第二连接结构、8-电弧焊枪、9-导嘴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本实施例提供的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，送粉系统包括送粉支筒1、吹气法兰2、开口环3、送粉支架4、连接调整板5和送粉喷嘴结构6，其中：
如图2所示，送粉支筒1包括安装座11和筒体12，二者可以一体成形，也可以分体成形，分体成形后，在筒体12的顶端同轴焊接固定安装座11，安装座11中心开设有与筒体12内径相同的通孔13，筒体12下部还可以设有刻度条14，用于将开口环3固定到准确的加工高度。安装座11的周向边缘上设有与激光加工头固定的第一连接结构111。本实施例中，第一连接结构111为螺孔，激光加工头本体上也有与之相配合第二连接结构71，该连接结构也优选为螺孔，两个螺孔中穿设螺丝将安装座11与激光加工头固定于一体，激光可从筒体12中穿出射向加工位置。
吹气法兰2套设于筒体12上，并与安装座11固定连接，优选地，结合图2和图3，吹气法兰2与安装座11端面上均开设有相配合的螺孔，拧入螺丝将二者能固定于一体，且送气法兰2的内部还设置有橡胶垫圈22，用于密封和均匀气体。
如图5所示，送粉支架包括支架主体41和对称设置于支架主体41外侧面上的固定结构42，固定结构42优选为一对，可以由于支架主体41一体成形，也可以分体成形后再固定。
如图1所示，开口环3与支架主体41内径相同，二者穿设于筒体12上，且支架主体41与开口环3上均开设有相配合的螺孔，螺孔中穿设有螺丝进行固定。如图4所示，开口环3上还设置有夹紧结构31，本实施例中夹紧结构31为分别设置在开口环3两个开口端面上的螺孔，其中一个螺孔为通孔，螺丝可从位于开口环侧面的螺孔开设槽处拧入该螺孔中，并拧入另一开口端面上的螺孔中，使开口环3夹紧固定在筒体12上。
每个固定结构42上设置有连接调整板5，且连接调整板5能相对于固定结构42水平移动，连接调整板5下部板面上设置有送粉喷嘴结构6，送粉喷嘴结构6能相对于连接调整板5转动以改变其出粉口的朝向。
作为优选地，如图4所示，开口环3的侧面上设置有若干个螺栓孔32，螺栓孔32优选为两个，其轴线垂直于开口环3的轴线，并对称设置在环体两侧，螺孔32中穿设螺丝，用于将开口环3紧固于筒体12上。
作为优选地，筒体12上设置有气体通道121,吹气法兰2上设置有与气体通道121贯通的送气孔21，更优选地，气体通道121至少开设有4个，吹气法兰2通过向送粉支筒中通入氮气，一方面对激光加工头能进行冷却，另一方面能避免加工过程中烟尘和材料飞溅对激光加工头内部镜头的损伤。
作为优选地，连接调整板5的上部开设有椭圆滑槽51，固定结构42上设置有与椭圆滑槽51配合的第一销孔421，椭圆滑槽51和第一销孔421中穿设有第一定位销，第一定位销未紧固前能在椭圆滑槽51中滑动，使连接调整板5水平移动至合适加工位置后再紧固。本实施例中，第一销孔421至少开设有两个，以加强紧固作用。
作为优选地，连接调整板5下部开设有弧形槽52和第二销孔53，送粉喷嘴结构6上开设有与弧形槽配合的第三销孔61，以及与第二销孔53配合的第四销孔62，第三销孔61与弧形槽52中穿设有第二定位销固定，第二销孔53与第四销孔62中穿设有第三定位销固定，使送粉喷嘴结构6能以第三定位销为中心，相对于连接调整板5按弧形槽的弧度转动，从而将出粉口朝向熔池。优选地，弧形槽52和第二销孔53上下排布，能够使送粉喷嘴上部沿弧形槽方向运动，从而带动下方出粉口改变朝向。
作为进一步优选地，连接调整板5下部也可以只设置有一个销孔，送粉喷嘴结构6上设置有与该销孔配合的另一个销孔，两个销孔中穿设有第四定位销固定，送粉喷嘴结构6能以该定位销为中心转动，也能将出粉口调整至朝向熔池。
作为优选地，如图7和8所示，送粉喷嘴结构6内部还开设有冷却水通道63，冷却水通道63设置在送粉通道旁边，用于冷却送粉喷嘴结构6，冷却通道上设置有一个进水口65和两个出水口66，均与送粉口64处于同一端面，其中一个出水口为开设通道时的加工孔，实际应用时，也可将该孔密封，只留一个出水口，以调整冷却水流量。
作为优选地，如图1所示，每个送粉喷嘴结构6的出粉口可拆卸地安装有导嘴9，能更好地将粉末材料输送至熔池中心，也便于加工过程中出现烧损后及时更换导嘴。
如图9所示，为本发明实施例提供的一种激光电弧和激光熔覆一体成形装置，该装置包括激光加工头7、电弧焊枪8和如前述实施例所述的送粉系统，激光加工头7安装于送粉支筒1的顶端，其上设置有与第一连接结构111配合的第二连接结构71，第二连接结构71优选为螺孔，螺孔中穿设有螺丝将激光加工头固定安装在送粉支筒顶端的安装座上；电弧焊枪8与激光加工头7旁轴复合设置，可灵活调整加工位置。
作业前，先调整一体成形装置中送粉系统与电弧焊枪的相对位置，并调整双通道送粉喷嘴结构的高度后，紧固开口环固定其高度，再通过送粉支架上部的滑槽和下部的弧形槽来实现送粉喷嘴间距离和出粉口朝向角度的调整。作业时，保护气体在送气法兰内部均匀化后通过送粉支筒侧壁的气体通道送入，主要用于保护激光加工头镜片；特定比例的颗粒增强复合粉末通过两个送粉喷嘴结构直接送入熔池，随后进行激光加工。加工后检查双通道送粉喷嘴结构，由于前端导嘴靠近电弧中心，若发现烧损则及时更换。加工中使用的颗粒增强复合粉末既可以预制，也可将第二相颗粒和金属粉末按比例从送粉喷嘴结构的两个喷嘴中分别送出从而实现在线混合。第二相颗粒在基体中不仅能够起到位错强化、弥散强化的效果，还能够作为异质形核质点增大形核率，以及钉扎晶界阻碍晶界移动，从而抑制晶粒长大并实现材料强化。
利用本发明提供的一体成形装置用于铝合金焊接时，采用现有的常规ER2319铝合金焊丝，其直径为1.2mm，待焊材料为2219厚度5mm的铝合金板材进行加工。金属基颗粒增强粉末包含粒径为53μm-105μm的2219铝合金粉末以及粒径为2μm-4μm的TiB2第二相颗粒。采用低能球磨法预制TiB2/2219铝基复合粉末，球磨转速135r/min，单次球磨时间5h。所采用的焊接工艺参数为：激光功率2.5kW，焊接速度1.5m/min，电弧电流200A，焊枪与铝合金板面夹角60°，焊丝干伸长13mm，光丝间距3mm。相比于常规的激光-电弧复合焊缝，采用本发明一体成形装置加工后，如图10所示，为激光电弧复合-熔覆一体化焊接2219铝合金焊缝EBSD(Electron Backscattered Diffraction，电子背散射衍射)表征示意图，可以看到,使用本加工装置加工的添加了1％TiB2的焊缝晶体结构由使用常规加工装置加工的无添加TiB2时的柱状晶转变为了等轴晶，晶粒尺寸也由未添加TiB2的78μm细化至了46μm。
利用本发明提供的一体成形装置用于镁合金焊接时，采用常规AZ31B镁合金商用焊丝，直径1.2m；待焊材料为厚度5m的AZ31B镁合金板材。金属基颗粒增强粉末包含粒径为53-105m的AZ31B镁合金粉末以及管径为3-15μm、管长15-30μm的碳纳米管(CNTs)。采用低能球磨法预制CNTs/AZ31镁合金复合粉末，球磨转速150/min，单次球磨时间8h。所采用的焊接工艺参数为：激光功率3.0kW，焊接速度1.5m/min，电弧电流90A，焊枪倾角60°，焊丝干伸长13mm，光丝间距3mm。加工过程与实施例1相同。如图11所示，采用本发明一体成形装置进行加工，添加了2wt.％CNTs加工后的焊缝晶粒相较于使用常规加工装置加工的无CNTs添加的焊缝晶粒发生明显细化，其平均晶粒尺寸由无CNTs添加时的23μm细化至了11μm。
利用本发明提供的一体成形装置，用于15-5PH不锈钢增材制造。所采用的金属基复合粉末包含粒径为45-105μm的15-5PH不锈钢粉末以及粒径为2-5μm的WC(碳化钨)第二相颗粒，分别从双通道喷嘴中送出实现增材制造过程中在线混合，WC质量分数为2％。所采用的熔覆工艺参数为：激光功率1.3kW，扫描速度5mm/s。如图12所示，相比于常规熔覆成形零件，采用本发明一体成形装置通过送粉系统添加2wt.％的WC加工后，零件内马氏体平均尺寸由无添加时的20μm细化至添加2wt.％后的9.3μm，奥氏体体积分数由4.3％增加至16.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述送粉系统包括送粉支筒(1)、吹气法兰(2)、开口环(3)、送粉支架(4)和连接调整板(5)，其中：
所述送粉支筒(1)包括安装座(11)和筒体(12)，所述筒体(12)的顶端同轴固定有所述安装座(11)，所述安装座(11)中心开设有与所述筒体(12)内径相同的通孔(13)，其周向边缘上设有第一连接结构(111)；
所述吹气法兰(2)套设于所述筒体(12)上，并与所述安装座(11)固定连接；
所述送粉支架(4)包括支架主体(41)和对称设置于支架主体(41)外侧的固定结构(42)，支架主体(41)与所述开口环(3)固定于一体并套设于所述筒体(12)上；所述开口环(3)的开口端设置有夹紧结构(31)，用于使开口环(3)夹紧固定在筒体(12)上；
每个所述固定结构(42)上设置有所述连接调整板(5)，所述连接调整板(5)能相对于所述固定结构(42)水平移动，且所述连接调整板(5)下部设置有送粉喷嘴结构(6)，所述送粉喷嘴结构(6)能相对于所述连接调整板(5)转动以改变其出粉口的朝向。
2.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述筒体(12)上设置有气体通道(121),所述吹气法兰(2)上设置有与所述气体通道(121)贯通的送气孔(21)，所述气体通道(121)优选地至少开设有4个。
3.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述连接调整板(5)的上部开设有椭圆滑槽(51)，所述固定结构(42)上设置有与所述椭圆滑槽(51)配合的第一销孔(421)，所述椭圆滑槽(51)和所述第一销孔(421)中穿设有第一定位销，所述第一定位销能在所述椭圆滑槽(51)中滑动，从而使得连接调整板(5)相对于固定结构(42)水平移动，优选地，所述第一销孔(421)至少有两个。
4.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述开口环(3)的侧面上设置有若干个螺栓孔(32)，该螺栓孔(32)中穿设有螺丝，用于将所述开口环(3)紧固于所述筒体(12)上。
5.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述连接调整板(5)下部开设有第二销孔(53)，所述送粉喷嘴结构(6)上开设有与所述第二销孔(53)配合的第四销孔(62)，第二销孔(53)与所述第四销孔(62)中穿设有第三定位销固定，送粉喷嘴结构(6)能以所述第三定位销为中心转动。
6.如权利要求5所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述连接调整板(5)下部还开设有弧形槽(52)，所述送粉喷嘴结构(6)上开设有与所述弧形槽(52)配合的第三销孔(61)，所述第三销孔(61)与所述弧形槽(52)中穿设有第二定位销固定，所述送粉喷嘴结构(6)能以所述第三定位销为中心，沿所述弧形槽(52)的弧度相对于所述连接调整板(5)转动。
7.如权利要求1-6任一所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述送粉喷嘴结构(6)内部开设有冷却水通道(63)，所述冷却水通道(63)用于冷却送粉喷嘴结构(6)。
8.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，每个所述送粉喷嘴结构(6)出粉口可拆卸地安装有导嘴(9)。
9.如权利要求1所述的一种激光电弧和激光熔覆一体成形的送粉系统，其特征在于，所述固定结构(42)设置有多对。
10.一种激光电弧和激光熔覆一体成形装置，其特征在于，所述装置包括激光加工头(7)、电弧焊枪(8)以及如权利要求1-9任一所述的送粉系统，所述激光加工头(7)安装于所述送粉支筒(1)顶端，其上设置有与所述第一连接结构(111)配合的第二连接结构(71)；所述送粉系统(1)旁侧设置有所述电弧焊枪(8)。
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