CN115747785A - 一种激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光‑冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，包括以下步骤：步骤1，提供待修复工件；步骤2，提供远程高速激光熔覆系统；步骤3，提供冷喷涂系统；步骤4，提供加工辅助系统；步骤5，启动加工辅助系统，将待修复工件固定在夹具平台上，开启粉末收集系统和集尘系统；步骤6，启动冷喷涂系统，开启高压气体源和送粉器，超音速喷嘴喷发金属粉末，沉积在待修复工件，未沉积金属粉末被粉末收集喷嘴吸除，获得冷喷涂层；步骤7，启动远程高速激光熔覆系统，激光熔覆头输出聚焦激光束，垂直作用于冷喷涂层，获得高速激光熔覆层；步骤8，将待修复工件在二维运动平台的驱动下实现平面高速移动，实现激光‑冷喷涂复合远程高速激光熔覆。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体地为一种激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法。
背景技术
冷喷涂技术是一种基于气体动力学原理而研发出的表面工程和增材制造技术。冷喷涂技术利用经过加热的高压气体(通常达1.5Mpa以上)，混合微米级的金属或金属混合物粉末，通过经特殊设计的Laval喷嘴，将混合的载流气体加速到音速或超过音速(达到其沉积的临界速度)，同时其温度保持在相应金属熔点以下，具有极大动能的材料颗粒冲击基体，在颗粒与基体产生塑性变形，进而发生沉积，实现将金属或其混合物颗粒沉积到基体表面，形成具有特殊功能的涂层。冷喷涂时，通常需要通过提高粒子的撞击速度、提升界面塑性变形程度的方式来提高沉积体的结合强度。但仅有采用昂贵的氦气作为加速气体时才能显著提高粒子的撞击速度，在大多数工程背景下不具备经济推广性。另一方面，冷喷涂过程中，对于金属材料温度越高，材料越软，越容易发生塑性变形，但由于粉末粒子会被气体加热到一定程度，而基材通常为冷态，因此，粒子高速撞击基材时，粒子的塑性应变往往比基材更大，界面塑性变形不一致，结合强度难以大幅度提高。
激光熔覆沉积是一种基于快速原型制造基本原理的增材制造技术，以金属粉末为原材料，采用高能量的激光作为能量源，按照预定的扫描路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化，快速凝固和逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造的技术。但由于其特殊的冶金过程，涉及材料、结构、多种物理场和化学场的多因素、多层次和跨尺度耦合的极端复杂系统，所得零件的组织容易产生柱状晶显著、组织的不均匀以及母材稀释率高、激光熔覆过程中激光熔覆头过热造成熔覆加工过程中断以及熔覆层性能差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法。
本发明所要解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，提供待修复工件；
步骤2，提供远程高速激光熔覆系统，所述远程高速激光熔覆系统包括激光器、传输光纤、激光熔覆头；
步骤3，提供冷喷涂系统，所述冷喷涂系统包括超音速喷嘴、送粉器和高压气体源；
步骤4，提供加工辅助系统，所述加工辅助系统包括工作腔、夹具平台、旁轴吹气喷嘴、粉末收集系统、集尘系统；所述夹具平台包括夹具、工作台和二维运动平台；所述粉末收集系统包括粉末收集喷嘴、第一负压泵；集尘系统包括集尘喷嘴和第二负压泵；
步骤5，启动加工辅助系统，将待修复工件固定在夹具平台上，同时开启粉末收集系统和集尘系统；
步骤6，启动冷喷涂系统，并开启高压气体源和送粉器，然后超音速喷嘴喷发金属粉末，并沉积在待修复工件，未沉积金属粉末被粉末收集喷嘴吸除，获得冷喷涂层；
步骤7，启动远程高速激光熔覆系统，开启激光器，激光熔覆头输出聚焦激光束，垂直作用于冷喷涂层，获得高速激光熔覆层；
步骤8，将待修复工件在二维运动平台的驱动下实现平面高速移动，实现激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆。
进一步地，所述激光器为高亮度抗高反光纤激光器。
进一步地，所述旁轴吹气喷嘴固定在所述夹具上，所述夹具固定在所述工作台上，所述工作台固定在所述二维运动平台上。
进一步地，所述粉末收集喷嘴和集尘喷嘴固定在工作台上，分别对准冷喷涂沉积区和激光熔覆区。
进一步地，所述待修复工件包括低碳钢、镁合金。
进一步地，所述金属粉末包括Ni、Ti粉末，粒径尺寸为10～40μm。
进一步地，所述高压气体源气体为氮气，压力为1～3MPa，流量为30～45Nm3/min，所述送粉器转速为1～3r/min；
所述激光器的激光功率为1000～3000W，聚焦激光束焦斑面积为0.5～1mm，旁轴吹气喷嘴喷出的气体为氩气，流量为15～30L/min。
进一步地，所述冷喷涂层厚度d1为0.1～1mm，所述高速激光熔覆层厚度d2为0.08～0.85mm。
进一步地，所述二维运动平台的移动速度为12～18m/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明通过冷喷涂工艺供给金属粉末并固着在基体表面，同步采用高亮度激光束远距离高速熔化冷喷涂层实现激光熔覆修复，有效改善冷喷涂层的表面的疏松结构，获得高性能熔覆层，此外，还有效避免了常规激光熔覆区高温对激光熔覆头光学镜片的热影响而导致光学镜片变形中断熔覆工作，可以实现长时间激光熔覆作业。
2.本发明通过在冷喷涂区和激光熔覆区分别设置粉末收集喷嘴和集尘喷嘴，有效提高了未沉积的金属粉末洁净度，减少成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的设备布置示意图；
图2是本发明实施例1的激光焊接过程纵截面示意图；
图中：5、工作腔，10、待修复工件，12、金属粉末，13、冷喷涂沉积区，14、冷喷涂层，15、激光熔覆区，16、高速激光熔覆层，17、激光器，20、二维运动平台，21、工作台，22、夹具，23、粉末收集喷嘴，24、第一负压泵，25、集尘喷嘴，26、第二负压泵，27、激光束，28、激光熔覆头，29、传输光纤，30、气刀，31、旁轴吹气喷嘴，32、超音速喷嘴，33、送粉器，34、气体加热器，35、高压气体源。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1,
本实施例包括以下步骤：
步骤1，提供待修复工件10；在本实施例中，待修复工件包括低碳钢、镁合金；
步骤2，提供远程高速激光熔覆系统，远程高速激光熔覆系统包括激光器17、传输光纤29、激光熔覆头28、气刀30；在本实施例中，激光熔覆头28通过传输光纤29与激光器17连接，气刀30设置在激光熔覆头28上，且激光器17为高亮度抗高反光纤激光器；
步骤3，提供冷喷涂系统，冷喷涂系统包括超音速喷嘴32、送粉器33和高压气体源35；在本实施例中，高压气体源35与送粉器33之间还设有气体加热器34；
步骤4，提供加工辅助系统，加工辅助系统包括工作腔5、夹具平台、旁轴吹气喷嘴31、粉末收集系统、集尘系统；夹具平台包括夹具22、工作台21和二维运动平台20；粉末收集系统包括粉末收集喷嘴23、第一负压泵24；集尘系统包括集尘喷嘴25和第二负压泵26；具体地，轴吹气喷嘴31固定在夹具22上，夹具22固定在工作台21上，工作台21固定在二维运动平台20上；且粉末收集喷嘴23和集尘喷嘴25固定在工作台20上；
步骤5，启动加工辅助系统，将待修复工件10固定在夹具平台上，同时开启粉末收集系统和集尘系统；具体地，待修复工件10通过夹具22固定在工作台21上；
步骤6，启动冷喷涂系统，并开启高压气体源35和送粉器33，然后超音速喷嘴32喷发金属粉末12并沉积在待修复工件10上，使得待修复工件10上形成冷喷涂沉积区13，未沉积金属粉末12被粉末收集喷嘴23吸除，从而获得冷喷涂层14；在本实施例中，粉末收集喷嘴23对准冷喷涂沉积区，用于收集冷喷涂沉积区的粉末；
步骤7，启动远程高速激光熔覆系统，开启激光器17，激光熔覆头28输出聚焦激光束27，垂直作用于冷喷涂层14并形成激光熔覆区15，从而获得高速激光熔覆层16；在本实施例中，集尘喷嘴25对准激光熔覆区，用于收集激光熔覆区15的粉末，同时旁轴吹气喷嘴31也对准激光熔覆区15，用于将激光熔覆区15的粉末吹起，并通过集尘喷嘴25收集激光熔覆区15的粉末；且激光器17的激光功率为1000～3000W，聚焦激光束27焦斑面积为0.5～1mm，旁轴吹气喷嘴31喷出的气体为氩气，流量为15～30L/min；高速激光熔覆层16厚度d2为0.08～0.85mm。
此外，金属粉末12包括Ni、Ti粉末，粒径尺寸为10～40μm；高压气体源35的气体为氮气，压力为1～3MPa，流量为30～45Nm3/min，送粉器33转速为1～3r/min；且得到冷喷涂层14厚度d1为0.1～1mm；
步骤8，将待修复工件10在二维运动平台20的驱动下实现平面高速移动，实现激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆；在本实施例中，二维运动平台20的移动速度为12～18m/min。
由此，本发明通过冷喷涂工艺供给金属粉末并固着在待修复工件表面，同步采用高亮度激光束远距离高速熔化冷喷涂层实现激光熔覆修复，有效改善冷喷涂层的表面的疏松结构，获得高性能熔覆层，此外，还有效避免了常规激光熔覆区高温对激光熔覆头光学镜片的热影响而导致光学镜片变形中断熔覆工作，可以实现长时间激光熔覆作业。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述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同等替换；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与范围。
Claims (9)
1.一种激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，提供待修复工件(10)；
步骤2，提供远程高速激光熔覆系统，所述远程高速激光熔覆系统包括激光器(17)、传输光纤(29)、激光熔覆头(28)；
步骤3，提供冷喷涂系统，所述冷喷涂系统包括超音速喷嘴(32)、送粉器(33)和高压气体源(35)；
步骤4，提供加工辅助系统，所述加工辅助系统包括工作腔(5)、夹具平台、旁轴吹气喷嘴(31)、粉末收集系统、集尘系统；所述夹具平台包括夹具(22)、工作台(21)和二维运动平台(20)；所述粉末收集系统包括粉末收集喷嘴(23)、第一负压泵(24)；集尘系统包括集尘喷嘴(25)和第二负压泵(26)；
步骤5，启动加工辅助系统，将待修复工件(10)固定在夹具平台上，同时开启粉末收集系统和集尘系统；
步骤6，启动冷喷涂系统，并开启高压气体源(35)和送粉器(33)，然后超音速喷嘴(32)喷发金属粉末(12)，并沉积在待修复工件(10)，未沉积金属粉末(12)被粉末收集喷嘴(23)吸除，获得冷喷涂层(14)；
步骤7，启动远程高速激光熔覆系统，开启激光器(17)，激光熔覆头(28)输出聚焦激光束(27)，垂直作用于冷喷涂层(14)，获得高速激光熔覆层(16)；
步骤8，将待修复工件(10)在二维运动平台(20)的驱动下实现平面高速移动，实现激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆。
2.根据权利要求1所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述激光器(17)为高亮度抗高反光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述旁轴吹气喷嘴(31)固定在所述夹具(22)上，所述夹具(22)固定在所述工作台(21)上，所述工作台(21)固定在所述二维运动平台(20)上。
4.根据权利要求3所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述粉末收集喷嘴(23)和集尘喷嘴(25)固定在工作台(20)上，分别对准冷喷涂沉积区和激光熔覆区。
5.根据权利要求4所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述待修复工件(10)包括低碳钢、镁合金。
6.根据权利要求5所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述金属粉末(12)包括Ni、Ti粉末，粒径尺寸为10～40μm。
7.根据权利要求6所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述高压气体源(35)气体为氮气，压力为1～3MPa，流量为30～45Nm3/min，所述送粉器(33)转速为1～3r/min；
所述激光器(17)的激光功率为1000～3000W，聚焦激光束(27)焦斑面积为0.5～1mm，旁轴吹气喷嘴(31)喷出的气体为氩气，流量为15～30L/min。
8.根据权利要求7所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述冷喷涂层(14)厚度d1为0.1～1mm，所述高速激光熔覆层(16)厚度d2为0.08～0.85mm。
9.根据权利要求8所述的激光-冷喷涂复合远程高速激光熔覆方法，其特征在于：所述二维运动平台(20)的移动速度为12～18m/min。
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