CN117548692B - 一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统。本申请方案将激光熔覆增材技术与高压环境相结合，在高压环境下实时调控保护气体分压加剧保护气成分对熔池凝固的影响，通过多孔底板的气帘设计在加大保护气流量的同时维持保护气氛的稳定，提高了熔池凝固的质量及后续构件力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置。
背景技术
激光熔覆是激光增材制造技术的一种，是一项兼顾成型精度和高性能需求的一体化制造技术，其中保护气成分是激光熔覆增材制造过程中一项重要工艺参数，对熔池凝固有着重要影响。
氮元素是高氮钢中的特征元素，氮固溶于基体中提供的固溶强化可显著提升高氮钢的各项力学性能，但高氮钢增材过程中常常伴随着氮流失及氮气孔形成等棘手问题，高氮钢凝固过程的相转变行为和试样力学性能在很大程度上取决于氮行为，对其精准控制是当前研究的难点。优化保护气体中氮含量是调节其相变行为及微观组织的一种相对有效和经济的方法，在焊接领域已被证明是可行的，但相对焊接熔池，激光熔覆产生熔池尺寸较小，熔池存在时间短，常压环境下气体分压对熔池作用不明显。
中国专利CN 113458604 A公开了一种高压环境激光填丝增材实验平台，在高压试验舱内进行增材实验。该专利仅是用来模拟水下高压环境，虽可实现高压环境下增材，但未涉及到保护气成分调节及高压渗氮，并不适用于优化高氮钢增材过程中渗氮均匀性。中国专利CN 116160014 A公开了一种水下激光熔覆制备高性能高氮钢的工艺方法，通过高压舱加压的方式模拟水下高压环境，高压环境带来氮气分压的提升，从而提高熔池内氮的溶解度。该发明存在两点不足，首先是为了吹散局部干区内残余水膜，需调大保护气流量，这会造成熔池动荡；其次，该方法未涉及保护气成分反馈调节系统，沉积材料势必会存在氮含量沿沉积方向分布不均等问题。
发明内容
针对现有技术中高压环境下保护气成分对激光熔覆增材过程中熔池凝固影响的空白，将激光熔覆增材技术与高压环境相结合，研究高压环境下保护气体分压工艺优化及参数实时调控对熔池凝固及后续构件力学性能的影响是十分有必要的，因此本申请提出一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置。
一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
由高压试验舱系统中的空压机输出压缩空气经过干燥机和节流阀进入高压试验舱系统的密封耐压试验舱中，激光沉积系统位于密封耐压试验舱中用于进行激光熔覆增材作业，保护气成分反馈调节系统可以提供多元混合保护气，通过激光沉积系统底下的多孔底板进入激光作业区，并对保护气成分进行快速实时调控，多孔底板表面的出气孔设置电动阀门及单向阀，每个出气孔配有相应的电容式行程开关触点，监控系统通过安置于激光沉积系统高温计和同轴相机实时监测激光沉积系统的熔池温度和尺寸，运动控制系统的多自由度机械手与激光沉积系统的密封耐压外壳连接以控制激光沉积系统进行作业。
在一些实施方式中，高压试验舱系统包括空压机、密封耐压试验舱、干燥机、节流阀、压力表、气泵、过滤器、储气罐以及单向阀；
空压机输出压缩空气经过干燥机和节流阀进入密封耐压试验舱内，节流阀可以控制压缩空气流量，压力表置于密封耐压试验舱内壁上实时监控内部气压值，实验过程中产生的气体在气泵的作用下经过滤器过滤后进入储气罐中，储气罐中的气体经过单向阀回到空压机供气线路中，形成自循环，单向阀可以控制气体的流动方向，避免出现气体逆流。
在一些实施方式中，密封耐压试验舱包括出气口和泄压口；
出气口位于密封耐压试验舱底部的一侧，实验过程中产生的气体将通过出气口到过滤器中，泄压口位于密封耐压试验舱底部的另一侧，用于将气体排出密封耐压试验舱。
在一些实施方式中，激光沉积系统包括密封耐压外壳、熔覆头、保护罩、多孔底板及送粉器；
熔覆头置于密封耐压外壳内部，保护罩置于密封耐压外壳底部，可以减少密封耐压试验舱内的压缩空气与保护罩内保护气氛的相互作用，多孔底板置于密封耐压试验舱底部并与保护罩留有间隙，使得保护罩内部保护气体压力与试验舱环境压力一致，送粉器通过管路向基板输送合金粉末。
在一些实施方式中，保护罩为圆柱形，保护罩两侧底部各放置一个电容式行程开关触点，可以产生局部高压保护气，快速响应保护气成分调节指令。
在一些实施方式中，多孔底板中间挖圆形槽用于放置基板，基板周围分布着多圈环形阵列的出气孔，出气孔底部相通，沿直径方向分布组通道，通道口连接快插接头。
保护罩底部行程开关触点对应到相应的多孔底板表面行程开关触点，即以保护罩底部行程开关触点之间的距离为直径，触点中间位置为圆心，在该范围内的多孔底板表面的出气孔电动阀门打开，其余出气孔阀门关闭，用于供给保护罩内保护气，出气孔供气时产生相应保护气帘，可进一步降低试验舱内压缩空气与保护气氛相互作用。
在一些实施方式中，保护气成分反馈调节系统包括多元保护气气瓶、电动气阀、气体混合器、PID控制器及电脑控制端；
多元保护气气瓶中储存的各类保护气通过电动气阀输送到气体混合器中，混合气体通入多孔底板和熔覆头内，PID控制器用于调节电动气阀开度以控制进入气体混合器中的各类保护气含量，电脑控制端用于分析监控系统捕获到的信息数据并通过PID控制器实时调节保护气成分。
保护气成分反馈调节系统工作流程还包括：实验开始前混合好相应的多元保护气的混合气（包括氮气、氩气、氧气、氦气等，但不局限于这四种气体）通入多孔底板、熔覆头内，作为初始值。
在一些实施方式中，监控系统包括高温计及同轴相机，高温计安置于保护罩顶部，用于实时监测熔池温度，同轴相机安置于熔覆头一侧，用于实时监测熔池尺寸。
监控系统将熔池的温度和尺寸信息发送给电脑控制端，电脑控制端根据信息计算冷却速率，熔池持续时间，熔池三维形状等并结合相关理论模型对多元保护气气瓶的电动气阀开度进行调整，使得氮含量在试样内部均匀分布。
在一些实施方式中，运动控制系统是多自由度机械手，安置于密封耐压试验舱内顶部，与密封耐压外壳连接以控制熔覆头作业。
在冶金领域，通常在高氮钢熔池上方通入高压氮气，提升熔池上方氮气分压，由此增加熔池内部氮的溶解度，避免氮气孔的产生。此外，在熔池凝固过程中会产生高压渗氮现象，熔池内的氮含量相应提升，热源空间和熔池之间的氮通量由这两个区域之间氮活度的差异决定，氮原子倾向于向氮活性较低的区域迁移。
鉴于此，可在熔池周围引入高压环境，在较短的熔池存在时间情况下，通过提升保护气中氮气分压的值来加强保护气成分对熔池的影响。除此之外，在保护气中添加少量的氧气可增加熔池内氮的溶解度减少氮流失，但过多的渗氮量会导致氮化物的析出，不利于力学性能，需对保护气中氮含量进行优化调节。随着激光熔覆增材实验的进行，热积累作用显现，熔池峰值温度升高，熔池尺寸变大，若以同样氮气分压进行渗氮，势必会造成氮含量在构件内部的不均匀分布，导致微观组织及力学性能的各向异性，需随着实验过程的进行对保护气成分进行实时调控。
有益效果：
(1) 本发明所提供的高压环境激光熔覆增材实验平台，通过空压机制造压缩空气进入试验舱，以此营造实验所需的高压环境压力。通过环境压力增加熔池上面各气体分压，加剧保护气成分对熔池凝固的影响，保护罩的存在结合置于试验舱底部多孔底板创造的气帘可减少压缩空气与保护气氛的相互作用，维持局部保护氛围的稳定。
(2) 本发明所提供的高压环境激光熔覆增材实验平台中的监控系统和保护气成分实时调节系统可做到对保护气成分进行快速实时调控，安置在熔覆头侧面的同轴相机和置于保护罩内部的高温计可实时监测熔池温度历程和熔池尺寸，监测信息导入电脑控制端计算熔池体积及存在时间，计算所需保护气成分，通过PID控制器实时调控各路保护气电动阀门开度，做到及时灵敏地根据熔池快速调整保护气成分。
(3) 本发明方案所提出的多孔底板改变了保护气进入路径，在气帘的作用下既加大了保护气流量维持局部保护气氛地稳定，同时也避免了加大气流对熔池造成冲击，保持熔池的稳定，大大提高了沉积质量。此外，安置于保护罩底部的两个电容式行程开关触点，可随着沉积轨迹的改变，实时控制多孔底板进气孔的开闭，避免了保护气的浪费。
附图说明
图1是本发明高压环境激光熔覆增材实验平台装置示意图；
图2是本发明多孔底板示意图。
附图标记说明：
101、密封耐压试验舱；102、进气口；103、节流阀；104、干燥机；105、空压机；106、气泵；107；储气罐；108、过滤器；110、出气口；111、单向阀；112、多自由度机械手；113、压力表；201、密封耐压外壳；202、熔覆头；203、保护罩；204、多孔底板；205、高温计；206、基板；207、底部电容式行程开关触点；208、出气孔；209、泄压口；210、电控气阀；211、同轴相机；301、气体混合器；302、电动气阀；303、多元保护气气瓶；401、电脑控制端；402、PID控制器；403、送粉器；501、快插接头；503、表面电容式行程开关触点；504、圆形槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
由高压试验舱系统中的空压机105输出压缩空气经过干燥机104和节流阀103由进气口102进入密封耐压试验舱101中，保持整个实验环境处于高压状态，激光沉积系统用于进行激光熔覆增材作业，保护气成分反馈调节系统可以提供多元混合保护气，通过激光沉积系统底下的多孔底板204进入激光作业区，并对保护气成分进行快速实时调控，多孔底板204表面出气孔208设置电动阀门及单向阀，每个出气孔208配有相应的表面电容式行程开关触点503，监控系统通过安置于激光沉积系统高温计205和同轴相机211实时监测并将信息输入电脑控制端401，运动控制系统通过多自由度机械手112与所述激光沉积系统的密封耐压外壳201连接，控制激光沉积系统作业。
高压试验舱系统包括空压机105、密封耐压试验舱101、干燥机104、节流阀103、压力表113、气泵106、过滤器108、储气罐107以及单向阀111；
空压机105输出压缩空气经过干燥机104和节流阀103进入密封耐压试验舱101内，节流阀103可以控制压缩空气流量，压力表113置于密封耐压试验舱101内壁上实时监控内部气压值，实验过程中产生的气体在气泵的作用下经出气口110处的过滤器108过滤后进入储气罐107中，储气罐107中的气体经过单向阀111回到空压机105供气线路中，形成自循环，单向阀111可以控制气体的流动方向，避免出现气体逆流。
密封耐压试验舱101包括出气口110和泄压口209；出气口110位于密封耐压试验舱101底部的一侧，将实验过程中产生的气体通过过滤器108输出到储气罐107中，泄压口209位于密封耐压试验舱101底部的另一侧通过电控气阀210向外排出气体。
激光沉积系统包括密封耐压外壳201、熔覆头202、保护罩203、多孔底板204及送粉器403；
熔覆头202置于密封耐压外壳201内部通过多自由度机械手112控制作业，保护罩203置于密封耐压外壳201底部，可以减少密封耐压试验舱101内的压缩空气与保护罩203内保护气氛的相互作用，多孔底板204置于密封耐压试验舱101底部并与保护罩203留有一定间隙，使得保护罩203内部保护气体压力与试验舱环境压力一致，送粉器403通过管路直接向基板206输送合金粉末。
保护罩203为圆柱形，保护罩203两侧底部各放置一个底部电容式行程开关触点207，可以产生局部高压保护气，快速响应保护气成分调节指令。
结合图2可以看到，多孔底板204中间挖圆形槽504用于放置基板，基板周围分布着多圈环形阵列的出气孔208，出气孔208底部相通，沿直径方向分布36组通道，通道口连接快插接头501。
保护罩203的底部电容式行程开关触点207对应到相应的多孔底板204的表面电容式行程开关触点503，即以保护罩203的底部电容式行程开关触点207之间的距离为直径，触点中间位置为圆心，在该范围内的多孔底板204表面的出气孔208电动阀门打开，其余出气孔208阀门关闭，用于供给保护罩203内保护气，出气孔208供气时产生相应保护气帘，可进一步降低试验舱内压缩空气与保护气氛相互作用。
保护气成分反馈调节系统包括多元保护气气瓶303、电动气阀302、气体混合器301、PID控制器402及电脑控制端401；
多元保护气气瓶303中储存的各类保护气通过电动气阀302输送到气体混合器301中，混合气体通入多孔底板204和熔覆头202内，PID控制器402可以调节电动气阀302开度以控制进入气体混合器301中的各类保护气含量，电脑控制端401用于分析监控系统捕获到的信息数据并通过PID控制器402实时调节保护气成分。
保护气成分反馈调节系统工作流程还包括：实验开始前混合好相应的多元保护气的混合气（包括氮气、氩气、氧气、氦气等，但不局限于这四种气体）通入多孔底板204、熔覆头202内，作为初始值，然后通过监控系统反馈信息由电脑控制端401调节环境压力大小增大熔池上方各类保护气体相应气体分压。
监控系统的高温计205安置于保护罩203顶部，用于实时监测熔池温度；同轴相机211安置于熔覆头202一侧，用于实时监测熔池尺寸；监控系统将熔池的温度和尺寸信息发送给电脑控制端401，电脑控制端401根据信息计算冷却速率，熔池持续时间，熔池三维形状等并结合相关理论模型对多元保护气气瓶303的电动气阀302开度进行调整，使得氮含量在试样内部均匀分布。
运动控制系统是多自由度机械手112，安置于密封耐压试验舱101内顶部侧面，与密封耐压外壳201连接，运转多自由度机械手112将熔覆头202移动至指定位置进行作业。
本申请的应用情况
以在光滑基板表面上，设置高压环境为0.3 MPa，使用本发明所提出的高压环境激光熔覆增材实验平台装置制备高氮钢薄壁件试样。
采用如下步骤：
首先，制备粒径分布为20～150 μm的高氮钢粉末，将高氮钢粉末置于送粉器，高氮钢粉末的元素成分如表1所示：
表1 高氮钢粉末合金元素成分 (wt.%)
规划激光熔覆单道多层高氮钢试样的扫描轨迹并编写对应的程序，共进行五层沉积实验；备好纯度大于99.99%的氮气、氩气、氧气作为保护气，设定激光熔覆加工工艺参数：激光功率为2500 W，扫描速率为1000 mm/min, 送粉速率为30 g/min, Z轴提升量为0.8mm，保护气流量为1.2 m3/h, 送粉气流量为1.0 m3/h, 保护气压力为0.7 MPa。根据算法预测结果，不同沉积层的保护气成分设置表2所示，采用该参数可保证氮含量沿着沉积方向分布的均匀性。
表2 不同沉积层保护气成分 (vol.%)
其次，利用高压环境激光熔覆增材实验平台激光熔覆作业：
打开空压机105向密封耐压试验舱101内充入压缩空气，调节泄压口209电控气阀210开度，将密封耐压试验舱101内压力控制在0.3 MPa，运转多自由度机械手112，将熔覆头202移动至指定位置，打开多元保护气气瓶303的电动气阀302，将开度设定到合适的值，打开气体混合器301进行混合，随后混合好的保护气通入多孔底板204和熔覆头202内，保护罩203内部气流稳定后执行激光熔覆程序，开展激光熔覆作业。在作业过程中，多孔底板204上表面出气孔208开闭随着保护罩203的移动，减少压缩空气对保护气氛的冲击，始终保证保护罩203内流场稳定。作业过程中在保护气氛围下，高氮钢粉末熔覆在基板206工件上形成熔池，增大的氮气分压可提升熔池内氮的溶解度，利用氮气氛围促进熔池附近气-液界面渗氮，保护氛围会不断向熔池内渗入氮，从而提升试样内氮含量。随着沉积层数提高，热积累显著增加熔池峰值温度及体积相应增加，电动气阀302进行相应开度调整，单位时间内的渗氮量降低，以维持沉积高度方向氮含量的均匀分布，根据沉积层不断调整电动气阀302开度直至高氮钢薄壁件全部沉积完成。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
所述高压试验舱系统中的空压机输出压缩空气进入所述高压试验舱系统的密封耐压试验舱中，所述激光沉积系统位于密封耐压试验舱中，所述激光沉积系统包括保护罩，所述保护罩两侧底部各放置一个电容式行程开关触点，所述保护气成分反馈调节系统中的保护气通过所述激光沉积系统底下的多孔底板进入激光作业区，所述多孔底板表面的出气孔设置电动阀门及单向阀，每个出气孔配有相应的电容式行程开关触点，所述多孔底板中间挖圆形槽用于放置基板，所述基板周围的多孔底板分布着多圈环形阵列的出气孔，出气孔底部相通，沿直径方向分布气体通道，通道口连接快插接头，所述监控系统位于激光沉积系统中实时监测激光沉积系统的熔池温度和尺寸，所述运动控制系统的多自由度机械手与所述激光沉积系统的密封耐压外壳连接。
2.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述高压试验舱系统包括空压机、密封耐压试验舱、干燥机、节流阀、压力表、气泵、过滤器、储气罐以及单向阀；
所述空压机输出压缩空气经过所述干燥机和所述节流阀进入密封耐压试验舱内，所述压力表置于所述密封耐压试验舱内壁上，实验过程中产生的气体在所述气泵的作用下经所述过滤器过滤后进入所述储气罐中，所述储气罐中的气体经过所述单向阀回到所述空压机供气线路中，形成自循环。
3.根据权利要求2所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述密封耐压试验舱包括出气口和泄压口；
所述出气口位于所述密封耐压试验舱底部的一侧，所述泄压口位于所述密封耐压试验舱底部的另一侧。
4.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述激光沉积系统包括密封耐压外壳、熔覆头、多孔底板及送粉器；
所述熔覆头置于所述密封耐压外壳内部，所述保护罩置于所述密封耐压外壳底部，所述多孔底板置于密封耐压试验舱底部并与保护罩留有间隙，所述送粉器通过管路向基板输送合金粉末。
5.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述保护气成分反馈调节系统包括多元保护气气瓶、电动气阀、气体混合器、PID控制器及电脑控制端；
所述多元保护气气瓶中储存的各类保护气在所述PID控制器的调节下通过所述电动气阀输送到气体混合器中，所述电脑控制端分析监控系统捕获到的信息数据并通过所述PID控制器进行实时调节。
6.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述监控系统包括高温计及同轴相机，所述高温计安置于保护罩顶部，所述同轴相机安置于熔覆头一侧。
7.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述运动控制系统为多自由度机械手，安装于密封耐压试验舱内顶部，与密封耐压外壳连接以控制熔覆头作业。
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