CN205290036U - 纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，该装备是由操作室、导轨、数控行走小车、电气拖链、控制箱、二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装组装构成，所述操作室为密闭结构，导轨、数控行走小车、电气拖链、控制箱、二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装设置在操作室内，所述二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装为两个工位、二者直线排列设置并与导轨平行，数控行走小车设置在轨道上行走。本实用新型结构简单合理，使零件表面具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合优异性能，提高零件在复杂工况下的服役寿命。

Description

纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备

技术领域

本实用新型涉及一种纳米粉生产设备领域，具体的说涉及一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备。该设备是一种在机械零部件表面堆焊纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊层的设备和工装，适合于各种结构机械零部件表面耐磨损、耐腐蚀、耐汽蚀、耐高温堆焊层的制备、破损零件的修复以及新零件的原型制造。

背景技术

在表面工程领域中，镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）复合涂层由于具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合优异性能，被广泛应用在航空、发电及汽车制造等领域。镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）粉体由两种不同性能的组份构成，其中镍铬合金（NiCr）具有良好的耐热耐蚀性，碳化铬（Cr₃C₂）在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空气中加热到1100-1400℃才开始显著氧化，并且在高温条件下依然保持相当高的硬度。同时，碳化铬还具有很强的耐蚀性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1Cr18Ni9Ti不锈钢耐蚀性的30倍，而在蒸汽中则是Co-WC合金的50倍。镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）复合粉体主要用于制作高温工作状态下的耐腐蚀、耐磨损涂层。普通镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）涂层中的NiCr、Cr₃C₂颗粒为亚微米尺寸，我们开发的纳米组构镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）复合粉体中的NiCr、Cr₃C₂颗粒为纳米尺度，经混合造粒后为球形颗粒，平均粒径10μm左右，用该种粉体制作的表面涂层性能更加优异。

现有技术中，常采用热喷涂方法在零部件表面制取镍铬碳化铬（NiCr-Cr₃C₂）涂层，由于涂层与基体材料非冶金结合，如不采取重熔工艺作后期处理，涂层往往由于和基体结合力不足而容易脱落，另外，采用热喷涂技术制取的涂层厚度受限制。

微束等离子弧是等离子弧的一种。在普通等离子弧焊枪基础上采取提高电弧稳定性措施，进一步加强电弧的压缩作用，减小电流和气流，缩小电弧室的尺寸，微束等离子弧堆焊枪喷嘴喷射出的等离子弧焰流，可以如同缝纫机针一般细小。一般采用小孔径压缩喷嘴(0．6～1．2mm)及联合型电弧，即焊接时存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧，前者起着引弧和维弧作用，使转移弧在电流小至0．5A时仍非常稳定。微束等离子弧堆焊枪极大地减少了堆焊时的热影响区，避免了工件升温过高，其堆焊厚度为0.5～4mm；如用于焊接，最小可焊厚度为0.01mm。微束等离子弧粉末堆焊工艺是采用微束等离子弧粉末堆焊设备进行施工，通过堆焊枪的等离子弧熔融零件金属基体和粉末原料，采用不同的粉体材料可以在零件表面堆焊出不同性能的堆焊层，赋予零件表面特殊的物理、机械、化学性能。

近期，用于快速原型制造的3D打印技术突飞猛进。金属材料的3D打印技术采用激光为热源熔化金属粉体，通过数字化控制的激光打印头通过逐层扫描三维零件的二维截面轮廓，同时熔化由送粉器同步送入的金属粉体，由熔化的粉体相互粘连、凝结、固化，渐次由二维截面累积出三维零件实体，打印精度高，零件造型准确。由于激光发生器价格昂贵，所以用于3D打印金属零件的设备更是居高不下，影响了该项技术的普及和推广。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，该设备结构简单合理，可以在轴类零件、套筒类零件的内外表面、平面以及螺旋桨、叶轮等具有复杂三维曲面的零件表面堆焊纳米组构镍铬碳化铬复合堆焊层，使零件表面具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合优异性能，提高零件在复杂工况下的服役寿命。

本实用新型的目的是这样实现的，一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，其特征在于：该装备包括操作室、导轨、数控行走小车、电气拖链、控制箱、二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装，所述所述操作室为密闭结构，导轨、数控行走小车、电气拖链、控制箱、二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装设置在操作室内，所述二轴数控转台和轴套类回转零件堆焊工装为两个工位、二者直线排列设置并与导轨平行，数控行走小车设置在轨道上行走，所述电气拖链通过布置在其内的电源线和控制线连接控制箱和数控行走小车，所述控制箱、二轴数控转台、轴套类回转零件堆焊工装通过电源线和控制线电连接。

所述的数控行走小车包括二个导轨、二个导轨块、配电盒、车体、氩气瓶、微束等离子体弧堆焊电源、出气管、气体流量控制箱、支架、管路、料斗、管路、送粉器、电线、管路、等离子弧堆焊枪、机械手、伺服电机、齿轮和齿条；所述导轨块固定在车体底面，二个导轨平行布置在水平地面，其中一个导轨上固定有齿条，所述齿条和齿轮啮合，所述车体的侧面设置有配电盒，车体的上面依次设置有氩气瓶、支架、微束等离子体弧堆焊电源和机械手，在所述支架上固定有气体流量控制箱和料斗，所述料斗下部设置有送粉器；所述机械手通过夹具夹持有等离子弧堆焊枪，所述等离子弧堆焊枪经电线与堆焊电源连接；所述配电盒和拖链连接并随小车移动；所述氩气瓶出气管与气体流量控制箱相连，气体流量控制箱出气口一路由管路连接到等离子弧堆焊枪、另一路由管路连接到送粉器，送粉器输出的粉体经管路到等离子弧堆焊枪。

所述轴套类零件堆焊工装包括伺服电机、床头箱、卡盘、工件、托盘、顶尖、尾座、底座；所述床头箱固定在底座上、内部有传动机构和主轴，卡盘与主轴联接并随主轴转动，尾座位于底座右上部，顶尖用于为轴类零件提供辅助支撑，托盘放置在底座上用于收纳堆焊余粉；伺服电机接收数字控制信号、经传动机构带动主轴转动，并经卡盘带动工件转动，转动的方向、速度由伺服电机接收的数字信号决定。

所述二轴数控转台由左床头箱、伺服电机、转盘、工作台、工作台座、底座、右床头箱等构成；所述左床头箱、底座和右床头箱联为一体静止水平放置，所述转盘和工作台座联接为一体，工作台座上设置有工作台。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、本实用新型采用纳米组构镍铬碳化铬复合粉体为原料，使用微束等离子弧堆焊设备，配备数控机械手、数控行走小车、二轴数控转台、轴套等回转类零件堆焊工装，即可以在轴类零件、套筒类零件的内外表面、平面以及螺旋桨、叶轮等具有复杂三维曲面的零件表面堆焊纳米组构镍铬碳化铬复合堆焊层，堆焊层和零件基体为冶金结合，结合强度高，堆焊厚度可控。使零件表面具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合优异性能，提高零件在复杂工况下的服役寿命。

2、本实用新型装备也可用于焊接、失效零件的再制造，更可以通过粉末堆焊方式3D打印制造机械实体零件，其优点是不通过冶炼技术满足机械零件制造对各种金属元素的特殊需求，尤其适合于对于金属元素有特殊要求单件零件的毛坯制作。

3、本装备可采用纳米组构镍铬碳化铬复合粉体为原料，在轴套类零件的内外表面制作堆焊层，可以在平面制作堆焊层，也可以在螺旋桨、叶轮、模具型腔等复杂表面制作堆焊层，还可以用于焊接，零件表面修复，更换原材料粉体还可以实现金属零件的快速原型制造，即3D打印金属实体零件、一机多能。

4、本实用新型采用数字化程序控制，提高了堆焊的自动化和堆焊层的精度。

附图说明

图1为本实用新型纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备布局示意图；

图2为本实用新型数控行走小车示意图；

图3为本实用新型轴套等回转类零件堆焊工装示意图；

图4为本实用新型内孔堆焊示意图；

图5为本实用新型二轴数控转台示意图；

图6为本实用新型图5二轴数控转台的俯视图。

具体实施方式

如图1所示：一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，该装备包括操作室（1）、导轨（2）、数控行走小车（3）、电气拖链（4）、控制箱（5）、二轴数控转台（6）和轴套类回转零件堆焊工装（7），所述所述操作室1为密闭结构，导轨（2）、数控行走小车（3）、电气拖链（4）、控制箱（5）、二轴数控转台（6）和轴套类回转零件堆焊工装（7）设置在操作室1内，所述二轴数控转台6和轴套类回转零件堆焊工装7为两个工位、二者直线排列设置并与导轨2平行，通过数字化控制技术控制数控行走小车3在轨道2上行走，可以使机械手位于不同工位。数控行走小车3设置在轨道2上行走，所述电气拖链4通过布置在其内的电源线和控制线连接控制箱5和数控行走小车3，所述控制箱5、二轴数控转台6、轴套类回转零件堆焊工装7通过电源线和控制线电连接。

所述控制箱5内有数控系统，用于给数控行走小车和机械手发送控制信号，电气拖链4连接控制箱5和数控行走小车3，电源线和控制线布置在电气拖链4内，另有电源线、控制线连接在控制箱5与二轴数控转台6、轴套类回转零件堆焊工装7之间。

如图2所示：所述的数控行走小车3包括二个导轨2、二个导轨块9、配电盒10、车体11、氩气瓶12、微束等离子体弧堆焊电源13、出气管14、气体流量控制箱15、支架16、管路17、料斗18、管路19、送粉器20、电线21、管路22、等离子弧堆焊枪23、机械手25、伺服电机26、齿轮27和齿条28；所述导轨块9固定在车体11底面，二个导轨2平行布置在水平地面，其中一个导轨上固定有齿条28，所述齿条28和齿轮27啮合，所述车体11的侧面设置有配电盒10，车体11的上面依次设置有氩气瓶12、支架16、微束等离子体弧堆焊电源13和机械手25，在所述支架16上固定有气体流量控制箱15和料斗18，所述料斗18下部设置有送粉器20；所述机械手25通过夹具24夹持有等离子弧堆焊枪23，所述等离子弧堆焊枪23经电线21与堆焊电源13连接；所述配电盒10和拖链4连接并随小车移动；所述氩气瓶12出气管14与气体流量控制箱15相连，气体流量控制箱15出气口一路由管路17连接到等离子弧堆焊枪23、另一路由管路19连接到送粉器20，送粉器20输出的粉体经管路22到等离子弧堆焊枪23。

所述配电盒10内部布置有机械手、数控行走小车、堆焊电源、送粉器的电源线、控制线。

数控系统发出的数字信号驱动伺服电机26，经变速机构驱动齿轮27转动，齿轮27在齿条28上滚动并带动数控行走小车在导轨2上移动，其移动方向及位移大小由数控信号决定。

所述气管均为软管，所述电源线、控制线均为软线。另外，等离子弧堆焊枪需要用循环水水冷却散热，为外购设备自带冷却装置。

如图3所示：在轴套类回转体零件外表面制造堆焊层时，使用轴套类零件堆焊工装7，所述轴套类零件堆焊工装7包括伺服电机29、床头箱30、卡盘31、工件32、托盘33、顶尖34、尾座35、底座36；所述床头箱30固定在底座36上、内部有传动机构和主轴，卡盘31与主轴联接并随主轴转动，尾座35位于底座36右上部，顶尖34用于为轴类零件提供辅助支撑，托盘33放置在底座36上用于收纳堆焊余粉；伺服电机29接收数字控制信号、经传动机构带动主轴转动，并经卡盘31带动工件32转动，转动的方向、速度由伺服电机29接收的数字信号决定。

堆焊时，工件以匀速转动，机械手被数控行走小车带动匀速直线运动，堆焊枪相对于工件的运动轨迹为螺旋线，可以在工件表面形成螺旋线轨迹、相邻线相接的堆焊层。为提高工作效率，在工件转速一定的情况下，可以让机械手带动等离子弧堆焊枪23作摆幅20～30mm的左右摆动以增加焊道宽度，同时要提高行走小车的移动速度。

如图4所示，堆焊回转类内孔零件可以采用卡盘31夹紧工件32的左端，如工件轴向长度过长，可采用中心架37支撑在工件外圆，作为辅助支撑。等离子弧堆焊枪改为内孔型堆焊枪38，由机械手夹持。工件由卡盘带动绕轴线匀速转动，机械手被数控行走小车带动作匀速直线运动，内孔型堆焊枪38相对于工件内孔的运动轨迹为螺旋线，可以在工件表面形成螺旋线轨迹、相邻线相接的堆焊层。为提高工作效率，在工件转速一定的情况下，可以让机械手带动内孔型堆焊枪作摆幅20～30mm的左右摆动以增加焊道宽度，同时要提高行走小车的移动速度。

如图5所示，所述二轴数控转台6由左床头箱39、伺服电机40、转盘41、工作台42、工作台座43、底座45、右床头箱47等构成；所述左床头箱39、底座45和右床头箱47联为一体静止水平放置，所述转盘41和工作台座43联接为一体，工作台座43上设置有工作台42。

由数字信号控制的伺服电机40通过左床头箱内传动机构可带动转盘41绕水平轴线45转动、进而带动工作台座43和工作台42绕水平轴线45转动；另外的一个由数字信号控制的伺服电机通过传动机构可驱动工作台42绕垂直轴线44转动。工作台42绕水平轴线45的转动、绕垂直轴线44转动可以分别由数字信号控制其转动速度和方向，也可以由数字信号控制其联动并和机械手、数控行走小车进行数控联动，数字信号来源于控制箱内的数控系统。

由数控系统发出的数字信号驱动伺服电机26，经变速机构驱动齿轮27转动，齿轮27在齿条28上滚动并带动数控行走小车3在导轨2上移动，其移动方向及位移大小由数控信号决定。

当堆焊螺旋桨、叶轮、模具型腔等复杂表面时，可通过计算机先完成该零件的三维表面造型，然后通过UG等相关软件自动生成数控程序并输入数控系统，最终由数控程序控制数控行走小车、机械手、二轴数控转台协调动作，即可以在零件的复杂表面堆焊出均匀的堆焊层。

图6为图5的俯视图，如图6所示，工作台42有圆周分布的T型槽，用于采用T型槽螺栓装夹工件。

另外，使用本装备可以实现实体金属零件的快速原型制造，即3D打印金属实体零件，所用原料为该种零件的金属粉体。其步骤为：1）该实体零件的计算机三维造型；2）用多个间距相等的平面截取三维零件，并分别提取二维截面的轮廓数据；3）生成每个二维截面的数控程序，控制数控行走小车、机械手协调运动能够堆焊出零件的二维截面；4）调整二轴数控转台的工作台呈水平状态，并在工作台上装夹堆焊底板；5）在堆焊底板上堆焊三维零件的最底层二维截面轮廓，然后堆焊第二层二维截面轮廓……相邻截面依次堆焊，即可堆焊出由一层层二维截面轮廓组成的三维实体零件，实现3D打印实体零件的目的；6）切除堆焊底板，获得3D打印金属实体零件。

装备工作过程为：

1）人工调整微束等离子体弧堆焊电源13、气体流量控制箱15的相关电流、电压及气体流量、压力参数，使等离子弧堆焊枪23的等离子弧满足工作要求；

2）调整送粉器20的送粉量，调整到合适堆焊层效果；

3）根据被堆焊工件表面几何特征，设置数控系统的相关运动参数。对于复杂表面要根据其三维曲面形状，由UG等相关软件自动生成数控程序并输入数控系统；

4）装夹工件，在等离子弧堆焊枪不引弧、不送粉状态下，由数控系统控制各运动单元开始运动，检验等离子弧堆焊枪与工件间的相互位置和相对运动速度是否满足堆焊层要求，进行必要的数据修正；

5）正式堆焊时由数控系统控制等离子弧堆焊枪23的引弧和送粉器送粉，离子弧堆焊枪与工件间的相互位置和相对速度由各数字化运动单元协调完成，堆焊结束后自动停机。

Claims (4)

1.一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，其特征在于：该装备包括操作室（1）、导轨（2）、数控行走小车（3）、电气拖链（4）、控制箱（5）、二轴数控转台（6）和轴套类回转零件堆焊工装（7），所述操作室（1）为密闭结构，导轨（2）、数控行走小车（3）、电气拖链（4）、控制箱（5）、二轴数控转台（6）和轴套类回转零件堆焊工装（7）设置在操作室（1）内，所述二轴数控转台（6）和轴套类回转零件堆焊工装（7）为两个工位、二者直线排列设置并与导轨（2）平行，数控行走小车（3）设置在轨道（2）上行走，所述电气拖链（4）通过布置在其内的电源线和控制线连接控制箱（5）和数控行走小车（3），所述控制箱（5）、二轴数控转台（6）、轴套类回转零件堆焊工装（7）通过电源线和控制线电连接。

2.根据权利要求1所述的一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，其特征在于：所述的数控行走小车（3）包括二个导轨（2）、二个导轨块（9）、配电盒（10）、车体（11）、氩气瓶（12）、微束等离子体弧堆焊电源（13）、出气管（14）、气体流量控制箱（15）、支架（16）、管路（17）、料斗（18）、管路（19）、送粉器（20）、电线（21）、管路（22）、等离子弧堆焊枪（23）、机械手（25）、伺服电机（26）、齿轮（27）和齿条（28）；所述导轨块（9）固定在车体（11）底面，二个导轨（2）平行布置在水平地面，其中一个导轨上固定有齿条（28），所述齿条（28）和齿轮（27）啮合，所述车体（11）的侧面设置有配电盒（10），车体（11）的上面依次设置有氩气瓶（12）、支架（16）、微束等离子体弧堆焊电源（13）和机械手（25），在所述支架（16）上固定有气体流量控制箱（15）和料斗（18），所述料斗（18）下部设置有送粉器（20）；所述机械手（25）通过夹具（24）夹持有等离子弧堆焊枪（23），所述等离子弧堆焊枪（23）经电线（21）与堆焊电源（13）连接；所述配电盒（10）和拖链（4）连接并随小车移动；所述氩气瓶（12）出气管（14）与气体流量控制箱（15）相连，气体流量控制箱（15）出气口一路由管路（17）连接到等离子弧堆焊枪（23）、另一路由管路（19）连接到送粉器（20），送粉器（20）输出的粉体经管路（22）到等离子弧堆焊枪（23）。

3.根据权利要求1所述的一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，其特征在于：所述轴套类零件堆焊工装（7）包括伺服电机（29）、床头箱（30）、卡盘（31）、工件（32）、托盘（33）、顶尖（34）、尾座（35）、底座（36）；所述床头箱（30）固定在底座（36）上、内部有传动机构和主轴，卡盘（31）与主轴联接并随主轴转动，尾座（35）位于底座（36）右上部，顶尖（34）用于为轴类零件提供辅助支撑，托盘（33）放置在底座（36）上用于收纳堆焊余粉；伺服电机（29）接收数字控制信号、经传动机构带动主轴转动，并经卡盘（31）带动工件（32）转动，转动的方向、速度由伺服电机（29）接收的数字信号决定。

4.根据权利要求1所述的一种纳米组构镍铬碳化铬复合粉体堆焊装备，其特征在于：

所述二轴数控转台（6）由左床头箱（39）、伺服电机（40）、转盘（41）、工作台（42）、工作台座（43）、底座（45）、右床头箱（47）等构成；所述左床头箱（39）、底座（45）和右床头箱（47）联为一体静止水平放置，所述转盘（41）和工作台座（43）联接为一体，工作台座（43）上设置有工作台（42）；

所述二轴数控转台（6）的工作台（42）可绕垂直轴线（44）转动，并随工作台座（43）、转盘（40）绕水平轴线（45）转动，其转动速度和方向数字信号控制，来自数控系统的数字信号可单独控制其工作台的单独转动，也可控制其绕垂直轴线（44）、绕水平轴线（45）的联动以及和机械手、数控行走小车进行数控联动；

由数控系统发出的数字信号驱动伺服电机（26），经变速机构驱动齿轮（27）转动，齿轮（27）在齿条（28）上滚动并带动数控行走小车（3）在导轨（2）上移动，其移动方向及位移大小由数控信号决定。