CN212419636U - 一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，包括磁场调节机构、激光熔覆机构、工作平台和控制器，所述磁场调节机构对称放置在工作平台两侧，激光熔覆机构固定在工作平台正上方，磁场调节机构、激光熔覆机构和工作平台均与控制器相连接。本实用新型可以通过调节线圈位置快速获得最优的磁场辅助激光增材制造所需的磁场强度，同时通过实时调整XYZ三轴运动平台实现激光增材制造所需运动轨迹，将运动轨迹调整至激光定点沉积位置处，本实用新型可实现磁场辅助激光增材制造涡轮叶片过程中熔池内部每一时刻均受到等强度磁场作用，确保了涡轮叶片整体组织成分的均匀性。
Description
技术领域
本实用新型涉及先进制造技术领域，尤其涉及一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置。
背景技术
涡轮叶片是燃气轮机与航空发动机等高端装备中涡轮段的重要组成部件。激光增材制造技术可直接实现大型整体金属构件的精确成形，为短流程高质量制造关键零部件提供了有力途径。但激光增材制造过程中依然会存在一些如层间及道间局部未熔合、气孔微裂纹与组织成分不均匀分布等冶金缺陷。针对上述冶金缺陷问题，一些学者尝试将电磁场辅助激光制造，这样可以将能量输入到熔体中诱发无接触的洛伦兹力间接地影响凝固过程中传热与传质，进而改善凝固组织及性能。
专利201610917387.6公开了一种磁控激光熔覆成形设备和方法，通过设置能够进行三维及旋转运动的工作平台以及采用特殊结构的旋转磁场发生装置，进而得到更加均匀和稳定的旋转磁场。但对于激光增材制造涡轮叶片而言，涡轮叶片形状复杂且表面形状通常设计成扭曲的变截面曲面，因此该设备不能保证扫描轨迹上任意激光熔池内部磁场强度大小的一致性，因此难以保证整体增材构件组织成分及性能的均匀性，且相较于旋转磁场，交变磁场具有更好的磁场强度可调性与搅拌效果。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，包括磁场调节机构、激光熔覆机构、工作平台和控制器，所述磁场调节机构对称放置在工作平台两侧，激光熔覆机构固定在工作平台正上方，磁场调节机构、激光熔覆机构和工作平台均与控制器相连接。
进一步地，所述工作平台包括支撑平台、XYZ三轴运动平台和基板，所述XYZ三轴运动平台对称固定在支撑平台中央，XYZ三轴运动平台与控制器输出端相连，基板放置在XYZ三轴运动平台上端面。
进一步地，所述磁场调节机构包括伺服电机Ⅰ、伺服电机Ⅱ、丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ、支撑杆Ⅰ、支撑杆Ⅱ、位移传感器Ⅰ、位移传感器Ⅱ和交变磁场发生器，伺服电机Ⅰ和伺服电机Ⅱ的输出端分别与丝杠Ⅰ和丝杠Ⅱ相连接，伺服电机Ⅰ和伺服电机Ⅱ的输入端均与控制器相连接，支撑杆Ⅰ和支撑杆Ⅱ分别垂直套接在丝杠Ⅰ和丝杠Ⅱ上，位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ分别垂直固定在支撑杆Ⅰ和支撑杆Ⅱ上，位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ的输出端与控制器的输入端相连，交变磁场发生器放置在支撑杆上端与控制器相连。
进一步地，所述交变磁场发生器包括线圈Ⅰ、线圈Ⅱ和电子调压器，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ对称放置于支撑杆Ⅰ和支撑杆Ⅱ的上表面，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ均与电子调压器的输出端相连，电子调压器的输入端与控制器相连接。
进一步地，所述交变磁场发生器产生的交流磁场强度大小为27.3mT-100mT可调，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ之间的距离为5cm-50cm可调。
进一步地，所述激光熔覆机构包括激光器、送粉器、氩气罐和激光熔覆头，激光熔覆头输入端分别与激光器、送粉器和氩气罐的输出端相连，激光器、送粉器和氩气罐的输入端均与控制器的输出端相连接。
进一步地，所述激光熔覆头输出端正对于工作平台正上方，激光熔覆头位于线圈Ⅰ和线圈Ⅱ的对称中心处。
进一步地，所述激光熔覆头的定点沉积厚度为0.5mm-1mm。
本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：
本实用新型可以通过调节线圈位置快速获得最优的磁场辅助激光增材制造所需的磁场强度，同时通过实时调整XYZ三轴运动平台实现激光增材制造所需运动轨迹，将运动轨迹调整至激光定点沉积位置处。该装置可实现磁场辅助激光增材制造涡轮叶片过程中熔池内部每一时刻均受到等强度磁场作用，确保了涡轮叶片整体组织成分的均匀性。
附图说明
图1为本实用新型结构组成示意图。
图中：1、丝杠Ⅰ；2、伺服电机Ⅰ；3、支撑平台；4、支撑杆Ⅰ；5、位移传感器Ⅰ；6、线圈Ⅰ；7、激光熔覆头；8、涡轮叶片；9、基板；10、XYZ三轴运动平台；11、丝杠Ⅱ；12、支撑杆Ⅱ；13、位移传感器Ⅱ；14、线圈Ⅱ；15、氩气罐；16、送粉器；17、激光器；18、电子调压器；19、控制器；20、伺服电机Ⅱ。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，包括磁场调节机构、激光熔覆机构、工作平台和控制器19，所述磁场调节机构对称放置在工作平台两侧，激光熔覆机构固定在工作平台正上方，磁场调节机构、激光熔覆机构和工作平台均与控制器19相连接。
所述工作平台包括支撑平台3、XYZ三轴运动平台10和基板9，所述XYZ三轴运动平台10对称固定在支撑平台3中央，XYZ三轴运动平台10与控制器19输出端相连，用于增材制造涡轮叶片的基板9放置在XYZ三轴运动平台10上端面，XYZ三轴运动平台10与控制器19相连并受控于控制器19。
所述磁场调节机构包括伺服电机Ⅰ2、伺服电机Ⅱ20、丝杠Ⅰ1、丝杠Ⅱ11、支撑杆Ⅰ4、支撑杆Ⅱ12、位移传感器Ⅰ5、位移传感器Ⅱ13和交变磁场发生器，伺服电机Ⅰ2和伺服电机Ⅱ20的输出端分别与丝杠Ⅰ1和丝杠Ⅱ11相连接，伺服电机Ⅰ2和伺服电机Ⅱ20的输入端均与控制器19相连接，支撑杆Ⅰ4和支撑杆Ⅱ12分别垂直套接在丝杠Ⅰ1和丝杠Ⅱ11上，丝杠Ⅰ1与支撑杆Ⅰ4构成可独立控制的螺旋传动机构，丝杠Ⅱ11与支撑杆Ⅱ12构成可独立控制的螺旋传动机构，位移传感器Ⅰ5和位移传感器Ⅱ13分别垂直固定在支撑杆Ⅰ4和支撑杆Ⅱ12上，位移传感器Ⅰ5和位移传感器Ⅱ13的输出端与控制器19的输入端相连，交变磁场发生器放置在支撑杆上端与控制器19相连。
所述交变磁场发生器包括线圈Ⅰ6、线圈Ⅱ14和电子调压器18，线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14对称放置于支撑杆Ⅰ4和支撑杆Ⅱ12的上表面，线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14均与电子调压器18的输出端相连，电子调压器18的输入端与控制器19相连接，线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14与电子调压器18相连，电子调压器18受控于控制器19，控制器19通过改变励磁电流大小满足所需磁场强度，所述交变磁场发生器产生的磁场强度大小可调节距离为27.3mT-100mT；交变磁场发生器的位置即线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14的左右位置是通过位移传感器Ⅰ5和位移传感器Ⅱ13测量其与涡轮叶片8的距离并反馈给控制器实时调整，用于满足不同尺寸规格涡轮叶片的增材制造，线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14之间的可调节距离为5cm-50cm。
所述激光熔覆机构包括激光器17、送粉器16、氩气罐15和激光熔覆头7，所述激光熔覆头7输出端正对于工作平台正上方，激光熔覆头7位于线圈Ⅰ6和线圈Ⅱ14的对称中心处，激光熔覆头7输入端分别与激光器17、送粉器16和氩气罐15的输出端相连，激光器17、送粉器16和氩气罐15的输入端均与控制器19的输出端相连接，控制器19通过控制激光器17、送粉器16与氩气罐15实现激光熔覆头7的定点沉积，激光熔覆头7的定点沉积厚度为0.5mm-1mm，工艺参数设置为为激光功率1500w，送粉量15g/min，光斑直径2mm，保护气体流量25L/min；同时控制器控制XYZ三轴运动平台10满足涡轮叶片增材制造运动轨迹，确保所需扫描轨迹一直处于激光沉积作用区域，进而实现磁场辅助激光增材制造涡轮叶片过程中熔池内部每一时刻均受到等强度磁场作用，确保了涡轮叶片整体组织成分及性能的均匀性。
工作原理：工作时设置所需的工艺参数（激光功率、送粉量、光斑直径、保护气体流量），控制器19通过控制激光器17、送粉器16与氩气罐15实现激光熔覆头7的定点沉积，同时控制器19控制XYZ三轴运动平台10满足涡轮叶片增材制造运动轨迹，确保所需扫描轨迹一直处于激光沉积作用区域，进而实现磁场辅助激光增材制造涡轮叶片过程中熔池内部每一时刻均受到等强度磁场作用，确保了涡轮叶片整体组织成分及性能的均匀性。
尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：包括磁场调节机构、激光熔覆机构、工作平台和控制器（19），所述磁场调节机构对称放置在工作平台两侧，激光熔覆机构固定在工作平台正上方，磁场调节机构、激光熔覆机构和工作平台均与控制器（19）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述工作平台包括支撑平台（3）、XYZ三轴运动平台（10）和基板（9），所述XYZ三轴运动平台（10）对称固定在支撑平台（3）中央，XYZ三轴运动平台（10）与控制器（19）输出端相连，所述基板（9）放置在XYZ三轴运动平台（10）上端面。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述磁场调节机构包括伺服电机Ⅰ（2）、伺服电机Ⅱ（20）、丝杠Ⅰ（1）、丝杠Ⅱ（11）、支撑杆Ⅰ（4）、支撑杆Ⅱ（12）、位移传感器Ⅰ（5）、位移传感器Ⅱ（13）和交变磁场发生器，伺服电机Ⅰ（2）和伺服电机Ⅱ（20）的输出端分别与丝杠Ⅰ（1）和丝杠Ⅱ（11）相连接，伺服电机Ⅰ（2）和伺服电机Ⅱ（20）的输入端均与控制器相连接，支撑杆Ⅰ（4）和支撑杆Ⅱ（12）分别垂直套接在丝杠Ⅰ（1）和丝杠Ⅱ（11）上，位移传感器Ⅰ（5）和位移传感器Ⅱ（13）分别垂直固定在支撑杆Ⅰ（4）和支撑杆Ⅱ（12）上，位移传感器Ⅰ（5）和位移传感器Ⅱ（13）的输出端与控制器（19）的输入端相连，交变磁场发生器放置在支撑杆上端并与控制器（19）相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述交变磁场发生器包括线圈Ⅰ（6）、线圈Ⅱ（14）和电子调压器（18），线圈Ⅰ（6）和线圈Ⅱ（14）对称放置于支撑杆Ⅰ（4）和支撑杆Ⅱ（12）的上表面，线圈Ⅰ（6）和线圈Ⅱ（14）均与电子调压器（18）的输出端相连，电子调压器（18）的输入端与控制器（19）相连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述交变磁场发生器产生的交流磁场强度大小为27.3mT-100mT可调，线圈Ⅰ（6）和线圈Ⅱ（14）之间的距离为5cm-50cm可调。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述激光熔覆机构包括激光器（17）、送粉器（16）、氩气罐（15）和激光熔覆头（7），激光熔覆头（7）输入端分别与激光器（17）、送粉器（16）和氩气罐（15）的输出端相连，激光器（17）、送粉器（16）和氩气罐（15）的输入端均与控制器（19）的输出端相连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述激光熔覆头（7）输出端正对于工作平台正上方，激光熔覆头（7）位于线圈Ⅰ（6）和线圈Ⅱ（14）的对称中心处。
8.根据权利要求6或7所述的一种用于激光增材制造涡轮叶片的磁场可控调节装置，其特征在于：所述激光熔覆头（7）的定点沉积厚度为0.5mm-1mm。
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| CN115365516B (zh) * | 2022-07-15 | 2024-02-02 | 华中科技大学 | 定点送粉装置、选区激光熔化成型设备及方法 |
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