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GEBIET DES GEBRAUCHSMUSTERS
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Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft das technische Gebiet der Oberflächentechnik, konkret eine Laserspritzpistole, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann.
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STAND DER TECHNIK
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In industriellen Produktionsprozessen sind mechanische Geräte oft verschiedenen Medien oder Arbeitsbedingungen ausgesetzt, was zu Schäden wie Korrosion, Verschleiß, Kavitation und Oxidation führt. Die Beschichtung ist eine funktionelle Beschichtung, die die Oberflächeneigenschaften der Ausrüstung verbessert, und verschiedene Schutzbeschichtungsmaterialien und Beschichtungsvorbereitungsverfahren können entsprechend den spezifischen Arbeitsbedingungen ausgewählt werden. Thermisches Spritzen ist das Hauptverfahren zur Herstellung verschiedener Metall-, Cermet- und Keramikmaterialbeschichtungen und umfasst u.a. verschiedene Flamm- und Plasmaspritzprozesse. Die thermische Spritztechnologie weist eine hohe Flexibilität auf und kann zum Sprühen von beliebigen Winkeln und Materialien verwendet werden, insbesondere zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungen bei Werkstücken mit komplexen Strukturen. Die Sprühentfernung ist groß und kann 70 bis 300 mm erreichen. Für einige innere Löcher oder schmale Lücken kann die Beschichtung immer noch hergestellt werden. Die Oberfläche der Sprühbeschichtung ist gleichmäßig und die Rauheit ist gering. Unter den meisten Arbeitsbedingungen können die Anforderungen an Oberflächenrauheit und Ebenheit durch einfaches Polieren erfüllt werden. Thermisches Spritzen ist jedoch ein Prozess zum Schmelzen, Beschleunigen und Kollidieren von Pulverpartikeln auf die Oberfläche des Substrats durch einen Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsluftstrom und zum Bilden einer Beschichtung durch schnelles Abflachens, Erstarren, Abkühlens und dergleichen. Dabei werden aufgrund der Kollision mit den Substratparametern nach dem Schmelzen des Pulvers, der Verdampfung der Oberflächenfeuchtigkeit und des Fett des Substrats und der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit werden ungebundene Bereiche zwischen Rissen, Poren und Partikeln in der Beschichtung leicht erzeugt. Diese Defekte in der Beschichtung sind unvermeidliche inhärente Defekte des thermischen Spritzprozesses. Das Vorhandensein dieser Defekte führt zu einer geringen Bindungsfestigkeit der Beschichtung, einer verringerten Oberflächenfunktion und einer Anfälligkeit für vorzeitiges Abblättern während des Betriebs.
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Mit der Entwicklung der Technologie wurde die Laserauftragschweißtechnologie in den letzten Jahren allmählich in großem Umfang eingesetzt und die somit aufgetragene Beschichtung weist die Eigenschaften einer metallurgischen Bindung auf. Somit kann eine metallurgische Bindung erreicht werden, was den größten Vorteil der Laserauftragschweißtechnologie gegenüber dem thermischen Spritzen darstellt. Das Laserauftragschweißen weist jedoch inhärente technische Defekte auf, die sich hauptsächlich in der geringen Flexibilität widerspiegeln, und ist somit nicht für die Herstellung von Beschichtungen im Rückschweißwinkel geeignet. Beim Auftragschweißen einer Beschichtung mit hoher Härte werden durchdringende Rissdefekte leicht erzeugt. Die Oberflächenebenheit und Rauhigkeit nach dem Auftragschweißen sind schlechter als beim thermischen Spritzen. Nach dem Laserauftragschweißen von Beschichtungen mit hoher Härte ist die maschinelle Bearbeitung schwierig. Obwohl derzeit ein Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen- + Laserpolierverfahren entwickelt wurde, ist die Oberflächenqualität der hergestellten Beschichtung im tatsächlichen Arbeitsprozess immer noch nicht mit dem thermischen Spritzen vergleichbar.
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Auf dem Gebiet der industriellen Oberflächentechnologie stellt ein beträchtlicher Teil der Arbeit Anforderungen an die Bindungsfestigkeit, Oberflächenrauhigkeit, Oberflächenebenheit usw. Die Beschichtung, insbesondere beim Anwenden auf die Passungsstelle des Werkstücks und bei Betriebsbedingungen mit Erosionsverschleiß, Kavitation usw., muss einerseits eine gute Haltbarkeit der Beschichtung und andererseits eine geringe Rauhigkeit und Ebenheit der Beschichtungsoberfläche aufweisen. Daher ist ein Verfahren erforderlich, das die Bindungsfestigkeit der Beschichtung verbessern und gleichzeitig die Oberflächenrauhigkeit und Ebenheit der Beschichtung verbessern kann. Einige Forscher kombinierten den Laserauftragschweißkopf mit einer Spritzpistole für das thermische Spritzen. Die Beschichtung wird zuerst durch thermisches Spritzen hergestellt. Die Oberfläche der Beschichtung wird dann durch einen Laser gescannt, um eine hochfeste gebundene Beschichtung zu erhalten. Dieses Verfahren ist anfällig für durchdringende Rissdefekte bei der Herstellung von Beschichtungen mit hoher Härte und ist insbesondere ungeeignet für die Herstellung von Beschichtungen wie Wolframcarbid und Aluminiumoxid mit hoher Härte. Außerdem wird die Ebenheit der Beschichtungsoberfläche nach dem Laserumschmelzen verringert.
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OFFENBARUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
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Die Aufgabe des Gebrauchsmusters besteht darin, zum Überwinden der Nachteile, dass die existierende thermische Spritztechnologie keine hochfeste Beschichtung herstellen kann und die Laserbeschichtung keine gute Oberflächenqualität erzielen kann, eine Laserspritzpistole bereitzustellen, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann, so dass die hergestellte Beschichtung die Vorteile des Sprühens und des Laserauftragschweißens aufweist und die Eigenschaften einer hohen Festigkeit, einer hohen Oberflächenebenheit und einer geringen Rauhigkeit aufweist.
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Gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster wird die Aufgabe gelöst durch die folgende konkrete Ausgestaltung:
- Eine Laserspritzpistole, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann, besteht aus einer Kondensorlinse, einem Sekundärluftfilter, einem Primärluftheizfilter, einer Durchgangsrohrmutter, einer Außenabdeckung, einer Luftsammelkappe, einer Luftspritzdüse, einem Antriebsgaseinlass und einer Pulverzufuhrdüse, wobei der Sekundärluftfilter die Form eines Zylinders, der an beiden Enden nicht verschlossen ist, aufweist und der mittlere Abschnitt des Zylinders mit dicht angeordneten radialen Durchgangslöchern versehen ist, wobei die Kondensorlinse in der Hohlraumkammer des Sekundärluftfilters angeordnet ist, wobei der Primärluftheizfilter eine Rundringstruktur ist und die Innenseite des Rundrings mit der Außenseite des Sekundärluftfilters durch Gewinde verbunden ist, wobei der Rundringabschnitt eine zentrale ausgehöhlte Struktur ist und in der ausgehöhlten Struktur ein elektrischer Heizdraht vorgesehen ist, dessen Erwärmungstemperatur 80°C bis 120°C beträgt, um Luft trocken zu halten, wobei sich die Durchgangsrohrmutter zwischen der Außenabdeckung und dem Sekundärluftfilter befindet, eine feste Unterstützung für die Luftsammelkappe bietet und gleichzeitig über eine Dichtungsnut und einen Dichtungsring mit der Außenabdeckung verbunden und durch Gewinde mit dem Sekundärluftfilter verbunden ist, wobei die Durchgangsrohrmutter eine Vielzahl von Durchgangslöchern entlang der axialen Richtung aufweist, wobei der zentrale Hohlraum der Luftsammelkappe eine konische Durchgangslochstruktur ist, wobei eine Endfläche größeren Durchmessers in engem Kontakt mit der Durchgangsrohrmutter steht und einen Spalt zu der Außenseite des Sekundärluftfilters aufweist, während eine Seitenendfläche kleineren Durchmessers mit der Luftspritzdüse zusammenwirkt, um eine Düse zu bilden, wobei die Luftspritzdüse an einem Ende der Außenabdeckung befestigt ist, wobei das Innere der Luftspritzdüse eine innere Kammer ist, während die Luftspritzdüse und die Seitenendfläche kleineren Durchmessers der Luftsammelkappe eine äußere Kammer umschließen, und wobei der Spalt zwischen der Luftspritzdüse und dem Hals, also der Endfläche kleinsten Durchmessers der Luftsammelkappe zwischen 0,5 mm und 2 mm gehalten wird, um einen Spaltstrahl zu erzeugen, wobei der Antriebsgaseinlass an der Außenseite der Luftspritzdüse angeordnet ist, wobei über den Antriebsgaseinlass Antriebsgas in die äußere Kammer eintritt und durch den Spalt zwischen der Luftspritzdüse und der Luftsammelkappe in die innere Kammer gesprüht wird, wobei die Pulverzufuhrdüse stromaufwärts der Luftsammelkappe und in der Nähe des Halses angeordnet ist, wobei Pulver durch die Pulverzufuhrdüse in den konischen Hohlraum der Luftsammelkappe eintritt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die radialen Durchgangslöcher, die in dem mittleren Abschnitt des Sekundärluftfilters dicht angeordnet sind, einen Durchmesser von 0,5 mm bis 0,8 mm und eine Dichte von 25/cm2 bis 50/cm2 aufweisen, wobei der mittlere Abschnitt eine Länge von 50 mm bis 100 mm aufweist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dichte der Aushöhlungen der zentralen ausgehöhlten Struktur der Rundringstruktur des Primärluftheizfilters bei 4 bis 9/cm2 liegt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mehreren Durchgangslöcher, die entlang der axialen Richtung an der Durchgangsrohrmutter ausgebildet sind, einen Durchmesser von 0,5 mm bis 0,8 mm und eine Lochdichte von 25 bis 50/cm2 aufweisen.
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Ein Betriebserfahren einer Laserspritzpistole, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann, wobei der laserseitige Prozess wie folgt lautet: Der Laserstrahl tritt von der Kondensorlinse 9 in den Sekundärluftfilter 8 ein und tritt durch die Luftsammelkonuskammer 4 in die innere Kammer der Luftspritzdüse 6 ein und erreicht nach Verlassen der inneren Kammer der Luftspritzdüse 6 direkt das zu sprühende Werkstück oder Substrat;
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Der gasseitige Prozess lautet wie folgt: Während des Betriebs wird Argon oder Stickstoff als Antriebsgas verwendet. Der Gasdruck beträgt 0,3 MPa bis 2,5 MPa. Gas tritt über den Antriebsgaseinlass 5 in die äußere Kammer ein und wird mit hoher Geschwindigkeit durch den Zwischenraum zwischen der Luftspritzdüse 6 und der Luftsammelkappe 4 in die innere Kammer gesprüht. Durch den Saugeffekt wird die Luft in der Kammer des Sekundärluftfilters 8 und in der konischen Kammer der Luftsammelkappe 4 bis stromabwärts des Halses der Luftsammelkappe 4 angesaugt und ein Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit und hohem Durchfluss wird stromabwärts des Halses erzeugt;
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Der pulverseitige Prozess lautet wie folgt: Das Pulver wird über Argon oder Stickstoff in die Pulverzufuhrdüse 7 eingeleitet. Unter Einwirkung von hohem Druck und Luftstrom erreicht die Teilchengeschwindigkeit des Pulvers 200 mm/s oder mehr und das Pulver tritt durch die Pulverzufuhrdüse in die konischen Kammer der Luftsammelkappe 4 ein und gelangt stromabwärts mit der Luft stromaufwärts des Halses, wobei das Pulver dem Erhitzungs- und Schmelzprozess des Laserstrahls und dem Beschleunigungsprozess des Gases ausgesetzt wird und schließlich in Form von Tröpfchen auf die Oberfläche des Werkstücksubstrats gesprüht wird, um eine Beschichtung zu bilden;
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Bei der Verwendung ist die Lichtleitfaser des Lasers stromaufwärts von der Kondensorlinse 9 verbunden. Die Spritzpistole wird an einem Roboterarm oder manuell gehalten. Die Stromversorgung des Lasers und der zugehörigen Hilfsausrüstung wird bereitgestellt. Der Widerstandsdraht in dem Primärluftheizfilter 1 der Spritzpistole wird bestromt und das Antriebsgas Stickstoff oder Argon wird gleichzeitig zugeführt. Der Einstelldruck beträgt 0,3 MPa bis 2,5 MPa. Der Laserschalter wird eingeschaltet, um einen Laser in der Spritzpistole zu erzeugen. Das Beschichtungspulvermaterial wird durch Stickstoff oder Argon in die Pulverzufuhrdüse 7 eingeleitet und die bewegliche Spritzpistole kann eine Beschichtung auf das Werkstück oder das Substrat aufsprühen.
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Die erforderliche Laserleistung beträgt nicht weniger als 8.000 W. Der Lichtfleck sollte ein kreisförmiger oder quadratischer Fleck sein. Der Durchmesser des Flecks, der die Oberfläche des Werkstücks oder des Substrats erreicht, beträgt nicht weniger als 20 mm oder die Seitenlänge beträgt nicht weniger als 20 mm.
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Die Laserspritzpistole des Gebrauchsmusters verwendet Laser als Wärmequelle. Das Pulver wird in den Laserstrahl eingeleitet, womit eine koaxiale Pulverzufuhr erreicht wird, sodass der Laserstrahl das Schmelzen des Pulvers während des Hochgeschwindigkeitsfluges der Pulverteilchen bewirkt. Der Fleck, der durch den Pulverteilchenstrahl gebildet wird, der mit der Matrix kollidiert, bleibt innerhalb des Laserstrahlflecks. Die Teilchengeschwindigkeit des Pulvers erreicht oder übersteigt 200 mm/s. Der Teilchenstrahl hat eine gute Steifigkeit, so dass er sich an die Herstellung der Beschichtung an jeder räumlichen Position anpassen kann, wobei der Laserstrahl das Substrat nur lokal oberflächlich erhitzt und das Substrat überhaupt nicht schmilzt. Die Erwärmungstemperatur kann 300 bis 700 ° C oder mehr erreichen, was vorteilhaft ist, um die Bindungsrate zwischen den Teilchen innerhalb der Beschichtung zu erhöhen, wodurch die Bindungsfestigkeit der Beschichtung verbessert wird. Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich das vorliegende Gebrauchsmuster vorteilhafterweise durch Folgendes aus:
- 1. Das brennbare Gas wird vermieden, und während des Arbeitsprozesses des Gebrauchsmusters ist es nicht notwendig, brennbare und explosive Gase wie Propan und Acetylen zum thermisches Spritzen zu verwenden, womit die Sicherheit verbessert wird. Zudem ist kein reiner Sauerstoff erforderlich, wodurch der Oxidationsgrad des Materials stark verringert wird. Darüber hinaus ist keine große Menge an reinem Sauerstoff, brennbarem Gas usw. erforderlich, was die Kosten für die Sprüharbeit reduziert. Beim Einsatz in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden die Kosten für die Beschaffung und den Transport von Sauerstoff und brennbaren Gasen gesenkt.
- 2. Die Steifigkeit des Pulverteilchenstrahls wird verbessert. Das Gebrauchsmuster kann eine kleine Menge Gas verwenden, um die Luft mit großem Durchfluss für die Sprühbeschleunigung anzutreiben, wodurch die Steifigkeit des Pulverteilchenstrahlstroms verbessert und eine Anpassung an die Herstellung der Beschichtung in jedem Winkel erreicht wird. Somit wird der Nachteil vermieden, dass das Laserauftragschweißen nicht für die Beschichtung in jedem Winkel geeignet ist. Die Gasbeschleunigungseigenschaften innerhalb und außerhalb des Luftströmungsquerschnitts sind unterschiedlich, so dass der durch Druckluft angetriebene Teilchenstrahlstrom konzentrierter ist und die Fleckgröße des Teilchenstrahlstroms in der Sprühentfernung 15 mm nicht überschreitet.
- 3. Eine Anpassung an die Herstellung einer Beschichtung bei einem kleinen Raum wird erreicht. Gegenüber dem Laserauftragschweißen werden mit dem vorliegenden Gebrauchsmuster eine längere Sprühentfernung, eine lange Flugzeit der Teilchen in dem Laserstrahl und eine hohe Schmelzeffizienz erreicht. Gleichzeitig macht die längere Sprühentfernung die Spritzpistole besser geeignet für die Anforderungen der Herstellung von Beschichtungen bei kleinem Raum in geringem Winkel als das Laserauftragschweißen.
- 4. Niedriger Wärmeeintrag. Große Lichtflecken werden verwendet, deren Fleckgröße viel größer ist als der Durchmesser des Teilchenstrahlflecks, und die schnellen Erwärmungseigenschaften des Lasers werden verwendet, um das Substrat vollständig zu erwärmen und somit die Bindungsfestigkeit der Beschichtung zu verbessern, ohne dass das Substrat schmilzt, wodurch ein niedriger Wärmeeintrag beibehalten wird, um eine Verformung des Werkstücks zu verhindern und das Reißen der Beschichtung mit hoher Härte zu verhindern.
- 5. Die Oberflächenqualität ist gut, das Substrat schmilzt nicht, das Pulver schmilzt während des Fluges und erzeugt keinen Überlappungsbereichsvorsprung wie beim Laserauftragschweißen. Die Oberfläche der Beschichtung hat die Oberflächenqualität der thermischen Spritzbeschichtung und die Dicke der Beschichtung kann genau geregelt werden. Kein großer Schleifaufwand wird erfordert. Die Ebenheit der Beschichtung ist gut und die Anforderungen der Arbeitsbedingungen können durch einfaches Schleifen erfüllt werden.
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DARSTELLUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
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1 zeigt eine erste schematische strukturelle Darstellung einer Laserspritzpistole des vorliegenden Gebrauchsmusters, wobei der Pfeil die Richtung des Lichtweges angibt.
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KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die konkreten Ausführungsformen auf das vorliegende Gebrauchsmuster näher eingegangen.
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Wie in 1 gezeigt, besteht eine Laserspritzpistole, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann, nach dem vorliegenden Gebrauchsmuster aus einer Kondensorlinse 9, einem Sekundärluftfilter 8, einem Primärluftheizfilter 1, einer Durchgangsrohrmutter 3, einer Außenabdeckung 2, einer Luftsammelkappe 4, einer Luftspritzdüse 6, einem Antriebsgaseinlass 5 und einer Pulverzufuhrdüse 7.
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Der Sekundärluftfilter 8 weist die Form eines Zylinders, der an beiden Enden nicht verschlossen ist, auf. Der mittlere Abschnitt des Zylinders ist mit dicht angeordneten radialen Durchgangslöchern versehen, die einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Dichte von 25/cm2 aufweisen, und hat eine Länge von 100 mm. Die Kondensorlinse 9 ist in der Hohlraumkammer des Sekundärluftfilters 8 angeordnet.
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Der Primärluftheizfilter 1 ist eine Rundringstruktur und die Innenseite des Rundrings ist mit der Außenseite des Sekundärluftfilters durch Gewinde verbunden. Der Rundringabschnitt ist eine zentrale ausgehöhlte Struktur und die Dichte der Aushöhlungen beträgt 9/cm2. In der ausgehöhlten Struktur ist ein elektrischer Heizdraht vorgesehen, dessen Erwärmungstemperatur 80°C bis 120°C beträgt, um Luft trocken zu halten,
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Die Durchgangsrohrmutter 3 befindet sich zwischen der Außenabdeckung 2 und dem Sekundärluftfilter 8, bietet eine feste Unterstützung für die Luftsammelkappe 4 bietet und ist gleichzeitig über eine Dichtungsnut und einen Dichtungsring mit der Außenabdeckung 2 verbunden und durch Gewinde mit dem Sekundärluftfilter 8 verbunden. Die Durchgangsrohrmutter 3 weist entlang der axialen Richtung eine Vielzahl von Durchgangslöchern auf, die einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Dichte von 25/cm2 aufweisen.
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Der zentrale Hohlraum der Luftsammelkappe 4 ist eine konische Durchgangslochstruktur, wobei ihre Endfläche größeren Durchmessers in engem Kontakt mit der Durchgangsrohrmutter 3 steht und einen Spalt zu der Außenseite des Sekundärluftfilters 8 aufweist, während eine Seitenendfläche kleineren Durchmessers mit der Luftspritzdüse 6 zusammenwirkt, um eine Düse zu bilden. Die Luftspritzdüse 6 ist an einem Ende der Außenabdeckung 2 befestigt. Das Innere der Luftspritzdüse 6 ist eine innere Kammer, während die Luftspritzdüse 6 und die Seitenendfläche kleineren Durchmessers der Luftsammelkappe 4 eine äußere Kammer umschließen. Der Spalt zwischen der Luftspritzdüse 6 und der Endfläche kleinsten Durchmessers des Halses der Luftsammelkappe 4 wird auf 0,8 mm gehalten, um einen Spaltstrahl zu erzeugen.
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Der Antriebsgaseinlass 5 ist an der Außenseite der Luftspritzdüse 6 angeordnet, wobei über den Antriebsgaseinlass Antriebsgas in die äußere Kammer eintritt und durch den Spalt zwischen der Luftspritzdüse 6 und der Luftsammelkappe 4 in die innere Kammer gesprüht wird.
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Die Pulverzufuhrdüse 7 ist stromaufwärts der Luftsammelkappe 4 und in der Nähe des Halses angeordnet, wobei Pulver durch die Pulverzufuhrdüse in den konischen Hohlraum der Luftsammelkappe eintritt.
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Das vorliegende Gebrauchsmuster sieht ferner ein Verwendungsverfahren einer Laserspritzpistole, mit der eine Beschichtung mit ultrahoher Bindungsfestigkeit hergestellt werden kann, vor. Bereitstellen eines Lasers mit einer Laserleistung von 12000W. Der Lichtfleck sollte ein quadratischer Fleck sein. Die Seitenlänge des Flecks, der die Oberfläche des Werkstücks erreicht, beträgt 22 mm. Die Lichtleitfaser des Lasers ist stromaufwärts von der Kondensorlinse verbunden. Die Spritzpistole wird an einem Roboterarm oder manuell gehalten. Die Stromversorgung des Lasers und der zugehörigen Hilfsausrüstung wird bereitgestellt. Der Widerstandsdraht in dem Primärluftheizfilter der Spritzpistole wird bestromt und das Antriebsgas Stickstoff oder Argon wird gleichzeitig zugeführt. Der Einstelldruck beträgt 0,8 MPa. Der Laserschalter wird eingeschaltet, um einen Laser in der Spritzpistole zu erzeugen. Das Beschichtungspulvermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, Wolframcarbid, wird durch Stickstoff oder Argon in die Pulverzufuhrdüse 7 eingeleitet und die bewegliche Spritzpistole kann eine Beschichtung aufsprühen. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Spritzpistole kann auf 300 mm/s eingestellt werden. Das Werkstück ist während des Sprühprozesses von der Brennebene des Laserstrahls entfernt, so dass das Substrat nicht schmilzt, sondern lokal auf etwa 300°C bis 700°C erhitzt wird. Die Dicke des einzelnen Kanals beim Sprühen beträgt 0,02 mm. Die Oberfläche der Beschichtung nach dem Sprühen ist gleichmäßig und hat gute Ebenheit. Mit einfachem Polieren können die Anforderungen an Verschleißfestigkeit und andere Arbeitsbedingungen erfüllt werden.
