一种高质量激光熔覆设备以及方法

技术领域

本发明涉及增材制造装置及方法，具体涉及一种高质量激光熔覆设备以及方法。

背景技术

激光熔覆技术是指在被涂覆基体表面上放置熔覆粉末，经激光照射后，粉末和基体表面的薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性的工艺方法。

在激光熔覆过程中，通过送粉机构将金属粉末输送至激光头的喷嘴，再由喷嘴喷向工件的表面。进一步，现在的送粉机构主要依靠高压气体对金属粉末进行携带输送，具有高效、灵活性好等优点，例如申请公布号为CN111441048A的发明申请公开的一种激光熔覆的送粉装置、激光熔覆设备及金属覆层加工方法，该激光熔覆的送粉装置中，金属粉末在外部载气的带动下进入进粉口，然后在粉末流动环形管道内流动，再进入到多个粉末分流管道从喷粉口喷出，多个方向喷出的粉末汇聚形成粉斑。与传统的单个送粉管送粉相比，该激光熔覆的送粉装置的金属粉末从周向设置的多个喷粉口喷出，并汇聚形成粉斑，多个从外向内的载气气流在相汇后也减弱并向工件表面流动，使得粉斑较稳定，减少远离激光照射位置的粉末提高了金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

上述激光熔覆的送粉装置存在以下的不足：

虽然围绕着激光设有多个送粉管以及送粉口，可以在均匀分布的多个位置喷出金属粉末，能够一定程度上提高熔覆质量。但是当金属粉末落到工件的表面时，一般会呈现出两种状态：相邻的金属粉末堆之间存在间隙（两个金属粉末堆相互独立）和相邻的金属粉末堆之间不存在间隙（两个金属粉末堆部分重叠）；由此可知，对于工件表面来说，上述两种状态中的前者部分位置缺粉，后者则存在部分位置堆积过厚，在进行激光熔融时，两种状态下的金属粉末分别会形成微型的凹坑和凸台，导致熔覆层不够平整，熔覆质量有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种高质量激光熔覆设备，该高质量激光熔覆设备采用旋转的方式将金属粉末输送至工件表面上，可以获得比较均匀的粉末层，有利于提高熔覆质量。

本发明的另一个目的在于提供一种高质量激光熔覆方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高质量激光熔覆设备，包括熔覆头以及用于驱动熔覆头进行移动的熔覆驱动机构；

所述熔覆头包括激光发射器和送粉机构；所述激光发射器固定设置在安装座上，所述安装座与熔覆驱动机构的驱动端连接；

所述送粉机构包括喷嘴、送粉筒以及送粉盖；所述喷嘴内设有至少两个沿着圆周方向均匀分布的出粉通道；所述送粉筒包括内筒体和外筒体，所述内筒体可转动地设置在外筒体的内腔中；所述内筒体的底部与喷嘴固定连接；所述外筒体的顶部与送粉盖固定连接，该外筒体的内腔壁上设有螺旋送粉通道；所述螺旋送粉通道的顶部进口与所述送粉盖的内腔连通，该螺旋送粉通道的底部出口动态地与喷嘴的出粉通道的进口连通；所述螺旋送粉通道与内筒体的外侧面相贴；所述外筒体与喷嘴之间设有用于保证螺旋送粉通道的底部出口与喷嘴的出粉通道的进口连通的密封性的密封件；所述送粉盖固定设置在安装座上，该送粉盖的侧壁与送粉管连接；所述送粉管与供粉装置连通；所述送粉盖、内筒体以及喷嘴内均设有激光孔，多个激光孔首尾连通构成激光通道。

本发明的一个优选方案，其中，所述内筒体的顶部通过上转动轴承与送粉盖转动连接，该内筒体的底部通过下转动轴承与外筒体转动连接。

本发明的一个优选方案，其中，所述螺旋送粉通道和送粉管均设有两个；两个送粉管对称地连接在送粉盖的侧壁上。

本发明的一个优选方案，其中，所述出粉通道的进口为沿着物料移动的方向逐渐收小的结构，这样，当金属粉末从螺旋送粉通道的底部出口转移出来后，先以较大的范围接收粉末，再逐渐收小并将粉末导向至出粉通道中，提高金属粉末输送的流畅度，还可以有效减少工作结束后金属粉末的残留。

本发明的一个优选方案，其中，所述密封件为旋转密封圈且设有两个，两个旋转密封圈设有不同的直径且同心地设置在喷嘴的两个安装槽中；所述出粉通道的进口位于两个旋转密封圈之间。

本发明的一个优选方案，其中，所述送粉机构包括稳速结构，该稳速结构包括气垫片、稳速传动组件以及摩擦片；

所述送粉盖的内腔顶面设有气压槽；所述气垫片设置在所述气压槽中，该气垫片与气压槽的侧壁气密相贴；所述气垫片与气压槽的顶面之间的间隙构成稳速活动腔，该稳速活动腔与外界连通；

所述稳速传动组件包括传动杆、复位弹簧、摆臂以及安装柱，所述传动杆的底部与气垫片固定连接，该传动杆的顶部穿过所述气压槽的顶面延伸至送粉盖的外腔中；所述传动杆的顶部设有尺寸较大的限位部；所述复位弹簧套设在传动杆上，该复位弹簧的两端分别抵紧在气垫片和气压槽的顶面上；所述摆臂转动连接在安装柱上，该摆臂的一端与传动杆的顶部活动连接，该摆臂的另一端与摩擦片铰接；所述安装柱固定在送粉盖的外腔中；

所述摩擦片位于内筒体内腔的顶部。在送粉过程中，由于内筒体的旋转动力来自金属粉末的螺旋移动，亦即金属粉末的输送速度越大（气体压力越大），内筒体的旋转速度越大，金属粉末出粉时的离心力也越大，难以控制粉末层的大小。为了解决上述问题，本优选方案采用了防止气压变大而导致出粉不稳定的稳速结构，由于采用高压气体作为输送载体，且送粉盖与送粉管连通，当高压气体携带金属粉末进入送粉盖的内腔时，高压气体会瞬间填充送粉盖的内腔，同时提高送粉盖的内腔的气压。当送粉盖内的气压增大时，会推动气垫片往上移动，气垫片通过传动杆将动力传递至摆臂，此时复位弹簧发生形变而蓄能；接着摆臂绕着转动中心驱动摩擦片靠近内筒体的内壁，使得摩擦片与内筒体的内壁接触产生摩擦制动力，从而可以对内筒体产生牵制的作用，使得内筒体保持一定的速度进行旋转运动。进一步，当高压气体的压力越大（金属粉末的输送速度越大），气垫片往上移动的距离越大，会对摩擦片施加更大的作用力，增大摩擦片对内筒体的内壁的正压力，从而提高摩擦力，因此可以同步牵制住内筒体，使得内筒体可以保持稳定的速度旋转，来应对输送压力不稳定等情况，有利于进一步提高熔覆质量。当高压气体的压力变小时，复位弹簧适应地驱动气垫片（摆臂）复位，降低摩擦片对内筒体的内壁的正压力，减小摩擦力，从而自适应地稳定内筒体的转速，结构十分巧妙。

进一步，所述气垫片和气压槽均设有两个；

所述稳速传动组件设有两组，每组稳速传动组件的传动杆和复位弹簧均设有两个，同一组的两个传动杆分别固定在两个气垫片的相邻的一端上；同一组的两个传动杆之间通过中间连杆与摆臂活动连接（活动连接为中间连杆穿过摆臂的长圆孔实现的连接）；

所述摩擦片设有两个且分别与两组稳速传动组件的摆臂铰接。通过上述结构，将同一组稳速传动组件设置在两个气垫片上，可以使得两个摩擦片的作用力相等，获得平衡的牵制力，保证内筒体可以平稳地带动喷嘴旋转，从而提高出粉的精度。

一种高质量激光熔覆方法，包括以下步骤：

通过熔覆驱动机构驱动熔覆头靠近待加工的工件的表面；

启动供粉装置，通过高压气体在送粉管中输送金属粉末；当金属粉末进入送粉盖后，从螺旋送粉通道的顶部进口进入螺旋送粉通道中，再沿着螺旋送粉通道往下移动；在螺旋移动过程中，金属粉末在内筒体的外侧面施加切向作用力，驱动内筒体进行旋转；此时喷嘴随着内筒体进行旋转；

当金属粉末移动至螺旋送粉通道的底部出口后，直接进入正在旋转的喷嘴的出粉通道中，再从出粉通道的出口旋转地喷向工件的表面；

通过激光发射器发射出激光束，激光束穿过下方的激光通道照射在工件表面的金属粉末上，进行熔覆作业。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过采用旋转的喷嘴进行出粉，可以在工件表面形成比较均匀的粉末层，有利于提高熔覆质量。

2、通过正在输送的金属粉末来带动内筒体进行旋转，从而实现喷嘴的旋转，无需额外设置专门的旋转驱动机构，结构十分巧妙。

附图说明

图1为本发明的高质量激光熔覆设备的立体结构示意图。

图2为本发明的高质量激光熔覆设备的剖视图。

图3为图2中的X的放大图。

图4为本发明的送粉机构的立体结构爆炸示意图。

图5为本发明的送粉机构的送粉盖的立体结构示意图。

图6为本发明的送粉机构的外筒体的立体结构示意图。

图7为本发明的送粉机构的送粉盖、内筒体和稳速结构的立体结构示意图。

图8为本发明的送粉机构的稳速结构的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

本实施例的高质量激光熔覆设备，包括熔覆头以及用于驱动熔覆头进行移动的熔覆驱动机构；具体地，所述熔覆驱动机构可直接采用现有的驱动机构。

参见图1-图2，所述熔覆头包括激光发射器1和送粉机构；所述激光发射器1固定设置在安装座2上，所述安装座2与熔覆驱动机构的驱动端连接；所述激光发射器1的具体结构可参考已有技术。

参见图1-图6，所述送粉机构包括喷嘴3、送粉筒以及送粉盖4；所述喷嘴3内设有至少两个沿着圆周方向均匀分布的出粉通道3-1；所述送粉筒包括内筒体5和外筒体6，所述内筒体5的顶部通过上转动轴承7与送粉盖4转动连接，该内筒体5的底部通过下转动轴承8与外筒体6转动连接；所述内筒体5的底部与喷嘴3固定连接。

参见图1-图6，所述外筒体6的顶部与送粉盖4固定连接，该外筒体6的内腔壁上设有螺旋送粉通道9；所述螺旋送粉通道9的顶部进口与所述送粉盖4的内腔连通，该螺旋送粉通道9的底部出口动态地与喷嘴3的出粉通道3-1的进口连通；所述螺旋送粉通道9与内筒体5的外侧面相贴。

进一步，所述出粉通道3-1的进口为沿着物料移动的方向逐渐收小的结构，这样，当金属粉末从螺旋送粉通道9的底部出口转移出来后，先以较大的范围接收粉末，再逐渐将粉末导向至出粉通道3-1中，提高金属粉末输送的流畅度，同时有效减少工作结束后金属粉末的残留。

当然，所述出粉通道3-1的进口可以为设置在喷嘴3顶部的环形槽，360°与螺旋送粉通道9的底部出口对接。

参见图4，所述外筒体6与喷嘴3之间设有用于保证螺旋送粉通道9的底部出口与喷嘴3的出粉通道3-1的进口连通的密封性的密封件；其中，所述密封件为旋转密封圈10且设有两个，两个旋转密封圈10设有不同的直径且同心地设置在喷嘴3的两个安装槽中；所述出粉通道3-1的进口位于两个旋转密封圈10之间。

参见图1-图6，所述送粉盖4固定设置在安装座2上，该送粉盖4的侧壁与送粉管11连接；所述送粉管11与供粉装置（图中未显示）连通；其中，所述螺旋送粉通道9和送粉管11均设有两个；两个送粉管11对称地连接在送粉盖4的侧壁上。

参见图2，所述送粉盖4、内筒体5以及喷嘴3的轴线位置均设有激光孔，多个激光孔首尾连通构成激光通道12。

参见图3和图7-图8，所述送粉机构包括稳速结构，该稳速结构包括气垫片13、稳速传动组件以及摩擦片14；所述送粉盖4的内腔顶面设有气压槽15；所述气垫片13设置在所述气压槽15中，该气垫片13与气压槽15的侧壁气密相贴，该气垫片13由软质弹性材料制成，例如橡胶；所述气垫片13与气压槽15的顶面之间的间隙构成稳速活动腔，该稳速活动腔与外界连通；所述稳速传动组件包括传动杆16、复位弹簧17、摆臂18以及安装柱19，所述传动杆16的底部与气垫片13固定连接，该传动杆16的顶部穿过所述气压槽15的顶面延伸至送粉盖4的外腔中；所述传动杆16的顶部设有尺寸较大的限位部；所述复位弹簧17套设在传动杆16上，该复位弹簧17的两端分别抵紧在气垫片13和气压槽15的顶面上；所述摆臂18转动连接在安装柱19上，该摆臂18的一端与传动杆16的顶部活动连接，该摆臂18的另一端与摩擦片14铰接；所述安装柱19固定在送粉盖4的外腔中；所述摩擦片14位于内筒体5内腔的顶部，该摩擦片14由耐磨软质材料制成，例如自行车的刹车胶。在送粉过程中，由于内筒体5的旋转动力来自金属粉末的螺旋移动，亦即金属粉末的输送速度越大（气体压力越大），内筒体5的旋转速度越大，金属粉末出粉时的离心力也越大，难以控制粉末层的大小。为了解决上述问题，本实施例采用了防止气压变大而导致出粉不稳定的稳速结构，由于采用高压气体作为输送载体，且送粉盖4与送粉管11连通，当高压气体携带金属粉末进入送粉盖4的内腔时，高压气体会瞬间填充送粉盖4的内腔，同时提高送粉盖4的内腔的气压。当送粉盖4内的气压增大时，会推动气垫片13往上移动，气垫片13通过传动杆16将动力传递至摆臂18，此时复位弹簧17发生形变而蓄能；接着摆臂18绕着转动中心驱动摩擦片14靠近内筒体5的内壁，使得摩擦片14与内筒体5的内壁接触产生摩擦制动力，从而可以对内筒体5产生牵制的作用，使得内筒体5保持一定的速度进行旋转运动。进一步，当高压气体的压力越大（金属粉末的输送速度越大），气垫片13往上移动的距离越大，会对摩擦片14施加更大的作用力，增大摩擦片14对内筒体5的内壁的正压力，从而提高摩擦力，因此可以同步牵制住内筒体5，使得内筒体5可以保持稳定的速度旋转，来应对输送压力不稳定等情况，有利于进一步提高熔覆质量。当高压气体的压力变小时，复位弹簧17适应地驱动气垫片13和摆臂18复位，降低摩擦片14对内筒体5的内壁的正压力，减小摩擦力，从而自适应地稳定内筒体5的转速，结构十分巧妙。

进一步，所述气垫片13和气压槽15均设有两个；所述稳速传动组件设有两组，每组稳速传动组件的传动杆16和复位弹簧17均设有两个，同一组的两个传动杆16分别固定在两个气垫片13的相邻的一端上；同一组的两个传动杆16之间通过中间连杆20与摆臂18活动连接（活动连接为中间连杆20穿过摆臂18的长圆孔实现的连接）；所述摩擦片14设有两个且分别与两组稳速传动组件的摆臂18铰接。通过上述结构，将同一组稳速传动组件设置在两个气垫片13上，可以使得两个摩擦片14的作用力相等，获得平衡的牵制力，保证内筒体5可以平稳地带动喷嘴3旋转，从而提高出粉的精度。

参见图1-图6，本实施例的高质量激光熔覆方法，包括以下步骤：

通过熔覆驱动机构驱动熔覆头靠近待加工的工件的表面。

启动供粉装置，通过高压气体在送粉管11中输送金属粉末，当金属粉末进入送粉盖4后，从螺旋送粉通道9的顶部进口进入螺旋送粉通道9中，继而沿着螺旋送粉通道9往下移动；由于螺旋送粉通道9与内筒体5的外侧面相贴，在螺旋移动过程中，金属粉末会在内筒体5的外侧面施加切向作用力，从而带动内筒体5进行旋转；此时喷嘴3随着内筒体5进行旋转。

当金属粉末移动至螺旋送粉通道9的底部出口后，直接进入正在旋转的喷嘴3的出粉通道3-1中，再从出粉通道3-1的出口旋转地喷向工件的表面，从而可以在工件表面形成比较均匀的粉末层，有利于提高熔覆质量。

与此同时，通过激光发射器1发射出激光束，激光束穿过下方的激光通道12照射在工件表面的金属粉末上，进行熔覆作业。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。