一种多功能高速激光熔覆装置

1.本发明涉及激光熔覆设备技术领域，具体涉及一种适用于高速状况下轻、重金属粉末的多功能高速激光熔覆装置。


背景技术：

2.近年来，激光熔覆技术作为一种金属表面修复技术，即利用激光的高能量密度，将基材表面以及添加的金属合金粉末等同时熔化，使得熔化后的粉末与微熔的金属基体表面形成界面为冶金结合的高性能涂层，使得机械设备等表面得到强化和损伤修复的作用，提高机械零部件的表面耐磨性、耐蚀性和使用寿命，在机械设备方面得到国内外学者的广泛关注和研究。
3.而高速激光熔覆技术则在激光熔覆技术的基础上发展而来，通过调整激光与金属合金粉末的相位置，粉末交互位于金属基体上方，显著提高粉末的利用率及熔覆效率，熔覆涂层性能、表面精度显著提高。
4.然而，对于高速激光熔覆技术而言，如果粉末存在潮湿状况，则易造成黏粉、堵塞。同时其粉末粒度要求较小，而粒度较小的粉末颗粒也容易黏粉，造成熔覆喷头的堵塞，并且对于质量较轻的合金粉末，不利于粉末的汇聚。对于高速激光熔覆喷嘴，三轴、四轴粉管送粉量大，但是粉末的汇聚性相对较差，而同轴环形喷嘴的粉末汇聚性较好，出粉均匀，但送粉量较小，不适合较大的熔覆构件。并且在激光熔覆过程中，送粉量过大或者过小都会影响粉末的汇聚状态，须采用送粉系统进行检测，并且粉末粒子运动超出送粉气体的保护范围，容易造成合金粉末的氧化，影响涂层质量，须外加保护气体，同时运用ccd高速相机对粉末在半空中的汇聚状态及流动情况可进行实时拍摄监测，利用红外装置对半空粉-光温度场实时监测，了解粉末在激光作用下的形态。再次采用红外监测装置监测熔池的温度及形貌，在熔覆过程中，同时利用声发射检测装置监测材料在熔覆过程中的熔覆层内部变化过程。利用电磁振动装置可影响经晶粒形态，可熔覆层进行晶粒细化处理，待熔覆层成型后，由于激光快冷的特点，熔覆层存在开裂现象，须进行去应力热处理。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种多功能高速激光熔覆装置，能够多方面实时监测熔覆过程，并可同时进行热处理。
6.本发明采用的技术方案为：一种多功能高速激光熔覆装置，包括激光器、声发射检测装置、红外监测装置、送粉装置、ccd高速相机、热处理装置和电磁振动装置；所述激光器位于设备中心，用于发射激光对材料进行熔覆，形成熔池；所述声发射检测装置设置在熔池一侧，用于监测材料在熔覆过程中的熔覆层内部变化过程；所述红外监测装置设置在熔池一侧，分别对半空粉-光温度场及熔池的温度及形貌实时监测；
所述送粉装置设置在激光器上方，包括送粉转盘和送粉管道，用于为送粉喷头送粉；所述ccd高速相机用于观察送粉量情况；所述热处理装置与送粉喷头同时同向运动，防止熔覆层因较大的应力而开裂；所述电磁振动装置设置在激光器、送粉装置、声发射检测装置、红外监测装置、热处理装置和ccd高速相机的下方，对熔覆层进行晶粒细化处理。
7.进一步，所述送粉转盘上设有八个粉缸、八个送粉管入口和刮粉板，其中粉缸与送粉管入口依次间隔设置；所述刮粉板设置在粉缸和送粉管入口的上方，所述刮粉板通过螺旋连杆与电机相连，带动刮粉板的转动，其中刮粉板为米字形的八叶；所述粉缸能够自动升降，当粉缸内装满金属粉末时，通过刮粉板将粉缸内的粉末平整，八个粉缸在刮粉板转动的同时上升相同的高度。
8.进一步，所述送粉管入口上连接螺旋送粉管，所述螺旋送粉管外有金属套筒，所述金属套筒外围缠绕加热感应线圈，将潮湿的粉末进行加热烘干处理；在加热线圈下方的金属套筒外围安装有第一超声微振动装置，用于将黏着的粉末分散；所述螺旋送粉管的末端安装有扫粉毛刷，将粉末送入到连接有送气的管道内，通过送粉气体将粉末送入送粉喷头。
9.进一步，所述送粉喷头内装配有八个粉末管道，在每根所述粉末管道的末端设有人字形状的分叉管，在粉末管道下方的喷嘴为环形，在螺旋送粉管到喷嘴口处的环形喷嘴呈上宽下窄。
10.进一步，所述环形喷嘴与人字形管道接口处装配超声微振动装置，防止喷头的堵塞。
11.进一步，所述送粉喷头具有内外两层，其中内层为送粉内喷嘴，外层为保护气喷嘴，同时保护加热粉末及刚加热的熔覆层，防止氧化。
12.本发明产生的有益效果是：1、通过ccd高速相机及送粉监测系统实时观察送粉量大小，进而调控粉缸的升降高度及刮粉板的转速控制送粉量的大小；送粉缸的同时升高，八叶刮粉板实现输送粉末的均匀性，实现不同的送粉量；2、通过红外监测装置进行实时检测熔覆过程，声发射检测装置监测材料在熔覆过程中的熔覆层内部变化过程，电磁振动装置对熔覆层进行晶粒细化处理；3、通过外加超声微振动装置以及加热感应线圈，实现粉末的分散性，并烘干粉末，防止对影响熔覆涂层的质量；4、通过在螺旋送粉管处安装超声微振动装置，防止粉末量在较大的情况下，防止粉末的粘结；5、通过送粉喷头上的双层环形喷嘴口，可有效防止粉末在激光作用时，粉末被氧化，也可在一定范围内防止涂层被氧化，提供更有效的惰性环境；6、通过装配热处理装置与送粉喷头同时运动，配热处理装置可上下自由移动，对熔覆涂层进行去应力热处理，防止涂层开裂。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；
图2为部分设备的连接关系图；图3为刮粉器的俯视结构示意图；图4为刮粉板的侧面结构示意图；图5为螺旋送粉管示意图；图6为送粉喷头的结构示意图；图7为人字形送粉管道的结构示意图；图中：0-激光器、1-声发射检测装置；2-红外监测装置；3-送粉气入口；4-送粉管道；5-送粉装置；6-ccd高速相机；7-热处理装置；8-电磁振动装置；9-送粉管入口；10-粉缸；11-刮粉板；12-螺旋连杆；13-电机；14-加热感应线圈；15-螺旋送粉管；16-超声微振动装置；17-毛刷；18-金属套筒；19-送粉内喷嘴；20-保护气喷嘴、21-送粉喷头。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
15.如图1所示，本发明是一种多功能高速激光熔覆装置，包括激光器0、声发射检测装置1、红外监测装置2、送粉装置5、ccd高速相机6、热处理装置7和电磁振动装置8。激光器0位于设备中心，用于发射激光对材料进行熔覆，形成熔池；声发射检测装置1设置在熔池的一侧，采用较小机械臂与熔覆机械主臂连接，监测材料在熔覆过程中的熔覆层内部变化过程；红外监测装置2设置在熔池的一侧，采用较小机械臂与熔覆机械主臂连接，分别对半空粉-光温度场及熔池的温度及形貌实时监测；送粉装置5位于激光器0上方，包括送粉转盘和送粉管道4，用于为送粉喷头21送粉，防止轻合金粉末无法吹出；ccd高速相机6同样采用较小机械臂与主臂连接，观察送粉量情况；热处理装置7与送粉喷头21同时同向运动，防止熔覆层因较大的应力而开裂；电磁振动装置8设置在声发射检测装置1、红外监测装置2、送粉装置5、ccd高速相机6热处理装置7和的下方，对熔覆层进行晶粒细化处理。
16.如图2所示，送粉转盘和ccd高速相机6与计算机连接，通过ccd高速相机6观察送粉量情况，将送粉情况传输给计算机，便于工作人员通过计算机控制送粉检测系统。实验观察人员通过计算机，实现红外监测与声发射监测。
17.如图3和图4所示，送粉转盘上设有八个粉缸10、八个送粉管入口9和刮粉板11，其中粉缸10与送粉管入口9依次间隔设置，刮粉板11设置在粉缸10和送粉管入口9的上方，刮粉板11通过螺旋连杆12与电机13相连，带动刮粉板11的转动，其中刮粉板11为米字形的八叶；粉缸10能够自动升降，当粉缸10内装满金属粉末时，通过刮粉板11将粉缸内10的粉末平整，八个粉缸10在刮粉板11转过的同时上升相同的高度，实现送粉的均匀性。
18.如图5所示，送粉管入口9上连接螺旋送粉管15，螺旋送粉管15外有金属套筒18，金属套筒18外围缠绕加热感应线圈14，将潮湿的粉末进行加热烘干处理；在加热感应线圈14下方的金属套筒18外围安装有超声微振动装置16，用于将黏着的粉末分散。螺旋送粉管15的末端安装有扫粉毛刷17，将粉末送入到连接有送气的管道内，通过送粉气体将粉末送入送粉喷头21。
19.如图6和图7所示，送粉喷头21具有内外两层，其中内层为送粉内喷嘴19，外层为保护气喷嘴20，同时保护加热粉末及刚加热的熔覆层，防止氧化。送粉喷头21内装配有八个粉末管道，在每根粉末管道的末端设有人字形状的分叉管，在粉末管道下方的送粉内喷嘴19
为环形，在螺旋送粉管15到送粉内喷嘴19处的环形喷嘴呈上宽下窄。环形喷嘴与人字形管道接口处装配超声微振动装置，防止喷头的堵塞。
20.以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，并不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

技术特征：
1.一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：包括激光器、声发射检测装置、红外监测装置、送粉装置、ccd高速相机、热处理装置和电磁振动装置；所述激光器位于设备中心，用于发射激光对材料进行熔覆，形成熔池；所述声发射检测装置设置在熔池一侧，用于监测材料在熔覆过程中的熔覆层内部变化过程；所述红外监测装置设置在熔池一侧，分别对半空粉-光温度场及熔池的温度及形貌实时监测；所述送粉装置设置在激光器上方，包括送粉转盘和送粉管道，用于为送粉喷头送粉；所述ccd高速相机用于观察送粉量情况；所述热处理装置与送粉喷头同时同向运动，防止熔覆层因较大的应力而开裂；所述电磁振动装置设置在激光器、送粉装置、声发射检测装置、红外监测装置、热处理装置和ccd高速相机的下方，对熔覆层进行晶粒细化处理。2.根据权利要求1所述的一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：所述送粉转盘上设有八个粉缸、八个送粉管入口和刮粉板，其中粉缸与送粉管入口依次间隔设置；所述刮粉板设置在粉缸和送粉管入口的上方，所述刮粉板通过螺旋连杆与电机相连，带动刮粉板的转动，其中刮粉板为米字形的八叶；所述粉缸能够自动升降，当粉缸内装满金属粉末时，通过刮粉板将粉缸内的粉末平整，八个粉缸在刮粉板转动的同时上升相同的高度。3.根据权利要求2所述的一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：所述送粉管入口上连接螺旋送粉管，所述螺旋送粉管外有金属套筒，所述金属套筒外围缠绕加热感应线圈，将潮湿的粉末进行加热烘干处理；在加热线圈下方的金属套筒外围安装有第一超声微振动装置，用于将黏着的粉末分散；所述螺旋送粉管的末端安装有扫粉毛刷，将粉末送入到连接有送气的管道内，通过送粉气体将粉末送入送粉喷头。4.根据权利要求1所述的一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：所述送粉喷头内装配有八个粉末管道，在每根所述粉末管道的末端设有人字形状的分叉管，在粉末管道下方的喷嘴为环形，在螺旋送粉管到喷嘴口处的环形喷嘴呈上宽下窄。5.根据权利要求4所述的一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：所述环形喷嘴与人字形管道接口处装配超声微振动装置，防止喷头的堵塞。6.根据权利要求1所述的一种多功能高速激光熔覆装置，其特征在于：所述送粉喷头具有内外两层，其中内层为送粉内喷嘴，外层为保护气喷嘴，同时保护加热粉末及刚加热的熔覆层，防止氧化。

技术总结
本发明公开了一种多功能高速激光熔覆装置，包括激光器、声发射检测装置、红外监测装置、送粉装置、CCD高速相机、热处理装置和电磁振动装置；所述激光器位于设备中心；所述声发射检测装置、红外监测装置和CCD高速相机设置在熔池一侧；所述送粉装置设置在激光器上方，包括送粉转盘和送粉管道；所述热处理装置与送粉喷头同时同向运动；所述电磁振动装置设置设备最下方。本发明能够多方面实时监测熔覆过程，并可同时进行热处理，提高熔覆质量。提高熔覆质量。提高熔覆质量。


技术研发人员：白培康 卫晨军 赵占勇 王利卿 张震 李玉新 李忠华
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/6