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CN111893480B - 用于薄板激光熔覆的工装底板、工装装置及熔覆方法 - Google Patents

用于薄板激光熔覆的工装底板、工装装置及熔覆方法 Download PDF

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Abstract

一种用于薄板激光熔覆的工装装置及熔覆方法，包括设计制造带有热交换通道的工装底板，工装底板可以是一体或者分体装配的。将待激光熔覆薄板置于工装底板上，将压板压在薄板上，压板通过螺栓与工装底板相连，对薄板实施夹紧。激光熔覆过程为：将粉末通过送粉器送出，经送粉管连接到工装底板的进口，在出口处通过送粉管连接到激光熔覆头的粉末喷嘴上。激光熔覆过程中，激光作用于粉末与薄板基体上，形成熔覆层。薄板温度上升，并将热量传递给工装底板，工装底板上热交换通道中有载粉气体与粉末快速流动，与工装底板热交换，对工装底板起到冷却作用，从而降低了薄板熔覆过程的热量积累，减小变形量。

Description

用于薄板激光熔覆的工装底板、工装装置及熔覆方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种用于薄板激光熔覆的工装底板、工装装置及熔覆方法。
背景技术
激光熔覆技术作为一种表面改性技术，越来越多地应用于零部件表面强化和再制造。激光熔覆技术通常用于各种类型的零部件，但对于薄板激光熔覆由于热变形严重，应用较少。现有技术公开了一种采用脉冲激光在超薄板上激光熔覆的工艺方法，由于采用了脉冲激光器，激光熔覆效率较低，该技术难以拓展到大功率连续激光熔覆过程。现有技术中还公开了一种采用对称激光熔覆方法对薄板进行激光熔覆的工艺，尽管抑制了热变形，但激光熔覆过程复杂，且必须对薄板两侧同时熔覆，限制了应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于薄板激光熔覆工装装置及熔覆方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供了一种用于薄板激光熔覆方法，包括以下步骤：
将待激光熔覆的薄板置于带有热交换通道的工装底板上，将压板压在所述薄板上，对所述薄板实施夹紧；
将熔覆用粉末通过埋设在所述工装底板中的热交换通道输送到激光熔覆头的粉末喷嘴上；
执行激光熔覆操作，激光产生的热量通过所述工装底板与热交换通道中流动的载粉气体、熔覆用粉末进行热交换。
其中，所述热交换通道中流动的载粉气体为氩气、氮气和/或氦气，载粉气体的流量控制在3-10 L/min。
其中，所述激光熔覆头的粉末喷嘴采用侧向送粉或同轴送粉，即粉末流轴心与激光束轴心重合。
其中，在激光熔覆过程中，激光束是连续激光或脉冲激光。
其中，熔覆用粉末包括金属粉末、合金粉末和/或非金属粉末，粉末直径分布为2-100μm。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种工装底板，其中，
所述工装底板上设置有热交换通道，所述热交换通道是通过在作为整体的所述工装底板上钻孔加工形成，或者通过分体各自加工后装配得到。
其中，所述热交换通道是直线通道或任意曲线通道。
其中，所述热交换通道是一条热交换通道或多条热交换通道。
其中，所述热交换通道中装配导热性能优良的铜管、铝管或碳纤维管，管通过过盈配合置于热交换通道中，或通过钎焊剂粘接于热交换通道中。
作为本发明的再一个方面，还提供了一种工装装置，包括：
激光熔覆头，用于发射激光使施加在待激光熔覆的薄板上的熔覆用粉末熔化形成涂层；
压板和工装底板，用于将待激光熔覆的薄板夹在中间；
其中，所述工装底板采用如上所述的工装底板，且熔覆用粉末通过埋设在所述工装底板中的热交换通道输送到所述激光熔覆头的粉末喷嘴上。
基于上述技术方案可知，本发明的工装装置及熔覆方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)激光熔覆工装装置含有热交换通道，气氛气体金属粉末与工装底板进行热交换，对工装底板起到了冷却效果，降低了薄板激光熔覆过程中的热积累，减小了热变形。
(2)采用本方法，金属粉末在热交换通道中被加热，可以降低激光熔覆功率，在节约能源的同时，更进一步地降低了薄板激光熔覆过程中的热积累与热变形。
附图说明
图1为本发明激光熔覆工装装置及激光熔覆示意图；
图2为本发明的一体式工装底板的结构示意图；
图3为本发明完整激光熔覆的工装装置的结构示意图；
图4为本发明的分体式工装底板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种用于薄板激光熔覆的工装装置及熔覆方法，该工装装置包括设计制造若干带有热交换通道的工装底板，该工装底板可以是一体或者分体装配的。将待激光熔覆薄板置于工装底板上，将压板压在薄板上，压板通过螺栓与工装底板相连，对薄板实施夹紧。激光熔覆过程为：将粉末通过送粉器送出，经送粉管连接到工装底板的进口，在出口处通过送粉管连接到激光熔覆头的粉末喷嘴上。激光熔覆过程中，激光作用于粉末与薄板基体上，形成熔覆层。薄板温度上升，并将热量传递给工装底板，工装底板上热交换通道中有载粉气体与粉末快速流动，与工装底板热交换，对工装底板起到冷却作用，从而降低了薄板熔覆过程的热量积累，减小变形量。此外，通过热交换通道后粉末流温度上升，相当于对粉末进行了预热，粉末熔化需要的热量降低，因此可以减小激光功率输出，有利于改善薄板的热变形。本发明实现了激光熔覆过程能量的循环再利用。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于薄板激光熔覆工装装置的熔覆方法，包括：
设计制作带有热交换通道的工装底板，工装底板可以是一个零件通过钻孔加工热换通道，或分体各自加工热交换通道后再进行装配；
激光熔覆过程包括，如图1所示：将金属粉末通过送粉器10送出，经送粉管9连接到工装底板热交换通道5的进口，在热交换通道5的出口处通过送粉管1连接到激光熔覆头的粉末喷嘴2上。激光熔覆过程中，激光束3作用于粉末与薄板基体6上，形成熔覆层7。薄板6温度上升，将热量传递给工装底板4，工装底板4上热交换通道5中有载粉气体与金属粉末快速流动，与工装底板4进行热交换，对工装底板5起到冷却作用，降低了熔覆过程薄板6的热量积累，减小热变形。通过热交换通道5后粉末流温度上升，相当于对粉末进行了预热，粉末熔化需要的热量降低，因此可以减小激光功率输出，有利于改善薄板的热变形。
工装底板中有热交换通道，热交换通道可以是直线通道，也可以是任意曲线通道，可以是一条热交换通道，也可以是多条热交换通道。热交换通道的加工，可以在一个零件上通过钻孔方法加工出热交换通道，也可以是分体加工，在每个零件上加工出部分热交换通道，再将各零件装配组成热交换通道。
激光熔覆过程，设置合适的激光功率，激光器可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器。
调节送粉器载粉气流量，载粉气体为氩气、氮气、氦气以及这些气体的混合气体，气体流量控制在3-10 L/min，金属粉末在载粉气流作用下从送粉器流出，通过送粉管进入工装底座中的热交换通道，再通过送粉管到达粉末喷嘴。
激光熔覆头粉末喷嘴可以采用侧向送粉，也可采用同轴送粉，即粉末流轴心与激光束轴心重合。
实施例1
本发明公开了一种用于薄板激光熔覆的熔覆方法，包括：
设计制作带有热交换通道的工装底板，工装底板如图2所示，是一个零件通过钻孔加工出热交换通道。将金属粉末通过送粉器送出，经送粉管连接到工装底板热交换通道的进口11，在热交换通道的出口12处通过送粉管连接到激光熔覆头的粉末喷嘴上。在工装底板加工有辅助孔14用于连同进口11与出口12，将辅助孔14堵住，可在工装底板内形成热交换通道。在工装底板上加工有螺纹孔13，用于和压板通过螺栓连接，对薄板实施夹紧。
完整工装装置如图3所示，薄板34置于工装底板31上，俩块压板33压在薄板34上，压板33通过螺栓37与工装底板31螺纹孔固定，对薄板34实施夹紧，工装底板31上辅助孔32加工后封堵，实现热交换通道。送粉器送出的载粉气体与金属粉末通过送粉管连接到工装底板31的进口35，载粉气体与金属粉末流过热交换通道，与工装底板热交换，从工装底板31的出口36流出，经送粉管连接到送粉喷嘴。
设置合适的激光功率，激光器可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器。
调节送粉器载粉气流量，载粉气体为氩气、氮气、氦气以及这些气体的混合气体，气体流量控制在3-10L/min，金属粉末在载粉气流作用下从送粉器流出，通过送粉管进入工装底座中的热交换通道，再通过送粉管到达粉末喷嘴。
激光熔覆头粉末喷嘴可以采用侧向送粉，也可采用同轴送粉，即粉末流轴心与激光束轴心重合。
实施例2
本发明公开了一种用于薄板激光熔覆工装装置的熔覆方法，包括：
设计制作带有热交换通道的工装底板，工装底板如图4所示，是两个个零件底板42与盖板43分别加工好曲线流道，再将两个零件通过螺栓44装配连接，形成了出热交换通道。将金属粉末通过送粉器送出，经送粉管连接到工装底板热交换通道的进口41，在热交换通道的出口45处通过送粉管连接到激光熔覆头的粉末喷嘴上。
将薄板置于工装底板上，用压板压好。调节激光功率与载粉气体流量，激光器可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器。载粉气体为氩气、氮气、氦气以及这些气体的混合气体，气体流量控制在3-10L/min，金属粉末在载粉气流作用下从送粉器流出，通过送粉管进入工装底座中的热交换通道，再通过送粉管到达粉末喷嘴。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于薄板激光熔覆工装装置及熔覆方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
当然，根据实际需要，本公开方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于薄板激光熔覆的熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待激光熔覆的薄板置于带有热交换通道的工装底板上，将压板压在所述薄板上，对所述薄板实施夹紧；
将熔覆用粉末通过埋设在所述工装底板中的热交换通道输送到激光熔覆头的粉末喷嘴上；
执行激光熔覆操作，激光产生的热量通过所述工装底板与热交换通道中流动的载粉气体、熔覆用粉末进行热交换。
2.根据权利要求1所述的熔覆方法，其特征在于，所述热交换通道中流动的载粉气体为氩气、氮气和/或氦气，载粉气体的流量控制在3-10 L/min。
3.根据权利要求1所述的熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆头的粉末喷嘴采用侧向送粉或同轴送粉，即粉末流轴心与激光束轴心重合。
4.根据权利要求1所述的熔覆方法，其特征在于，在激光熔覆过程中，激光束是连续激光或脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的熔覆方法，其特征在于，熔覆用粉末包括金属粉末、合金粉末和/或非金属粉末，粉末直径分布为2-100μm。
6.一种激光熔覆工装装置，包括：
激光熔覆头，用于发射激光使施加在待激光熔覆的薄板上的熔覆用粉末熔化形成涂层；
压板和工装底板，用于将待激光熔覆的薄板夹在中间；
其特征在于，所述工装底板上设置有热交换通道，所述热交换通道是通过在作为整体的所述工装底板上钻孔加工形成，或者通过分体各自加工后装配得到；且熔覆用粉末通过埋设在所述工装底板中的热交换通道输送到所述激光熔覆头的粉末喷嘴上；
所述热交换通道中有载粉气体与粉末快速流动。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆工装装置，其特征在于，所述热交换通道是直线通道或任意曲线通道。
8.根据权利要求6所述的激光熔覆工装装置，其特征在于，所述热交换通道是一条热交换通道或多条热交换通道。
9.根据权利要求6所述的激光熔覆工装装置，其特征在于，所述热交换通道中装配导热性能优良的铜管、铝管或碳纤维管，所述铜管、铝管或碳纤维管通过过盈配合置于热交换通道中，或通过钎焊剂粘接于热交换通道中。
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