一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，包括能量供給系統(tǒng)、CNC控制臺(21)與數(shù)控工作臺(22)、送料裝置、氮氣制備系統(tǒng)(40)，送料裝置包括送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置(31)，送料裝置還包括與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置(31)連接的送粉器(32)、送絲系統(tǒng)(33)，能量供給系統(tǒng)與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置(31)連接，送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置(31)位于數(shù)控工作臺(22)上方，氮氣制備系統(tǒng)(40)與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置(31)連接。通過上述技術(shù)方案，可將激光熔覆方法運用于現(xiàn)實的生產(chǎn)中。
【專利說明】一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及激光熔覆裝置，具體而言，涉及一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】：
[0002] 激光熔覆是一種新的表面改性技術(shù)，該技術(shù)是以不同的添料方式在被熔覆基體表 面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形 成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧 化及電氣特性的工藝方法。該工藝方法的關(guān)鍵技術(shù)是同步送料技術(shù)，即將激光和被熔材料 同步傳輸至加工成形位置，并使金屬材料連續(xù)、準確、均勻地投入到加工面上按預定軌跡作 掃描運動的聚焦光斑內(nèi)，實現(xiàn)光料精確耦合。
[0003] 申請?zhí)?01010017158. 1，申請日2010年1月9日的發(fā)明公開了一種送絲送粉復合 激光熔覆成形方法及裝置，其主要特征在于：通過光路變換，用圓錐鏡將激光器發(fā)射的實心 激光束變換為環(huán)形光束，再用環(huán)形聚焦鏡聚焦成為環(huán)錐形光束，在環(huán)錐形光束中形成一錐 形中空無光區(qū)，送粉送絲和保護氣復合噴嘴置于該無光區(qū)內(nèi)并與環(huán)錐形光束同軸線，送絲 孔居中，平行送粉孔包圍送絲孔，準直保護氣孔平行包圍送粉孔，絲材通過送絲孔與光束同 軸垂直于加工面送入熔池，氣載粉末通過送粉孔同步送入熔池，準直保護氣包圍粉束平行 吹向熔池。該發(fā)明還公開了一種送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置，包括筒體，所述筒體上 方開設(shè)有入光口，所述筒體下方設(shè)有下錐套，其下方開設(shè)有出光口，所述筒體內(nèi)部中心經(jīng)支 撐架固定有圓錐鏡，其鏡面朝向入光口，所述筒體內(nèi)壁上固定設(shè)有環(huán)形聚焦鏡，其鏡面與所 述圓錐鏡鏡面相對，所述圓錐鏡、支撐架及環(huán)形聚焦鏡與筒體的入光口及出光口同軸，所述 支撐架下方固定設(shè)有粉絲氣復合噴嘴，所述粉絲氣復合噴嘴為三層復合結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為送絲 管，中間層為送粉管，外層為送氣管，三者出口相互平行，所述粉絲氣復合噴嘴與所述圓錐 鏡及環(huán)形聚焦鏡同軸。通過所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置，實現(xiàn)了粉絲氣復合熔 覆，使金屬材料連續(xù)、準確、均勻地投入到加工面上按預定軌跡作掃描運動的聚焦光斑內(nèi)， 實現(xiàn)光料精確耦合。
[0004] 但是，上述發(fā)明僅是提供了一種激光熔覆的方法，并未說明如何在現(xiàn)實的生產(chǎn)中 具體運用上述方法，雖然上述發(fā)明還公開了一種送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置，但是， 僅依靠這一裝置還不足以將上述激光熔覆的方法運用于現(xiàn)實的生產(chǎn)中。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題：申請?zhí)?01010017157. 7,申請日2010年1月9日的發(fā) 明所公開的內(nèi)容不足以說明如何在現(xiàn)實的生產(chǎn)中具體運用所述光、粉、氣同軸輸送激光熔 覆成形制造的方法。
[0006] 本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，包括能量 供給系統(tǒng)、CNC控制臺與數(shù)控工作臺、送料裝置、氮氣制備系統(tǒng)，所述送料裝置包括送絲送 粉復合激光熔覆成形的裝置，所述送料裝置還包括與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝 置連接的送粉器、送絲系統(tǒng)，所述能量供給系統(tǒng)與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置 連接，所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置位于數(shù)控工作臺上方，所述氮氣制備系統(tǒng)與 送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置連接。
[0007] 按上述技術(shù)方案，能量供給系統(tǒng)產(chǎn)生激光，并將激光送入所述送絲送粉復合激光 熔覆成形的裝置，同時，送粉器、送絲系統(tǒng)將熔覆材料送入所述送絲送粉復合激光熔覆成 形的裝置，氮氣制備系統(tǒng)將氮氣送入所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置。所述送絲 送粉復合激光熔覆成形的裝置已被申請?zhí)?01010017157. 7的發(fā)明所公開，經(jīng)所述送絲送 粉復合激光熔覆成形的裝置處理，送入其中的激光變成環(huán)錐形光束，在環(huán)錐形光束中形成 一錐形中空無光區(qū)，送粉送絲和氮氣復合噴嘴置于該無光區(qū)內(nèi)并與環(huán)錐形光束同軸線，送 絲孔居中，平行送粉孔包圍送絲孔，氮氣孔平行包圍送粉孔，絲材通過送絲孔與光束同軸 垂直于加工面送入熔池，氣載粉末通過送粉孔同步送入熔池，氮氣包圍粉束平行吹向熔 池。其中，所述熔池位于數(shù)控工作臺上的被加工對象上。通過上述技術(shù)方案，可將申請?zhí)?201010017157. 7的發(fā)明所述的激光熔覆方法運用于現(xiàn)實的生產(chǎn)中。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步說明，所述能量供給系統(tǒng)包括一臺激光器、水冷機和冷卻水 路、反射式光路，所述激光器所產(chǎn)生的激光經(jīng)反射式光路進入所述送絲送粉復合激光熔覆 成形的裝置，所述水冷機通過冷卻水路對所述激光器、反射式光路、送絲送粉復合激光熔 覆成形的裝置進行降溫。所述激光器為武漢金石凱激光有限公司研制的GS-TFL-10KW高功 率橫流C0 2激光器，它是一種采用針板放電的氣體橫流快速循環(huán)流動激光器，具有功率高、 效率高、壽命長、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、使用費用低和維修方便等優(yōu)點。其配套 設(shè)備包括水冷機、反射式光路和冷卻水路。激光器在運行過程中，激光器中全反鏡以及輸出 鏡等一些器件會產(chǎn)生大量的熱，并且所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置內(nèi)部的光路變 換鏡片以及外部的反射鏡片等也會產(chǎn)生大量的熱量，因此必須用冷卻循環(huán)水對這些部位進 行冷卻。所述水冷機和冷卻水路為武漢團結(jié)激光成套設(shè)備有限公司設(shè)計制造的專為大功率 激光器排熱的制冷換熱設(shè)備。該冷卻機組提供激光器的冷卻循環(huán)水溫度在8-12度之間可 以任意調(diào)節(jié)。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步說明，所述CNC工作臺包括一套CNC控制單元、一臺六軸五聯(lián) 動加工機床。所述CNC控制單元是PMAC數(shù)控系統(tǒng)，X方向的最大行程為1500mm，Y軸最大 行程800mm。所述機床所采用的伺服控制卡為PMAC卡，它是美國著名的Delta Tau公司推 出的采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)的第四代傳動控制裝置，具有響應速度快、精度高、開發(fā) 周期短，編程和操作簡單的特點，在發(fā)達國家已廣泛應用于機器人，數(shù)控機床等需要多軸控 制的高精度伺服裝置上。六軸五聯(lián)動數(shù)控工作臺為煙臺機床附件廠生產(chǎn)的TSL400型立臥 回轉(zhuǎn)工作臺，臺面直徑400_。此數(shù)控工作臺的重復定位精度為6/10000_。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步說明，所述氮氣制備系統(tǒng)包括壓縮機、與壓縮機連接的制氮 機、與制氮機連接的儲氣罐。N2是一種非助燃氣體，空氣中大量含有N2，取用相對比較低廉。 制氣系統(tǒng)王要由空氣壓縮機、食品制氣機、儲氣罐組成。食品制氣機能夠提取空氣中的N 2， 使其純度達99. 5 %，完全能夠滿足實驗需要。N2的使用在整個系統(tǒng)中有兩個作用，一是作為 保護氣，起到對光學鏡片組的保護作用。二是作為送粉載氣，因為使用N 2這種非可燃氣體 作為載氣，可以減小粉末與激光作用產(chǎn)生的有害煙霧與燃燒火焰，從而保證熔覆層的質(zhì)量。 toon] 作為本發(fā)明的進一步說明，所述送絲系統(tǒng)包括送絲機和送絲控制柜，所述送絲機 包括送絲軟管。優(yōu)選的，所述送絲機包括校直裝置。為了保證送絲過程的連續(xù)性、可調(diào)性、穩(wěn) 定性，實現(xiàn)實驗的要求，本發(fā)明選用的送絲機為南通振康有限公司制造的SB-10-D/TIG型 送絲機驅(qū)動裝置。送絲的速度范圍為1. 5-15m/min，絲材的直徑范圍為0. 8/1. 0/1. 2。金屬 絲的輸送過程要求連續(xù)，平穩(wěn)，金屬絲的直線度對于金屬絲的幾何控制至關(guān)重要，會對熔覆 的表面質(zhì)量有重要的影響，這就要求金屬絲必須經(jīng)過校直。因此，在送絲機中特別裝有校直 裝置，經(jīng)過校直過的金屬絲通過送絲管輸送到復合噴嘴位置。噴嘴具有導向作用，直接將金 屬絲輸入到熔池。送絲速率的調(diào)節(jié)由送絲控制柜實現(xiàn)，控制柜通過開關(guān)電位器改變輸給直 流電動機的電壓，利用電壓的變化對直流電動機進行調(diào)速。本發(fā)明中不存在送絲方向、位置 和角度對熔覆層質(zhì)量的影響，因此送絲速率就成為影響熔覆質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，對送絲 速率的控制就顯得尤為重要。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步說明，所述送粉器為雙管載氣送粉器。本發(fā)明采用DPSF-2雙 管載氣送粉器，該送粉器靠送粉盤定量，傳動裝置主要是送粉電機和送粉盤。儲粉筒中的粉 末靠自身重力通過進粉口落在送粉盤的槽中，送粉電機帶動送粉盤勻速轉(zhuǎn)動，當送粉盤槽 中的粉末到達擋粉塊后，由送粉載氣帶動通過出粉接頭進入送粉管，載氣粉末沿外路粉管 到達加工區(qū)域。該送粉器粉流的發(fā)散小，方向性特別好，可滿足快速成型的要求。送粉量和 粉末運行速度可以通過調(diào)節(jié)送粉電機轉(zhuǎn)速和載氣流量大小來實現(xiàn)。由于其具有一大一小兩 個儲粉筒，因此可以實現(xiàn)兩種不同的粉末同時輸送。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明：
[0014] 圖1為本發(fā)明一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
[0015] 示意圖。
[0016] 圖中符號說明：
[0017] 11 -激光器；12 -水冷機；13 -反射式光路；
[0018] 21 - CNC控制臺；22 -數(shù)控工作臺；
[0019] 31 -送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置；32 -送粉器；33 -送絲系統(tǒng)；
[0020] 40 -氮氣制備系統(tǒng)。

【具體實施方式】：
[0021] 如圖1所示，一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，包括：一臺激光器11、水 冷機12和冷卻水路、反射式光路13, CNC控制臺21與數(shù)控工作臺22,送絲送粉復合激光熔 覆成形的裝置31、送粉器32、送絲系統(tǒng)33,氮氣制備系統(tǒng)40。
[0022] 所述反射式光路13連接激光器11與送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置31。其 中，所述激光器11為武漢金石凱激光有限公司研制的GS-TFL-10KW高功率橫流C0 2激光器。
[0023] 所述水冷機12通過冷卻水路對所述激光器11、反射式光路13、送絲送粉復合激光 熔覆成形的裝置31進行降溫。其中，所述水冷機和冷卻水路為武漢團結(jié)激光成套設(shè)備有限 公司設(shè)計制造的專為大功率激光器排熱的制冷換熱設(shè)備。
[0024] 所述送粉器32、送絲系統(tǒng)33、氮氣制備系統(tǒng)40與所述送絲送粉復合激光熔覆成形 的裝置31連接。其中，所述送粉器32為DPSF-2雙管載氣送粉器。所述送絲系統(tǒng)33包括 送絲機和送絲控制柜，所述送絲機包括送絲軟管、校直裝置，所述送絲機為南通振康有限公 司制造的SB-10-D/TIG型送絲機驅(qū)動裝置，送絲的速度范圍為1. 5-15m/min，絲材的直徑范 圍為0. 8/1. 0/1. 2。所述氮氣制備系統(tǒng)40包括壓縮機、與壓縮機連接的食品制氮機、與食品 制氮機連接的儲氣罐。
[0025] 所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置31位于數(shù)控工作臺22上方。其中，所述數(shù) 控工作臺22包括一套CNC控制單元、一臺六軸五聯(lián)動加工機床。所述CNC控制單元是PMAC 數(shù)控系統(tǒng)，X方向的最大行程為1500mm，Y軸最大行程800mm。所述機床所采用的伺服控制 卡為PMAC卡。六軸五聯(lián)動數(shù)控工作臺為煙臺機床附件廠生產(chǎn)的TSL400型立臥回轉(zhuǎn)工作 臺，臺面直徑400_。此數(shù)控工作臺的重復定位精度為6/10000_。
[0026] 以上內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施方式，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明 的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā) 明的限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，包括能量供給系統(tǒng)、CNC控制臺（21)與 數(shù)控工作臺（22)、送料裝置、氮氣制備系統(tǒng)（40)，所述送料裝置包括送絲送粉復合激光熔 覆成形的裝置（31)，其特征在于：所述送料裝置還包括與所述送絲送粉復合激光熔覆成形 的裝置（31)連接的送粉器（32)、送絲系統(tǒng)（33)，所述能量供給系統(tǒng)與所述送絲送粉復合激 光熔覆成形的裝置（31)連接，所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置（31)位于數(shù)控工作 臺（22)上方，所述氮氣制備系統(tǒng)（40)與所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置（31)連 接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所 述能量供給系統(tǒng)包括一臺激光器（11)、水冷機（12)和冷卻水路、反射式光路（13)，所述激 光器（11)所產(chǎn)生的激光經(jīng)反射式光路（13)進入所述送絲送粉復合激光熔覆成形的裝置 (31)，所述水冷機（12)通過冷卻水路對所述激光器（11)、反射式光路（13)、送絲送粉復合 激光熔覆成形的裝置（31)進行降溫。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所述 數(shù)控工作臺（22)包括一套CNC控制單元、一臺六軸五聯(lián)動加工機床。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所述 氮氣制備系統(tǒng)（40)包括壓縮機、與壓縮機連接的制氮機、與制氮機連接的儲氣罐。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所述 送絲系統(tǒng)（33)包括送絲機和送絲控制柜，所述送絲機包括送絲軟管。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所述 送絲機包括校直裝置。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種光內(nèi)同軸復合送絲、送粉激光熔覆系統(tǒng)，其特征在于：所述 送粉器（32)為雙管載氣送粉器。
【文檔編號】C23C24/10GK104195543SQ201410406113
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】王福來, 毛利強, 毛斌奇, 羅成英 申請人:蘇州克蘭茲電子科技有限公司