CN107034459B - 用于在受控环境中进行激光熔覆的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光熔覆***包括激光设备、腔室和泵***。激光设备配置成产生激光束。腔室包括内表面，该内表面限定包括密封容积的熔覆区域。腔室包括窗口，所述窗口由激光透明材料制成并且配置成允许激光束从中穿过进入熔覆区域中。泵***具有与熔覆区域相连通的端口。泵***配置成在熔覆区域内选择性地产生真空压力，该真空压力足以将气体从熔覆区域内穿过端口而排空。激光设备包括激光头和机器人激光运动***，激光束从激光头发出，机器人激光运动***配置成选择性地移动激光头，以使得激光束相对于腔室内的基准点移动。

Description

用于在受控环境中进行激光熔覆的***和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于激光熔覆的***和方法，更具体地涉及用于在受控环境中进行激光熔覆的***和方法。
背景技术
激光熔覆是一种材料沉积工艺，在该工艺中通过采用激光作为热源，使适当的材料(比如粉末状或丝状金属)沉积到基底上，以在沉积的材料和基底之间形成冶金结合。激光熔覆可以用作常规焊接和热喷涂技术的替代物。
在一些情况下，激光熔覆可能容易有缺陷，比如过度氧化和孔隙度。这种情况发生的程度可能取决于所沉积的材料的类型。某些应用要求极高的质量(比如，覆层中仅能接受有限的孔隙度)。传统上，局部的惰性保护气体流被引导到沉积部位附近，以尝试减少上述缺陷。然而，该方法可能难以控制。
日本专利JPS 54160535A的标题为“采用激光焊接进行金属镜坯材料的制造(Manufacture of Metal Mirror Blank by Laser Welding)”，其涉及在真空条件下，通过照射激光束使基板的焊接部分熔化，另外通过照射激光束使反射材料溶解，从而将反射材料焊接到基板上的金属镜坯材料的制造过程。将真空容器抽真空之后，来自激光发生器的第一激光束通过反射镜被分开，然后由相应的冷凝器聚焦。反射材料由输送机构分配在光束的聚焦点处。反射材料熔化，并掉落到基板的焊接部分上。第二激光束定位成使得其聚焦点由散焦设备稍微偏离基板上的点，使得焊接部分稍微熔化。因此，反射材料焊接到焊接部分，基板和反射材料因此形成合金，以形成高纯度材料表面，作为上坯料表面。通过驱动装置使基板移动，并使金属镜面坯料形成于基板上。
应当认识到，发明人已经创建了此背景描述，以帮助读者，其不用作指示任何所指的问题是本领域了解的那些。在某些方面和实施例中，尽管所述的原理可以缓解其他***中的固有问题，但应该认识到，受保护的创新内容的范围由所附权利要求书限定，而不是由任何公开的特征能够解决本文所述的任何具体问题。
发明内容
在实施例中，本发明描述了一种激光熔覆***。该用于激光熔覆的***包括激光设备、腔室和泵***。
激光设备配置成生成激光束。腔室包括限定了腔室内熔覆区域的内表面。熔覆区域包括密封容积。腔室包括由激光透明材料制成的窗口，该窗口配置成允许激光束从中穿过进入熔覆区域。泵***具有与熔覆区域相连通的端口。泵***配置成在熔覆区域内选择性地产生足以将气体从熔覆区域内通过端口排空的真空压力。激光设备包括激光头和机器人激光运动***。激光束从激光头发射。机器人激光运动***配置成选择性地移动激光头，使得激光束在腔室内相对于基准点移动。
在另一个实施例中，描述了一种用于激光熔覆的方法。将部件放置在腔室的内表面所限定出的熔覆区域内。熔覆区域包括密封容积。腔室包括由激光透明材料制成的窗口。
在熔覆区域内产生足以将气体从中排空的真空压力。熔覆材料沉积在部件上。
激光束被从腔室外部引导通过窗口，使得激光束将熔覆材料熔化在部件上。通过采用机器人激光运动***，相对于部件沿扫描路径移动激光束，以移动发出激光束的激光头。允许熔覆材料固化，使得熔覆材料与部件结合。
通过以下详细描述和附图，将了解所公开的原理的进一步和替代方面以及特征。应该认识到，本文公开的用于激光熔覆的***和方法能够在其他和不同的实施例中实施，且能够在各个方面进行修改。因此，应该理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的和说明性的，并不限制所附权利要求书的范围。
附图说明
图1是根据本发明的原理而构造的用于激光熔覆的***的一个实施例的示意性侧视图。
图2是根据本发明的原理而构建的用于激光熔覆的***的另一个实施例的示意性侧视图。
图3是图2的激光熔覆***的示意性前视图。
图4是根据本发明的原理而适合与激光熔覆***和方法一起使用的部件的一个实施例的俯视图。
图5是图4的部件沿图4中线V-V截取的剖面图。
图6是从图5得到的放大细节图，如图中圆圈VI所示。
图7是流程图，示出了遵循本发明的原理而用于用于激光熔覆的方法的一个实施例的步骤。
应该理解，附图并不必用于限定范围，并且所公开的实施例有时是用图解的方式和以局部视图的方式进行解释说明。在某些情况下，已经忽略了对理解本发明不必要的或者使其他细节难于理解的细节。当然，应该理解，本发明并不限于本文所述的特定实施例。
具体实施方式
本文公开了用于激光熔覆的***和方法的实施例。在实施例中，根据本发明的原理而构造的激光熔覆***可以用于在受控环境条件下，将熔融的熔覆材料珠粒施加到部件的基底表面，该受控环境条件配置用于降低珠粒固化时形成的熔覆材料层内孔隙的发生和/或尺寸。
在实施例中，根据本发明的原理而构造的激光熔覆***包括具有激光透明窗口的真空腔室和泵***，泵***配置成在使用设置在腔室外部的激光设备所产生的激光束将熔覆材料结合到腔室内布置的部件的基底表面之前，有选择地将腔室内的气体排空。在实施例中，激光设备包括机器人激光运动***，其配置成相对于真空腔室内布置的部件而移动激光束和/或调节激光束的定向。在实施例中，可以设置内部部件操纵器，其配置成相对于激光束指引腔室内的部件。在实施例中，还可以提供材料进料设备，其配制成在将部件的基底置于真空腔室内时，有选择地从中分配熔覆材料。
在实施例中，根据本发明的原理而构造的用于激光熔覆的***可以用于执行用于激光熔覆的方法，其包括将部件置于由腔室的内表面限定的熔覆区域内，并包括密封容积。腔室包括由激光透明材料制成的窗口。在熔覆区域内产生足以将气体从中排空的真空压力。在实施例中，在将环境气体从中排空之后，可以用惰性气体(比如氦气)来回填熔覆区域。
熔覆材料沉积在部件上。激光束从腔室外部被引导通过窗口，使得激光束将熔覆材料熔化在部件上。通过采用机器人激光运动***，使激光束相对于部件沿扫描路径移动，以移动发出激光束的激光头。允许熔覆材料固化，使得熔覆材料与部件结合。
现在转到附图，图1中示出了根据本发明的原理而构造的激光熔覆***20的示例性实施例。激光熔覆***20可以用于执行遵循本发明的原理的用于将熔覆材料22熔覆到部件30的基底表面25上的方法。激光熔覆***20可以用于制造、维修和/或改造部件30。图1的部件30被示出为简单的轴的形式。应该理解，在其他实施例中，部件30可以具有不同的形式。
图1的激光熔覆***20包括激光设备32、腔室34、泵***35、部件固定件37、材料进料设备39、以及控制器40。激光熔覆***20还可以包括为激光熔覆***20供电的电源(未示出)。部件30被示出为布置在部件固定件37内，并被保持于其中用于进一步处理。
激光设备32配置成生成激光束43。腔室34包括限定了腔室34内熔覆区域47的内表面45。熔覆区域47包括密封容积。腔室34包括由激光透明材料制成的窗口49，其配置成允许激光束43从中穿过进入熔覆区域47。泵***35具有与熔覆区域47相连通的端口50。泵***35配置成在熔覆区域47内选择性地产生足以将气体从熔覆区域47内通过端口50排空的真空压力。
激光设备32包括激光头52和机器人激光运动***54。激光束43从激光头52发射。机器人激光运动***54配置成选择性地移动激光头52，使得激光束43在腔室34内相对于基准点移动。
激光设备32配置成在部件30被保持在部件固定件37中时，将激光束43引导到部件30的基底表面25。激光束43配置成使沉积在部件30上的熔覆材料22熔化。激光束43可以包括相干光或者更具体的电磁辐射。在实施例中，激光设备32生成具有预定范围内波长的激光束，使得窗口49对于从中穿过的激光束43的激光辐射是透明的。
在实施例中，激光设备32可以包括容纳必要热源的任何类型的适当激光器。在实施例中，激光设备32可以包括连续激光器或脉冲激光器。例如，在实施例中，激光设备32可以包括高能CO2激光器；ND:YAG激光器、其他类型的固态纤维传导激光器；飞秒、纳秒、或皮秒激光器；以及能够将给定应用中所用的熔覆材料22进行熔化的任何其他类型的激光器。
激光头52包括产生激光束43的激光源。在所示实施例中，激光头52可以将激光束43引导到部件30的基底表面25上。激光头52配置成沿部件30的基底表面25引导并扫描激光束43的聚焦点以用于激光熔覆工艺。在实施例中，激光头52可以包括任何合适的激光头，比如对跨越基底表面25的激光束43进行光栅扫描的激光扫描头部。
在实施例中，激光设备32包括光学组套。光学组套可以配置成将激光束43引导成一定的激光束形状。在实施例中，光学组套可以配置成产生任何适当的光束形状，比如圆形、方形、长方形或线形。
光学组套可以配置成在每个激光熔覆循环中均接收并引导激光束43沿一段长度的扫描路径，激光束43旨在沿该长度作用于熔覆材料22，以将熔覆材料22激光熔覆在部件30上。在实施例中，光学组套可以包括多个振荡镜和步进电机，其配置成机械地控制镜的移动或使激光束43改变方向。在实施例中，压电致动器、伺服电机、或气动装置可以用于机械地控制或移动反射镜。在实施例中，光学组套可以是固定的。在实施例中，扫描路径可以基本上包围部件30。在实施例中，扫描路径可以描绘出部件的熔覆区域。在实施例中，部件的熔覆区域可以基本上与部件上发现的由于预期应用中的维修而造成的磨损路径一致。
在实施例中，激光设备32包括分束器，其将入射激光束分割为清洁光束和焊接光束。清洁光束可以用于通过去除部件30的基底表面25上的污染物，从而使部件30的基底表面25准备好接收熔覆材料22，焊接光束可以作为激光束43来熔化沉积在已清洁的基底表面25上的熔覆材料22。可以协调清洁光束和焊接光束的扫描路径，以便焊接光束基本上沿着相同的扫描路径紧跟在清洁光束后面。
在实施例中，激光设备32的机器人激光运动***54可以包括本领域技术人员已知的用于此目的的任何适当的装置。在实施例中，机器人激光运动***54可以包括一维线性或旋转运动***。在又一些其他实施例中，机器人激光运动***54可以包括配置成移动激光头52，使得激光束43在腔室34内以至少两个自由度相对于基准点移动。例如，在实施例中，机器人激光运动***54可以包括六轴机器人。
机器人激光运动***54可以配置成在激光头52发出的激光束43和安装在腔室34内的部件固定件37内的部件30之间选择性地提供相对运动。机器人激光运动***54可以使激光束43在扫描路径上方移动，以在部件30上形成沿着扫描路径的熔覆材料22的熔化珠粒。机器人激光运动***54可以相对于部件30而移动激光束43，使得扫描路径在部件30的基底表面25的预定区域上产生熔覆材料22的基本上邻接的层。
依然参照图1，真空腔室34可以用于产生完全受控的环境，可以在其内执行激光熔覆工艺。在实施例中，真空腔室34在一面上包括透明材料，其允许激光束43不减弱地通过。在所示实施例中，为此目的而设置窗口49。
腔室34的窗口49可以由任何适当的材料制成。例如，在实施例中，窗口49由激光束43的波长可透过的玻璃、二氧化硅或其他合适的材料制成。
在所示实施例中，腔室34包括主体70和面板72。在所示实施例中，面板72包括窗口49。在该实施例中，主体70包括限定了部件开口74的盒状结构。部件开口74配置成允许部件30从其间通过而被置于熔覆区域47内。面板72被固定到主体70上，使得面板72可以相对于主体70而被布置，以遮蔽部件开口74。面板72可以被布置成与主体70成密封关系，使得熔覆区域47包括密封容积，以允许泵***35在熔覆区域47内产生真空压力。
图1所示实施例中的面板72可以设置在腔室34的主体70内限定的槽75内，使得面板72与主体70密封地接合。在实施例中，面板72可以包括周界77、一对相对的大体平坦的面78、79、以及同时包围面板的毗邻周界77的两个面78、79的密封构件(未示出)。密封构件可以配置成密封地接合腔室34的主体70，以在其间产生大致真空的紧密密封。在实施例中，密封构件可以具有任何合适的形式。例如，在实施例中，密封构件呈垫圈或O形环的形式。在其他实施例中，面板72可以具有不同的构造，以提供面板72和主体70之间的密封，以助于泵***35在熔覆区域47内产生真空压力。
面板72可以从主体70上移除，以便将部件30安装到部件固定件37内，并允许安装在部件固定件37中的部件30从其移除。在实施例中，面板72经由铰链连接和锁紧扣环可移除地固定到主体70。在其他实施例中，激光熔覆***20可以包括机器人部件传递***，以将部件30安装到腔室34的熔覆区域47内和/或从中移除。
依然参照图1，泵***35可以配置成将腔室34的熔覆区域47内的环境气体去除。泵***35配置成在熔覆区域47内选择性地产生足以将气体从熔覆区域47内通过端口50排空的真空压力。在实施例中，泵***35可以配置成在熔覆工艺过程中将熔覆区域47保持在真空压力以下或腔室34外部的环境压力以下。在实施例中，泵的端口50与腔室34的熔覆区域47密封连通，使得在泵停止操作之后，熔覆区域47内的真空压力被保持一段时间。
在实施例中，泵***35可以包括配置成将气体从腔室34的熔覆区域47内排空的任何合适的泵***。在实施例中，泵***35配置成将气体从腔室34的熔覆区域47内排空，使得腔室34的熔覆区域47内的氧气量减少。在实施例中，泵***35配置成将腔室34的熔覆区域47内的气体排空，使得熔覆材料22和/或部件30的基底表面25被氧化的倾向降低。在实施例中，泵***35配置成将气体从腔室34的熔覆区域47内排空，使得腔室内的熔覆区域基本上不含氧。
在实施例中，泵***配置成将腔室34的熔覆区域47内的压力保持在低于恰好在腔室34外部的环境压力。在其他实施例中，泵***可以配置成在经过预定量的时间后，使熔覆区域47内的压力回到与腔室34外部的环境压力平衡的状态。
在实施例中，泵***35包括惰性气体供源82。泵***35可以配置成在将气体从熔覆区域47内排空之后，从惰性气体供源82中用一定量的惰性气体来选择性地回填熔覆区域47。在实施例中，惰性气体供源82可以包括可用的任何合适的惰性气体，比如氩气、氮气、氦气。
在实施例中，在使用惰性气体来回填腔室34之后，泵***35可以再次操作，以减小腔室34的熔覆区域47内的压力，并且接着再次用惰性气体来回填熔覆区域。在实施例中，可以通过在腔室的熔覆区域47内产生真空压力，然后用惰性气体将熔覆区域47进行回填，甚至以迭代方式进一步降低熔覆区域47内的氧气和/或其他杂质的浓度，通过进行多个循环来操作泵***35。
在实施例中，泵***35可以配置成产生真空压力，该真空压力处于对于所设想的特定激光熔覆工艺合适的范围内。在实施例中，由泵***产生的真空压力的合适范围是在绝对真空和腔室34外部环境压力之间的范围(或者在其他实施例中是它们的任何合适子组)。在实施例中，由泵***35所产生的真空压力的目标范围可根据在给定激光熔覆工艺中使用的部件30和/或材料的特定特征(例如，部件30和熔覆材料22的基底表面25的特定材料)而改变。
在实施例中，泵***35可配置成在已将一定量的惰性气体回填到熔覆区域47中之后、维持熔覆区域47内的负压(相对于腔室34外部的环境压力)。在其他实施例中，泵***35能配置成在已将一定量的惰性气体回填到熔覆区域47中之后、允许熔覆区域47内的压力回复至与腔室34外部的环境压力均衡的状态。
在实施例中，泵***35可以在腔室34的熔覆区域47内产生足以如上所述j将气体从中排空的真空压力。之后，该泵***可以将一定量的惰性气体从惰性气体供源82中积极地排出，并且将该惰性气体输送至腔室34的熔覆区域47。在实施例中，由泵***35输送到腔室34的熔覆区域47中的惰性气体量足以将熔覆区域47内的惰性气体的浓度升高至预定阈值水平。在实施例中，泵***35可以包括本领域技术人员容易认识到的任何合适泵送布置，以同时实现在排空阶段期间在熔覆区域47内产生真空压力并且在回填阶段期间将一定量的惰性气体输送到熔覆区域47中。
仍参照图1，材料进料设备39可以配置成当部件30保持在部件固定件37中时、将熔覆材料22引向部件30的基底表面25。材料进料设备39包括设置在腔室34外部的熔覆材料供源84以及设置在腔室34的熔覆区域47内的给料出料端部85。材料进料设备39配置成将熔覆材料22从熔覆材料供源84选择性地运送至给料出料端部85并且将熔覆材料22从给料出料端部85分配到部件30的基底表面25上。
在所说明的实施例中，管道87插置于给料出料端部85和熔覆材料供源84之间。管道87配置成将熔覆材料22从熔覆材料供源84运送至给料出料端部85。在实施例中，多个管道可以插置于熔覆材料供源84和给料出料端部85之间，以将熔覆材料22沿着多个路径运送至给料出料端部85。每个管道87均可以与腔室34处于密封关系中，以使得管道87延伸穿过腔室34的主体70，且在其间具有真空紧密的耐压密封。
在实施例中，任何合适的材料进料设备39均可以用于输送诸如侧进料原料或同轴原料之类的熔覆材料22。在实施例中，材料进料设备39包括本领域技术人员已知的用于将熔覆材料22从设置在腔室34外部的熔覆材料供源84运送至设置在腔室34内的给料出料端部85的任何合适机构。在实施例中，材料进料设备39配置成加热存储在熔覆材料供源84的存储区域内的熔覆材料22和/或在熔覆材料正从熔覆材料供源84被运送至给料出料端部85时对该熔覆材料进行加热。
给料出料端部85可以配置成排出从熔覆材料供源84供给的熔覆材料22，用以将熔覆涂层熔合在部件30的基底表面25上。在实施例中，材料进料设备39可以配置成从给料出料端部85分配熔覆材料22，以使得熔覆材料22与激光束43的焦点一致地沉积在部件30上。材料进料设备39可以配置成在部件30的基底表面25沿着扫描路径基本上连续的情形下、将熔覆材料22馈给到激光束43的束斑中。
在实施例中，给料出料端部85可以呈喷嘴的形式。在实施例中，给料出料端部85可以配置成将熔覆材料22沉积为具有预定厚度的层。例如，在实施例中，可以将熔覆材料22沉积为近似1至2毫米厚的层。在其他实施例中，给料出料端部85可以具有会由本领域技术人员认识到的任何合适形状。
在实施例中，材料进料设备39包括机器人进料运动***89。机器人进料运动***89可以配置成当部件30由部件固定件37支承时、使得给料出料端部85相对于部件30移动。
在实施例中，机器人进料运动***89可以包括一维线性或旋转运动***。在又一些其他实施例中，机器人进料运动***89可以包括配置成使得给料出料端部85移动，从而使得给料出料端部85在腔室34内以至少两个自由度相对于安装在部件固定件37内的部件30移动。例如，在实施例中，机器人进料运动***89可以包括六轴机器人。
在所说明的实施例中，材料进料设备39配置成提供呈粉末形式的熔覆材料22。在其他实施例中，材料进料设备39可以配置成呈细长部件(例如，线或带)形式的熔覆材料22，用以施加于部件30的基底表面25。
在其他实施例中，可以使用本领域已知的任何***和方法将熔覆材料22设置在部件30的基底表面25上。例如，在实施例中，在排空腔室34的熔覆区域47内的气体之前，膏状熔覆材料可以布置在部件30上。
在实施例中，熔覆材料22可以是用于激光熔覆工艺的任何合适材料、例如合适的金属。例如在实施例中，熔覆材料22可以是铁基钢合金(不锈钢、碳化钨等)和/或镍基合金。在一个示例中，用于熔覆通过锻造制成的部件的合适钢熔覆材料可以是硬面工具钢材料的混合物或均匀合成物。
在实施例中，熔覆材料22类似于部件30的例如在基底表面25上发现的基材。在其他实施例中，熔覆材料22不同于部件30的基材。在这些情形的实施例中，熔覆材料22与部件30在基底表面25处的基材兼容，以使得施加于基底表面25的熔覆材料在经受根据本发明原理的激光熔覆工艺之后、与部件30的基底表面25冶金地结合。在这些情形的实施例中，熔覆材料22可以相对于部件30的基底表面25的基材具有至少一种增强材料特性，例如耐磨性、疲劳强度等等。
仍参照图1，部件固定件37设置在腔室34的熔覆区域47内。部件固定件37配置成支承部件30。
在实施例中，部件固定件37包括机器人部件运动***91。机器人部件运动***91配置成使得由部件固定件37支承的部件30相对于激光束43和/或材料进料设备39的给料出料端部85移动。在实施例中，控制器40可以配置成操纵机器人激光运动***54、机器人进料运动***89和/或机器人部件运动***91来操纵激光束43相对于部件30的位置以及熔覆材料22相对于部件30的沉积部位。在实施例中，控制器40可以配置成协调机器人运动***54、89、91的运动，以使得它们以协配的方式起作用，从而在激光熔覆工艺期间保持一致。
在实施例中，机器人部件运动***91可以包括一维线性或旋转运动***。在又一些其他实施例中，机器人部件运动***91可以包括配置成使得部件30移动，从而使得部件30以至少两个自由度相对于从激光设备32发射的激光束43和/或从腔室34内的材料进料设备39排出的熔覆材料22移动。例如，在实施例中，机器人部件运动***91可以包括六轴机器人。
在图1中说明的实施例中，部件固定件37呈具有三通卡盘的主轴93的形式，该三通卡盘配置成固定地夹持部件30，用以将部件30安装于主轴93的卡盘。机器人部件运动***91呈电机95的形式，该电机由控制器40选择性地激活，以使得主轴93(且由此安装于该主轴的部件30)绕该主轴的纵向轴线LA旋转。在激光熔覆操作期间，部件30可以安装于主轴93，且机器人部件运动***91可以操作以使得部件30的基底表面25相对于激光束43和/或材料进料设备39的给料出料端部85绕纵向轴线LA旋转。在实施例中，机器人部件运动***91可以配置成使得部件30相对于腔室34内的基准点在沿着至少一根轴线(例如，纵向轴线A)的行进范围之上选择性地平移。在实施例中，激光头52和/或材料进料设备39的给料出料端部85可以在将部件30维持在固定位置中的同时移动。在实施例中，部件固定件37可以具有不同的形式。
在图1所说明的实施例中，控制器40与激光设备32、部件固定件37、材料进料设备39以及泵***35相连通并且配置成调节它们的操作。控制器40可以经由本领域技术人员所认识到的任何合适的技术(例如，有线电连接或无线地)与激光熔覆***20的各个部件相连通。
在实施例中，控制器40包括用于执行计算机可执行指令的至少一个处理器。在实施例中，该处理器可以以任何合适的形式实施，例如计算机、服务器或制造机器(例如，计算机数字控制(CNC)机器)。本领域技术人员会认识到，控制器40可以包括若干商业上可获得的处理器的任何一种。控制器40可以包括存储器或者与存储器相关联，该存储器具有非瞬态计算机可读介质，其可以用于存储能被处理器所执行的信息和/或可执行软件模块。可以存储在存储器中的示例性信息包括操作条件；设计限制；激光设备32、部件固定件37、材料进料设备39和/或泵***35的性能特征或规格；部件30(例如，基底表面25和所完成的熔覆层表面)的操作指令和对应的质量参数。
在实施例中，各种其他已知的电路可以与控制器40相关联，例如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、通信电路以及其他合适的电路。此外，控制器40可以配置成经由有线或无线传输与激光设备32、部件固定件37、材料进料设备39和泵***35的其他部件(例如，与它们的电机、致动器、传感器、开关等)进行通信。
激光熔覆***20的控制器40可以被编程以控制或指令泵***35，从而将气体从腔室34的熔覆区域47内选择性地排空。例如，在实施例中，一旦控制器40接收信号以启动激光熔覆工艺，控制器40就可以引导泵***35操作，从而将气体从腔室34的熔覆区域47排出。在实施例中，控制器40可以配置成在接收启动命令之后、仅仅如果该控制器已接收到部件30由部件固定件37安装或支承的指令的话才操作泵***35。在实施例中，在泵***35已经由真空压力将气体从腔室34内的熔覆区域47中排空之后，控制器40可以引导泵***35利用来自惰性气体供源82的一定量惰性气体来回填熔覆区域47。
激光熔覆***20的控制器40可被编程为在激光熔覆工艺期间控制或指令激光头52、来沿着扫描路径引导激光束43。每次在扫描路径之上引导激光束43可以被认为是一个路程。在实施例中，该激光熔覆工艺可以包括单程。更确切地说，为了在激光熔覆工艺期间熔化熔覆材料22，激光束43仅有一次在扫描路径之上被引导。在其他实施例中，控制器40可以配置成使得激光头52在多程扫描路径之上移动。
在实施例中，控制器40可被编程有预清洗模块和形成珠粒模块。在实施例中，预清洗模块包括计算机程序，其配置成控制激光头52，以在使用激光设备32利用熔覆材料22对部件30进行熔覆之前、在预清洗扫描路径之上引导激光束43，以从基底表面25中清除杂质。在实施例中，该形成珠粒模块包括计算机程序，其配置成控制激光头52以在扫描路径之上引导激光束43，从而在部件30的基底表面25处形成熔覆材料22的熔化珠粒。在实施例中，该预清洗扫描路径基本上与扫描路径相同。在实施例中，控制器40配置成在激光束43经过预清洗扫描路径之后的预定时间量内、在扫描路径之上引导激光束。
在激光束43完成经过扫描路径之后，控制器40的形成珠粒模块可配置成控制或指令激光头52以引导激光束43在第二扫描路径之上移动，从而形成下一熔化珠粒。在实施例中，第二扫描路径可以与由第一扫描路径产生的熔覆材料的珠粒相邻或接续。在实施例中，第二扫描路径位于第一扫描路径之上。控制器40的形成珠粒可配置成控制或指令激光束43在激光熔覆周期的每个扫描路径之上移动。
在实施例中，控制器40可被编程以控制熔覆材料22在每个扫描路径之上的输送供给。在实施例中，控制器40可被编程为使得由部件固定件37支承的部件30相对于激光束43和/或材料进料设备39的给料出料端部85移动。在实施例中，控制器40可被编程为使得材料进料设备39的给料出料端部85相对于激光束43和/或由部件固定件37支承的部件30移动。在实施例汇总，控制器40可被编程为控制或指令材料进料设备39来使得给料出料端部85沿着扫描路径移动，并且在给料出料端部85沿着扫描路径移动时，将熔覆材料22从熔覆材料供源84运送至给料出料端部85并使得熔覆材料22从给料出料端部85分配到部件30的基底表面25上。因此，熔覆材料22的输送可以与激光束43在扫描路径之上的移动一致。在部件30处于扫描路径之上的情形下，激光束43熔化部件30的基底表面25以及沿着该扫描路径沉积的熔覆材料22，从而形成熔覆材料22的熔化珠粒。在固化时，熔覆材料22形成熔覆层，其冶金地结合于部件30的基材和/或结合于部件30的之前沉积的熔覆材料22。
参照图2和3，示出激光熔覆***220的另一实施例。激光熔覆***220可以用于执行遵循本发明的原理而将熔覆材料222熔覆到部件230的基底表面225上的方法。激光熔覆***220包括激光设备232、腔室234、泵***(未示出)、部件固定件237、材料进料设备239以及控制器(未示出)。激光熔覆***220还可以包括为激光熔覆***220供电的电源(未示出)。呈密封环形式的部件230被示出为定位在部件固定件237上，并被保持于其中用于进一步处理。
参照图2和3，激光设备232配置成产生具有线性形状的激光束243，其具有预定宽度W(参见图3)。图2和3的激光设备232可以在其他方面类似于图1的激光设备32，例如包括其机器人激光运动***。
图2和3的部件固定件237呈支承盘293的形式，其配置成将部件230支承在支承盘293的平坦顶表面294上。在实施例中，一个或多个定位销和/或夹板构件可以安装于支承盘293，以固定部件230相对于支承盘293的位置。机器人部件运动***291呈合适电机(未示出)的形式，其由控制器40选择性地激活以使得支承盘293(且由此安装于该支承盘的部件230)绕支承盘293的旋转轴线RA旋转，该旋转轴线基本上垂直于支承盘的平坦顶表面294。在其他实施例中，部件固定件237可以具有其他不同的形式，其包括使得部件230固定和/或移动的其他装置。
激光设备232的激光头252可以相对于抵靠在支承盘293上的部件230移动，以使得激光束243定位在部件230的外周界231处(参见图3)。在实施例中，激光束243的光束形状可相对于部件230定位，以使得光束形状的宽度沿着延伸穿过部件230的几何中心(GC)的轴线(LBA)延伸(参见图4)。
参照图2，材料进料设备239可以***纵以选择性地基本上与激光束243撞击部件230的基底表面225位置处的光斑一致地、分配熔覆材料222。支承盘293能绕旋转轴线RA旋转，以使得激光束243完成包围部件230的外周界231的扫描路径。在实施例中，部件230可以是例如在图4至6中示出的环状密封环。材料进料设备239可以在部件230绕部件旋转轴线RA旋转时、将熔覆材料222持续地沉积在该部件的基底表面225上，以施加熔覆材料222的呈环状的层。激光设备232可***作以在泵***已将气体从腔室234的熔覆区域247内排空之后、熔化沉积在部件230上的熔覆材料222。
图2和3的激光熔覆***220可以在其他方面类似于图1的激光熔覆***20。例如，图2和3的激光熔覆***220的腔室234、泵***以及控制器可以类似于接合图1的激光熔覆***20所描述的那些部件。
参照图4至6，部件230可以呈密封环的形式。密封环230可以由诸如合金之类的任何合适材料制成。在实施例中，密封环230可由合适的镍合金或铁合金制成。
参照图3和图6，可以操作材料进料设备239，以将熔覆材料222从其中排放到呈环状的密封环230的基底表面225上，从而施加同样也呈环状的熔覆材料层223(同样参见图4和图5)。激光束243可以熔化熔覆材料层223以使得熔覆材料层223冶金地结合于密封环230的基底表面225。
熔覆材料和部件230的基材、以及形成相邻珠粒的之前沉积但经固化的熔覆材料可以熔化并且一起混合在熔融池中。因此，应认识到的是，激光束243可以撞击在之前沉积的珠粒的一部分上以及此外基底表面225的还未经熔覆并且由基材形成的一部分上。一旦完成新沉积的珠粒，就可以对激光设备232和/或部件230进行调节，以使得激光束243相对于部件230重新定位。另一珠粒的形成可持续，直到熔覆材料层223完全周向地包围部件230的顶部基底表面225延伸为止。
在熔覆材料层223固化之后，该熔覆材料层和部件的基底表面225的基材在它们之间形成冶金结合。熔覆材料层223可以经受机加工，以使得部件230落在部件230的包括熔覆材料层的外表面的规定数值的目标范围内。
虽然所说明的实施例示出部件230呈密封环的形式，但这仅仅是示例性的。对于本领域技术人员显而易见的是，与部件的激光熔覆相关的所公开原理的各个方面可以用于各种不同类型的部件。因此，本领域技术人员将理解的是，在其他实施例中，激光熔覆***可以用在遵循本发明原理的用于制造、维修或改造不同类型部件的激光熔覆工艺中。
在遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法的实施例中，熔覆材料层可以与在受控环境中的部件的基底表面结合。在实施例中，通过操作真空泵以将真空腔室内的环境空气排空而在该真空腔室内产生该受控环境。该真空腔室可以维持在真空压力下，而从腔室外部引导穿过激光透明窗口的激光束熔化沉积在部件和该部件的基底表面上的熔覆材料。
参照图7，示出遵循本发明的用于激光熔覆的方法700的实施例的各步骤。在实施例中，遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法可以用于制造、维修或改造根据这里所描述原理的部件的任何实施例。
在用于激光熔覆的方法700中，部件布置在由腔室的内表面所限定的熔覆区域内(步骤710)。该熔覆区域包括密封容积。该腔室包括由激光透明材料制成的窗口。在实施例中，将部件布置在熔覆区域内的步骤(步骤710)可以包括使得部件通过由腔室的主体所限定的部件开口并且在该部件布置在该熔覆区域内之后、将面板可拆除地固定于该主体，以使得该面板阻挡该部件开口并且处于与该主体的密封关系中。
甚至在材料自身最近还未被加热或熔化的情形下，随着时间的推移，氧气存在于环境中，而将趋于发生在材料暴露于氧化环境的表面上形成氧污染物。氧污染物可以形成在最近沉积的熔覆材料上。氧污染物可能会降低焊接工艺的完整性，并且在熔覆材料层的情形中，可能会产生孔隙和其他缺陷，其可能会产生或传播裂纹和/或引起熔覆材料层从部件的基底表面脱层。因此，在步骤720中，在熔覆区域内产生足以将气体从中排空的真空压力。在实施例中，在熔覆区域内产生真空压力的步骤可以用于将腔室内的氧气排空，以使得降低熔覆材料和/或部件的基底表面氧化的倾向性。在实施例中，在熔覆区域内产生真空压力的步骤可以用于将基本上所有氧气从腔室内的熔覆区域中排空。
熔覆材料沉积在部件上(步骤730)。在实施例中，将熔覆材料沉积在部件上的步骤(步骤730)包括从材料进料设备的给料出料端部分配熔覆材料。给料出料端部设置在腔室的熔覆区域内。在实施例中，熔覆材料供源设置在真空腔室外部，而熔覆材料从该熔覆材料供源运送至给料出料端部。
在遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法的实施例中，该方法还可以包括在排空熔覆区域之后，利用一定量的惰性气体来回填该熔覆区域。在实施例中，可以使用任何合适的惰性气体，例如氩气、氮气或氦气。
激光束从腔室外部被引导穿过窗口，使得激光束将熔覆材料熔化到部件上(步骤740)。通过采用机器人激光运动***，使激光束相对于部件沿扫描路径移动，以移动发出激光束的激光头(步骤750)。允许熔覆材料固化，使得熔覆材料与部件结合(步骤760)。
在实施例中，将熔覆材料沉积在部件上的步骤(步骤730)包括使得给料出料端部相对于部件移动，以使得该熔覆材料沿着扫描路径沉积，并且引导激光束的步骤(步骤740)包括使得激光束相对于部件移动，以使得该激光束遵循沿着扫描路径。在实施例中，熔化熔覆材料包括熔化熔覆材料，以使得经熔化的熔覆材料在固化时与部件的基材冶金地结合。
在实施例中，使得激光束相对于部件沿着扫描路径移动的步骤(步骤750)包括使得该激光束相对于该部件沿着扫描路径平移。在实施例中，使得激光束相对于部件沿着扫描路径移动的步骤(步骤750)包括使用机器人部件运动***来移动该部件。在这些实施例的至少一些中，该机器人部件运动***使得部件绕部件旋转轴线旋转。
在实施例中，该部件由诸如金属合金之类的合适材料制成。在实施例中，部件由基材制成。在实施例中，熔覆材料不同于基材。在实施例中，部件至少部分地由不同于熔覆材料的基材制成。熔覆材料与基材结合。
例如，在实施例中，该熔覆材料可以由比用于制造部件的基材硬的铺面材料制成。熔覆层可以设置在覆盖区域之上，该覆盖区域定向在与部件的期望用途相关联的磨损路径之上。在其他实施例中，熔覆材料基本上与基材相同。
在遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法的实施例中，该方法还可以包括在引导激光束的步骤(步骤740)之前、使用清洁光束撞击在所要熔覆的表面上，以使得该表面基本上被净化并且在发生引导激光束的步骤(步骤740)之前基本上没有新的氧污染物有时间产生。在实施例中，使得表面净化可以包括将污染物从部件的基底表面并且从之前沉积珠粒的熔覆材料中挥发。
在实施例中，在熔覆材料和部件的基材之间获得机器人冶金结合，并且熔覆材料层基本上是无孔的，以使得该熔覆材料层对于裂纹和/或脱层具有可接受的耐受性。在实施例中，熔覆层具有仅仅有限的孔数量，这些孔具有约0.010毫米(10微米)或者大于给定的熔覆层面积。
在遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法的实施例中，该方法还可以包括将入射激光束分成清洁光束和焊接光束，将该清洁和焊接光束引导朝向部件，以使得该清洁和焊接光束撞击到部件的基底表面上；使得该清洁和焊接光束相对于该部件沿着扫描路径移动，以使得焊接光束在基底表面上沿着共同的扫描路径跟随该清洁光束之后；经由该清洁光束沿着共同的扫描路径对部件的基底表面进行净化；并且经由焊接光束沿着该共同的扫描路径来熔化熔覆材料，以使得经熔化的熔覆材料沿着该共同的扫描路径接触经净化的基底表面，并且在固化时与部件的形成基底表面的基材结合。在这些实施例的至少一些中，该清洁和焊接光束沿着共同的扫描路径同步地行进。
在遵循本发明原理的用于激光熔覆的方法的实施例中，该方法还可以包括对该部件进行机加工以形成修理表面。该部件可以是已从机器***的服务中移除的一种部件并且已被机加工来移除部件中其中具有缺陷的材料。
例如，在实施例中，呈已用轴形式的部件可以被机加工(例如在车床上)，以从中移除受损的和/或已磨损的材料。修理表面可以具有数值小于规定数值的尺寸。将熔覆材料沉积在部件上的步骤(步骤730)包括将熔覆材料沉积在修理表面上。熔覆材料与部件的修理表面结合，以使得尺寸的数值增大到等于或大于规定数值。在实施例中，熔覆材料层可以经受机加工(例如，研磨)，以使得尺寸的数值落在规定数值的目标范围内。在实施例中，传统的或CNC车床机器、铣削机器等等可用于机加工操作。在其他实施例中，机加工操作可以使用其他技术、例如放电机加工、电化学加工、电子束加工、光化学加工以及超声波机加工来执行。
工业实用性
本文所描述激光熔覆***和用于激光熔覆的方法的实施例的工业可应用性将从前文描述中更易于理解。所描述的原理可应用于各种部件。例如，诸如凸轮轴、曲柄轴、泵轴、齿轮、密封环以及其他高性能应用之类的部件可能在使用中经受相对苛刻的条件，从而对于该部件引起各种形式的磨损和/或损伤。使用本发明的原理，比制造部件的基材硬的熔覆材料层可以在用于延长部件的使用寿命之前施加于该部件的表面。使用本发明的原理，部件也可以在使用根据本发明原理的激光熔覆的再制造过程中重构或者重涂覆有熔覆材料层，以进一步延长该部件的使用寿命。
本领域技术人员会熟悉许多焊接程序期间的条件，其导致在暴露于氧化环境的材料表面上形成氧污染物。氧污染物可能会降低焊接工艺的完整性，并且在熔覆材料层的情形中，可能会产生孔隙和其他缺陷，其可能会产生或传播裂纹和/或引起熔覆材料层从部件的基底表面脱层。在实施例中，根据本发明的原理而构造的激光熔覆***可以用于在受控环境条件下，将经熔化的熔覆材料珠粒施加到部件的基底表面，该受控环境条件配置用于降低珠粒固化时形成的熔覆材料层内孔隙的发生和/或尺寸。
在实施例中，根据本发明的原理而构造的用于激光熔覆的***可以用于执行激光熔覆的方法，其包括将部件置于腔室的内表面限定的熔覆区域内，并包括密封容积。该腔室包括由激光透明材料制成的窗口。在熔覆区域内产生足以将气体从中排空的真空压力。在实施例中，泵***在熔覆区域内产生足以将氧气从中排空的真空压力，以使得降低熔覆材料和/或部件的基底表面氧化的倾向性。在实施例中，泵***在熔覆区域内产生足以将基本上所有氧气从腔室内的熔覆区域中排空的真空压力。在实施例中，在将环境气体从中排空之后，可以用惰性气体(比如氦气)将熔覆区域回填。
熔覆材料沉积在部件上。激光束从腔室外部被引导穿过窗口，使得激光束将熔覆材料熔化在部件上。通过使用机器人激光运动***，使激光束相对于部件沿扫描路径移动，以移动发出激光束的激光头。在实施例中，原料可以馈送到真空***中并且重合在激光束的焦点上。在实施例中，例如根据所要熔覆部件的复杂度，可以提供辅助机器人来在激光熔覆工艺期间操纵该部件和/或位于腔室内的原料沉积位置。控制器40可以设置成协调机器人***，以使得它们以协配的方式起作用，从而在激光熔覆工艺期间保持一致。
允许熔覆材料固化，使得熔覆材料与部件结合。在实施例中，熔覆材料层和部件的置于下方基底表面在冶金结合中固定在一起，其具有优于使用传统热喷涂工艺所施加的熔覆层的优良结合强度。
将认识到的是前面的描述提供了公开的***和技术的例子。但是，预料到本发明的其他实施方式可与前述例子在细节上不同。所有本发明或其示例的参照旨在参照在该点所描述的特定示例并且并不意图更一般地暗示对本发明范围的任何限制。所有对某些特征的区分和贬低的语言旨在表明那些特征不是优选的，但除非另外具体指出，否则不把这些特征完全从本发明的范围排除。
除非在此另外指出，否则在此对数值范围的叙述仅仅用作一种速记方法，分别涉及落入范围内的各单独数值，并且各单独数值包含在说明书内，如同在此个别列举一样。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者上下文清楚地相反指示。

Claims (7)

1.一种激光熔覆***，其包括：
激光设备，所述激光设备配置成产生激光束；
腔室，所述腔室包括内表面，所述内表面在所述腔室内限定熔覆区域，所述熔覆区域包括密封容积，所述腔室包括窗口，所述窗口由激光透明材料制成并且配置成允许所述激光束穿过所述窗口进入所述熔覆区域；
泵***，所述泵***具有与所述熔覆区域连通的端口，所述泵***配置成在所述熔覆区域内选择性地产生真空压力，所述真空压力足以将气体从所述熔覆区域内穿过所述端口而排空；
其中，所述激光设备包括激光头和机器人激光运动***，所述激光束从所述激光头发出，所述机器人激光运动***选择性地移动所述激光头，以使得所述激光束相对于所述腔室内的基准点移动，
激光熔覆***还包括：
部件固定件，所述部件固定件设置在所述腔室的所述熔覆区域内，且所述部件固定件配置成支承部件，所述部件固定件包括机器人部件运动***，所述机器人部件运动***配置成相对于所述激光束移动由所述部件固定件支承的所述部件；和
材料进料设备，所述材料进料设备具有给料出料端部，所述给料出料端部设置在所述腔室的所述熔覆区域内，所述材料进料设备配置成从所述给料出料端部选择性地分配熔覆材料，所述材料进料设备包括机器人进料运动***，所述机器人进料运动***配置成当所述部件由所述部件固定件支承时相对于所述部件移动所述给料出料端部，
所述腔室包括主体和面板，所述主体限定部件开口，所述部件开口配置成允许部件穿过其中以被放置在所述熔覆区域内，所述面板可拆除地固定于所述主体，以使得所述面板阻挡所述部件开口并且所述面板与所述部件开口为密封关系。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆***，其中，所述泵***包括惰性气体供源，所述泵***配置成利用来自所述惰性气体供源的一定量惰性气体选择性地回填所述熔覆区域。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光熔覆***，其中，所述机器人激光运动***配置成移动所述激光头，以使得所述激光束以至少两个自由度相对于所述腔室内的所述基准点移动。
4.一种用于激光熔覆的方法，其包括：
将部件放置在由根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆***的腔室的内表面所限定的熔覆区域内，所述熔覆区域包括密封容积，所述腔室包括窗口，所述窗口由激光透明材料制成；
在所述熔覆区域内产生足以将气体从中排空的真空压力；
将熔覆材料沉积在所述部件上；
将激光束从所述腔室的外部引导穿过所述窗口，使得所述激光束将所述熔覆材料熔化在所述部件上；
通过使用机器人激光运动***，相对于所述部件沿扫描路径移动所述激光束，以移动发出所述激光束的激光头；
允许所述熔覆材料固化，使得所述熔覆材料与所述部件结合。
5.根据权利要求4所述的用于激光熔覆的方法，其进一步包括：
在排空所述熔覆区域之后，利用一定量的惰性气体来回填所述熔覆区域。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的用于激光熔覆的方法，其中，所述部件至少部分地由基底材料制成，且所述熔覆材料与所述基底材料结合，所述基底材料与所述熔覆材料不同。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的用于激光熔覆的方法，其进一步包括：
对所述部件进行机加工以形成修理表面，所述修理表面具有数值小于规定数值的尺寸；
其中，将所述熔覆材料沉积在所述部件上包括将所述熔覆材料沉积在所述修理表面上；
其中，所述熔覆材料与所述部件的所述修理表面结合，以使得所述尺寸的所述数值增大到等于或大于所述规定数值。
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