CN110117790A - 激光熔覆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光熔覆装置。主要解决了现有的激光熔覆装置熔覆层质量不稳定、使用范围狭小及电磁场设置不合理的问题。本发明包括熔覆头(1)、超声波振动装置(2)、稳态磁场发生装置(3)及工件夹持装置(4)，还包括视觉传感器(12)及伺服控制***(13)，工件通入直流电形成稳态电场。本发明采用稳态电场、稳态磁场和超声振动场的复合作用辅助激光熔覆加工，达到细化晶粒、降低残余应力、减少气孔和裂纹的目的，通过视觉识别***实时捕捉激光熔覆区的位置，并控制超声波发射头、第一永磁体和第二永磁体紧随激光熔覆区移动，提高了熔覆层质量的稳定性，超声波发射头的位置能够实时调整以达到最佳的距离及方向，使用范围广，不受工件尺寸限制。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面改性装置，具体涉及一种激光熔覆装置。
背景技术
表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能。表面改性技术则是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后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、耐腐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等工艺方法。评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑。一是宏观上，考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等；二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。现有的激光熔覆装置存在以下技术缺陷：1.激光熔覆过程中，由于基体材料和粉末材料的热物性能可调参数窗口窄，加热和冷却的速度极快，熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数存在差异，出现熔覆层晶粒粗大、易产生气泡、裂纹、变形和表面不平度等多种缺陷，熔覆层质量很不稳定。目前，国内虽然有一些激光熔覆装置采用了超声波技术、电磁场技术，但由于其结构原因，熔覆层仍然存在瑕疵，熔覆层质量不稳定，不够理想。2. 超声波发射头与熔覆头随动，通常是将超声波发射头与熔覆头固定连接，保证熔覆过程的同步运动，将超声波直接作用于熔覆层，以达到超声波隔空作用熔池的目的，超声波发射头与熔覆层的距离及方向均不能调整，只能应用于固定的基体材料和粉末材料，使用范围狭小。3. 电磁场通常是固定设置，电磁场设置不合理，不能随同熔覆头同步运动，使被加工的工件尺寸受到限制，如果工件较大，那么电磁场所占用的空间就更加庞大，成本较高，不利于推广使用。
发明内容
为了解决现有的激光熔覆装置熔覆层质量不稳定、使用范围狭小及电磁场设置不合理的问题，本发明提供一种激光熔覆装置，该激光熔覆装置采用稳态电场、稳态磁场和超声振动场的复合作用辅助激光熔覆加工，达到细化晶粒、降低残余应力、减少气孔和裂纹的目的，通过视觉识别***实时捕捉激光熔覆区的位置，并通过伺服控制***控制数控移送装置和数控滑移偏转装置，进而带动超声波发射头、第一永磁体和第二永磁体紧随激光熔覆区移动，提高了熔覆层质量的稳定性，超声波发射头的位置能够实时调整以达到最佳的距离及方向，使用范围广，不受工件尺寸限制。
本发明的技术方案是：该激光熔覆装置包括熔覆头、超声波振动装置、稳态磁场发生装置及工件夹持装置，超声波振动装置包括依次连接的超声波发生器和超声波发射头，所述熔覆头包括激光头和同轴送粉装置，熔覆头依次通过铰接方式连接手臂、连接臂及底座滑块，所述底座滑块安装在底座上并能够相对底座滑动；所述超声波发射头安装在发射头滑块上，发射头滑块上还安装有视觉传感器，视觉传感器连接伺服控制***，视觉传感器能够捕捉工件上的激光亮点并将该信号传送给伺服控制***，所述超声波发射头滑块安装在数控移送装置上，所述伺服控制***接收到视觉传感器的信号后能够通过控制数控移送装置使超声波发射头滑块沿纵向、横向及上下移动，使超声波发射头能够跟踪激光亮点并保持一定的距离；所述稳态磁场发生装置包括相对应的第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体安装在数控滑移偏转装置上，第一永磁体和第二永磁体之间的距离以及二者连线与水平面的角度能够调节，数控滑移偏转装置通过伺服控制***控制能够使第一永磁体和第二永磁体跟踪激光亮点并保持在激光亮点处工件的两侧；工件通入直流电。
所述数控移送装置包括纵向底座滑块及横向滑移支架，纵向底座滑块由纵向丝杠和纵向伺服电机驱动沿纵向移动，横向滑移支架通过第一横向丝杠安装在纵向底座滑块上方，横向滑移支架由第一横向伺服电机和第一横向丝杠驱动沿横向移动，横向滑移支架上安装第二横向丝杠及光杠，第二横向丝杠及光杠上安装有超声波发射头滑块支架，超声波发射头滑块支架由第二横向丝杠及第二横向伺服电机驱动沿横向移动，超声波发射头滑块支架上安装有竖向丝杠，所述超声波发射头滑块安装在竖向丝杠上，超声波发射头滑块由竖向丝杠和竖向伺服电机驱动沿竖向移动。
所述数控滑移偏转装置包括第一永磁体滑块和第二永磁体滑块，第一永磁体和第二永磁体分别固定在第一永磁体滑块和第二永磁体滑块上，第一永磁体滑块和第二永磁体滑块分别与第一调节丝杠和第二调节丝杠相连，第一调节丝杠和第二调节丝杠分别由第一调节电机和第二调节电机驱动，第一调节丝杠、第二调节丝杠、第一调节电机和第二调节电机均安装在永磁体支架上，永磁体支架沿弦切方向固定在支架齿轮盘上，支架齿轮盘的外缘设有轮齿，支架齿轮盘安装在轮盘支撑滑块上，轮盘支撑滑块上安装有轮盘偏转电机，轮盘偏转电机的输出轴上安装有小齿轮，小齿轮与支架齿轮盘相啮合；所述轮盘支撑滑块由轮盘支撑滑块滑移电机和轮盘支撑滑块滑移丝杠驱动直线移动。
所述轮盘支撑滑块上固定两个平行的竖向耳板，两个竖向耳板之间固定有销轴，支架齿轮盘上设有圆弧槽，销轴位于圆弧槽内。
所述销轴为两个且上下排列，圆弧槽也为两个且分别与两个销轴相适配。
所述工件夹持装置包括卡盘、卡盘后座及顶尖装置，顶尖装置及卡盘上均设有绝缘头，直流电的两极分别从顶尖装置及卡盘接入到工件。
所述底座上安装有滑块驱动丝杠和滑块支撑光杠，底座滑块安装在滑块驱动丝杠和滑块支撑光杠上，滑块驱动丝杠与滑块驱动伺服电机相连。
本发明具有如下有益效果：由于采取上述技术方案，本发明采用稳态电场、稳态磁场和超声振动场的复合作用辅助激光熔覆加工，达到细化晶粒、降低残余应力、减少气孔和裂纹的目的，通过视觉识别***实时捕捉激光熔覆区的位置，并通过伺服控制***控制数控移送装置和数控滑移偏转装置，进而带动超声波发射头、第一永磁体和第二永磁体紧随激光熔覆区移动，提高了熔覆层质量的稳定性，超声波发射头的位置能够实时调整以达到最佳的距离及方向，使用范围广，不受工件尺寸限制。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明中数控移送装置14的结构示意图。
附图3是发明中数控滑移偏转装置17的结构示意图。
附图4是发明中第一永磁体15和第二永磁体16的安装结构示意图。
附图5是发明中工件夹持装置4的结构示意图。
附图6是发明中底座滑块9的安装结构示意图。
图中1-熔覆头，2-超声波振动装置，3-稳态磁场发生装置，4-工件夹持装置，5-超声波发生器， 6-超声波发射头，7-手臂，8-连接臂，9-底座滑块，10-底座，11-发射头滑块，12-视觉传感器，13-伺服控制***，14-数控移送装置，15-第一永磁体，16-第二永磁体，17-数控滑移偏转装置，18-纵向底座滑块，19-横向滑移支架，20-纵向丝杠，21-纵向伺服电机，22-第一横向丝杠，23-第一横向伺服电机，24-第二横向丝杠，25-光杠，26-超声波发射头滑块支架，27-第二横向伺服电机，28-竖向丝杠，29-竖向伺服电机，30-第一永磁体滑块，31-第二永磁体滑块，32-第一调节丝杠，33-第二调节丝杠，34-第一调节电机，35-第二调节电机，36-永磁体支架，37-支架齿轮盘，38-轮盘支撑滑块，39-轮盘偏转电机，40-小齿轮，41-竖向耳板，42-销轴，43-圆弧槽，44-卡盘，45-卡盘后座，46-顶尖装置，47-绝缘头，48-滑块驱动丝杠，49-滑块支撑光杠，50-滑块驱动伺服电机，51-轮盘支撑滑块滑移电机，52-轮盘支撑滑块滑移丝杠。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1～图6所示，该激光熔覆装置，一种激光熔覆装置，包括熔覆头1、超声波振动装置2、稳态磁场发生装置3及工件夹持装置4，超声波振动装置2包括依次连接的超声波发生器5和超声波发射头6，所述熔覆头1包括激光头和同轴送粉装置，熔覆头1依次通过铰接方式连接手臂7、连接臂8及底座滑块9，所述底座滑块9安装在底座10上并能够相对底座10滑动；所述超声波发射头6安装在发射头滑块11上，发射头滑块11上还安装有视觉传感器12，视觉传感器12连接伺服控制***13，视觉传感器12能够捕捉工件上的激光亮点并将该信号传送给伺服控制***13，所述超声波发射头滑块11安装在数控移送装置14上，所述伺服控制***13接收到视觉传感器12的信号后能够通过控制数控移送装置14使超声波发射头滑块11沿纵向、横向及上下移动，使超声波发射头6能够跟踪激光亮点并保持一定的距离；所述稳态磁场发生装置3包括相对应的第一永磁体15和第二永磁体16，第一永磁体15和第二永磁体16安装在数控滑移偏转装置17上，第一永磁体15和第二永磁体16的对应面极向相反，第一永磁体15和第二永磁体16之间的距离以及二者连线的角度能够调节，数控滑移偏转装置17通过伺服控制***13控制能够使第一永磁体15和第二永磁体16跟踪激光亮点并保持在激光亮点处工件的两侧；工件通入直流电。由于采取上述技术方案，熔覆时工件通电，工件上熔覆区位于第一永磁体15和第二永磁体16之间，熔覆头1上的激光头发出激光束照射到工件表面，同时熔覆头1上的同轴送粉装置向工件表面的激光照射处喷洒涂层材料粉末，涂层材料粉末和工件表面一薄层同时瞬间熔化，熔覆头1上的激光头发出激光在工件表面产生熔池，涂层材料粉末附着于熔池上，与此同时超声波发射头6对准熔覆区发出频率为20000Hz的超声波，将熔覆区内晶粒震碎，降低温度梯度，降低残余应力，从而减少裂纹的产生。通过视觉传感器12捕捉熔覆头1上的激光头发出的激光亮点位置，该激光亮点是指激光照射到工件表面上产生的亮点，即熔覆区位置，伺服控制***13接受到视觉传感器12的激光亮点位置信号，并发出指令使数控移送装置14动作，进而带动超声波发射头6实时跟踪激光亮点（熔覆区位置）并保持一定的距离，工件通直流电产生稳态电场，第一永磁体15和第二永磁体16之间形成稳态磁场，产生大小为2t磁场，熔池受到洛伦兹力被向下压缩，熔池内的气体被挤压排出，减少气泡的产生，伺服控制***13接受到视觉传感器12的激光亮点位置信号，并发出指令使数控滑移偏转装置17动作，进而带动第一永磁体15和第二永磁体16实时跟踪激光亮点（熔覆区位置），使工件上的熔覆区始终位于第一永磁体15和第二永磁体16之间。由于工件中产生电流的同时也会产生热量，会使熔覆区晶粒聚集变大，而通过超声波发射头6发出的超声波能够将晶粒震碎，与稳态电场和稳态磁场产生的作用形成互补。本发明采用稳态电场、稳态磁场和超声振动场的复合作用辅助激光熔覆加工，达到细化晶粒、降低残余应力、减少气孔和裂纹的目的，通过视觉识别***实时捕捉激光熔覆区的位置，并通过伺服控制***13控制数控移送装置14和数控滑移偏转装置17，进而带动超声波发射头6、第一永磁体15和第二永磁体16紧随激光熔覆区移动，提高了熔覆层质量的稳定性，超声波发射头6的位置能够实时调整以达到最佳的距离及方向，使用范围广，不受工件尺寸限制。
所述数控移送装置14包括纵向底座滑块18及横向滑移支架19，纵向底座滑块18由纵向丝杠20和纵向伺服电机21驱动沿纵向移动，横向滑移支架19通过第一横向丝杠22安装在纵向底座滑块18上方，横向滑移支架19由第一横向伺服电机23和第一横向丝杠22驱动沿横向移动，横向滑移支架19上安装第二横向丝杠24及光杠25，第二横向丝杠24及光杠25上安装有超声波发射头滑块支架26，超声波发射头滑块支架26由第二横向丝杠24及第二横向伺服电机27驱动沿横向移动，超声波发射头滑块支架26上安装有竖向丝杠28，所述超声波发射头滑块11安装在竖向丝杠28上，超声波发射头滑块11由竖向丝杠28和竖向伺服电机29驱动沿竖向移动。上述的“纵向”是指与熔覆头1移动方向一致的方向，“横向”是指与熔覆头1移动方向相垂直的方向，第二横向丝杠24的作用是能够精确控制和调整超声波发射头滑块支架26的进给距离，以使超声波发射头6与熔覆区之间达到最佳距离，经反复调试即可得到该最佳距离。
所述数控滑移偏转装置17包括第一永磁体滑块30和第二永磁体滑块31，第一永磁体15和第二永磁体16分别固定在第一永磁体滑块30和第二永磁体滑块31上，第一永磁体滑块30和第二永磁体滑块31分别与第一调节丝杠32和第二调节丝杠33相连，第一调节丝杠32和第二调节丝杠33分别由第一调节电机34和第二调节电机35驱动，第一调节丝杠32、第二调节丝杠33、第一调节电机34和第二调节电机35均安装在永磁体支架36上，永磁体支架36沿弦切方向固定在支架齿轮盘37上，支架齿轮盘37的外缘设有轮齿，支架齿轮盘37安装在轮盘支撑滑块38上，轮盘支撑滑块38上安装有轮盘偏转电机39，轮盘偏转电机39的输出轴上安装有小齿轮40，小齿轮40与支架齿轮盘37相啮合；所述轮盘支撑滑块38由轮盘支撑滑块滑移电机51和轮盘支撑滑块滑移丝杠52驱动直线移动。针对不同的工件，通过轮盘偏转电机39驱动支架齿轮盘37偏转，反复调试第一永磁体15和第二永磁体16之间连线的偏转角度，能够得到最佳角度。
所述轮盘支撑滑块38上固定两个平行的竖向耳板41，两个竖向耳板41之间固定有销轴42，支架齿轮盘37上设有圆弧槽43，销轴42位于圆弧槽43内。支架齿轮盘37能够沿销轴42偏转，销轴42也起到定位和限位的作用。
所述销轴42为两个且上下排列，圆弧槽43也为两个且分别与两个销轴42相适配。销轴42和圆弧槽43均采用两个，使轮盘支撑滑块38定位更加稳定。
本实施例中的工件为液压支柱，所述工件夹持装置4包括卡盘44、卡盘后座45及顶尖装置46，顶尖装置46及卡盘44上均设有绝缘头47，直流电的两极分别从顶尖装置46及卡盘44接入到工件。通过卡盘44将液压支柱卡紧，并通过卡盘44带动液压支柱转动，使液压支柱能被全方位熔覆。绝缘头47起到绝缘作用，以确保液压支柱中电流的稳定性，即得到稳态电场。
所述底座10上安装有滑块驱动丝杠48和滑块支撑光杠49，底座滑块9安装在滑块驱动丝杠48和滑块支撑光杠49上，滑块驱动丝杠48与滑块驱动伺服电机50相连。滑块驱动伺服电机50工作能够使底座滑块9沿光杠直线往复移动。
Claims (7)
1.一种激光熔覆装置，包括熔覆头(1)、超声波振动装置(2)、稳态磁场发生装置(3)及工件夹持装置(4)，超声波振动装置(2)包括依次连接的超声波发生器(5)和超声波发射头(6)，其特征在于：所述熔覆头(1)包括激光头和同轴送粉装置，熔覆头(1)依次通过铰接方式连接手臂(7)、连接臂(8)及底座滑块(9)，所述底座滑块(9)安装在底座(10)上并能够相对底座(10)滑动；所述超声波发射头(6)安装在发射头滑块(11)上，发射头滑块(11)上还安装有视觉传感器(12)，视觉传感器(12)连接伺服控制***(13)，视觉传感器(12)能够捕捉工件上的激光亮点并将该信号传送给伺服控制***(13)，所述超声波发射头滑块(11)安装在数控移送装置(14)上，所述伺服控制***(13)接收到视觉传感器(12)的信号后能够通过控制数控移送装置(14)使超声波发射头滑块(11)沿纵向、横向及上下移动，使超声波发射头(6)能够跟踪激光亮点并保持一定的距离；所述稳态磁场发生装置(3)包括相对应的第一永磁体(15)和第二永磁体(16)，第一永磁体(15)和第二永磁体(16)安装在数控滑移偏转装置(17)上，第一永磁体(15)和第二永磁体(16)之间的距离以及二者连线与水平面的角度能够调节，数控滑移偏转装置(17)通过伺服控制***(13)控制能够使第一永磁体(15)和第二永磁体(16)跟踪激光亮点并保持在激光亮点处工件的两侧；工件通入直流电。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述数控移送装置(14)包括纵向底座滑块(18)及横向滑移支架(19)，纵向底座滑块(18)由纵向丝杠(20)和纵向伺服电机(21)驱动沿纵向移动，横向滑移支架(19)通过第一横向丝杠(22)安装在纵向底座滑块(18)上方，横向滑移支架(19)由第一横向伺服电机(23)和第一横向丝杠(22)驱动沿横向移动，横向滑移支架(19)上安装第二横向丝杠(24)及光杠(25)，第二横向丝杠(24)及光杠(25)上安装有超声波发射头滑块支架(26)，超声波发射头滑块支架(26)由第二横向丝杠(24)及第二横向伺服电机(27)驱动沿横向移动，超声波发射头滑块支架(26)上安装有竖向丝杠(28)，所述超声波发射头滑块(11)安装在竖向丝杠(28)上，超声波发射头滑块(11)由竖向丝杠(28)和竖向伺服电机(29)驱动沿竖向移动。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述数控滑移偏转装置(17)包括第一永磁体滑块(30)和第二永磁体滑块(31)，第一永磁体(15)和第二永磁体(16)分别固定在第一永磁体滑块(30)和第二永磁体滑块(31)上，第一永磁体滑块(30)和第二永磁体滑块(31)分别与第一调节丝杠(32)和第二调节丝杠(33)相连，第一调节丝杠(32)和第二调节丝杠(33)分别由第一调节电机(34)和第二调节电机(35)驱动，第一调节丝杠(32)、第二调节丝杠(33)、第一调节电机(34)和第二调节电机(35)均安装在永磁体支架(36)上，永磁体支架(36)沿弦切方向固定在支架齿轮盘(37)上，支架齿轮盘(37)的外缘设有轮齿，支架齿轮盘(37)安装在轮盘支撑滑块(38)上，轮盘支撑滑块(38)上安装有轮盘偏转电机(39)，轮盘偏转电机(39)的输出轴上安装有小齿轮(40)，小齿轮(40)与支架齿轮盘(37)相啮合；所述轮盘支撑滑块(38)由轮盘支撑滑块滑移电机(51)和轮盘支撑滑块滑移丝杠(52)驱动直线移动。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述轮盘支撑滑块(38)上固定两个平行的竖向耳板(41)，两个竖向耳板(41)之间固定有销轴(42)，支架齿轮盘(37)上设有圆弧槽(43)，销轴(42)位于圆弧槽(43)内。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述销轴(42)为两个且上下排列，圆弧槽(43)也为两个且分别与两个销轴(42)相适配。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述工件夹持装置(4)包括卡盘(44)、卡盘后座(45)及顶尖装置(46)，顶尖装置(46)及卡盘(44)上均设有绝缘头(47)，直流电的两极分别从顶尖装置(46)及卡盘(44)接入到工件。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的激光熔覆装置，其特征在于：所述底座(10)上安装有滑块驱动丝杠(48)和滑块支撑光杠(49)，底座滑块(9)安装在滑块驱动丝杠(48)和滑块支撑光杠(49)上，滑块驱动丝杠(48)与滑块驱动伺服电机(50)相连。
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