CN118272802A - 同轴多束异质材料送粉***及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴多束异质材料送粉***及工作方法，包括：喷头机构、粉筒、电机控制单元及送粉管道；所述喷头机构内设置有激光通道和多个送粉通道，多个所述送粉通道分别通过送粉管道连接一个粉筒；所述喷头机构和所述送粉管道连接所述电机控制单元。针对提前混粉的异质材料激光熔覆过程中存在的裂纹问题，本申请将不同材料从特定送粉通道喷出，能够实现逐层异质材料激光熔覆，其能够有效减少金属间化合物的形成，从而降低材料的脆性，减少裂纹的形成和生长，提高激光熔覆零件的韧性。

Description

同轴多束异质材料送粉***及工作方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，具体地，涉及同轴多束异质材料送粉***及工作方法。

背景技术

随着科学技术的发展，各个领域在极端环境下材料的要求越来越高。普通的单一成分的材料或目前的复合材料对于机械性能、耐腐蚀性或使用寿命都难以满足要求。选择两种或两种以上的材料，通过先进的材料制备技术得到的异质材料逐渐替代单一材料适用于更为极端的条件。

激光熔覆技术亦称激光包覆技术，是一种高精度的表面改性技术，通过利用高能量激光束瞬间加热工件表面，使其局部熔化并与预先准备好的覆盖材料相融合。这种技术可以在微观尺度上实现高精度、高效率的材料复合和修复。

利用激光熔覆技术逐层累加的方法制造零件能够对异质材料进行加工，使其能够实现材料的功能呈梯度变化。通过提前将不同种类的材料粉末进行混合筛粉，或者利用集成化设计使混粉过程融合到熔覆过程中的技术已经逐渐成熟，使得异质材料的激光熔覆技术得以实现。然而通过提前混粉得到的熔覆零件仍然会存在裂纹等缺陷出现，其显著降低了零件的机械性能，降低了零件于极端条件的稳定性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种同轴多束异质材料送粉***及工作方法。

根据本发明提供的一种同轴多束异质材料送粉***，包括：喷头机构、粉筒、电机控制单元及送粉管道；

所述喷头机构内设置有激光通道和多个送粉通道，多个所述送粉通道分别通过送粉管道连接一个粉筒；

所述喷头机构和所述送粉管道连接所述电机控制单元。

优选地，所述喷头机构还包括：喷头本体、保护气体通道以及水冷管；

所述喷头本体内设置有送粉通道、激光通道、保护气体通道以及水冷管，所述激光通道周侧设置有多个送粉通道，所述送粉通道和所述激光通道之间设置有所述保护气体通道，所述送粉通道远离激光通道一侧设置有所述水冷管。

优选地，所述送粉通道、所述激光通道、所述保护气体通道以及所述水冷管沿所述喷头本体的轴向布置，所述喷头本体的端部设置有喷嘴头。

优选地，所述送粉通道呈环形均匀分布在所述激光通道的周侧。

优选地，多个所述粉筒和所述送粉管道均独立设置。

优选地，所述喷嘴头设置有多个喷嘴，每个喷嘴连通一个所述送粉通道，每个所述喷嘴的喷射方向均不相同。

优选地，所述送粉管道上设置有导通阀门，所述导通阀门采用蝶阀。

优选地，所述电机控制单元包括：电机控制模块、气体控制模块以及控制信号发生器模块；

所述电机控制模块连接控制所述导通阀门的开关，所述气体控制模块连接控制所述喷头机构中气载送粉的气体气压，所述控制信号发生器模块信号连接所述电机控制模块和所述气体控制模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.针对提前混粉的异质材料激光熔覆过程中存在的裂纹问题，本申请将不同材料从特定送粉通道喷出，能够实现逐层异质材料激光熔覆，其能够有效减少金属间化合物的形成，从而降低材料的脆性，减少裂纹的形成和生长，提高激光熔覆零件的韧性。

2.本申请通过电机控制单元的精准控制以及多束结构可实现同轴激光熔覆的可控制性和精确性，通过电机控制单元的参数设置控制，可对每个喷嘴进行控制与调节，从而灵活控制喷嘴的工作状态，多束喷嘴结构实现多个喷嘴从多个方向同时进行熔覆，提高熔覆层的质量和均匀性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为同轴多束异质材料送粉***的原理图；

图2为喷头机构正剖结构示意图；

图3为喷头机构俯视结构示意图；

图4为送粉管道结构示意图；

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种各层为不同金属的激光熔覆过程，逐层送出不同材料的粉末，在主元金属层之间送出金属间层粉末，能够减少金属间化合物的产生，从而减少裂纹的存在，提高激光熔覆零件的韧性，从而得到更高性能的异质材料激光熔覆零件，具体包括：喷头机构1、粉筒2、电机控制单元3及送粉管道4；喷头机构1通过送粉管道4连接多个粉筒2，送粉管道4上设置导通阀门401，喷头机构1连接电机控制单元3。

如图2-3所示，喷头机构1包括：喷头本体101、送粉通道102、激光通道103、保护气体通道104、水冷管105以及喷嘴头106；喷头本体101内设置有送粉通道102、激光通道103、保护气体通道104以及水冷管105，送粉通道102、激光通道103、保护气体通道104以及水冷管105沿喷头本体101的轴向布置，喷头本体101的端部设置有喷嘴头106。激光通道103周侧设置有多个送粉通道102，送粉通道102和激光通道103之间设置有保护气体通道104，送粉通道102远离激光通道103一侧设置有水冷管105。

电机控制单元3包括：电机控制模块、气体控制模块以及控制信号发生器模块；电机控制模块连接控制导通阀门401的开关，气体控制模块连接控制喷头机构1中气载送粉的气体气压，控制信号发生器模块信号连接电机控制模块和气体控制模块。

在一种实施方式中，喷嘴头106设置有多个喷嘴，每个喷嘴连通一个送粉通道102，每个喷嘴的喷射方向均不相同。

在一种实施方式中，送粉通道102呈环形均匀分布在激光通道103的周侧。

在一种实施方式中，多个粉筒2和送粉管道4均独立设置。

在一种实施方式中，导通阀门401采用蝶阀。

本实施例还提供一种同轴多束异质材料送粉***的工作方法，包括以下步骤：

步骤S1，对多个粉筒2进行清洁干燥后，将不同种类材料的粉末分别倒入各个粉筒2中，并将各粉筒2的送粉管道4与送粉通道102连接；

步骤S2，预先对每种材料每层熔覆时间进行计算，将送粉速度、激光功率、扫描速度、各层打印时间和送粉气压等参数输入到电机控制单元3；

步骤S3，启动电机控制单元3，开始激光熔覆进行；

步骤S4，电机控制单元3控制打开第一个粉筒2对应的送粉管道4，第一个粉筒2开始向喷头机构1送粉并完成第一层的熔覆后，电机控制单元3按照步骤S2中设置的时间，关闭第一个粉筒2对应的送粉管道4；

步骤S5，打开第二个粉筒2对应的送粉管道4，开始第二种材料的熔覆过程，完成预先设置的熔覆时长后，关闭连接第二个粉筒2的送粉管道4；

步骤S6，重复步骤S5，完成一个周期中多种材料的激光熔覆；

步骤S7，重复步骤S4-S6，进入循环过程，完成异种材料的周期性逐层激光熔覆。

实施例2

实施例2作为实施例1的优选例。

如图1所示，本实例包括：喷头机构1、多粉筒式送粉***、电机控制单元3。通过电机控制单元3对多粉筒式送粉***进行控制，使喷头机构1的送粉程序按照预先设定的参数进行，通过各装置与单元之间的协同工作，实现高效流畅的异种材料激光熔覆过程。

如图2-3所示，喷头机构1包括：喷头本体101、送粉通道102、激光通道103、保护气体通道104、水冷管105以及喷嘴头106；在喷头本体101中，设置环形均匀分布的送粉管道102，用于对激光熔覆过程进行送粉，激光通道103为激光束腔室，保护气体通道104通保护气体避免激光与粉末被外界干扰，水冷管105通有冷却水，用于对送粉通道102进行冷却，喷嘴头106处包括激光通道106的末端喷嘴口、送粉通道102的末端喷嘴口以及保护气体通道104的末端喷嘴口。轴对称的送粉通道102可控地喷出，激光光束通过激光通道103射出，能够均匀高效地进行激光熔覆，保护气体通道104具有保护激光与粉末流的作用，而水冷管105则具有对激光熔覆喷头进行冷却的作用。

多粉筒式送粉***包括：粉筒2和送粉管道4，送粉管道4在喷头本体101内部分别与多组轴对称的送粉通道102连接。送粉管道4上设置有导通阀门401，通过对送粉管道4上导通阀门401的控制，可进行选择性地送粉。

电机控制单元3包括：电机控制模块，气体控制模块以及控制信息发生器模块，通过在初始阶段设置电机控制单元3参数，在特定时间节点或触发条件下，控制信息生成发生器模块生成控制信息，从而传递给电机控制模块以及气体控制模块，二者收到控制信息后，分别调控送粉管道4上的导通阀门401以及气载气压，从而对送粉***进行调控。

再一方面，本公开提供一种同轴多束激光熔覆喷头的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：准备工作：对多个粉筒2进行清洁干燥后，将不同种类材料的粉末分别倒入各个粉筒2中，并将各粉筒2的送粉管道4与喷头机构1上轴对称的送粉通道102连接；

步骤二：设置参数：设置合适的送粉速度和激光功率，在此基础上，通过计算机预先对每种材料每层熔覆时间进行计算，将送粉速度、激光功率、扫描速度、各层打印时间和送粉气压等参数输入到电机控制单元3；

步骤三：启动***：启动电机控制单元3，开始激光熔覆进行。此时，电机控制单元3控制打开第一个粉筒2的送粉管道4以及导通阀门401，第一个粉筒2开始向喷头机构1送粉，完成该层的熔覆后，电机控制单元3按照步骤二中设置的时间关闭第一个粉筒2的送粉管道4以及导通阀门401，完成第一种材料的熔覆过程，随后立即打开第二个粉筒2的送粉管道4以及导通阀门401，开始第二种材料的熔覆过程，同样，完成预先设置的熔覆时长后，关闭连接第二个粉筒2的送粉管道4以及导通阀门401，完成第二种材料的熔覆过程；步骤四：完成每种材料的熔覆后，进入循环过程，完成异种材料的周期性逐层激光熔覆。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种同轴多束异质材料送粉***，其特征在于，包括：喷头机构(1)、粉筒(2)、电机控制单元(3)及送粉管道(4)；

所述喷头机构(1)内设置有激光通道(103)和多个送粉通道(102)，多个所述送粉通道(102)分别通过送粉管道(4)连接一个粉筒(2)；

所述喷头机构(1)和所述送粉管道(4)连接所述电机控制单元(3)。

2.根据权利要求1所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于，所述喷头机构(1)还包括：喷头本体(101)、保护气体通道(104)以及水冷管(105)；

所述喷头本体(101)内设置有送粉通道(102)、激光通道(103)、保护气体通道(104)以及水冷管(105)，所述激光通道(103)周侧设置有多个送粉通道(102)，所述送粉通道(102)和所述激光通道(103)之间设置有所述保护气体通道(104)，所述送粉通道(102)远离激光通道(103)一侧设置有所述水冷管(105)。

3.根据权利要求2所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：所述送粉通道(102)、所述激光通道(103)、所述保护气体通道(104)以及所述水冷管(105)沿所述喷头本体(101)的轴向布置，所述喷头本体(101)的端部设置有喷嘴头(106)。

4.根据权利要求2所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：所述送粉通道(102)呈环形均匀分布在所述激光通道(103)的周侧。

5.根据权利要求1所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：多个所述粉筒(2)和所述送粉管道(4)均独立设置。

6.根据权利要求3所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：所述喷嘴头(106)设置有多个喷嘴，每个喷嘴连通一个所述送粉通道(102)，每个所述喷嘴的喷射方向均不相同。

7.根据权利要求1所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：所述送粉管道(4)上设置有导通阀门(401)。

8.根据权利要求7所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于：所述导通阀门(401)采用蝶阀。

9.根据权利要求7所述同轴多束异质材料送粉***，其特征在于，所述电机控制单元(3)包括：电机控制模块、气体控制模块以及控制信号发生器模块；

所述电机控制模块连接控制所述导通阀门(401)的开关，所述气体控制模块连接控制所述喷头机构(1)中气载送粉的气体气压，所述控制信号发生器模块信号连接所述电机控制模块和所述气体控制模块。

10.一种同轴多束异质材料送粉***的工作方法，其特征在于，用于权利要求1-9任一项所述同轴多束异质材料送粉***，包括以下步骤：

步骤S1，对多个粉筒(2)进行清洁干燥后，将不同种类材料的粉末分别倒入各个粉筒(2)中，并将各粉筒(2)的送粉管道(4)与送粉通道(102)连接；

步骤S2，预先对每种材料每层熔覆时间进行计算，将送粉速度、激光功率、扫描速度、各层打印时间和送粉气压等参数输入到电机控制单元(3)；

步骤S3，启动电机控制单元(3)，开始激光熔覆进行；

步骤S4，所述电机控制单元(3)控制打开第一个粉筒(2)对应的送粉管道(4)，第一个粉筒(2)开始向喷头机构(1)送粉并完成第一层的熔覆后，所述电机控制单元(3)按照步骤S2中设置的时间，关闭第一个粉筒(2)对应的送粉管道(4)；

步骤S5，打开第二个粉筒(2)对应的送粉管道(4)，开始第二种材料的熔覆过程，完成预先设置的熔覆时长后，关闭连接第二个粉筒(2)的送粉管道(4)；

步骤S6，重复步骤S5，完成一个周期中多种材料的激光熔覆；

步骤S7，重复步骤S4-S6，进入循环过程，完成异种材料的周期性逐层激光熔覆。