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专利号: 2014100287444
申请人: 韶关学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 对金属材料的镀覆;用金属材料对材料的镀覆;表面化学处理;金属材料的扩散处理;真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆;金属材料腐蚀或积垢的一般抑制〔2〕
更新日期:2024-08-26
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摘要:

权利要求书:

1.一种平面类金属零件激光快速熔覆装置,由静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置、气体保护模块、零件传送模块及零件固定夹具五大模块组成,其特征是:所述静电喷粉装置带有空气压缩机,空气压缩机通过载气管与设置在电子天秤上的粉罐相连通,粉罐另一端通过送粉管与静电喷粉头的进粉流道相连通,所述进粉流道后端与出粉流道相连,两者之间呈30º~60 º角度,在出粉流道内贯穿有一根一头与主体顶部电极固定块固定相连的电极针,静电喷粉装置下端连接有防尘罩,防尘罩下端设有喷粉工位,喷粉工位上设置有零件固定夹具,所述零件固定夹具包括基板,加工零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上,基板通过4个螺孔与内六角螺钉配合固定栓接在零件传送模块的传送带板上,在传送带板上另设有一个熔覆工位,零件固定夹具通过零件传送模块输送到熔覆工位由激光振镜快速扫描装置进行熔覆,所述激光振镜快速扫描装置包括振镜扫描头、激光输入模块、精密丝杆和伺服电机,所述静电喷粉装置、激光振镜快速扫描装置和零件传送模块均通过计算机集成控制,所述精密丝杆树立在熔覆工位旁,在精密丝杆上固定有一个朝下的激光输入模块,在激光输入模块一侧连接有一个振镜扫描头,所述激光输入模块集成了光纤激光头、激光头安装座和扩束镜,光纤激光头安装在激光输入模块中的激光头安装座上,通过激光输入模块中的扩束镜,扩束2-4倍后传输到振镜扫描头,振镜扫描头主要集成了高速扫描振镜单元和F-θ场聚焦镜单元,高速扫描振镜单元由通过两个检流计式电机控制的X轴反射镜及Y轴反射镜组成,最高扫描速度要求达到5m/s以上,激光聚焦采用F-θ场聚焦镜实现,同时,F-θ场聚焦镜也可保证光束在扫描过程中,焦点始终落到熔覆工位上。

2.使用如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置的熔覆方法,其特征在于工艺步骤如下:

第一步:粉末预置及熔覆前,需进行一些预处理工作,主要包括需按熔覆性能要求配置好熔覆粉末,并将待熔覆的零件表面除锈、除油;同时应在计算机内准备好熔覆的数据,熔覆数据根据熔覆零件的CAD图形及熔覆需求生成,熔覆需求包括扫描路径、激光功率、扫描速度一类工艺参数;

第二步:在粉末预置前,零件采用T型槽及T型螺栓固定在基板上,零件至少为一件并摆放到同一块基板上;

第三步:将静电喷粉头的电极针接高压静电发生器的负极,基板接地,接通高压静电发生器,在电极针附近形成电晕放电,这时通过压缩空气将粉桶中的金属粉末输送到喷粉头,粉末在喷粉头附近被添加上负电,形成带负电粒子,这时一方面粉末受同性电荷斥力作用会尽量均匀分散开来;另一方面,受气流及极性相反的零件及基板静电吸力作用,粉末被吸附到包括基板、零件、夹具表面的基板区域上,从而形成了均匀分布的粉末层;

第四步:由于零件及基板都接地,且金属粉末是电的导体,因此,被吸到包括基板、零件、夹具表面的基板区域上的金属粉末很快通过零件及基板将电荷释放,但是,这时粉末仍将受重力作用平铺在零件及基板上,由于金属粉末的电荷被释放,因此只要送粉及电晕放电工作还在继续,粉末仍会均匀地持续积累到零件表面;

第五步:通过粉桶底部的电子天秤能够检测到在粉桶粉末被输送到基板区域后,电子天秤读数会发生变化,变化值即为落入到包括基板、零件、夹具表面的基板区域的粉末量,由于在静电作用下,粉末的分布是均匀的,因此,将零件的累积的粉末厚度可由下式计得:h粉厚=k△M/(ρS基)

式中,△M为电子天秤读数变化,ρ为粉层密度,ρ通过实验确定,S基为基板除底面以外的表面积,k为修正系数,通过实验确定,修正有少量粉末喷涂到基板区域以外的情况;

通过实验确定粉层密度ρ及修正系数k后,在以后的每次粉末预置中即可通过电子天秤的读数控制零件的粉末预置厚度,由于粉末预置厚度的增加过程与时间的关系近似线性,对于电子天秤无法识别的质量变化即变化量小于电子天秤的精度,可通过喷粉时间的计算,结合上述计算公式,对粉末预置厚度进行评估;

为回收粉末及防止粉末污染,在粉末预置区域装有一个回收斗及一个防尘罩,多余的粉末通过回收斗回收重用,为确保安全,防尘罩及回收斗都接地;

第六步:粉末预置完毕后,应迅速断开高压静电发生器,以使零件及基板的静电得以全部释放,以保证在熔覆区域的工作安全,同时,零件和基板作为一个整体传送到熔覆区域并精确定位,为实现零件的精确定位,采用齿形同步带结合伺服电机进行零件和基板的传送;

第七步:根据预置粉层的厚度及零件待熔覆表面的高度,通过计算机控制焦点调节伺服电机,驱动精密丝杆,使激光扫描头位于合适的高度;

第八步:将气体保护罩套入基板的保护罩定位槽,充入高纯氮气或氩气,使保护罩内的气体浓度达到熔覆要求,气体浓度可根据充气时间结合实践经验判断;

第九步:计算机通过软件读入熔覆数据,然后通过熔覆数据控制激光扫描头中的高速扫描振镜单元运动,使激光束以≥0.05m/s的扫描速度,快速熔化预置粉末材料,实现零件的熔覆;

第十步:如果一次熔覆厚度不够,可以在完成一次熔覆后,同步带驱动基板回到粉末预置区域,重复第一步~第九步的步骤,实现二次熔覆;同样,根据需要,多次熔覆工作亦可通过重复第一步~第九步的步骤实现。

3.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述空气压缩机进气口处安装有空气滤清器。

4.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述的静电喷粉头除电极针外都采用绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述零件传送模块主要由两个同步带轮、上下两块传送带板及两根齿形同步带组成,每根齿形同步带都呈线状,且其长度都应能确保零件固定夹具从喷粉工位正确移动到熔覆工位;每块传送带板的两端分别连接两根齿形同步带的一端,形成一个首尾相接的环状传送带;两个同步带轮各与一根齿形同步带啮合。

6.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述传送带板由一定硬度的金属板材制作,在传送带板上钻有若干个孔位,孔位是为防止粉末累积到传送带板上而设置的,其中上传送带板部分孔位也可用于定位安装基板,在下传送带板的下端设置有用于回收粉末及防止粉末污染的余粉回收斗,为保证工作安全,下传送带板也应接地。

7.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:在所述零件固定夹具运输到熔覆工位时需加装一个气体保护装置。

8.如权利要求7所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述气体保护装置通过基板上的保护罩定位槽固定在基板上,气体保护装置包括罩体,罩体的上下两端分别安装有上通气接头和下通气接头,所述上通气接头和下通气接头均为带有球阀的气管接头,如采用氮气,气体从上通气接头接入,从下通气接头排出;如采用氩气,气体从下通气接头接入,从上通气接头排出,当罩体内的气氛达到要求后,可通过适当调节排气接头上的球阀的开度,减少保护气体的排出,以节省保护气用量,在气体保护装置顶部中间位置处设有激光窗口镜,激光窗口镜采用双面镀膜的石英镜片,以增加激光的透过率。

9.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:在所述丝杆的顶部设置有伺服电机,通过精密丝杆和伺服电机相结合,可以实现激光的变焦处理,即当熔覆粉末厚度发生变化时,可通过伺服电机驱动精密丝杆,实现振镜扫描头的精确升降,从而实现激光焦点平面的调节。

10.如权利要求1所述平面类金属零件激光快速熔覆装置,其特征是:所述激光输入模

2

块采用光束质量因子M≤1.3的优良光束质量的200W~500W的中功率单模光纤激光器作为成型能量源,经光路系统聚焦后,聚焦光斑≤100μm;且为有利于金属材料对激光束能量的吸收,激光的波长取为1μm~1.1μm之间。