用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置及方法与流程

1.本发明涉及激光送丝熔覆、激光表面改性、激光表面修复领域，尤其涉及一种用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置及方法。


背景技术：

2.激光熔覆技术是一种先进的热加工制造技术，采用高密度的激光束对受损零件缺陷周围的局部部位进行前期的预处理剔除重建，通过激光熔覆技术在重建区域逐层沉积修复，实现受损零部件的再利用。该技术可以充分发挥基体材料和熔覆材料各自的优势，可根据零件的服役环境与性能要求，设计符合要求的修复区域，弥补相互之间的不足。利用该技术在修复受损零件之后，修复零件的尺寸恢复，部分性能回复甚至高于原件。适用材料广泛、柔性化程度高、无模近终成形等独特优势，具有良好的发展前景。但由于该项技术的工艺特殊性及凝固机理的复杂性，仍面临着极大的挑战，存在着许多亟待解决的问题。
3.由于其快速冷却和快速凝固的成形特点导致复合涂层仍然可能存在一些缺陷，常见的缺陷有裂纹、气孔等。气孔的实质是液态金属凝固期间未能及时逸出而残留在内部的气泡，是一种微观缺陷。气孔的存在，将严重影响修复区的耐腐蚀性能、拉伸性能等，零件使用寿命也会大大降低。而且气孔存在的部位易造成应力集中，容易产生裂纹。同样裂纹也是激光再制造时所存在的严重工艺缺陷，是由于熔覆层内塑性储备、应力状态及涂层中气体含量等因素综合作用而产生的。裂纹的存在将大大影响工件的拉伸、疲劳性能等。
4.由此可见，为了将激光熔覆技术真正有效地应用与金属加工领域，并推向产业化应用，需要控制激光成形中的熔合不良等缺陷，降低残余应力，获得组织均匀，力学性能优良的激光修复再制造件。


技术实现要素：

5.为克服上述问题，本发明提供一种用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置及方法。
6.本发明的第一个方面提供用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置，包括平台移动机构、激光工作机构、送丝机构、超声振动机构和平台控制中心；
7.所述平台移动机构是可移动平台，可移动平台与平台控制中心电连接，平台控制中心控制可移动平台的移动距离、方向及速度；可移动平台上固定有工件，工件的上方设有激光工作机构和丝材；
8.所述激光工作机构包括激光熔覆头和连接杆，连接杆为空心圆柱结构，空心圆柱结构用于激光能量传输；连接杆的底部连接有激光熔覆头，激光熔覆头竖向垂直于工件上方，激光熔覆头发出激光对工件进行熔覆加工；激光熔覆头还通过管路连接氩气保护瓶，氩气保护瓶内的保护气通过管路从熔覆头向下输出；
9.所述送丝机构包括导丝管和送丝喷嘴，导丝管的末端连接送丝喷嘴，丝材卷绕在圆盘上，圆盘由电机驱动转动将丝材往前输送；丝材通过导丝管进入送丝喷嘴，再由送丝喷
嘴后导出；
10.所述超声振动机构设置在送丝喷嘴内且位于丝材的两侧，超声振动机构包括外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和cymbal阵列接收器，外壳内的底部设有背衬，背衬的上方依次设有电陶瓷圆盘换能器、cymbal阵列接收器和匹配层，cymbal阵列接收器的引出电缆通过送丝喷嘴的侧壁导出与交变式电源相连；压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；cymbal阵列接收器作为超声波接收器，用于接收压电陶瓷圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。
11.本发明的第二个方面提供一种用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置的方法，包括以下步骤：
12.(1)用粗砂纸打磨工件试样表面，并用乙醇擦拭表面，去除表面油污，用吹风机吹干放入烘箱干燥备用；
13.(2)将工件试样固定于平台移动机构上；
14.(3)将所需熔覆的丝材装入送丝机构，进行预送丝，将丝材经送丝导嘴至熔覆工件表面，停止送丝；
15.(4)打开交变式驱动电源，调节功率，驱动超声振动机构工作，使丝材产生受迫振动；
16.(5)调节平台移动机构，设定其移动速度及方向；
17.(6)打开平台移动机构、送丝机构、激光工作机构，对工件试样表面进行激光熔覆加工，单道熔覆，在加工过程中同时开启氩气保护瓶，通过从熔覆头中输出保护气对熔池进行保护，直至熔覆完成；
18.(7)完成振动复合激光送丝熔覆成形过程，停止送丝，关闭激光器、保护气瓶、平台移动机构、送丝机构、激光工作机构。
19.本发明的有益效果是：
20.(1)本发明利用超声振动，使丝材产生高频振动，从而耦合于激光束产生的熔池，利用其对熔池的搅拌振荡等作用效果，直接作用于激光再制造过程，打乱金属成形过程中的初生枝晶，增加形核点，加速元素扩散，改善丝材与基体之间的结合性能，减少再制造件内部缺陷的产生，获得力学性能优良的工件。
21.(2)本发明首次在送丝喷嘴内部加入振动机构，给正在输送的丝材上施加受迫振动，在激光作用于丝材时复合振动能场作用，达到优于单一激光修复的作用效果，拓宽大型工件现场激光修复再制造的方法。
22.(3)本发明首次将超声振动与送丝结合应用于激光熔覆成形过程，利用超声振动的辅助作用改善了熔覆层表面成形效果，提高了工艺质量，降低了制造成本。本发明设计巧妙，结构简单，实用方便，具有广泛的应用前景，它对于促进激光再制造工艺装置及方法的发展及其应用，从而获得一种高效率、低成本、高品质的加工方法具有重要意义。
附图说明
23.图1是本发明装置示意图。
24.图2是本发明送丝喷嘴内部结构主视图。
25.图3是本发明超声振动机构剖面示意图。
26.附图标记说明：1、可移动平台，2、工件，3、氩气保护瓶，4、激光工作机构，5、送丝机构，6、丝材，7、平台控制中心，8、超声振动机构。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.参照附图，本发明的第一个实施例提供一种用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置，包括平台移动机构1、氩气保护瓶3、激光工作机构4、送丝机构5、超声振动机构8和平台控制中心7；
31.所述平台移动机构1是可移动平台，可移动平台与平台控制中心7电连接，平台控制中心7控制可移动平台的移动距离、方向及速度；可移动平台上固定有工件2，工件的上方设有激光工作机构4和丝材6；
32.所述激光工作机构4包括激光熔覆头和连接杆，连接杆为空心圆柱结构，空心圆柱结构用于激光能量传输；连接杆的底部连接有激光熔覆头，激光熔覆头竖向垂直于工件2上方，激光熔覆头发出激光对工件2进行熔覆加工；激光熔覆头还通过管路连接氩气保护瓶3，氩气保护瓶3内的保护气通过管路从熔覆头向下输出；所述送丝机构5包括导丝管5-1和送丝喷嘴5-2，导丝管5-1的末端连接送丝喷嘴5-2，丝材6卷绕在圆盘上，圆盘由电机驱动转动将丝材6不断往前输送；丝材6通过导丝管进入送丝喷嘴5-2，再由送丝喷嘴5-2后导出；
33.所述超声振动机构8设置在送丝喷嘴5-2内且位于丝材6的两侧，超声振动机构8包括外壳8-1、匹配层8-5、压电陶瓷圆盘换能器8-3、背衬8-2、引出电缆8-6和cymbal阵列接收器8-4，外壳8-1内的底部设有背衬8-2，背衬8-2的上方依次设有电陶瓷圆盘换能器8-3、cymbal阵列接收器8-4和匹配层8-5，cymbal阵列接收器8-4的引出电缆8-6通过送丝喷嘴5-2的侧壁导出与交变式电源相连；压电陶瓷圆盘换能器8-3用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；cymbal阵列接收器8-4作为超声波接收器，用于接收压电陶瓷圆盘换能器8-3频带之外的多普勒回波信号。
34.本发明的第二个实施例提供一种用于激光送丝熔覆成形的超声振动复合送丝装置的方法，包括以下步骤：
35.(1)用粗砂纸打磨工件试样表面，并用乙醇擦拭表面，去除表面油污，用吹风机吹干放入烘箱干燥备用；
36.(2)将工件试样固定于平台移动机构上；
37.(3)将所需熔覆的丝材装入送丝机构，进行预送丝，将丝材经送丝导嘴至熔覆工件表面，停止送丝；
38.(4)打开交变式驱动电源，调节功率，驱动超声振动机构工作，使丝材产生受迫振动；
39.(5)调节平台移动机构，设定其移动速度及方向；
40.(6)打开平台移动机构、送丝机构、激光工作机构，对工件试样表面进行激光熔覆加工，单道熔覆，在加工过程中同时开启氩气保护瓶，通过从熔覆头中输出保护气对熔池进行保护，直至熔覆完成；
41.(7)完成振动复合激光送丝熔覆成形过程，停止送丝，关闭激光器、保护气瓶、平台移动机构、送丝机构、激光工作机构。
42.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。