一種用于激光熔覆的旁軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王 方，郭 亮，張慶茂，鄒春江

（1.華南師范大學(xué)廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006）；2.深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳 518103）

1 概述

激光熔覆是近年來(lái)新興的一種材料表面修復(fù)技術(shù)，是改善材料表面性能的有效手段[1]，受到越來(lái)越多企業(yè)的關(guān)注。送粉噴嘴是送粉系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，直接影響熔覆成形的質(zhì)量和精度。由于近幾年激光快速成形技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)同軸送粉噴嘴進(jìn)行了大量的研究工作[2-5]。而旁軸送粉噴嘴適合于2D熔覆，可以通過(guò)機(jī)床的線性運(yùn)動(dòng)和輔助軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平板和螺旋狀熔覆，主要應(yīng)用于軋輥、軸類(lèi)等零件的表面處理和修復(fù)，實(shí)際應(yīng)用相當(dāng)廣泛?，F(xiàn)行大部分工礦企業(yè)旁軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，如圖1 所示，冷卻不到位、送粉口與激光不能實(shí)現(xiàn)快速精確的匹配、對(duì)送粉傾斜角度沒(méi)有足夠的重視，嚴(yán)重影響激光熔覆的生產(chǎn)效率和效果，造成粉末的不必要浪費(fèi)，所以有必要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

本文介紹了一種可以快速實(shí)現(xiàn)送粉位置與激光的精確匹配，又能對(duì)送粉噴嘴進(jìn)行必要的水冷，且能同步確定送粉噴嘴傾斜角度的裝置。

圖1 傳統(tǒng)的旁軸送粉噴嘴裝置

2 新型旁軸送粉噴嘴裝置的原理及組成

新型旁軸送粉噴嘴的示意圖如圖2 所示。其中聯(lián)結(jié)塊1通過(guò)螺栓與熔覆頭連接，萬(wàn)向節(jié)2與聯(lián)接塊1 亦通過(guò)螺紋聯(lián)接，可以較為方便的實(shí)現(xiàn)安裝和拆卸，萬(wàn)向節(jié)2可以通過(guò)緊固螺栓3實(shí)現(xiàn)不同高度、方向上的擺動(dòng)與定位，以適應(yīng)不同工件位置熔覆的需要。

圖2 新型旁軸送粉噴嘴示意圖

如圖3所示，發(fā)光二極管1與送粉管2通過(guò)螺紋連接，二極管的電源為安裝在機(jī)床控制柜上的5 V電源，可以實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)引紅光的同步開(kāi)關(guān)，指引方向與送粉方向一致。送粉管端口對(duì)稱(chēng)分布四個(gè)入粉口以保證送粉的均勻性。送粉管上有臺(tái)階和螺紋，用于和水冷套的緊密配合。噴嘴3 與送粉管螺紋聯(lián)接，可以根據(jù)需要自由更換不同孔徑的噴嘴。

再 者，如圖4 所示，水冷套3 與固定架2緊固配合，可以同步對(duì)固定架進(jìn)行相應(yīng)冷卻，數(shù)顯傾角儀1 通過(guò)其底部的強(qiáng)力磁鐵吸附在固定架上保持與送粉管軸向平行，以水平或者垂直方向?yàn)閰⒖迹梢詫?shí)時(shí)同步顯示送粉管傾斜方向，便于對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行精確掌控。

圖3 發(fā)光二極管與送粉管的放大圖

圖4 水冷套與數(shù)顯傾角儀的放大圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用新型旁軸送粉噴嘴進(jìn)行單層多道熔覆實(shí)驗(yàn)研究，基材為15 mm的45鋼板，粉末采用Ni60合金粉末。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括4 kW光纖激光器、進(jìn)口熔覆頭，精密單筒送粉器和KUKA 機(jī)械手。激光功率為2.8 kW，掃描速度為0.6 m/min，送粉量為15 g/min，離焦量為30 mm，對(duì)應(yīng)焦斑直徑為4 mm，搭接率為30%，對(duì)應(yīng)的熔覆效果如圖5 所示。可以看出，使用新型送粉噴嘴的熔覆層表面光亮、均勻，表面無(wú)裂紋，可以充分說(shuō)明在熔覆過(guò)程中送粉較為穩(wěn)定，對(duì)熔覆層表面的保護(hù)效果較好，粉末的利用率亦有所提高。

進(jìn)行多道熔覆過(guò)程中激光的反射會(huì)導(dǎo)致送粉噴嘴溫度較高，由于缺乏冷卻模塊，傳統(tǒng)的噴嘴在進(jìn)行3～4道熔覆后需要進(jìn)行必要的手動(dòng)降溫措施才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，連續(xù)性較差。

另外，由于旁軸送粉時(shí)不確定粉末與基材接觸位置是否與激光重合，需要進(jìn)行多次的調(diào)試。本文中的新型送粉噴嘴裝置配備同步水冷裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴進(jìn)行冷卻，而與粉末同軸的導(dǎo)引光則可以同步顯示粉末與基體材料的接觸點(diǎn)有利于快速確定是否與激光重合，所以大大提高了效率。

圖5 傳統(tǒng)與新型送粉噴嘴熔覆效果

4 結(jié)論

本文研制了一種新型的旁軸送粉噴嘴裝置。該送粉裝置配備有冷卻模塊、同軸導(dǎo)引光和傾角顯示儀器，可以快速方便的確定粉末是否與激光重合，同步顯示噴嘴的傾斜角度，有利于提高粉末的利用率。通過(guò)試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，該裝置在高功率長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中本身的溫度基本保持在常溫水平，可以滿足工業(yè)化要求。

［1］彭如恕，于連玉，石世宏.激光熔覆涂層在多種載荷下的力學(xué)行為分析［J］.機(jī)械工程材料，2005，29（1）：52-55.

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