激光同轴送粉装置设计

摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法对模具进行了修复。研究了工艺参数对熔敷效果的影响，并对其修复过程进行了分析。结果表明，预处理、送粉量、激光的扫描速度是决定模具修复质量的关键。通过优化工艺参数、机体预热的方法可以提高模具修复质量。 模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前可采用的修复技术有 电镀 、电弧或火焰 堆焊、 热喷涂 (火焰、等离子 )等。电镀层一般很薄，不超过 且与基体结合差，形状损坏部位难于修复，在堆焊、热喷涂或喷焊时，热量注入大，能量不集中，模具热影响区大，易畸变甚至开裂，喷涂层稀释率大，降低了基体和材料的性能。 利用激光熔覆的方法可实现对模具的修复。用高功率激光束以恒定功率 P 与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸 收，瞬时被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。激光束根据 次开发的应用程序给定的路线，来回扫描逐线逐层地修复模具。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略，特别是经过修复后的模具几乎不需再加工。 1 激光修复系统 激光修复技术是集高功率激光、计算机、 数控机床 、 先进材料 、 数控技术 等多学科的应用技术。修复系统主要由硬件设备和制造过程软件组成。硬件设备包括 激光器 、 数控系统 及 工作台 、送粉装置、光路系统、水冷装置、保护气系统和在线控制所涉及的 数据采集 装置。软件系统包括制造零件成型软件擞据通讯和在线控制软件。激光修复过程如图 2所示。 控机床 Z 轴 (垂直工作台 )反射镜后，进入三维光束成形聚焦组合镜，再进入同轴送粉工作头，组合镜和工作头都固定在机床 Z 轴上，由数控系统统一控制。载气式送粉器将粉末均匀输送到分粉器的同轴送粉工作头。 模具位于 控工作台 面上，根据 令，工作台、组合镜和送粉头按给定的 同时加入激光和粉末，逐层熔敷。在温度检测和 控制系统 作用下，使模具恢复原始尺寸。为保证熔覆材料 (金属粉末 )和基体 (模具 )材料实现冶金结合，以及模具的尺寸精度、表面 光洁度 和材料性能，需将 50形多模 1功率激光束变换成强度均匀分布的圆形光束，光斑尺寸可调 (光路系统 )，并配有水冷系统和光束头气体保护系统，同时需重点考虑同轴送粉装置和现场控制系统的设计。 轴送粉装置 稳定可靠的粉末输送系统是金属零件修复质量的重要保证。粉末输送的波动将影响修复的质量。激光修复对送粉的基本要求是连续、稳定、均匀和可控地把粉末送入激光熔池。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成。在送粉器的粉斗下部，由于平衡气压的作用形成气固两相流化，并从导管开孔，随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节，拓宽了送粉范围，实 现从 5g/匀连续可调送粉，送粉精度高达 5。设计的载气同轴粉嘴，消除了气体压 力波 动引起的 4路送粉不均匀，并使工作距离加大，且连续可调。 具修复过程的控制 在理论上，熔池温度场决定修复过程的宏观与微观质量，因此在激光熔覆层 质量控制 过程中，表征熔覆层熔池温度场的实时检测非常重要。采用红外测温技术来检测 激光加工 区域的温度场，结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息，来控制激光器功率输出值以及 床的运动速度，以保持熔池温度稳定，避免零件由于过热或温度不均产生裂纹气孔等缺陷。虚线范围内所示的是比色 测温仪 ，光路系统选用单台相机，切换不同滤 色片 的单通道图像记录方式。 滤光片 及其控 制保证两个滤光片 ( m)交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间 5扫描速度 1mm/s，基体因加热温度过高而被烧损，表面出现折皱以及气孔等质量问题。究其原因熔覆过程熔池内搅拌加剧，基体元素与金属粉末元素相互扩散严重，熔覆层开裂、变形敏感性明显上升。当激光功率 P=1描速度 =2mm/s4mm/s 范围内均可得到较理想的激光熔覆层。此外，若加热温度过低无法充分熔化，难 于达到修复模具的目的。扫描速度过大时出现熔覆层不连续现象，其结合强度不够。稀释率随扫描速度的增加，呈减小的趋势，而随送粉量的增大使稀释率有增加的趋势。 答案补充 艺参数对模具修复宏观形貌的影响 试验表明，在 P 和变化不大时，激光熔覆表面宏观形貌与送粉量关系密切，在其它条件相同的情况下，随的增大，熔覆层宽度有所变化 (有变小的趋势 )，而熔覆层厚度明显增加，接触角加大。完全可以利用调节的方法改善熔覆层表面不平度。 4 结论 在激光修复模具过程中，通过理论计算并结合试验，在工艺参数 P= s ，=310mg/s，熔覆层厚度 1以得到较理想的表面