本發(fā)明涉及一種熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置及調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度的方法。

背景技術(shù)：

同軸熔覆頭是一種常用的激光熔覆加工工具，傳統(tǒng)的同軸熔覆頭的結(jié)構(gòu)為：以通過中軸線的固定透鏡組匯聚激光束，以沿同一中軸線對稱分布的送粉流道實(shí)現(xiàn)粉末流的匯聚，激光束與粉末流都匯聚到同一軸線上。這種傳統(tǒng)的同軸熔覆頭的激光匯聚焦點(diǎn)和粉末匯聚點(diǎn)都是固定的，因此，不能在一條熔覆軌跡上實(shí)現(xiàn)不同位置處截面寬度的調(diào)整與變化。

葉片等薄壁復(fù)雜零件具有壁薄、截面軌跡復(fù)雜、截面寬度隨軌跡變化的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)同軸熔覆頭進(jìn)行該類零件的熔覆制造與再制造修復(fù)時(shí)，由于熔覆軌跡的寬度不能調(diào)整，往往需要在同一層面上多次搭接，這樣增加了熱循環(huán)的加工次數(shù)，既不利于質(zhì)量控制又降低了效率。為了實(shí)現(xiàn)激光熔覆過程中光斑大小的調(diào)節(jié)，德國弗朗霍夫激光研究所(ILT)設(shè)計(jì)了移動透鏡組結(jié)構(gòu)的熔覆頭，其工作原理如圖1所示：在加工過程中，熔覆頭2’的激光出口距離加工平面的距離(H’)不改變，粉末輸送裝置3’的輸送角度α’也不改變；但是，在加工運(yùn)動軌跡的不同位置處，通過采用由絲杠電機(jī)7’和螺母6’構(gòu)成的直線位移調(diào)整裝置帶動透鏡4’沿其中軸線上下移動，以改變透鏡4’與熔覆頭2’的激光出口的距離(L’)，從而改變加工過程中激光束1’匯聚的焦點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)同一加工平面上不同位置處匯聚光斑5’的直徑(D’)大小的調(diào)節(jié)。

德國弗朗霍夫激光研究所的上述方法雖然能夠通過改變軌跡上不同位置的光斑尺寸實(shí)現(xiàn)熔覆軌跡寬度的變化，但并沒有在改變光斑尺寸的同時(shí)根據(jù)熔覆寬度的變化調(diào)整粉末輸送量和粉末輸送的位置，這會造成熔覆軌跡高度的起伏和截面形狀的不穩(wěn)定；另外，由于大功率激光束通過透鏡會造成透鏡上熱量的集聚，該方案采用伺服電機(jī)帶動透鏡移動的方案，不利于在熔覆頭內(nèi)部較小的空間內(nèi)布置散熱裝置，因此會限制通過透鏡的激光光束的功率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種激光熔覆過程中熔覆軌跡寬度可調(diào)且不會造成熔覆層高低的起伏和截面形狀的不穩(wěn)定的一種熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置及調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度的方法。

本發(fā)明在激光熔覆軌跡掃描的過程中，一方面，通過豎直調(diào)節(jié)裝置帶動調(diào)節(jié)透鏡與熔覆頭的激光出口的距離，形成光斑匯聚點(diǎn)與熔覆平面的離焦量變化，從而調(diào)整光斑尺寸的大小以實(shí)現(xiàn)熔覆軌跡寬度的變化；另一方面，在熔覆寬度變化的同時(shí)調(diào)整粉末輸送量的和粉末匯聚的角度，從而使寬度變化的熔覆軌跡的高度和截面形狀穩(wěn)定，提高了熔覆質(zhì)量。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：

熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置，包括激光熔覆頭構(gòu)件、激光器、送粉器和中央控制器，激光器和送粉器均與激光熔覆頭構(gòu)件相連，激光熔覆頭構(gòu)件、激光器和送粉器均與中央控制器相連；

所述激光熔覆頭構(gòu)件包括熔覆頭，所述熔覆頭安裝在可驅(qū)動熔覆頭沿豎直方向上下移動的豎直調(diào)節(jié)裝置上，所述熔覆頭沿豎直方向的上方設(shè)有激光入口，所述熔覆頭沿豎直方向的下方設(shè)有激光出口；熔覆頭內(nèi)設(shè)有透鏡，且透鏡與所述熔覆頭同軸設(shè)置；

所述熔覆頭外設(shè)有送粉管，送粉管通過可調(diào)節(jié)送粉管與熔覆頭之間的夾角大小的角度調(diào)節(jié)裝置安裝在熔覆頭上；送粉管的出口向下，且送粉管的中軸線的延長線與熔覆頭的中軸線的延長線相交，以保證來自激光出口的激光束與來自送粉管的出口的粉體相聚；

所述豎直調(diào)節(jié)裝置包括固定設(shè)置的第一絲杠電機(jī)，所述第一絲杠電機(jī)的第一輸出軸垂直向下，熔覆頭的外壁上設(shè)有與所述第一輸出軸相配合的第一螺母，所述第一輸出軸與所述第一螺母相嚙合，以驅(qū)動熔覆頭上下移動；

所述角度調(diào)節(jié)裝置包括第二絲杠電機(jī)和第二螺母，所述送粉管靠近出口的一端與熔覆頭的外壁鉸接，所述送粉管靠近進(jìn)口的一端與第二螺母的外壁鉸接，所述第二螺母與第二絲杠電機(jī)的第二輸出軸相嚙合，且所述第二輸出軸水平設(shè)置；中央控制器與第一絲杠電機(jī)和第二絲杠電機(jī)相連；

激光器通過激光輸送通道與激光入口相連，送粉器通過送粉通道與送粉管的入口相連；

所述中央控制器內(nèi)具有用于調(diào)節(jié)激光器的輸出功率的信號變送器，所述中央控制器通過信號變送器與激光器相連；所述中央控制器內(nèi)具有用于調(diào)節(jié)送粉器的送粉量的送粉控制器，所述中央控制器通過送粉控制器與送粉器相連；

定義送粉管的中軸線與送粉管安裝處的熔覆頭的外壁面的切線之間的夾角為送粉角度；

所述中央控制器內(nèi)具有用于控制第一絲杠電機(jī)的第一電機(jī)驅(qū)動器、用于控制第二絲杠電機(jī)的第二電機(jī)驅(qū)動器；所述中央控制器內(nèi)還具有根據(jù)第一電機(jī)驅(qū)動器反饋給中央控制器的第一絲杠電機(jī)的位置信息計(jì)算送粉量、送粉角度和所需激光功率的計(jì)算器，所述中央控制器根據(jù)計(jì)算器輸出的用粉量信息、送粉角度信息和所需激光功率信息分別驅(qū)動送粉器、第二絲杠電機(jī)和激光器動作。

一種利用本發(fā)明所述的熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置實(shí)施的調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度的方法，包括以下步驟：

(1)中央控制器發(fā)送控制指令至第一電機(jī)驅(qū)動器，第一電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)來自中央控制器的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動時(shí)間的控制指令驅(qū)動第一絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動，以帶動熔覆頭豎直運(yùn)動，使激光束在加工平面上離焦，產(chǎn)生直徑大小變化的光斑，從而調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度；

(2)為保證在熔覆軌跡寬度變化的同時(shí)熔覆效果不變，中央控制器的計(jì)算器根據(jù)第一絲杠電機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息計(jì)算出為適應(yīng)大小實(shí)時(shí)變化的光斑而應(yīng)匹配的送粉量、送粉角度和激光功率，以確保光斑獲得的激光功率密度保持不變和熔覆層的厚度保持不變；

(3)中央控制器根據(jù)計(jì)算器輸出的所需激光功率信息發(fā)出控制指令至信號變送器，激光器啟動，且信號變送器實(shí)時(shí)調(diào)整激光器的輸出功率，使得直徑大小變化的光斑獲得的激光功率密度保持不變；

(4)中央控制器根據(jù)計(jì)算器輸出的送粉角度信息發(fā)出控制指令至第二電機(jī)驅(qū)動器，第二電機(jī)驅(qū)動器實(shí)時(shí)調(diào)整送粉管的送粉角度，使粉末束始終匯聚在加工零件表面；

(5)中央控制器根據(jù)計(jì)算器輸出的送粉量信息實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令至送粉控制器，送粉器啟動，且送粉控制器實(shí)時(shí)調(diào)整送粉器的送粉量，以適應(yīng)直徑大小變化的光斑，使熔覆層的厚度保持不變。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1、本發(fā)明既可以調(diào)節(jié)熔覆軌跡的寬度，也可以在光斑尺寸變化的同時(shí)根據(jù)熔覆寬度的變化調(diào)整粉末輸送量和送粉角度，不會造成熔覆軌跡高度的起伏和截面形狀的不穩(wěn)定，且激光功率密度保持不變，使得熔覆層的厚度保持不變，保證熔覆效果。

2、透鏡設(shè)置在熔覆頭內(nèi)，通過改變?nèi)鄹差^的豎直位置來間接調(diào)節(jié)透鏡與熔覆頭激光出口之間的距離，解決了背景技術(shù)中存在的激光功率受限的問題。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的激光熔覆頭構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的激光熔覆頭構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1、圖2和圖3中空心的箭頭表示對應(yīng)部件的運(yùn)動方向；圖2和圖3中實(shí)心的弧形箭頭表示對應(yīng)部件的旋轉(zhuǎn)方向。

具體實(shí)施方式

參照附圖，熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置，包括激光熔覆頭構(gòu)件、激光器10、送粉器12和中央控制器11，激光器10和送粉器12均與激光熔覆頭構(gòu)件相連，激光熔覆頭構(gòu)件、激光器10和送粉器12均與中央控制器11相連；

所述激光熔覆頭構(gòu)件包括熔覆頭2，所述熔覆頭2安裝在可驅(qū)動熔覆頭2沿豎直方向上下移動的豎直調(diào)節(jié)裝置上，所述熔覆頭2沿豎直方向的上方設(shè)有激光入口，所述熔覆頭2沿豎直方向的下方設(shè)有激光出口；熔覆頭2內(nèi)設(shè)有透鏡4，且透鏡4與所述熔覆頭2同軸設(shè)置；

所述熔覆頭2外設(shè)有送粉管3，送粉管3通過可調(diào)節(jié)送粉管3與熔覆頭2之間的夾角大小的角度調(diào)節(jié)裝置安裝在熔覆頭2上；送粉管3的出口向下，且送粉管2的中軸線的延長線與熔覆頭2的中軸線的延長線相交，以保證來自激光出口的激光束1與來自送粉管2的出口的粉體相聚；

所述豎直調(diào)節(jié)裝置包括固定設(shè)置的第一絲杠電機(jī)7，所述第一絲杠電機(jī)7的第一輸出軸垂直向下，熔覆頭2的外壁上設(shè)有與所述第一輸出軸相配合的第一螺母6，所述第一輸出軸與所述第一螺母6相嚙合，以驅(qū)動熔覆頭2上下移動；

所述角度調(diào)節(jié)裝置包括第二絲杠電機(jī)9和第二螺母8，所述送粉管3靠近出口的一端與熔覆頭2的外壁鉸接，所述送粉管3靠近進(jìn)口的一端與第二螺母8的外壁鉸接，所述第二螺母8與第二絲杠電機(jī)9的第二輸出軸相嚙合，且所述第二輸出軸水平設(shè)置；中央控制器與第一絲杠電機(jī)和第二絲杠電機(jī)相連，第一絲杠電機(jī)和第二絲杠電機(jī)均為步進(jìn)電機(jī)，中央控制器控制第一絲杠電機(jī)和第二絲杠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以驅(qū)動驅(qū)動熔覆頭上下移動和送粉管靠近進(jìn)口的一端水平移動(送粉管靠近進(jìn)口的一端水平移動，可調(diào)整送粉管與熔覆頭之間的夾角)。

激光器10通過激光輸送通道與激光入口相連，送粉器12通過送粉通道與送粉管3的入口相連；

所述中央控制器11內(nèi)具有用于調(diào)節(jié)激光器10的輸出功率的信號變送器13，所述中央控制器11通過信號變送器13與激光器10相連；所述中央控制器11內(nèi)具有用于調(diào)節(jié)送粉器12的送粉量的送粉控制器15，所述中央控制器11通過送粉控制器15與送粉器12相連；

定義送粉管3的中軸線與送粉管3安裝處的熔覆頭2的外壁面的切線之間的夾角為送粉角度α；

所述中央控制器11內(nèi)具有用于控制第一絲杠電機(jī)7的第一電機(jī)驅(qū)動器14、用于控制第二絲杠電機(jī)9的第二電機(jī)驅(qū)動器16；所述中央控制器內(nèi)還具有根據(jù)第一電機(jī)驅(qū)動器14反饋給中央控制器11的第一絲杠電機(jī)7的位置信息計(jì)算送粉量、送粉角度α和所需激光功率的計(jì)算器，所述中央控制器11根據(jù)計(jì)算器輸出的用粉量信息、送粉角度信息和所需激光功率信息分別驅(qū)動送粉器12、第二絲杠電機(jī)9和激光器10動作。

一種利用本發(fā)明所述的熔覆軌跡可調(diào)的激光熔覆裝置實(shí)施的調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度的方法，包括以下步驟：

(1)中央控制器11發(fā)送控制指令至第一電機(jī)驅(qū)動器14，第一電機(jī)驅(qū)動器14根據(jù)來自中央控制器11的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動時(shí)間的控制指令驅(qū)動第一絲杠電機(jī)7轉(zhuǎn)動，以帶動熔覆頭2豎直運(yùn)動，使激光束1在加工平面上離焦，產(chǎn)生直徑大小變化的光斑5，從而調(diào)節(jié)熔覆軌跡寬度；

(2)為保證在熔覆軌跡寬度變化的同時(shí)熔覆效果不變，中央控制器11的計(jì)算器根據(jù)第一絲杠電機(jī)7的實(shí)時(shí)位置信息計(jì)算出為適應(yīng)大小實(shí)時(shí)變化的光斑5而應(yīng)匹配的送粉量、送粉角度α和激光功率，以確保光斑5獲得的激光功率密度保持不變和熔覆層的厚度保持不變；

(3)中央控制器11根據(jù)計(jì)算器輸出的所需激光功率信息發(fā)出控制指令至信號變送器13，激光器10啟動，且信號變送器13實(shí)時(shí)調(diào)整激光器10的輸出功率，使得直徑大小變化的光斑5獲得的激光功率密度保持不變；

(4)中央控制器11根據(jù)計(jì)算器輸出的送粉角度α信息發(fā)出控制指令至第二電機(jī)驅(qū)動器16，第二電機(jī)驅(qū)動器16實(shí)時(shí)調(diào)整送粉管3的送粉角度α，使粉末束始終匯聚在加工零件的表面；

(5)中央控制器11根據(jù)計(jì)算器輸出的送粉量信息實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令至送粉控制器15，送粉器12啟動，且送粉控制器15實(shí)時(shí)調(diào)整送粉器12的送粉量，以適應(yīng)直徑D大小變化的光斑，使熔覆層的厚度保持不變。

調(diào)節(jié)熔覆頭2的豎直位置，透鏡4與熔覆頭2的激光出口的距離L從而改變加工過程中激光匯聚焦點(diǎn)相對于加工平面的離焦量，以實(shí)現(xiàn)同一加工平面上不同位置處匯聚光斑大小(D)的調(diào)節(jié)，則熔覆軌跡寬度發(fā)生變化。但由于光出口與加工平面的距離H也會變化，導(dǎo)致粉末匯聚點(diǎn)偏離加工平面，需要調(diào)整送粉角度α使粉末匯聚到加工平面上。

本發(fā)明既可以通過改變軌跡上不同位置的光斑尺寸實(shí)現(xiàn)熔覆軌跡寬度的變化，也可以在改變光斑尺寸的同時(shí)根據(jù)熔覆寬度的變化調(diào)整粉末輸送量和送粉角度α，不會造成熔覆軌跡高度的起伏和截面形狀的不穩(wěn)定，且激光功率密度保持不變，使得熔覆層的厚度保持不變，保證熔覆效果。

另外，背景技術(shù)中記載的透鏡4’設(shè)置在熔覆頭2’外，當(dāng)大功率激光束1’通過透鏡2’時(shí)會造成透鏡2’上熱量集聚，但因熔覆頭內(nèi)沒有散熱裝置而導(dǎo)致激光功率必須受限的問題，但本發(fā)明的透鏡4固定設(shè)置在熔覆頭2內(nèi)，有效解決了該問題。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。