专利名称：用于在旋转对称主体上沉积涂敷粉末的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在旋转对称主体的表面上沉积涂敷粉末的装置。
背景技术：
通常有必要对金属部件的内表面或外表面进行电镀或涂覆以提高这种部件的耐 用性或者提高其耐腐蚀性。通常使用焊接(或称熔接)设备通过在工件的表面上沉积焊接材 料(例如焊接粉末)然后将焊接区域加工成适当形状以提供光滑表面的方式来提供镀层或覆层。美国专利5，245, 155 B2公开了一种用于将工件的多个部分焊接到一起的设备。该 设备包括粉末供给装置和激光源，该粉末供给装置具有喷嘴，用于在焊接操作期间将选定 体积的焊接粉末沉积到工件表面上，该激光源用于产生定位在距工件一定距离处的激光束 以形成所选宽度的焊缝。不利地，该喷嘴对于所供应的粉末而言产量低，从而使得工件上的 沉积速率受到限制。
发明内容
本发明的目的之一在于以涂敷粉末的高沉积速率向旋转对称主体施加足够量的涂层。该目的通过根据权利要求1的装置以及根据权利要求13的方法得以实现。通过将用于提供涂敷粉末的喷嘴布置成位于表面的竖直上方并且使旋转对称主 体在所述喷嘴下面旋转，所述主体的对称性被用于提供涂敷粉末的高沉积率，其中，距所述 表面规定距离处的水平隔板确保了准确量的涂层被沉积到所述表面。该隔板布置成沿喷嘴 处所述表面的旋转运动方向相邻于(或称紧接着或挨着，next to)所述喷嘴，并且根据隔板 和旋转对称主体的表面之间的距离而刷去任何过量的涂敷粉末。喷嘴的横截面在平行于旋转轴线的方向上是伸长的(或称细长的)，这使得能够实 现沿所述伸长横截面的整个长度方向特别高的沉积率。另外，可提供用于调节所述喷嘴的 伸长形横截面到不同长度的表面的装置。根据另一个优选实施例，所述喷嘴布置成使得所述伸长方向平行于所述旋转轴 线。这有助于将粉末流准确地定位在所述表面上，以便于焊接。根据另一个优选实施例，所述喷嘴的横截面在所述伸长方向上的长度等于所述表 面在所述旋转轴线方向上的长度，以提高涂敷粉末的沉积率并且降低实现所需涂敷厚度的 旋转圈数。根据本文的一个实施例，所述装置包括涂敷粉末供给设备，用于通过所述喷嘴提 供所述涂敷粉末。这有助于将预定质量的粉末材料的受限定的流准确地引导到所述表面， 以便得到更加有效的涂敷结果。根据一个实施例，所述喷嘴的第一边缘位于所述喷嘴的与所述喷嘴处所述表面的 旋转运动方向相反的一侧处，并且与所述表面接触。所述第一边缘将涂敷粉末引导朝向所述喷嘴处所述表面的旋转运动方向。如果所述隔板具有相对于喷嘴的固定布置，则所述第 一边缘有助于在所述隔板和所述表面之间保持确切的距离。根据本文的一个优选实施例，所述隔板由所述喷嘴的在所述表面的旋转运动方向 上的第二边缘形成。这是一种用于提供隔板的非常简单和廉价的方式。根据另一个优选实施例，所述装置包括保持装置，以保持所述隔板位于距所述表 面的规定距离处。这允许稳固地限定所述距离，由此限定被提供到所述表面的涂敷粉末量。根据另一个优选实施例，所述保持装置适于调节所述隔板和所述表面之间的距 离。这使得可能改变被提供到所述表面的粉末量，因此使得可能根据不同需要而改变涂层 厚度。根据一个优选实施例，所述装置进一步包括焊接能量源，以向所述表面上的所述 涂敷粉末提供焊接能量。该焊接能量提供了足够的热量以熔融所述粉末，从而在所述表面 上形成涂覆层。根据另一个优选实施例，所述焊接能量源布置成沿所述隔板处所述表面的旋转运 动方向相邻于在所述隔板。这使得能够在通过所述喷嘴沉积粉末的同时，将所述粉末有效 地焊接到所述表面，由此防止由于旋转而从所述表面掉落。根据又一个优选实施例，所述焊接能量源是激光束。所述激光束具有高度集中的 能量，以提供有效焊接。
下面参照附图中示出的实施例进一步描述本发明，在附图中
图1示出了根据本文一个实施例的用于在旋转对称主体上沉积涂敷粉末的装置的横 截面示意图；并且
图2示出了根据本文一个实施例的装置的示意性前视图。
具体实施例方式参照附图描述了各种实施例，在附图中，相同的附图标记自始至终用于表示相同 的元件。在后面的描述中，为了解释的目的，说明了多个特定的细节，以便提供一个或多个 实施例的全面理解。明显地，此类实施例可在没有这些特定细节的情况下实施。图1示出了用于在旋转对称主体14上沉积涂敷粉末12的装置10。该装置10包 括用于保持旋转对称主体14的旋转装置16以及用于向旋转对称主体14的表面20提供涂 敷粉末12的涂敷粉末供给设备22。旋转对称主体14例如可以是气体或蒸气涡轮的轴。旋转对称主体14布置在旋转装置16中，旋转装置16允许使旋转对称主体14绕 水平旋转轴线18旋转，旋转轴线18与旋转对称主体14的对称轴线重合。可通过许多不同 的形式来提供该旋转装置。例如，旋转对称主体14可定位在车床的卡盘和尾架之间。另一 个示例是具有卡盘的转台，其中，转台取竖直方向，从而其类似于车床的卡盘。替代性地，可 使用具有两个旋转滚子的机床，轴放置在滚子上面并旋转。本领域技术人员将会明白旋转 装置16的许多其他可能的实施例，用于使旋转对称主体14绕水平轴线旋转。涂敷粉末供 给设备22在旋转对称主体14上操作例如转子以施加用于增强表面性质的涂覆层。涂敷粉 末供给设备22在底部具有喷嘴24，以提供精确流速的涂敷粉末12，用于激光焊接或其他需要细粉末12的这种精确流的焊接操作。在本文中，涂敷粉末供给设备22布置在旋转对称主体14的表面20的顶上，使得 喷嘴M布置成竖直地位于旋转对称主体14的表面20上，以便向表面20提供涂敷粉末12。 喷嘴M具有在一个方向上伸长的截面，该方向平行于旋转轴线18。喷嘴M的截面在伸长 方向上的长度等于表面20在旋转轴线18方向上的长度，以便在旋转对称主体14的一次旋 转中向整个表面20施加一层涂层。可通过重复涂敷过程数次来容易地提供多层涂层。装置10还包括固定装置34，以将喷嘴M布置成平行于表面20的旋转轴线18。在本文中，喷嘴M定位在旋转对称主体14的顶上，使得喷嘴M的第一边缘28与 表面20接触，该第一边缘28在与喷嘴M处的表面20的旋转方向相反的方向上位于喷嘴 的侧面。喷嘴M的第二边缘30位于距表面20 —定距离处。装置10还包括水平挡板沈，其被布置成在喷嘴M处的表面20的旋转运动的箭头 38所指示方向上相邻或紧接于喷嘴24。隔板沈由喷嘴M的与第一边缘观相对的第二边 缘30形成。隔板沈布置在一定距离处，限定了主体14的表面20上的涂层厚度。隔板沈 和表面20之间的间隙限定了将被施加到表面20上的涂层厚度。由于第一边缘28与表面20直接接触，第二边缘30处的隔板沈被保持在距表面 一定距离处。这允许准确地限定该距离并由此限定每一层的涂层厚度。另外，隔板沈可固 定在喷嘴M处使得该距离可根据每一涂敷层所需的厚度或根据涂敷粉末的种类而变化。装置10还包括保持装置32，以将喷嘴M保持成位于旋转对称主体14的表面20 的竖直上方。另外，对于第一边缘观不与表面20直接接触的实施例而言，保持装置32也 可指定喷嘴M处的隔板26和表面20之间的距离。装置10还包括焊接能量源36，以向表面20上的涂敷粉末12提供焊接能量。焊接 能量源36被布置成在隔板沈处的表面20的旋转运动的方向上相邻或紧接于隔板26。焊 接能量源36优选为激光束。在图1中，喷嘴M和焊接能量源36均固定到保持装置32和固定机构34的同一 结构。然而相反，喷嘴M和能量源36可固定到不同结构。粉末12通过喷嘴M的开口 23流动并且沉积在主体14的表面20上。然后，焊接 能量源36被指向到旋转对称主体14的表面20上。焊接能量源36的聚焦被设置成使得可 在表面20上获得大致对应于所沉积粉末区域的特定束尺寸。粉末12的颗粒开始熔融，由 此在表面20上形成层。喷嘴M可与各种类型的涂敷粉末12 —起使用，例如碳化物粉末以及本领域已知 的其他粉末。此处，喷嘴M的长度可等于表面20的长度或者可小于表面20的长度。为了在形成每一层之后的沉积焊接，喷嘴M和焊接能量源36被转位或升高以调 整喷嘴M相对于主体14的表面20的高度，主体14的表面20由于所沉积的层而被升高。在本文中，隔板沈也可形成在喷嘴尖部上，以保护喷嘴M免于反射的焊接能量 源，并由此防止焊接能量源熔融从喷嘴M流出的粉末12，从而防止喷嘴M处的阻塞。图2示出了根据本文一个实施例的装置10的示意图。涂敷粉末供给设备22放置 在旋转体14顶上，使得用于沉积粉末12的喷嘴M平行于旋转轴线18。如图2所示，喷嘴 的第一边缘28与主体14的表面20接触，其中，第二边缘30位于距表面20 —定距离处。保持装置32和弹簧系统将设备22保持在旋转体14顶上的适当位置。主体14的
6几何结构使得激光束和粉末12基本在表面20的局部区域中汇合。装置10用于通过使旋转对称主体14绕其对称轴线旋转而对其进行涂敷，向表面 20提供涂敷粉末12，并且使其焊接以产生涂敷层。为了焊接操作，能量源36 (例如为焊接 激光器)指向相邻于喷嘴12的表面。涂敷粉末12沉积到表面20，例如一层一层的进行涂 敷粉末12的激光熔融。每一层可薄至数百微米。有多种可能的方法来将涂敷粉末12焊接到表面20的基本材料。一个示例是逐步 的过程，其中，涂敷粉末12 —条线一条线的焊接。起初，涂敷粉末12的一条线通过喷嘴M 的开口 23被提供到表面20，然后，激光束沿着平行于旋转轴线18的方向被移动到该涂敷粉 末12的线上，最后，使旋转对称主体14稍微旋转，从而可相邻于前一条线提供另一条涂敷 粉末12的线。这个过程在一个或几个整圈中反复重复以提供所需要的涂层厚度。涂层的每一层的厚度以及层的数量例如取决于激光束的强度和密度以及涂敷粉 末12的种类。如果提供了过多的涂敷粉末12，而其没有在该过程中被焊接到表面20，则其 将在旋转对称主体14的旋转期间从表面20上落下。提供到表面20的涂敷粉末12的量被 选择成使得在主体14的旋转期间没有涂敷粉末12掉下来。然而，为了提高涂敷过程的速 度，提供涂敷粉末12的速率应当被尽可能地提高，只要在涂敷粉末12由于旋转而从表面20 掉落之前所有的涂敷粉末12能被焊接。这将取决于焊接能量源36的熔融能力、涂敷粉末 12的种类，并且还可能另外取决于所需要的涂层质量。本领域技术人员将容易地发现对于 该优化过程的可能参数范围，而无需过度的试验。与连续均勻地涂敷表面20相反，也可能需要提供具有一定表面几何结构的涂层。 这样的示例是，在圆柱轴的外侧一层一层建立起来的螺纹，或者产生沟槽、键槽及孔洞的螺 纹。在表面的这些部分上没有局部熔融的涂敷粉末12以及提供涂敷粉末12的过程均在表 面的不需要涂敷的位置处被短暂地停止。如果表面结构小于喷嘴M的开口 23的尺寸，则优 选地连续提供涂敷粉末12并且避免在表面的那些不希望被涂敷的部分上的局部熔融。在 这种情况下，有可能在表面涂层上产生非常精细的结构，其仅仅由焊接能量所能聚焦的程 度限制。焊接能量源36相对于喷嘴M布置成使得焊接能量(即，具有激光束的形式)指向 表面20上相邻于开口 23的位置，从而焊接能量可在涂敷粉末12沉积到表面20上之后被 直接施加。焊接能量可沿正交于表面20的方向施加，或者如图1所示，以不同的角度施加。 如果焊接能量源是产生聚焦于一点的激光的激光装置，则激光束可例如被布置成使得其可 沿平行于旋转轴线18的方向滑动。替代性地，激光束可被布置成使得其绕正交于旋转轴线 18的轴线枢转，以将激光束施加到涂敷粉末12的线上。图1和图2所示的旋转对称主体14具有柱形形状。然而，其也可具有任何其他的 旋转对称形状。如果该形状不同于柱形，则使用适于该形状的喷嘴M是有用的，例如其开 口 23的形状是根据旋转对称主体沿通过旋转轴线18的平面的横截面轮廓来设置的。替代 性地，可使用具有小开口 23的尖的喷嘴M，该喷嘴沿着表面20的平行于旋转轴线18的轮 廓移动，取决于该轮廓而距旋转轴线18不同的距离。主体14不需要是完全旋转对称的。只要一部分沿着旋转轴线18是旋转对称的就 足够了。而且，只要该主体沿着绕旋转轴线18的主体外周的一部分是旋转对称的就足够 了。在这两种情况下，表面20的旋转对称的部分可容易地如上所述以相同的方式进行涂
甚至可以当主体14绕轴线18旋转时，通过调节喷嘴M到旋转轴线18的距离，向 主体14的表面20的旋转对称的部分提供涂层。在这种情况下，与表面20永久接触的第一 边缘28确保喷嘴M的开口 23总是距主体的表面20相同的距离。特别地，表面的那些稍 微偏离关于旋转轴线18旋转对称的部分也可容易地通过这种方式涂敷。表面20某点处的 法线在正交于旋转轴线18且在一侧通过该点的平面上的投影与另一侧上从旋转轴线18到 表面20上所述点的径向线之间的夹角可以是15度、30度或甚至45度，它们被认为在这方 面可稍微有些偏差。在本发明的该实施例中，旋转轴线18可任意穿过主体14。然而，优选地，旋转轴线 接近主体14的中心并且应当大致与主体14的伸长方向对齐，以最小化喷嘴M和表面20 必要的距离调节。在涡轮机设计领域，凸轮轴和曲轴是非旋转对称主体14的示例。
权利要求
1.一种用于在旋转对称主体(14)上沉积涂敷粉末(12)的装置(10)，所述装置(10)包括旋转装置(16)，其用于使所述旋转对称主体(14)绕水平旋转轴线(18)旋转，其中，所 述旋转轴线(18)与所述主体(14)的旋转对称轴线重合；喷嘴(24)，其布置成位于所述旋转对称主体(14)的表面(20)竖直上方，用于向所述表 面(20)提供所述涂敷粉末(12)；和水平隔板(26)，其位于规定距离处，从而限定所述表面(20)上的涂敷厚度，其中，所述 隔板(26 )布置成沿所述喷嘴(22 )处所述表面(20 )的旋转运动方向相邻于所述喷嘴(24 )。
2.如权利要求1所述的装置(10)，其中，所述喷嘴(24)的横截面在平行于所述旋转轴 线(18)的方向上是伸长的。
3.如权利要求2所述的装置(10)，其中，所述喷嘴(24)的横截面在所述伸长方向上的 长度等于所述表面(20 )在所述旋转轴线(18 )方向上的长度。
4.如权利要求2或3所述的装置(10)，其中，所述喷嘴(24)布置成使得所述伸长方向 平行于所述旋转轴线(18)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置(10)，其中，所述装置(10)包括涂敷粉末供 给设备(22 )，用于通过所述喷嘴(24 )提供所述涂敷粉末(12)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置(10)，其中，所述喷嘴(24)的第一边缘(28) 位于所述喷嘴(24)的与所述喷嘴(24)处所述表面(20)的旋转运动方向相反的一侧处，并 且所述第一边缘(28 )与所述表面(20 )接触。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置(10)，其中，所述隔板(26)由所述喷嘴(24) 的与所述第一边缘(28)相对的第二边缘(30)形成。
8.如权利要求1至6中任一项所述的装置(10)，其中，所述装置(10)包括保持装置 (32)，以将所述隔板(26)保持在距所述表面(20)的规定距离处。
9.如权利要求8所述的装置(10)，其中，所述保持装置(32)适于调节所述隔板(26)和 所述表面(20)之间的距离。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置(10)，包括焊接能量源(36)，以向所述表面 (20 )上的所述涂敷粉末(12 )提供焊接能量。
11.如权利要求10所述的装置(10)，其中，所述焊接能量源(36)布置成沿所述隔板 (26)处所述表面(20)的旋转运动方向相邻于所述隔板(26)。
12.如权利要求10或11所述的装置(10)，其中，所述焊接能量源(36)是激光束。
13.一种使用根据权利要求1至12中任一项所述装置(10)的方法，所述方法包括如下 步骤利用所述旋转装置(16)来使所述旋转对称主体(14)绕所述水平旋转轴线(18)旋转， 使得所述旋转轴线(18)与所述主体(14)的所述旋转对称轴线重合；并且通过布置在所述表面(20)竖直上方的喷嘴(24)向所述旋转对称主体(14)的所述表面 (20)提供所述涂敷粉末(12)。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括通过调节所述喷嘴(24)和所述表 面(20)之间的距离来限定所述表面(20)上所述粉末(12)的涂敷厚度。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述方法包括从焊接能量源(36)向所述表面 (20 )上的所述涂敷粉末(12)提供焊接能量。
全文摘要
本发明公开了一种用于在旋转对称主体(14)上沉积涂敷粉末(12)的装置(10)。所述装置(10)包括旋转装置(16)，其用于使旋转对称主体(14)绕水平旋转轴线(18)旋转，其中，旋转轴线(18)与主体(14)的旋转对称轴线重合；喷嘴(24)，其布置成位于旋转对称主体(14)的表面(20)的竖直上方，用于向表面(20)提供涂敷粉末(12)；和水平隔板(26)，其位于规定距离处，从而限定表面(20)上的涂敷厚度，其中，隔板(26)布置成沿喷嘴(22)处表面(20)的旋转运动方向相邻于喷嘴(24)。这里，喷嘴(24)的横截面在平行于旋转轴线(18)的方向上是伸长的。
文档编号B23K26/00GK102091865SQ20101058919
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者U·西蒙斯 申请人:西门子公司