专利名称：可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光材料制备与成形技术领域，特别是涉及一种可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱。
背景技术：
高性能金属复合材料、梯度结构材料及金属零件激光制备与成形，是一种逐点逐层连续激光熔化沉积同步添加成形材料制备金属复合材料、梯度结构材料和成形金属零件的一项新技术，该技术首先将要制备的金属复合材料、梯度结构材料及要成形金属零件的数字模型沿高度方向按一定厚度分层切片，根据每一分层二维几何信息按照一定规则生成每一层扫描轨迹驱动代码，在其驱动下，数控加工平台做平面运动(激光头静止不动)，当一层扫描完成后，激光头按照分层厚度沿Z轴向上升高，与此同时，金属粉末或多元混合粉末以惰性气体(Ar气)气载方式连续不断通过喷嘴送入激光熔池，随激光光斑的运动离开 (相对于数控加工平台的相对运动)，激光熔池凝固(新添加材料熔化沉积)，如此反复逐点逐层连续激光熔化沉积直至金属复合材料、梯度结构材料的制备以及金属零件的成形。从上述金属复合材料、梯度结构材料激光制备和金属零件激光快速成形过程可知，该过程必须在惰性保护气氛箱内进行，以防止所制备金属复合材料、梯度结构材料以及所成形金属零件中有过高的氧含量，使得所制备材料塑性大幅度降低而发脆，因而不能满足使用要求。然而，仅在保护气氛箱内进行金属复合材料、梯度结构材料制备及金属零件激光成形仅能满足一小部分金属材料的制备与成形要求，即这些金属及其合金材料本身具有良好的塑性，使得在成形过程中，能够产生塑性变形来减轻由于激光熔池中很高温度梯度造成强烈温度不均勻而诱发的热应力，该热应力直接造成所成形金属零件变形或导致所制备金属复合材料、梯度结构材料产生裂纹和发生开裂。为解决或缓和上述问题，现行的方法是，对工件或基板加热并保温，以尽量减小由于工件或基板散热引发的沿所制备材料及零件高度方向温度梯度，从而缓和温度不均勻和减小由此产生的热应力，来保证所制备材料及金属零件的顺利激光熔化沉积制备与成形。但即使采用了上述方法，虽有一定效果，但仍不能满足高合金含量金属材料的激光制备与激光快速成形，如Ni基高温合金，以及以高含量(质量百分比> 50% )陶瓷颗粒增强的金属复合材料，如TiC增强TA15、TC4等钛合金复合材料以及一些梯度材料的制备。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱。本发明可实现易氧化、热应力大以及塑性较差的金属材料激光制备与成形，拓宽了激光制备与成形金属的种类。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是所述可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱包括加热箱、惰性气氛保护箱及温度控制装置。所述加热箱的四周为双层结构其内部填充石棉，加热箱的前后内壁装有加热板，加热箱放置在支架上。所述惰性气氛箱的圆形上盖的下表面焊接圆形外筒和方筒，所述方筒设置在圆形外筒之内，圆形上盖的上表面焊有冷却水管，圆形外筒与圆柱形箱体之间设置密封圈，圆柱形箱体的侧面下部设置充气孔，在圆形上盖上位于圆形外筒和方筒之间设置抽气测氧孔，方筒的上表面设置热电偶。圆形上盖的中心孔内安装激光头，激光头的两侧分别对称安装两个送粉管，两个送粉管的夹角45° -60°。加热箱底板正中央方形开口的底面两侧安装滑轨，安装在齿条上的滑块与其配合，齿条的背面安装工作台，工作台上放置工件。与齿条啮合的齿轮安装在传动轴上，所述齿轮的两侧装有挡板。传动轴的另一端穿过加热箱、圆柱形箱体与电机减速机连接，支架一端的转动轴承内安装传动轴，支架的另一端与直线运动机构相连接。所述转动轴承安装在法兰盘内，法兰盘的端面用密封盖密封，法兰盘与圆柱形箱体之间安装波纹管进行密封。本发明解决其技术问题所采用的另一个技术方案是所述可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱包括加热箱、惰性气氛保护箱及温度控制装置。所述加热箱放置在支架上，加热箱的四周为双层结构其内部填充石棉。加热箱前后内壁装有加热板，所述惰性气氛箱的圆形上盖的下表面焊接圆形外筒和方筒，圆形上盖的上表面焊有冷却水管， 所述方筒设置在圆形外筒之内，圆形外筒与圆柱形箱体之间设置密封圈，圆柱形箱体的侧面下部设置充气孔，在圆形上盖的圆形外筒和方筒之间设置抽气测氧孔，圆形上盖的中心孔内安装激光头，激光头两侧的圆形上盖上分别对称安装两个送粉管，两个送粉管的夹角 45° -60°。所述传动轴的一端与电机减速机连接，传动轴另一端穿过圆柱形箱体、加热箱在其端部安装回转工件。支架一端的转动轴承内安装传动轴，支架的另一端与直线运动机构相连接。所述转动轴承安装在法兰盘内，法兰盘的端面用密封盖密封，法兰盘与圆柱形箱体之间安装波纹管进行密封。本发明的有益效果是由于齿轮和齿条及转动轴承安装在加热箱外，不受高温的影响，可选用普通的齿轮和齿条及转动轴承。通过两层箱体的设计，解决了高温密封的难题。在连续冲排Ar气的情况下，经测量氧含量在工作时小于50PRI1，工作温度可达800°C左右。由于氧含量低于50PPm，有效地阻止了氧化的发生，可做出富有金属光泽且无脆硬现象的激光快速成形零件。由于工作温度可达800°C左右，一方面，可以降低金属复合材料、梯度材料及金属零件激光快速成形时所需要激光功率，大幅度降低了由于激光熔池及其相邻区域由于温度梯度高而产生的热应力强度，从而，可以有效控制所制备与成形材料与零件的变形与开裂，同时，在不同的温度下进行激光熔化沉积可产生不同的组织，从而达到通过控制温度来控制零件的组织性能。因此，本发明可实现易氧化、热应力大以及塑性较差的金属材料的激光快速成形，并且拓宽了激光熔化沉积制备与成形金属的种类。
图1是平面运动可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是圆形上盖的俯视图；图4是图1的左视图；图5是滑块、齿条、导轨和工作台局部放大图；图6是旋转运动可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱结构示意图7是图6的俯视图；图8是图6的左视图。在上述附图中，1.圆形上盖，2.隔热箱，3.密封套筒，4.密封圈，5.密封圆筒， 6.支架，7.齿轮，8.轴，9.法兰，10.密封轴承，11.端盖，12.挡板，13.加热板，14.滑块， 15.齿条，16.导轨，17.工作台，18.加热箱，19.回转工件，20.隔热板，21.波纹管，22.支架，23.激光头，24.送粉管，25.充气口，26.排气测氧口，27.工件，28.热电偶，29.冷却水管。
具体实施例方式实施例1图1、2是本发明公开的一个实施例。所述可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱主要加工非回转工件，所述成形箱包括加热箱18、惰性气氛保护箱及温度控制装置。 所述加热箱18放置在支架6上，加热箱18的四周为双层结构，在四周双层结构内填充石棉，加热箱18前后内壁装有加热板13。所述惰性气氛箱的圆形上盖1的下表面焊接圆形外筒3和方筒2，所述方筒2设置在圆形外筒3之内，圆形上盖1的上表面焊有冷却水管29， 圆形外筒3与圆柱形箱体5之间设置密封圈4，圆柱形箱体5的侧面下部设置充气孔25，在圆形上盖1上位于圆形外筒3和方筒2之间设置抽气测氧孔沈，方筒2上表面设置热电偶 28，圆形上盖1的中心孔内安装激光头23，激光头23的两侧分别对称安装两个送粉管24， 两个送粉管M的夹角45°。加热箱18底板正中央方形开口的底面两侧安装滑轨16，安装在齿条15上的滑块14与其配合，齿条15的背面安装工作台17，工作台17上放置工件27 ； 与齿条15啮合的齿轮7安装在传动轴8上，所述齿轮7的两侧装有挡板12。传动轴8的另一端穿过加热箱18、圆柱形箱体5与电机减速机连接，支架22 —端的转动轴承10内安装传动轴8，支架22的另一端与直线运动机构相连接。转动轴承10安装在法兰盘9内，法兰盘 9的端面用密封盖11密封，法兰盘9与圆柱形箱体5之间安装波纹管21。实施例2图6、7、8是本发明公开的第二个实施例，所述可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱主要加工回转工件。该实施例与实施例1的结构基本相同，拆除加热箱18中的齿轮7、齿条15和工作台17，在加热箱18内的传动轴8的一端通过联轴器安装需要表面熔覆的回转工件19。工作过程首先装上激光头23与送粉管对，调节送粉管M将粉末焦点调整到与激光焦点重合，然后将密封套筒3、隔热箱2、圆形上盖1通过螺栓连接。将加热箱18放置到惰性气氛箱的密封圆筒5内，接着将圆形上盖1套在密封圆筒5的密封法兰上。随激光头23做沿Z 轴运动时，圆形上盖1内壁与密封圆筒5上的密封圈4形成滑动密封。当连接完成后，先抽气，然后冲入Ar气，如此反复，当用氧分析仪测量箱内氧含量小于lOOppm，同时热电偶观测量箱内的温度达到设定温度后，即可开始金属复合材料、梯度结构材料的制备或金属零件的激光快速成形。四轴激光数控加工平台的工作台与支架22相连，带动支架22做直线运动。支架 22的另一端安装有法兰盘9、转动轴承10，转动轴承10端面用密封盖11密封。传动轴8穿过转动轴承10伸入到圆柱形箱体5内，其一端用键连接齿轮7，齿轮7与齿条15啮合，用以将旋转运动转化为直线运动。电机减速机放在四轴激光数控加工平台上，传动轴8被夹持在做旋转运动的电机减速机上。当4轴激光数控加工平台的工作台带动支架22按图示箭头做直线运动时，齿轮7通过两侧的圆形挡板12带动齿条15、工作台17也做直线运动，两个直线运动合成使工作台17做平面运动。 当需要做回转体工件时，需要表面熔覆的回转工件19通过联轴器与传动轴8连接，并且直接将回转工件19伸入到加热箱18内，传动轴8的一端夹持在做旋转运动的电机减速机上，电机减速机转动时，传动轴8带动回转工件19做旋转运动。当支架22带动传动轴8做直线运动时，则回转工件19做轴向直线运动，因此可以将回转工件19激光成形为厚
壁盘类零件。
权利要求
1.一种可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，所述成形箱包括加热箱(18)、 惰性气氛保护箱及温度控制装置，其特征是所述加热箱(18)的四周为双层结构，其前后内壁装有加热板(13)，加热箱(18)放置在支架(6)上；所述惰性气氛箱的圆形上盖⑴下表面焊接圆形外筒(3)和方筒(2)，所述方筒(2)设置在圆形外筒(3)之内，圆形上盖(1) 的上表面焊有冷却水管(29)，圆形外筒(3)与圆柱形箱体(5)之间设置密封圈(4)，圆柱形箱体(5)的侧面下部设置充气孔(25)，在圆形上盖(1)上位于圆形外筒(3)和方筒(2)之间设置抽气测氧孔(26)，方筒(2)的上表面设置热电偶(28)；圆形上盖(1)的中心孔内安装激光头(23)，激光头(23)的两侧分别对称安装两个送粉管(24)；加热箱(18)底板正中央方形开口的底面两侧安装滑轨(16)，安装在齿条(15)上的滑块(14)与其配合，齿条(15) 的背面安装工作台(17)，工作台(17)上放置工件(27)；与齿条(15)啮合的齿轮(7)安装在传动轴(8)上，传动轴(8)的另一端穿过加热箱(18)、圆柱形箱体(5)与电机减速机连接，支架(22) —端的转动轴承(10)内安装传动轴(8)，支架(22)的另一端与直线运动机构相连接。
2.根据权利要求1所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 所述加热箱(18)四周双层结构内填充石棉。
3.根据权利要求1所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 所述两个送粉管(24)的夹角为45° -60°。
4.根据权利要求1所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 所述转动轴承(10)安装在法兰盘(9)内，法兰盘(9)的端面用密封盖(11)密封，法兰盘 (9)与圆柱形箱体(5)之间安装波纹管(21)。
5.根据权利要求1所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 所述齿轮(7)的两侧装有挡板(12)。
6.一种根据权利要求1所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是所述加热箱(18)的四周为双层结构，其前后内壁装有加热板(13)，加热箱(18)放置在支架(6)上；所述惰性气氛箱的圆形上盖(1)的下表面焊接圆形外筒(3)和方筒(2)，圆形上盖1的上表面焊有冷却水管(29)，所述方筒(2)设置在圆形外筒(3)之内，圆形外筒(3) 与圆柱形箱体(5)之间设置密封圈(4)，圆柱形箱体(5)的侧面下部设置充气孔(25)，在圆形上盖(1)的圆形外筒(3)和方筒(2)之间设置抽气测氧孔(26)，方筒(2)上表面设置热电偶(28)；圆形上盖(1)的中心孔内安装激光头(23)，激光头(23)两侧的圆形上盖(1)上分别对称安装两个送粉管(24)，两个送粉管(24)的夹角45° -60° ；传动轴(8) —端穿过圆柱形箱体(5)、加热箱(18)在其端部安装回转工件(19)，其另一端与电机减速机连接；支架(22) —端的转动轴承(10)内安装传动轴(8)，支架(22)的另一端与直线运动机构相连接。
7.根据权利要求6所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 所述加热箱(18)四周双层结构内填充石棉。
8.根据权利要求6所述的可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，其特征是 转动轴承(10)安装在法兰盘(9)内，法兰盘(9)的端面用密封盖(11)密封，法兰盘(9)与圆柱形箱体(5)之间安装波纹管(21)。
全文摘要
本发明公开一种可控环境温度惰性气氛激光材料制备与成形箱，所述加热箱(18)的四周为双层结构，其前后内壁装有加热板(13)。所述圆形上盖(1)的中心孔内安装激光头(23)，激光头(23)的两侧分别对称安装两个送粉管(24)。齿条(15)的背面安装工作台(17)，工作台(17)上放置工件(27)。与齿条(15)啮合的齿轮(7)安装在传动轴(8)上，传动轴(8)的另一端穿过加热箱(18)、圆柱形箱体(5)与电机减速机连接，支架(22)的另一端与直线运动机构相连接。本发明通过两层箱体的设计，解决了高温密封的难题。由于在不同的温度下进行激光快速成形可产生不同的组织，从而达到通过控制温度来控制零件的组织性能。本发明可实现易氧化、热应力大以及塑性较差的金属材料的激光快速成形，并且拓宽了激光制备与快速成形金属的种类。
文档编号B23K26/12GK102151987SQ20111002478
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者席明哲, 赵伟, 马鹏辉, 高士友 申请人:燕山大学