一种轴类零件的激光熔覆装置

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种轴类零件的激光熔覆装置。


背景技术：

2.激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既能满足对材料表面特定性能的要求，又可节约大量的贵重元素。
3.在传统的激光熔覆工艺中，通常是激光熔覆喷头沿被熔覆件(轴类)轴向移动、而被熔覆件只进行旋转，但激光熔覆喷头在移动过程中可能产生大幅振动，导致送粉不均等不良问题出现，当振动频率大时还需加装减震器，此外激光熔覆喷头喷出的粉末量较少，激光熔覆喷头在被熔覆件表面的走线呈“圆珠笔划线”般细小，如此一来，每次熔覆范围小、时间长，熔覆效率低下，且熔覆的连接部位性能较差，无法真正满足被熔覆件的使用要求。
4.现有技术中的激光熔覆工艺的轴类零件主要是直径较大的轴类件，大直径轴类零件在熔覆时，熔覆粉末在轴类零件表面停留的时间较长，激光光斑各部分与轴类零件表面的夹角变化不大，易于被熔覆，而相对较小直径(直径《20mm)的轴类零件，如照搬一般轴类零件的激光熔覆工艺，即便激光光斑很小，光斑内各部分激光与轴类零件表面的夹角差距也极大，从而导致熔覆质量差异较大，并且熔覆粉末与轴类零件表面接触的时间将很短，难以在短时间内被完全熔覆至金属圆棒表面，在激光熔覆轴类零件的过程中往往会造成许多贵重粉末的浪费。在易氧化金属熔覆过程中，整个装置必须与空气隔离，这对研究熔融金属的性能和熔覆层的力学性能十分重要。
5.此外，由于激光熔覆的骤冷骤热作用会使加工材料产生大的过热和过冷度，熔池凝固速度快，温度梯度高，产生的热应力也较高。较易引起熔层的开裂，特别是当熔覆材料熔点较高时，裂纹问题会更加严重。
6.在裂纹问题，通过在熔覆前对待加工工件进行预热，以及熔覆后对熔覆层进行退火处理能够有效降低熔覆层开裂的可能。传统技术中的预热退火加热方式包括电热炉加热、火焰加热、感应加热等，但上述加热方式会对整个基体进行持续加热，能耗较高，会导致基体的变形以及性能的大范围退化。
7.例如，现有技术公开了一种自动送粉激光-感应复合熔覆工艺方法及装置，它将激光和感应热源结合起来实现复合加工，不但激光熔覆效率大幅度提高，还能解决焊接性差、开裂敏感性高的合金材料在激光熔覆过程中易开裂难题。然而，激光-感应复合熔覆工艺方法沉积效率仍然偏低，导致成本偏高，在许多应用场合仍不能与传统工艺竞争。此外，激光-感应复合熔覆技术过程中，激光束作用于基体材料表面，使得部分基材和合金粉末同时熔化。随着感应加热使得基板预热温度升高，其对激光束的吸收率不断增大，导致激光-感应复合熔覆层的熔深比单纯激光熔覆层增大，熔覆层稀释率增大。因此，激光-感应复合熔覆
在解决熔覆层开裂问题的同时，会在一定程度上牺牲熔覆层的性能。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轴类零件的激光熔覆装置，通过椭圆装置来实现激光分束、整形以及密封并通过抽气装置对粉末进行回收，提高了轴类零件的熔覆效率、熔覆质量以及粉末的利用率。
9.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
10.一种轴类零件的激光熔覆装置，包括椭圆状壳体、锥形光学元件、旋转夹具和送粉机构；
11.所述椭圆状壳体的内部空腔分别安装锥形光学元件和旋转夹具，且所述锥形光学元件位于椭圆状壳体的第一焦点处；所述旋转夹具上安装工件，所述工件位于椭圆状壳体的第二焦点处，用于使工件在第二焦点处旋转；
12.激光束从椭圆状壳体的第一焦点处射入，通过锥形光学元件产生发散状的光束，利用椭圆状壳体的内部空腔反射到工件表面，用于使工件表面预热和熔覆；所述送粉机构用于给椭圆状壳体的内部空腔输送熔覆用的粉末。
13.进一步，还包括抽气装置，所述抽气装置安装在椭圆状壳体的第二焦点附近，且所述抽气装置位于旋转夹具下方，用于使椭圆状壳体的内部空腔保持真空状态。
14.进一步，所述椭圆状壳体包括椭圆状右壳体和椭圆状左壳体，所述椭圆状右壳体和椭圆状左壳体形成密封的椭圆形空腔，在椭圆形空腔的第二焦点处设有向外延伸的圆柱腔；所述圆柱腔内安装旋转夹具。
15.进一步，所述旋转夹具包括弹簧顶针和旋转卡盘，所述旋转卡盘夹紧所述工件一端，所述弹簧顶针支撑所述工件另一端。
16.进一步，所述圆柱腔处设有可视窗口，用于监控椭圆形空腔内的工件。
17.进一步，椭圆状壳体的第一焦点处壁面安装分光镜，用于激光束分为环形光斑，所述锥形光学元件为母线与轴线呈45
°
的锥形光学元件，用于将环形光斑转变成与壳体相平行且呈发散状的光束。
18.进一步，所述椭圆状壳体的内部空腔表面设有高功率激光反射膜。
19.进一步，所述椭圆状壳体上安装送粉喷嘴，所述送粉机构通过送粉喷嘴将粉末送入椭圆状壳体内；所述送粉喷嘴下端向工件安装位置倾斜，且所述送粉喷嘴的轴线与椭圆内腔的长轴相交于椭圆内腔第二焦点处，用于避免送粉喷嘴对激光束影响的同时使得粉末喷射到轴类零件上部表面。
20.进一步，在椭圆状壳体内壁设有冷却通道，用于对椭圆状壳体的内部空腔进行冷却。
21.本发明的有益效果在于：
22.1.本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，通过激光束从椭圆状壳体的第一焦点处射入，通过锥形光学元件产生发散状的光束，利用椭圆状壳体的内部空腔反射到工件表面，小部分光束分散在工件背面进行预热，大部分光束汇聚在工件正面面进行熔覆，将大大降低或消除因骤热骤冷，热应力较大而产生的裂纹问题。
23.2.本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，通过分光镜、锥形光学元件以及镀有
高功率激光反射膜的椭圆面将入射的二维圆形光斑变成三维发散状的环形光束，与工件的外表面相接触，极大地提高了激光利用率以及熔覆效率。
24.3.本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，将工件装夹装置固定于椭圆状置下部的圆柱腔内，通过光路固定，工件同时做回转直线运动，确保得到连接稳定地熔覆层，提高了熔覆质量。
25.4.本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，通过抽气装置实现真空/惰性气体环境下的激光熔覆，避免了熔覆过程中金属粉末、熔池的氧化，并可以通过抽气装置将排气口附近的粉末抽出，进行回收再利用，节约了熔覆成本。
26.5.本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，结构简单，不易损坏，专门轴类零件进行熔覆，可以得到稳定连续的熔覆层，熔覆效率提升百分之三十，粉末利用率提升百分之四十，整体工作效率、经济性、安全性以及实用性较高。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置侧面剖视图。
29.图2为本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置冷却通道示意图。
30.图3为本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置光路示意图。
31.图中：
32.1-冷却液入口；2-高功率激光反射膜；3-椭圆状右壳体；4-锥形光学元件；5-可视窗口；6-弹簧顶针；7-排气口；8-旋转卡盘；9-伸缩气缸；10-送粉喷嘴；11-椭圆状左壳体；12-分光镜；13-冷却液出口；14-冷却通道；15-工件。
具体实施方式
33.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.如图1所示，本发明所述的轴类零件的激光熔覆装置，包括椭圆状壳体、锥形光学元件4、旋转夹具、送粉机构和抽气装置；所述椭圆状壳体包括椭圆状右壳体3和椭圆状左壳体11，所述椭圆状右壳体3和椭圆状左壳体11形成密封的椭圆形空腔，所述椭圆形空腔内分别安装锥形光学元件4和旋转夹具，且所述锥形光学元件4位于椭圆状壳体的第一焦点处；在椭圆形空腔的第二焦点处设有向外延伸的圆柱腔；所述圆柱腔内安装旋转夹具。所述旋转夹具上安装工件15，所述工件15位于椭圆状壳体的第二焦点处，用于使工件15在第二焦点处旋转；
38.激光束从椭圆状壳体的第一焦点处射入，通过锥形光学元件4产生发散状的光束，利用椭圆状壳体的内部空腔反射到工件15表面，用于使工件表面预热和熔覆；所述送粉机构用于给椭圆状壳体的内部空腔输送熔覆用的粉末。所述抽气装置安装在椭圆状壳体的第二焦点附近，且所述抽气装置位于旋转夹具下方，用于使椭圆状壳体的内部空腔保持真空状态。
39.所述旋转夹具包括旋转电机、伸缩气缸9、弹簧顶针6和旋转卡盘8，所述旋转卡盘8夹紧所述工件15一端，所述弹簧顶针6支撑所述工件15另一端。所述旋转电机带动旋转卡盘8转动，所述旋转卡盘8用于夹紧工件15，所述伸缩气缸9带动旋转卡盘8直线移动。所述圆柱腔处设有可视窗口5，用于观察工件15熔覆状况或在外部安装温度测试系统通过可视窗口测量熔覆过程中工件15的表面温度。
40.椭圆状壳体的第一焦点处壁面安装分光镜12，用于激光束分为二维环形光斑，所述锥形光学元件4为母线与轴线呈45
°
的锥形光学元件，用于将环形光斑转变成与壳体相平行且呈发散状的光束，如图3所示。所述椭圆状壳体的内部空腔表面设有高功率激光反射膜2，用于将发散状的光束反射到第二焦点处的工件15表面，可极大提高了激光熔覆效率，并将激光分束，小部分光束分散在工件15背面进行预热，大部分光束汇聚在工件15正面区域进行熔覆，大大降低或消除因骤热骤冷、热应力较大而产生裂纹的问题。这里的工件15正面区域指的是金属粉末掉落方向的弧面，另一方向为工件15背面。
41.送粉机构包括送粉喷嘴10，所述椭圆状壳体上安装送粉喷嘴10，所述送粉机构通过氩气将粉末送入送粉喷嘴10，通过送粉喷嘴10将粉末送入椭圆状壳体内；所述送粉喷嘴10下端向工件15安装位置倾斜，且所述送粉喷嘴10的轴线与椭圆内腔的长轴相交于椭圆内腔第二焦点处，用于避免送粉喷嘴10对激光束影响的同时使得粉末喷射到工件15上部表面。
42.位于椭圆状左壳体11第一焦点的圆柱腔的下部设置抽气口7，用于连接抽气装置，将密封椭圆腔内的空气抽去形成真空，并将熔覆过程中掉落到抽气口7附近的粉末抽去进行回收。
43.如图2所示，在椭圆状壳体内壁设有冷却通道14，用于对椭圆状壳体的内部空腔进行冷却。在椭圆状壳体内壁两侧分别安装有冷却液入口1和冷却液出口13，可对整个熔覆装
置进行冷却，避免熔覆装置温度过高。
44.实施例：
45.首先将工件15为直径10mm、长度150mm的40cr阀芯轴件夹在卡盘8上，然后在弹簧顶针6对准阀芯轴线的基础上将椭圆状右壳体3盖合在椭圆状左壳体11上形成密封的椭圆腔体，弹簧顶针预留阀芯所需熔覆长度的伸缩量50mm。装夹完成后，通过排气口7处连接的抽气装置将椭圆腔内的空气全部抽出形成真空，随后打开冷却液输送开关，使冷却液在冷却通道中流通，打开送粉器以及氩气阀门通过氩气将fe901粉末从送粉喷嘴中喷出，打开激光器，通过分光镜12将导入的圆形激光变成最大直径3mm的二维环形光斑，导入的激光再经过母线与轴线呈45
°
锥形光学元件4以及在椭圆壳体内壁涂抹的高功率激光反射膜2反射垂直照射在阀芯圆周表面，形成直径10mm,宽度1.5mm的空间环形光斑，对装夹的工件15进行预热以及熔覆。当熔覆过程中未熔铁粉掉落到排气口7附近会被抽气装置回收，避免铁粉掉落到高功率激光反射膜2上，影响激光反射，同时避免了铁粉的浪费。通过控制旋转电机以及伸缩气缸9驱动阀芯绕自身轴线圆周转动以及轴线方向移动，形成稳定连接的螺旋状熔覆层，提高熔覆质量。整个熔覆装置结构简单，不易损坏，激光利用率达到百分之百，得到的熔覆层稳定连续，表面平整无缺陷，熔覆效率提高百分之三十，粉末利用率提升百分之四十，整体工作效率、经济性、安全性以及实用性较高。
46.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
47.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。