一种螺杆激光熔覆同步振动的装置与方法

1.本发明属于轴类件激光加工技术领域，具体涉及一种螺杆激光熔覆同步振动的装置与方法，利用本发明装置与方法可以改善螺杆件激光熔覆层残余应力。


背景技术：

2.螺杆应用较为广泛尤其在塑料成型设备中，是塑料成型设备的核心部件。通常螺杆件在运行时需要承受很高的注射压力、较高的温度以及塑料填料的磨损，因此极易造成螺杆表面损伤失效。当达到一定磨损量时会影响螺杆使用寿命，运行时稳定性较差，甚至严重影响注塑机运行安全，造成螺杆件报废。由于一根大型螺杆转子制作工艺复杂、精度等级高、生产周期长、制造成本大，替换整根螺杆转子对企业的影响无疑是巨大的，因此对螺杆件表面磨损进行再制造修复可以大幅度降低企业生产成本、提高生产效率。
3.激光熔覆技术是利用一定功率密度的激光束作用在预先涂覆在金属表面或者或同步送入的具有某种功能性材料(通常以粉末，细丝等形式)上，在金属表面形成一层具有低稀释率并具有良好的冶金结合的熔覆层，从而达到改善金属表层性能的目的。激光熔覆技术可以有效实现零部件的修复，然而，激光熔覆技术在修复零部件的同时存在着亟待解决的缺陷：1)在激光熔覆修复过程中会导致层间存在较大的温度梯度将导致修复层内部形成裂纹和气孔；2)激光熔覆具有快速升温和冷却的特点，修复层内部极易产生残余应力；3)修复层内部晶粒尺寸不均匀，导致工件性能差异大。
4.针对上述缺陷，国内外学者已采用超声振动辅助激光熔覆进而改善熔覆层性能。范益等人将超声作用振动和激光熔覆装置并排设置，在激光熔覆过程中，超声装置位于熔覆区后方，振动通过在材料向熔池传输，从而降低熔覆表面残余应力，细化晶粒。梁栋等人通过法兰盘将超声装置固定于机器人下端，利用空气作为载体将超声振动传至熔覆层熔池，进而获得高性能的修复件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种螺杆激光熔覆同步振动的装置与方法，通过该装置在激光熔覆过程中辅助同步振动，改善熔覆层内部残余应力，抑制裂纹和气孔，细化晶粒，提高激光熔覆层性能。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种螺杆激光熔覆同步振动的装置，包括：激光器、机械臂、熔覆装置、超声振动装置；
8.熔覆装置包括激光熔覆头和送粉器；
9.超声振动装置包括超声发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声作用头；
10.激光器与激光传递光纤的一端连接，激光传递光纤的另一端连接机械臂，机械臂的工作端设有连接板，熔覆装置和超声振动装置同步设置于连接板上。
11.进一步，连接板通过法兰与激光熔覆头的筒身连接，并且连接板上开设t型槽，超
声振动装置顶部设有梯形螺杆，超声振动装置通过梯形螺杆连接于连接板t型槽内，并通过连接板两侧螺母调节来实现超声振动装置的水平方向滑移，以及上下高度调整。
12.进一步，超声发生器通过电缆线与超声换能器进行连接，超声换能器与超声变幅杆通过可调节螺钉螺母连接，根据需要通过调整螺钉螺母角度从而调整超声变幅杆角度方向，超声作用头一端固定于超声变幅杆上，另一端作用于熔覆区侧面。
13.进一步，超声振动装置的振动频率为50～400hz，振幅为20～200μm，根据实际对象和需要，可通过振动控制系统实现对振动频率和振幅在给定范围内的调整。
14.进一步，熔覆装置和超声振动装置均设有冷却水箱和冷却水动力装置。
15.一种螺杆激光熔覆同步振动的方法，所述方法为：
16.将螺杆待修复件置于激光熔覆头下，设置修复工作路径，将保护气管道通入惰性气体，调整超声振动装置的位置保证超声作用头与螺杆侧面接触；螺杆修复时，机械臂始终在水平方向移动，同时螺杆待修复件通过装置夹持并进行自转，结合这两种运动方式，超声振动装置以螺旋线的运动趋势始终紧贴于螺杆侧边，在熔覆过程中同步进行超声振动；
17.当螺杆修复工作结束时，需要将超声振动装置退出螺杆；此时通过松紧螺母、可调节螺钉螺母以及调整机械臂竖直z方向上的高度，使得超声振动装置顺利退出工作区域。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.本发明在激光熔覆过程中同步振动，超声振动距离熔池距离近，更加有效利用超声振动，进而有效降低熔覆层内部残余应力。
20.本发明通过激光熔覆与超声振动相结合应用于螺杆表面修复，有效地弥补了激光熔覆技术的缺陷，在激光熔覆时利用超声空化、声流等效应，大大降低熔覆层中残余应力，减少熔覆层裂纹和孔隙等缺陷，促进熔覆层组织细化，从而提高熔覆层性能。
附图说明
21.图1为本发明装置的三维示意图；
22.图标：1-筒身；2-连接螺钉；3-连接法兰；4-端盖；5-调节螺钉；6-下端盖；7-连接螺钉；8-连接螺栓；9-连接法兰；10-松紧螺母；11-t型螺杆；12-超声发生器；13-超声换能器；14-可调节螺钉螺母；15-超声变幅杆；16-超声作用头；17-连接板；18-同轴送粉管道；19-保护气管道；20-同轴送粉头。
23.图2为超声振动装置与连接板安装示意图。
24.图3为使用本发明装置进行螺杆修复的三维示意图。
25.图4为本发明装置在不同螺杆表面修复时超声装置调节示意图。
26.图5为现场修复螺杆三维示意图；
27.图标：21-激光器；22-机械臂；23-熔覆装置；24-超声振动装置；25-螺杆待修复件。
具体实施方式
28.下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
29.在本发明的描述中，前、后、左、右等方位词依附于实际扫描路径以及附图方位。沿着扫描路径向前的是“前”反之为“后”，其余方位以此类推。这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。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
32.实施例1
33.参考图1，本发明提供了一种螺杆激光熔覆同步振动的装置，包含：1-筒身；2-连接螺钉；3-连接法兰；4-端盖；5-调节螺钉；6-下端盖；7-连接螺钉；8-连接螺栓；9-连接法兰；10-松紧螺母；11-t型螺杆；12-超声发生器；13-超声换能器；14-可调节螺钉螺母；15-超声变幅杆；16-超声作用头；17-连接板；18-同轴送粉管道；19-保护气管道；20-同轴送粉头。
34.附图5为现场修复螺杆三维示意图，参考附图3所示，本实施例提供一种螺杆激光熔覆同步振动的方法及装置，所有装置工件的摆放位置如图3所示，实施方法包括安装调试及工作步骤。
35.安装步骤为：将上述零件依照附图2以及附图3所示装配，9-连接法兰通过螺钉与20-同轴送粉头连接固定，超声振动装置通过11-t型螺杆安装于17-连接板t型槽内。
36.调试步骤分为光粉同轴对中以及超声振动杆与螺杆侧壁接触。光粉同轴对中为：通过调整5-调节螺钉使得激光中心与送粉中心对准。所设连接法兰与筒身中有一细小间隙，通过旋转5-调节螺钉带动下方20-同轴送粉头移动，例如拧紧左侧调整螺钉同时拧松右侧调整螺钉会使得下方同轴送粉头向左移动，以此类推最终使得激光中心与粉末汇聚中心一致。
37.超声振动杆与螺杆侧壁接触按照实际螺杆修复需求进行调整，如附图2、附图4所示。当修复螺杆尺寸形状发生改变时，按照需要可以通过改变超声振动装置与螺杆表面接触位置。具体操作步骤如下：例如当修复宽度不一致时，我们可以调整10-松紧螺母来实现超声装置的水平方向滑移，以及控制超声装置的上下高度；然而当螺杆角度不一致时，需要调整超声振动装置角度，我们通过对14-可调节螺钉螺母进行调整，确保超声作用头能够有效与螺杆接触以保证在螺杆熔覆加工时该超声振动始终能够保持与熔覆过程位于同一平面且位于螺杆侧面。
38.参考附图4中所示，当面对不同尺寸螺杆修复时可以通过调节10-松紧螺母实现超声装置在平板上水平方向滑移，以及上下高度调整，通过14-可调节螺钉螺母能够调整超声振动杆与工件直接的接触角度。
39.工作步骤包括：将工件置于20-同轴送粉头下，设置修复工作路径，将19-保护气管道通入惰性气体，调整24-超声振动装置位置保证其与螺杆侧面接触。由于螺杆修复时，22-机械臂始终在水平方向移动，并且25-螺杆待修复件通过装置夹持并进行自转，因而，结合这两种运动方式，24-超声振动装置以螺旋线的运动趋势始终紧贴于螺杆侧边。
40.工作步骤还需注意：修复工作结束时，需要将24-超声振动装置退出螺杆。此时，通过10-松紧螺母、14-可调节螺钉螺母以及调整22-机械臂竖直z方向上的高度，使得超声装
置顺利退出工作区域。
41.该方法与装置所能带来的效果参见前述效益体现。
42.最后应说明的是：本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种螺杆激光熔覆同步振动的装置，其特征在于，所述装置包括：激光器、机械臂、熔覆装置、超声振动装置；熔覆装置包括激光熔覆头和送粉器；超声振动装置包括超声发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声作用头；激光器与激光传递光纤的一端连接，激光传递光纤的另一端连接机械臂，机械臂的工作端设有连接板，熔覆装置和超声振动装置同步设置于连接板上。2.如权利要求1所述的螺杆激光熔覆同步振动的装置，其特征在于，连接板通过法兰与激光熔覆头的筒身连接，并且连接板上开设t型槽，超声振动装置顶部设有梯形螺杆，超声振动装置通过梯形螺杆连接于连接板t型槽内，并通过连接板两侧螺母调节来实现超声振动装置的水平方向滑移，以及上下高度调整。3.如权利要求1所述的螺杆激光熔覆同步振动的装置，其特征在于，超声发生器通过电缆线与超声换能器进行连接，超声换能器与超声变幅杆通过可调节螺钉螺母连接，根据需要通过调整螺钉螺母角度从而调整超声变幅杆角度方向，超声作用头一端固定于超声变幅杆上，另一端作用于熔覆区侧面。4.如权利要求1所述的螺杆激光熔覆同步振动的装置，其特征在于，超声振动装置的振动频率为50～400hz，振幅为20～200μm，根据实际对象和需要，通过振动控制系统实现对振动频率和振幅在给定范围内的调整。5.如权利要求1所述的螺杆激光熔覆同步振动的装置，其特征在于，熔覆装置和超声振动装置均设有冷却水箱和冷却水动力装置。6.一种螺杆激光熔覆同步振动的方法，所述方法为：将螺杆待修复件置于激光熔覆头下，设置修复工作路径，将保护气管道通入惰性气体，调整超声振动装置的位置保证超声作用头与螺杆侧面接触；螺杆修复时，机械臂始终在水平方向移动，同时螺杆待修复件通过装置夹持并进行自转，结合这两种运动方式，超声振动装置以螺旋线的运动趋势始终紧贴于螺杆侧边，在熔覆过程中同步进行超声振动；当螺杆修复工作结束时，需要将超声振动装置退出螺杆；此时通过松紧螺母、可调节螺钉螺母以及调整机械臂竖直z方向上的高度，使得超声振动装置顺利退出工作区域。

技术总结
本发明公开了一种螺杆激光熔覆同步振动的装置与方法，该方法包括：将待修复试样置于激光器下进行激光增材修复操作，将超声振动装置调整位置位于螺杆侧方，根据实际对象和需要，调整振动频率和振幅，确保熔覆过程中超声振动能够同步进行；本发明装置为轻型外挂组件，在安装调试阶段仅需要将其用螺钉紧固于激光头筒身外即可；本发明使用超声同步振动方式，振动源距离熔池较近，更加有效利用超声振动能，进而有效降低熔覆层内部残余应力，减少熔覆层裂纹和孔隙等缺陷，同时能够细化晶粒尺寸大小，进而有效提高熔覆层性能。进而有效提高熔覆层性能。进而有效提高熔覆层性能。


技术研发人员：姚建华 俞学振 董刚 陈智君 张群莉
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/28