钛合金激光修复系统设计

1 钛合金激光修复系统设计

钛合金激光修复系统是实现钛合金激光修复技术的发展和产业应用的首要环节, 也是最为重要的一个环节。一般来说, 钛合金激光修复成形系统由激光器、惰性气体动态保护系统、执行机构、送粉系统、质量控制系统及控制软件六个模块构成。

1.1 激光器的选择

在实际激光加工系统中选择合适的激光器, 是一个非常重要的问题。选择合适的激光器不但会减低激光加工工艺设计和实施的难度, 而且还可以使整个系统获得最高的性价比。在激光器选择方面应该着重考虑以下几个方面[1]。

根据激光加工工件材料的特性 (工件材料、尺寸、热导率、加工要求和激光反射率等) , 考虑激光器的激光波长、激光功率、光束模式和光束质量等。

根据生产现场的环境条件, 考虑激光器稳定性、体积大小、可靠性、使用寿命、维修和调整的方便性。

根据激光加工系统的柔性需求, 考虑光纤传输的距离和光束质量, 以及便携性和兼顾可靠性。

根据采购商的实力, 综合考虑投资额度和后期运行费用。

考虑设备销售商的综合实力, 包括经济实力、技术实力、生产实力、质量保障体系、可信程度和售后服务。

设备易损部件 (光学镜片、加工头等) 和易耗品 (金属粉末、吸光涂料等) 的来源是否有保障, 供应渠道是否畅通;以及是否提供激光加工工艺技术支持等。

目前, 工业上大量使用的激光加工用激光器的性能指标列于表1。

通过表1比较, CO2激光器、Nd:YAG激光器及光纤激光器均可用于钛合金激光修复系统之中, 从经济性考虑本文选择CO2激光器做为能量源。

1.2 冷却系统设计

冷却系统是专为整个激光修复系统设计的制冷换热设备, 冷却系统的稳定性、安全性、可靠性直接影响到制造系统的稳定性、安全性和可靠性, 是影响激光快速成形产品质量的重要因素之一[2]。

本文所设计的激光修复系统统冷却系统采用双压缩机冷水机组, 冷却能力50000大卡, 冷却塔放在室外通风处。冷却水箱分常温水箱和冷却水箱, 出水口接冷却水箱回水接常温水箱, 二个水箱之间由压缩机实现循环冷却, 水箱介质为去离子水。

1.3 惰性气体保护装置设计

钛及钛合金的化学性质非常活泼, 与空气中的氧、氮、碳等杂质具有很强的亲和力。在不同的温度下钛合金表面将形成不同结构和性质的氧化膜。钛合金在激光快速成形过程中, 熔池及热影响区在激光的高温照射作用下, 极易氧化, 将严重影响沉积层的性能。按现有同轴吹保护气的方式来进行保护, 但是试验的效果都不理想, 成形件氧化严重。因此本文设计一套真空防氧化设备, 使试验在真空环境下或者在高纯度的惰性保护气环境下进行, 防止钛合金激光成形件被O、C、N、H等元素污染。激光快速成形动态惰性气体保护系统由真空箱、真空获得系统、充排气系统等部分组成。

1.4 送粉装置设计

钛合金激光修复过程中粉末流的控制是影响激光修复质量的重要因素之一, 因此送粉系统是激光修复系统的一个重要组成模块。送粉系统由送粉器、混粉器和送粉嘴三部分组成。

这里设计的送粉装置, 应用机械理论和气动原理, 针对功能梯度材料激光快速成形技术的需求, 研制了一种集成控制高精度三料仓载气式刮吸送粉器。根据正压式气体粉末输送理论与特点, 落粉送粉采用刮吸方式;进粉采用气动流化进粉, 即承粉转盘凹槽内的粉末颗粒由气动流化产生运动由进粉嘴输送出去。运动部件由步进电机提供动力, 采用大减速比的蜗轮蜗杆传递运动, 提高承粉转盘的转动稳定性和运行精度。系统控制采用可编程运动控制卡控制, 由计算机集成程序统一控制。

1.5 导光路设计

本文所设计的光路系统主要由空气传输通道, 反射部分和单透镜聚焦部分组成, 采用三级反射是由于激光器一机多用, 既可将光束传输到保护箱内进行控制气氛条件的加工, 又可将光束传到开放式数控工作台上进行加工。其中3个45°反射镜为铜镜, 经实验测定, 随铜镜反射表面的清洁程度不同, 每块铜镜反射率在95%左右。聚焦透镜上方加装光阑是对光束横模进行选择, 并保证光束落在聚焦透镜工作面以内。聚焦透镜采用砷化镓平凸镜, 砷化镓对波长为10.6μm的激光有较高的透射率, 在波长为10.6μm激光照射下, 体吸收系数≤0.01cm-1。

摘要：目前, 国内外钛合金激光修复技术的研究尚处于萌芽阶段, 研究还没有形成系统化, 仍然有很多关键技术需要进行深入细致的研究。特别是钛合金激光加工修复系统仍然是一个亟待解决的难题, 激光修复系统是激光修复技术发展的基础和关键, 也是完成钛合金激光修复的关键。本文设计了一套专用于钛合金激光修复的加工系统, 希望本文的研究可以为破解我国钛合金激光修复难题做出贡献。

关键词：钛合金,激光修复,系统设计

参考文献

[1] 王智勇.飞行光学导光系统中的光学理论和设计[J].激光与光电子学进展, 2010, 34 (12) :10～14.

[2] 陶晔, 陈树明, 赵志超.大功率激光切割机的导光系统设计要点[J].锻压装备与制造技术, 2010 (5) :46～47.

[3] 罗涛.载气式超细粉末送粉器研制.硕士学位论文[D].天津工业大学, 2009 (1) .