一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩技术

本发明专利技术提供了一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩，该方法包括如下步骤：采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接；在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气将空气由保护罩内完全驱逐出去；在工作时，保护罩随激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。本发明专利技术能够省去舱室和真空机组，不仅大幅降低设备造价，减轻了设备的重量，而且彻底改变舱式设备的设计模式和结构，加工空间不受体积限制，充气时间短，轻便灵活，方便运输。

【技术实现步骤摘要】
一种激光增材制造或再制造随形保护方法及保护罩
本专利技术涉及激光加工领域，特别是涉及一种能够随激光熔覆头移动以使激光熔池始终处于氦气保护下的激光增材制造或再制造随形保护方法，以及应用于该方法的保护罩。
技术介绍
激光增材制造或激光再制造技术利用激光将金属粉末熔化，在工件表面形成熔池，在三维成形软件和机器人的驱动下，激光熔池逐点凝固、逐层堆积成形。由于金属材料熔点较高，为避免氧化、氮化，激光熔池必须与空气隔离，处在惰性气体保护环境中。目前，激光增材制造/再制造成套设备一般都采用舱式结构，将机械运动系统、激光送粉系统等子系统封闭在舱室内，通过给舱室充氩气进行保护。充气方式一般有两种，一种是先抽真空，再充氩气；第二种是从舱室底部充入氩气，利用氩气密度较大的特性，将空气或激光熔化粉末时产生的烟气等密度较低的气体从底部驱逐到舱室的顶部，通过顶部出口排除或抽出。以有效加工体积800mm×500mm×400mm＝0.16m3的设备为例，其舱室容积约为10米3，采用第一种方法，构建保护环境所用的时间约50分钟。这不仅要配置真空机组，还需要较厚的钢板制造外壳，以承受因抽真空造成的巨大的内外压差，因而设备笨重，体积较大，不利于快速保障运输。采用第二种方法，虽然对设备外壳的要求不高，也无需真空机组，但是，其排气速率约为0.65米3/小时，10米3空间约耗时15小时，不仅做不到快速反应，在日常生产中也难以接受。即使是加工过程中，通过隔离箱更换小型工件，也需要几分钟甚至十几分钟的建立环境的时间，而对于大型结构件，必须开舱门重新充气。总之，无论采用哪种充气方式，都会带来设备笨重、充气时间长等问题。其次，加工空间受到舱室体积的限制。以一种移动式激光增材制造/再制造装备为例，其外形尺寸为2800mm×3200mm×2900mm，有效加工空间为800mm×600mm×500mm。目前通用的运输方舱外形尺寸约为6100mm×2500mm×2500mm。相应成套设备的有效加工空间大约只有800mm×500mm×400mm。这显然不能满足大型工件，特别是细长轴类件的修复需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种能够随激光熔覆头移动以使激光熔池始终处于氦气保护下的激光增材制造或再制造随形保护方法，以及应用于该方法的保护罩。特别地，本专利技术提供一种激光增材制造或再制造随形保护方法，包括如下步骤：步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；步骤400，在工作时，保护罩随激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，然后将检测信号分别传送给氮气分析仪和氧气分析仪，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。在本专利技术的一个实施方式中，所述非圆筒型保护罩与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤400中，氮气探测头和氧气探测头的安装位置低于被加工工件上激光熔池的位置。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤100中的保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。在本专利技术的一个实施方式中，提供一种激光增材制造或再制造使用的保护罩，所述保护罩为内凹的一端开口的结构，通过顶部与激光熔覆头密封安装，开口端朝下且其底边位于同一水平面上；在所述保护罩的顶部设置有向所述保护罩内充入氦气的充气孔；在所述保护罩的底边附近对称安装有检测所述保护罩内氮气含量和氧气含量的氮气探测头和氧气探测头，氮气探测头和氧气检测头分别连接有相应的分析仪，分析仪反馈信号与氦气储存设备的控制阀门连接。在本专利技术的一个实施方式中，所述非圆筒型保护罩与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。在本专利技术的一个实施方式中，所述保护罩为透明或不透明的阻燃材料制作；所述阻燃材料为尼龙布、钢板或铅箔。在本专利技术的一个实施方式中，所述保护罩的耐热温度至少不低于150摄氏度。在本专利技术的一个实施方式中，所述保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。在本专利技术的一个实施方式中，所述氮气控制头和所述氧气探测头的安装位置低于被加工工件上的激光熔池位置，且所述氧气探测头和所述氮气探测头距底边沿的距离不小于30mm，伸入保护罩内的长度不小于200mm。本专利技术在激光熔覆头上安装一个可随其一起运动的保护罩，将激光熔池扣在保护罩内，使激光熔池处于保护罩底边所在水平面之上一定的位置，从保护罩顶部向保护罩内充氦气，利用氦气密度比空气、烟气都轻的特点，用“轻气”驱逐(排挤)“重气”，将各种杂质气体从保护罩底部排出，在保护罩侧面底边附近特定位置布置若干氮、氧探测头，测量这些位置的氮气、氧气含量，通过氮、氧分析仪反馈控制氦气的充气阀门，使氮气、氧气含量始终保持在规定值以下，使激光熔池及其周边区域始终处在氦气保护环境中。本专利技术能够省去舱室和真空机组，不仅大幅降低设备造价，减轻了设备的重量，而且彻底改变舱式设备的设计模式和结构，加工空间不受被加工工件体积限制，充气时间短，轻便灵活，方便运输，特别有利于快速反应。附图说明图1是本专利技术一个实施方式的方法流程示意图；图2是本专利技术一个实施方式中保护罩安装探测头的结构示意图；图3是本专利技术一个实施方式中保护罩的工作状态示意图；图4是本专利技术一个实施方式中保护罩针对棒状加工件时的工作状态示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一个实施方式的激光增材制造或再制造随形保护方法，一般性地包括如下步骤：步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；该保护罩的形状可以为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。激光熔覆头也可以是电焊头。保护罩的尺寸可以在Φ700×400mm左右。步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；氦气可以对激光熔池进行保护，避免受到其它气体的影响。氦气的密度比空气小，因此，可以利用氦气由保护罩的上部逐渐向下端的开口方向将保护罩内的空气完全驱逐出去，保护罩形成一个充满氦气的保护仓。步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；充气口可以直接与带有控制开关的氦气储存设备连接，并在开始激光熔覆前为保护罩提供氦气。步骤400，在工作时，保护罩与激光熔覆头一起移动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，然后将检测信号分别传送给氮气分析仪和氧气分析仪，通过检测信号反馈控制阀门，最终使氮气、氧气低于规定值。该步骤中的氮气探测头和氧气探测头用于检测保护罩内的氮气和氧气含量，然后将测量信息传送给相应的氮气分析仪和氧气分析仪，当相应的气体含量超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；步骤400，在工作时，保护罩随激光熔覆头一起运动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，采用一面开口的内凹型保护罩与激光熔覆头密封连接，保护罩的开口朝下且其底边位于同一水平面；步骤200，在保护罩的顶部设置向内部充入氦气的充气口，并通过充气口和设置有阀门的氦气存储设备连接；步骤300，在工作前，先由充气口向保护罩内充入氦气，利用氦气比空气密度小的特点使氦气由保护罩的内顶部向下逐步将空气从保护罩内驱逐出去；步骤400，在工作时，保护罩随激光熔覆头一起运动，并利用对称安装在保护罩底边附近的氮气探测头和氧气探测头，对保护罩内的氮气和氧气含量进行检测，通过检测信号反馈控制氦气的充入量，最终使氮气、氧气低于规定值。2.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，所述保护罩为非圆筒型，其与自身运动方向垂直方向上的两个对称底边为柔性边，并可在与被加工工件接触时产生柔性变形。3.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，所述步骤400中，氮气探测头和氧气探测头的安装位置低于被加工工件上的激光熔池位置。4.根据权利要求1所述的激光增材制造或再制造随形保护方法，其特征在于，所述步骤100中的保护罩的形状为钟罩型、圆筒型、长方体型、正方体型或伞型中的一种。5.一种激光增材制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正阳，蒋华臻，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11