【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光填粉焊接，具体涉及一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置。
技术介绍
1、异质材料连接能最大程度发挥材料各自的优良性能，在机械、化工、石油、天然气、电子、医疗器材、航空航天等领域具有广阔的应用前景。但材料的物理、化学性能差异较大，界面润湿及相容困难，在界面反应过程中容易出现界面反应复杂、界面脆性化合物生成过量等难题，同时生成的金属间脆性相容易导致接头应力集中开裂，严重影响接头连接质量。
2、目前常采用真空钎焊、扩散焊、爆炸焊、熔焊、超声波钎焊等方法，但工件尺寸较小、加工自动化程度较低。激光焊接作为一种新兴的焊接技术，凭借其焊接变形量小、热影响区小、加工范围广等优势，与常规焊接方法相比，有着无法取代的独特地位。激光填丝焊接中硬质材料及高强合金的焊丝校直存在困难，受困于送丝机构精度和稳定性，容易发生粘丝、顶丝等问题影响焊接质量，大量应用受到限制。因此亟需开发一种难焊材料连接装置，本专利技术提出激光填粉过渡焊接方法，解决难焊材料接头强度低、界面缺陷多等问题。
技术实现思路
1、针对于上述现有技术的不足，本专利技术提供一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，该方法能够实现难焊材料填粉焊接过程自动化，并柔性调控接头成分，动态调节焊接参数，优质高效地实现难焊材料接头连接。
2、为了达到上述目的，本专利技术的具体技术方案如下所述：
3、一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，用于对不同材料、不同坡口尺寸的难
4、填粉装置(1)用于焊接时激光、粉末控制，所述填粉装置(1)包括送粉头(11)及粉末口1(12)、粉末口2(13)、粉末口3(14)、水冷口(15)；送粉头中间加工有激光通路用于传输激光，侧面加工不同长度的粉末通路，一定时间内通过粉末口1(12)、粉末口2(13)、粉末口3(14)的粉末量不同，利用该结构调节接头成分，下方加工有水冷口(15)，连接水冷装置(4)实现焊接过程冷却；
5、控制装置(2)可根据当前接头尺寸计算下一道焊缝工艺参数(激光功率p，焊接速度v，送粉量f，粉末配比γ)，同时自主优选适宜的焊接粉末，所述控制装置(2)包括激光轮廓测量仪(21)与决策系统(22)；利用激光轮廓测量仪(21)扫描获取当前焊缝宽度l，决策系统(22)负责将焊缝化整为零计算焊接参数与优选粉末；
6、送粉装置(3)用于调节送粉量f与粉末配比γ，所述送粉装置(3)包括混粉器(31)与粉末罐体1(32)、粉末罐体2(33)、粉末罐体3(34)；混粉器(31)用于调节送粉量f，粉末罐体1(32)、粉末罐体2(33)、粉末罐体3(34)用于盛装不同粉末，用于调节粉末配比γ；
7、水冷装置(4)用于焊接过程焊接头冷却，包括水冷机组(41)；
8、激光发生装置(5)用于焊接时产生激光，包括激光器(51)；
9、所述填粉焊接方法，包括如下步骤：输入母材a、b成分，自主优选适宜中间元素x粉末；焊前激光轮廓测量仪(21)扫描焊缝宽度l，由决策系统(22)计算焊接工艺参数；将下一道焊缝化整为零，分多次柔性焊接，每次焊接时逐渐调节粉末配比γ；重复上一步骤直至完成焊缝填充；
10、所述自主优选算法建立方法为：选择母材a、b中主要合金元素，记为a、b；采用factsage软件计算合金元素a、b相图，得到凝固状态下相组成，判断是否存在金属间化合物；若不存在金属间化合物则选择通用粉末焊接，若存在金属间化合物，则添加中间元素x计算a-b-x相图，判断是否存在金属间化合物；重复上一步骤，若循环5次后仍未得到元素x，则以金属间化合物含量升序选择元素x。
11、优选的，所述送粉头(11)中心开通孔，上部连接光纤传输激光，送粉头(11)外壁由上到下开粉末口1(12)、粉末口2(13)、粉末口3(14)，每隔90°开3个粉末口，共计12个粉末口，送粉头(11)下壁开2个水冷口(15)，呈中心对称分布。
12、优选的，所述送粉头(11)同一方向粉末口呈上中下排列，在气体流量不变情况下，单位时间内到达熔池的粉末量不同，由多到少依次为粉末口3(14)＞粉末口2(13)＞粉末口1(12)，利用该结构可调控焊缝成分。
13、优选的，所述激光轮廓测量仪(21)采用线激光测量仪，利用发射器将平行激光投射到待测物体表面上，通过测量仪的移动，采集激光信号，实现焊缝轮廓信息提取。
14、优选的，所述根据焊缝轮廓信息计算方法为：母材a、b的粉末密度分别为ρa、ρb，中间元素x的粉末密度为ρc，焊接消耗粉末体积分别为va、vb和vc，送粉量分别为fa、fb和fc均为混粉器设置参数，单位时间内送粉质量m为m＝η(fa+fb+fc)，其中η为粉末利用效率，则单位时间焊缝横截面积s0表达式为设焊缝轮廓线为抛物线，则抛物线所围成的面积s1表达式为(sf为焊缝宽度，d为焊缝高度)，填粉焊接形成的横截面s与抛物线面积近似相等，有s0＝s1，则焊缝宽度为用户设置焊缝高度d，决策系统计算焊缝宽度sf；结合激光轮廓测量仪(21)得出的当前焊缝宽度l，有得出需要填充的焊缝道数n。
15、优选的，混粉器中配备三个粉末罐体用于盛装不同粉末，可通过混粉器调节送粉量fa、fb和fc，消耗粉末体积由罐体刻度读取va、vb和vc，粉末配比γ定义为一次焊接任务中向焊缝填充的中间元素x的粉末质量：母材a的粉末质量：母材b的粉末质量，不难发现γ＝ρcvc∶ρava∶ρbvb。
16、优选的，送粉头(11)与激光轮廓测量仪(21)共同安装在焊接机械臂，送粉头(11)在前，激光轮廓测量仪(21)在后，中间通过不锈钢双头螺栓钻孔连接固定，确保构件连接稳定。
17、本专利技术带来的有益技术效果为：
18、针对当前异种材料在物理、化学性能差异较大，界面润湿及相容困难，在界面反应过程中容易出现脆性金属间化合物生成等因素导致异种材料焊接接头质量低的问题，提出了一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，通过建立自主优选算法，筛选适宜的中间元素粉末，并建立了焊前扫描焊缝获取尺寸信息，化整为零动态调整粉末配比的方法，进而获得了成分梯度变化的激光填粉焊接接头，并且缓释了金属间化合物引起的应力集中。本专利技术可根据焊接材料成分的不同，将材料分为难焊材料与普通材料，调整焊接用粉末的类型，以完成针对难焊材料与普通材料的梯度焊缝，并对焊接接头进行尺寸信息提取，规划焊接次数与工艺，以实现激光填粉自动焊接，最终得到性能优异、制造周期短的难焊材料连接产品。
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1.一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，用于对不同材料、不同坡口尺寸的难焊材料进行自动的、柔性的梯度激光填粉焊接，其特征在于，包括：
2.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述送粉头(11)中心开通孔，上部连接光纤传输激光，送粉头(11)外壁由上到下开粉末口1(12)、粉末口2(13)、粉末口3(14)，每隔90°开3个粉末口，共计12个粉末口，送粉头(11)下壁开2个水冷口(15)，呈中心对称分布。
3.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述送粉头(11)同一方向粉末口呈上中下排列，在气体流量不变情况下，单位时间内到达熔池的粉末量不同，由多到少依次为粉末口3(14)＞粉末口2(13)＞粉末口1(12)，利用该结构可调控焊缝成分。
4.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述激光轮廓测量仪(21)采用线激光测量仪，利用发射器将平行激光投射到待测物体表面上，通过测量仪的移动，采集激光信
5.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述根据焊缝轮廓信息计算方法为：母材A、B的粉末密度分别为ρA、ρB，中间元素x的粉末密度为ρC，焊接消耗粉末体积分别为VA、VB和VC，送粉量分别为FA、FB和FC均为混粉器设置参数，单位时间内送粉质量M为M＝η(FA+FB+FC)，其中η为粉末利用效率，则单位时间焊缝横截面积S0表达式为设焊缝轮廓线为抛物线，则抛物线所围成的面积S1表达式为(Sf为焊缝宽度，D为焊缝高度)，填粉焊接形成的横截面S与抛物线面积近似相等，有S0＝S1，则焊缝宽度为用户设置焊缝高度D，决策系统计算焊缝宽度Sf；结合激光轮廓测量仪(21)得出的每层接头宽度L，有得出需要填充的焊缝道数n。
6.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，混粉器中配备三个粉末罐体用于盛装不同粉末，可通过混粉器调节送粉量FA、FB和FC，消耗粉末体积由罐体刻度读取VA、VB和VC，粉末配比γ定义为一次焊接任务中向焊缝填充的中间元素x的粉末质量：母材A的粉末质量：母材B的粉末质量，因此有γ＝ρCVC∶ρAVA∶ρBVB。
7.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，送粉头(11)与激光轮廓测量仪(21)共同安装在焊接机械臂，送粉头(11)在前，激光轮廓测量仪(21)在后，中间通过不锈钢双头螺栓钻孔连接固定，确保仪器连接稳定。
...【技术特征摘要】
1.一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，用于对不同材料、不同坡口尺寸的难焊材料进行自动的、柔性的梯度激光填粉焊接，其特征在于，包括：
2.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述送粉头(11)中心开通孔，上部连接光纤传输激光，送粉头(11)外壁由上到下开粉末口1(12)、粉末口2(13)、粉末口3(14)，每隔90°开3个粉末口，共计12个粉末口，送粉头(11)下壁开2个水冷口(15)，呈中心对称分布。
3.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述送粉头(11)同一方向粉末口呈上中下排列，在气体流量不变情况下，单位时间内到达熔池的粉末量不同，由多到少依次为粉末口3(14)＞粉末口2(13)＞粉末口1(12)，利用该结构可调控焊缝成分。
4.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述激光轮廓测量仪(21)采用线激光测量仪，利用发射器将平行激光投射到待测物体表面上，通过测量仪的移动，采集激光信号，实现焊缝轮廓信息提取。
5.如权利要求书1所述的一种面向梯度微结构的激光填粉焊接粉末设计方法及装置，其特征在于，所述根据焊缝轮廓信息计算方法为：母材a、b...
【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，程立宏，马超，王建峰，李悦，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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