專利名稱：立式激光熔覆系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于各種不同應(yīng)用中的部件、諸如管和桶在不規(guī)則表面上的激光熔覆領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及熔覆或維修管狀結(jié)構(gòu)、尤其是那些具有較小直徑的管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自從管開(kāi)始經(jīng)受高應(yīng)力應(yīng)用，管或管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加襯里、保護(hù)或維修是理想的有效措施。一些示例已經(jīng)在熱水加熱器、蒸汽引擎或蒸汽發(fā)電機(jī)中的管中使用。但是，對(duì)于管狀結(jié)構(gòu)的熔覆和/或維修，有很多其它應(yīng)用。這些將包括消防臂、液壓活塞等。另外，熔覆和表面維修可用于很多種外部且不規(guī)則表面，諸如將與液壓活塞等相互作用的表面。諸如鑲邊的特殊表面的維修是熔覆的另一潛在使用。另一應(yīng)用是塑化管或桶，其往往必須承受巨大的應(yīng)力或暴露于降解物質(zhì)。因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中的很多應(yīng)用中涉及溫度和占空比，所以很多金屬管材料快速地降解，從而管的劣化或無(wú)功能性需要更換有問(wèn)題的管子。當(dāng)管狀結(jié)構(gòu)足夠大時(shí)，具體的金屬襯里可被插入以增加管的工作壽命并增強(qiáng)功能性。但是，隨著管對(duì)于一些功能變得更小，襯里的插入變得更困難。管的內(nèi)部熔覆提供了比很多外部襯里嵌件所能提供的更堅(jiān)固且更耐用的內(nèi)表面，且對(duì)于將經(jīng)受高應(yīng)力應(yīng)用的相對(duì)大的管，諸如塑化桶，變得非常受歡迎。弧熔覆或氧乙炔焰炬熔覆的主要問(wèn)題在于由此形成的表面極為粗糙和不規(guī)則，對(duì)于很多使用，需要大量的機(jī)加工(清理)來(lái)呈現(xiàn)足夠均勻和光滑的表面厚度。而且，隨著管大小的減小，傳統(tǒng)的弧熔覆或乙炔熔覆變得不可能。通常，這意味著僅可在管的兩端附近形成襯里。因此，對(duì)于很多應(yīng)用，管的內(nèi)部熔覆不是可選項(xiàng)。該情形很大程度上通過(guò)使用離心鑄造來(lái)熔覆管的內(nèi)部而解決。但是，仍然有一些問(wèn)題，尤其是對(duì)于具有相對(duì)小直徑的塑化桶。至少?gòu)?0世紀(jì)初就已經(jīng)使用用于高應(yīng)力塑化和塑料擠出的擠出機(jī)和制管機(jī)(橡膠擠出機(jī))。隨之在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中塑料使用的大量增加，這種擠出機(jī)的需求變得非常大，且工藝條件已經(jīng)變得更為嚴(yán)重。起初，塑化裝置基本上是在無(wú)襯里的單材料桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單螺旋件。由于所加工的更復(fù)雜且腐蝕性材料以及對(duì)于具有更小直徑的塑化桶的需求，情況已不再如此。桶以及塑化桶的螺旋件兩者均經(jīng)受來(lái)自金屬-金屬接觸和在塑料或橡膠組分中的研磨和/或腐蝕性填充物的磨損。早期的桶具有氮化的以改善耐磨性的內(nèi)表面。在20世紀(jì)50年代后期，使用離心鑄造工藝開(kāi)發(fā)了雙金屬桶，如所附的Spirex出版物的1997年的題為“Plasticating Components Technology”所簡(jiǎn)要描述的,其以引用方式并入本文。而且，在常規(guī)的塑料擠出機(jī)系統(tǒng)之外，這種改進(jìn)的桶適于與注射成型機(jī)一起使用。塑化桶的離心鑄造是用以用與桶背襯材料或基底不同的耐磨和/或抗腐蝕襯里給桶的內(nèi)表面加襯里的工藝。該工藝涉及在室溫下在厚壁圓筒內(nèi)部添加襯里材料，諸如粉末。桶的端部被加帽(通常被熔覆)，且桶和未熔融的粉末被放置在鑄造爐中。然后旋轉(zhuǎn)并加熱桶直到襯里材料熔融并均勻地分布在桶的內(nèi)表面上。早期的襯里材料是鐵/硼材料，其產(chǎn)生一些金屬碳化物且比常規(guī)的氮化桶耐磨得多。在1968年，改進(jìn)的襯里通過(guò)加入非常小的、離散的金屬碳化物顆粒，如碳化鎢和/或等同材料而變得非常耐磨。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)鑄造爐是氣體加熱的，但一些是感應(yīng)加熱的。任一種情形中，桶的內(nèi)部必須被加熱到使襯里粉末熔融，但厚壁桶材料或基底不熔融的點(diǎn)。在完成熔融粉末之后，通過(guò)爐熱量輻射入周圍環(huán)境來(lái)慢慢地冷卻桶，從而不引入應(yīng)力且從而襯里材料不破裂。在冷卻之后，桶被珩磨、矯直并加工到其最終的構(gòu)造和尺寸。這些技術(shù)中存在著多個(gè)缺點(diǎn)。例如，該工藝通常要求在桶的排放端處安裝高壓套筒。為旋轉(zhuǎn)裝備配置的熔爐是非常昂貴的且要求大量的維護(hù)。這包括定期和長(zhǎng)期的停工，重襯爐的耐火表面和翻新旋轉(zhuǎn)機(jī)器。另外，即使在熔爐工作正常時(shí)，設(shè)定每個(gè)桶的涂層是麻煩且耗時(shí)的過(guò)程。而且，離心涂布的過(guò)程要求襯里材料或材料基體在比背襯或基底材料更低的溫度下熔融。這嚴(yán)重限制了可使用的襯里材料。由此，耐磨和抗腐蝕材料被限于以比桶基底低的溫度溶化的材料。很多情形中，最優(yōu)的桶基底材料和對(duì)所要操作的材料優(yōu)選的襯里材料不能一同使用。另外要求將背襯或基底材料升高到接近其溶點(diǎn)的溫度，之后緩慢冷卻以將背襯材料退火至襯里材料。這降低了退火后的背襯材料的強(qiáng)度。不幸的是，對(duì)于很多高應(yīng)用應(yīng)用，諸如塑化桶，現(xiàn)要求非常高的強(qiáng)度。這種桶可經(jīng)受40，OOOpsi或更高的內(nèi)部壓力和直至700° F的溫度。這些條件通常要求以重大的花費(fèi)來(lái)安裝高壓套筒。一些更新、更高價(jià)格的合金可通過(guò)降低強(qiáng)度損失而在一定程度上降低該效果。但是，發(fā)生了更大的花費(fèi)，包括更多的處理次數(shù)和更復(fù)雜的制造設(shè)施。在旋轉(zhuǎn)鑄造以形成桶襯里的過(guò)程中，較重的金屬碳化物顆粒往往被離心力向外拋出。這將這些顆粒從需要這些顆粒以耐磨的內(nèi)表面移動(dòng)離開(kāi)。由此，得到的襯里比如果金屬碳化物顆粒適當(dāng)?shù)匚挥谝r里的內(nèi)表面上或者非?？拷r里的內(nèi)表面或者均勻地分布在襯里或熔覆的整個(gè)厚度上更易于受到因磨蝕導(dǎo)致的磨損的影響。此外，在離心鑄造過(guò)程中達(dá)到的高的桶溫度使得難以保持桶的直線性和整體性，而這對(duì)隨后的塑料加工操作是重要的。不能通過(guò)常規(guī)的矯直按壓來(lái)完成桶的矯直，因?yàn)榉聪驈澢沟孟鄬?duì)易碎的襯里破裂。旋轉(zhuǎn)鑄造工藝要求長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱襯里和桶基底。在加襯里操作之后，需要額外的時(shí)間來(lái)緩慢冷卻(通過(guò)將熱輻射入環(huán)境)。這致使增加的勞動(dòng)力和電力成本的花費(fèi)。因?yàn)殡x心襯里加工僅可在非常窄的加工次數(shù)和溫度范圍內(nèi)成功，結(jié)果通常是不令人滿意的。高溫以及在此溫度下所花的長(zhǎng)的時(shí)間段因使得基底材料遷移到桶襯里材料或基體中而致使稀釋。這導(dǎo)致了降低的硬度和差的耐磨性。而且，在一些應(yīng)用中，基礎(chǔ)鐵材料的基底遷移可導(dǎo)致差的耐磨性。長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下還導(dǎo)致涂覆襯套的內(nèi)表面的金屬碳化物顆粒融化入(構(gòu)成襯里的)基體物質(zhì)的溶液中，使碳化物顆粒對(duì)于抗磨蝕的目的無(wú)用。當(dāng)溫度太低且在適當(dāng)加工溫度下的時(shí)間段太短時(shí)，可導(dǎo)致不充分結(jié)合。這種不充分結(jié)合意味著襯里可能變得從桶基底或背襯材料分離。該狀況可能導(dǎo)致整個(gè)桶對(duì)于任何目的都無(wú)用。此外，在一些情形中，襯里的一些部分可能會(huì)脫落，由此破壞熔融的塑料和/或弄臟將熔融的塑料推過(guò)桶的螺旋件。任一種情形中，桶經(jīng)受主失效，而在其中處理的塑料被毀壞。即使加襯里的管或桶不用于塑化應(yīng)用，襯里相對(duì)于基材的移除可證明是有問(wèn)題的。例如，在鍋爐應(yīng)用中，管的基材可能過(guò)早地被腐蝕。通過(guò)管的液體可能在基本的傳熱性能受到影響的點(diǎn)處被阻礙，且松散的襯里材料可能被剝離，從而破壞整個(gè)水運(yùn)載系統(tǒng)。清楚的是，對(duì)于這些類型的應(yīng)用，需要強(qiáng)大的冶金結(jié)合且不能受到損害。桶的內(nèi)徑(ID)的常規(guī)的MIG或TIG熔覆可被完成以形成冶金結(jié)合，但是更難以將這樣的熔覆頭伸入小直徑的桶。加熱影響到的區(qū)域大大地大于激光熔覆，而熔覆表面比由激光熔覆所得到的表面差。相比于激光熔覆的“近乎凈形狀”，這致使用于熔覆后精加工的更大得多的花費(fèi)。一種生產(chǎn)桶襯里的完全不同的方法是由激光熔覆構(gòu)成的。更具體地，激光熔覆可將襯里材料結(jié)合至基部或基底金屬上，形成穩(wěn)定的冶金結(jié)合。該新的工藝減少或消除了上面列出的所有缺點(diǎn)，但具有其自身的一些缺點(diǎn)。桶或其它管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑(ID)的激光熔覆包括在熔覆之前或在熔覆加工過(guò)程中沉積呈糊形式的襯里材料或單獨(dú)的襯里管。在可選擇的情況中，可施加粉末或連續(xù)線材。激光熔覆系統(tǒng)通常由從遠(yuǎn)程源經(jīng)由光纖和光學(xué)系統(tǒng)傳遞的激光束或通過(guò)直接激光束構(gòu)成。該技術(shù)具有多個(gè)清楚的優(yōu)點(diǎn)。例如，已經(jīng)制成的裝置將允許小到I英寸的管直徑的激光熔覆。激光熔覆還具有非常淺的熱影響深度，這實(shí)現(xiàn)了少得多的襯里材料到桶基底中的稀釋。該技術(shù)還在基底內(nèi)產(chǎn)生少得多的應(yīng)力，從而降低了彎曲或卷繞的傾向。激光熔覆還允許快得多的冷卻過(guò)程，因?yàn)橥盎蚬艿幕椎纳俚枚嗟牟糠直患訜嶂寥鄹矞囟?。在總體制造效率上，快速冷卻具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)。但是，在一些環(huán)境中，快速冷卻可能導(dǎo)致困難，如下文所解釋的。激光熔覆是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工藝，其允許使用各種各樣的材料，包括在比桶基底更高溫度下熔融的材料。這可允許使用改進(jìn)的基體材料和改進(jìn)的陶瓷或硬質(zhì)合金材料作為襯里上的抗磨涂層。分散的耐磨硬質(zhì)合金或陶瓷顆粒不象在旋轉(zhuǎn)鑄造中那樣向基底遷移。這使得它們更均勻地分布在需要它們的襯里表面附近。此外，在激光熔覆之前，不必然需要預(yù)熱基底，由此減少生產(chǎn)時(shí)間和花費(fèi)。由激光熔覆加工施加的熱更局部化且可在熔覆加工過(guò)程中通過(guò)多種內(nèi)部和外部的方法被快速地移走。這意味著可消除長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。由此，該熔覆加工比離心鑄造大大地減少時(shí)間耗費(fèi)。激光熔覆是利用冶金結(jié)合的工藝，而不是其中如在旋轉(zhuǎn)爐鑄造中那樣襯里比基板在更低的溫度下熔融(以形成機(jī)械結(jié)合)的釬焊工藝。激光熔覆設(shè)備的成本一般比需要包含整個(gè)桶和旋轉(zhuǎn)設(shè)備的燃?xì)饣蚋袘?yīng)爐低。激光熔覆與激光焊接的不同之處在于通常小于2%的稀釋(襯里材料和基材之間的遷移)，但仍足以形成冶金結(jié)合。相反，焊接通常具有焊接基體的通過(guò)從基材遷移而大于5 %或甚至10 %的稀釋。在一些應(yīng)用中，諸如塑化桶，真實(shí)的焊接因高程度的遷移或稀釋而可能是不合適的。僅真實(shí)的熔覆(通常小于2%的稀釋率)是合適的。已經(jīng)發(fā)明并商業(yè)化了多個(gè)用于管內(nèi)部的激光熔覆的系統(tǒng)。這些包括EPRI專利第5，653，897號(hào)和第5，656，185號(hào)以及IHI專利第5，426，278號(hào)。還包含美圍專利第5，496，422號(hào)、第5，196，272號(hào)以及第5，387，292號(hào)。所有的前述專利以引用方式納入本文以便于更好地理解本發(fā)明。這些裝置設(shè)計(jì)用以維修發(fā)電廠中受損或受腐蝕的熱交換器管。更具體地，這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在不能旋轉(zhuǎn)的相對(duì)長(zhǎng)的固定的管中進(jìn)行短的局部維修。為完成熔覆，這些系統(tǒng)中的每一個(gè)系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)激光頭。前述專利中描述的系統(tǒng)包括通過(guò)線材、粉末、糊，或薄壁管來(lái)插入熔覆或鑲嵌材料。糊和管在激光熔覆之前已經(jīng)到位。在EPRI專利的情形中，卷繞的線材被放置在管內(nèi)部的維修區(qū)域的正上方以使得其容易觸及并易于隨著熔覆進(jìn)行而進(jìn)給。該方法限于短縱向長(zhǎng)度的熔覆，如在鍋爐維修中所通常要求的。粉末難以被引入水平位置，因?yàn)樵跊](méi)有重力輔助下，其傾向于阻塞和干擾熔覆。在各個(gè)專利中示出了這些各種熔覆系統(tǒng)的附圖。對(duì)于20: 1(長(zhǎng)度直徑比)或更長(zhǎng)的管道、管以及桶的加長(zhǎng)或全長(zhǎng)熔覆，熔覆頭且尤其是與其關(guān)聯(lián)的反射鏡必須被冷卻。這可通過(guò)諸如空氣或水的冷卻流體來(lái)完成。EPRI專利不具有這種冷卻，除了使所述頭在管內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)所要求的軸承。IHI裝置允許來(lái)自激光源的方向(通過(guò)空氣)的冷卻。所有上述的系統(tǒng)必須具有大量的從管的激光頭端引入的輔助裝置，因?yàn)閺牧硪欢瞬豢捎|及并且不能與從激光端提供的活動(dòng)配位。這些輔助裝置包括光纖觀察器、線材/粉末饋送、冷卻介質(zhì)、光學(xué)(鏡頭)和對(duì)焦裝置。還存在著使得這種裝置更小的需求。具體地，小至14mm(0.551英寸)的桶ID被用于塑化桶。因此，需要適當(dāng)?shù)娜鄹惭b置對(duì)塑化桶的內(nèi)部熔覆或加襯里。常規(guī)的旋轉(zhuǎn)熔覆裝置完全從管的被加襯里或熔覆的一端操作。因此，這種熔覆裝置的尺寸減少是極其有限的。這是尤其真實(shí)的，因?yàn)槿鄹差^必須包括所有的輔助裝置，以及熔覆頭快速旋轉(zhuǎn)所需的軸承。該整個(gè)結(jié)構(gòu)僅從管的一側(cè)被進(jìn)給入要熔覆的管中。由此，總體熔覆設(shè)備的尺寸減少是非常成問(wèn)題的，且不能適應(yīng)用塑化桶的一些更小尺寸。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中的上述困難，無(wú)法在塑化桶產(chǎn)生光滑、均勻的襯里已在很大程度上由2002年11月26日發(fā)布的授予Colby等人的美國(guó)專利第6，486，432號(hào)公開(kāi)的系統(tǒng)解決，其全部?jī)?nèi)容以引用的方式納入本文。該專利提供了多種不同的方法以在諸如塑化桶的管狀結(jié)構(gòu)中獲得光滑均勻的襯里。但是，仍存在著多個(gè)缺點(diǎn)。例如，在水平放置的管中，煙和碎屑由于重力而趨于積聚，尤其是如果管是長(zhǎng)的且熔覆頭而非管移動(dòng)的情況下。煙和碎屑的積聚影響到熔覆過(guò)程的速度，致使熔覆粉末浪費(fèi)，且甚至由于積聚的碎屑而使熔覆退化，其可甚至出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)管中。而且，在水平對(duì)齊的管中，有時(shí)難以獲得最佳的熔覆角度，由此致使能量的損失并使熔覆過(guò)程變慢。激光能量從作為激光熔覆的目標(biāo)的平滑的熔覆表面的反射還可損害設(shè)備以及浪費(fèi)能量。硬質(zhì)合金顆粒經(jīng)常被添加至覆層以呈現(xiàn)非常硬的耐磨表面，這對(duì)于很多在塑化螺旋中被加工的材料是必須的。不幸的是，常規(guī)的熔覆技術(shù)允許這些硬質(zhì)合金顆粒從覆層的表面遷移至覆層中的更深位置，在這里這些顆粒效果差得多。而且，常規(guī)的熔覆技術(shù)通常致使該加工中使用的很多硬質(zhì)合金顆粒的損失，由此承受大量的不必要花費(fèi)。常規(guī)覆層內(nèi)的顆粒還需要使用大量的熔覆后精加工或拋光技術(shù)。這種技術(shù)本質(zhì)上能夠是非常大規(guī)模的并可大大地提高總體制造工藝的價(jià)格和復(fù)雜性。重要的是注意到熔覆后加工或拋光(以弄光滑并獲得均勻的襯里厚度)的程度是管和桶、尤其是塑化桶的加襯里中的主要操作因素。而且，存在著眾所周知的由于過(guò)快的冷卻或不均勻冷卻而導(dǎo)致的激光熔覆破裂的問(wèn)題。這在常規(guī)技術(shù)的示例中沒(méi)有被解決，且取決于用于熔覆工藝的材料的類型而可能是激光熔覆的主要問(wèn)題。另外，常規(guī)的系統(tǒng)中仍然存在解決多孔塑化桶的眾所周知的困難。因此，用于桶、管狀結(jié)構(gòu)以及其它表面的改進(jìn)的激光熔覆系統(tǒng)將解決常規(guī)系統(tǒng)的前述缺點(diǎn)，同時(shí)為即使小直徑的桶提供光滑的、均勻的襯里。該改進(jìn)的激光熔覆系統(tǒng)還提供有效地熔覆雙孔桶構(gòu)造的能力，并為多種表面和材料提供維修系統(tǒng)，諸如鑲邊電鍍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目標(biāo)是克服或另外地減輕常規(guī)技術(shù)的激光熔覆和離心熔覆的缺點(diǎn)。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種熔覆內(nèi)表面的系統(tǒng)，該系統(tǒng)足夠靈活從而可使用多種管尺寸和熔覆材料。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供對(duì)管的內(nèi)徑加襯里的系統(tǒng)，其中，可比現(xiàn)有的熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)更均勻的加襯里。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種對(duì)內(nèi)表面加襯里的系統(tǒng)，其中，以均勻方式在構(gòu)成對(duì)塑化桶的熔覆的每個(gè)覆層上進(jìn)行精加工操作。本發(fā)明的還一目標(biāo)是提供激光熔覆金屬管的內(nèi)部的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的設(shè)置和操作比與常規(guī)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供激光熔覆 金屬管內(nèi)部的工藝，允許減少的操作時(shí)間。本發(fā)明的還一目標(biāo)是提供以比常規(guī)系統(tǒng)中發(fā)生的成本明顯低的成本快速且容易地維修和加襯里金屬管的系統(tǒng)。 本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供通過(guò)激光熔覆為金屬管的內(nèi)部加襯里的系統(tǒng)，其中，可避免對(duì)旋轉(zhuǎn)激光頭的常規(guī)需要。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供使用激光熔覆為金屬管加襯里的系統(tǒng)，其中，僅要求沿被熔覆的管的軸向移動(dòng)熔覆頭。本發(fā)明的再一目標(biāo)是使用激光熔覆對(duì)金屬管加襯里，耐磨材料添加到該金屬管從而耐磨材料保持均勻地分布在激光熔覆的表面上或附近。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供比可從常規(guī)熔覆技術(shù)，具體地MIG和TIG方法可獲得的
覆層更光滑的預(yù)機(jī)加工覆層。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供其中熔覆后機(jī)加工被最小化的激光熔覆系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供在內(nèi)表面上均勻地預(yù)涂敷精確量的材料以便于在其上的熔覆操作的方法。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供精確地將均勻圖案的耐磨材料布置在覆層熔融物中而不會(huì)熔融或另外地降解耐磨材料的熔覆系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目標(biāo)是有利于管和筒的更快的預(yù)覆層設(shè)置。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種激光熔覆系統(tǒng)，其中可避免由于過(guò)快冷卻而導(dǎo)致破
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ο本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其便于具有雙孔的塑化桶的制造和熔覆。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其中可大大地降低熔覆粉末浪費(fèi)。本發(fā)明的還一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其中容易從被熔覆的管排出積聚的碎屑、煙等。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其中，可容易地獲得最優(yōu)的熔覆角度以便于提高熔覆效率。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種激光熔覆系統(tǒng)，其中，避免了來(lái)自反射能量的對(duì)熔覆頭的損壞。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其中可容易地回收末使用的熔覆粉末。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其中，現(xiàn)有的覆層的輪廓可用于便于相鄰覆層的光滑精確生產(chǎn)。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種熔覆系統(tǒng)，其形成這樣的產(chǎn)品，該產(chǎn)品需要更少的清理(表面厚度的均勻化)和較少的珩磨以實(shí)現(xiàn)光滑的面層。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種對(duì)各種不同表面，包括具有耐磨材料的表面能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良維修的熔覆系統(tǒng)，從而維修部分與原始的覆層幾乎一致。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種能夠控制基材與焊接材料的遷移，同時(shí)建立真實(shí)的冶金學(xué)結(jié)合的激光熔覆系統(tǒng)。本發(fā)明的這些和氣體目標(biāo)和目的通過(guò)一種布置用于熔覆金屬管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的激光熔覆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其中，熔覆系統(tǒng)包括用于以預(yù)定速度和預(yù)定非水平角度保持和旋轉(zhuǎn)所述管狀結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)。熔覆頭布置成以與管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)成預(yù)定非垂直角度照射管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。還包括平移系統(tǒng)，該平移系統(tǒng)從管狀結(jié)構(gòu)的底部至頂部移動(dòng)激光熔覆頭。本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一種熔覆管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的方法。該方法包括步驟:將管狀結(jié)構(gòu)放置在非水平位置中并以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)該管狀結(jié)構(gòu)。然后以與管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面成非垂直角度從移動(dòng)的激光頭向下照射管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。最后，從靠近管狀結(jié)構(gòu)的底部開(kāi)口向上移動(dòng)激光熔覆頭至靠近管狀結(jié)構(gòu)的頂部開(kāi)口。本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一種制造具有熔覆的內(nèi)部的雙桶結(jié)構(gòu)的方法，該雙桶結(jié)構(gòu)具有在單件基底坯料中的兩個(gè)交迭的圓柱形孔。在該制造工藝中，在每個(gè)孔中從每個(gè)孔的底部至頂部實(shí)施徑向激光熔覆，并從交迭孔之間的每個(gè)頂點(diǎn)的底部至頂部實(shí)施線性熔覆。


圖1是示出布置在管中的本發(fā)明的激光熔覆頭的側(cè)視示意圖；圖2(a)是示出構(gòu)成本發(fā)明的一實(shí)施例的雙孔桶結(jié)構(gòu)的俯視示意圖；圖2(b)是圖2(a)所示的示意圖的放大剖視圖，示出雙孔桶結(jié)構(gòu)中的接口 ；圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)的正視剖視圖，示出感應(yīng)加熱線圈與被熔覆的單孔桶實(shí)施例的關(guān)系;圖4是示出本激光熔覆系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，包括下向通風(fēng)子系統(tǒng)以移走氣體和顆粒材料；以及圖5是示出用于實(shí)施諸如圖2(a)所示的雙桶結(jié)構(gòu)的熔覆的步驟的流程框圖。
具體實(shí)施例方式圖1中示出本發(fā)明的第一實(shí)施例。熔覆頭10示出為處于管100的內(nèi)部?jī)?nèi)。激光頭2(熔覆頭10的一部分)將激光束20引導(dǎo)到管100的內(nèi)表面101上。熔覆噴嘴3與激光頭2關(guān)聯(lián)，并用以將熔覆粉末提供至精確的照射位置，以在管100的內(nèi)表面101上形成熔
覆層30。在熔覆加工過(guò)程中，距離傳感器6確定激光頭2與表面101之間的正確距離。來(lái)自距離傳感器6的數(shù)據(jù)允許調(diào)節(jié)熔覆頭10 (包括距離、功率以及其它熔覆參數(shù))來(lái)保持或調(diào)節(jié)熔覆特征，由此實(shí)現(xiàn)所想要的結(jié)果。在熔覆發(fā)生后，熔覆厚度傳感器4測(cè)定熔覆層30是否在可接受的公差內(nèi)。反射鏡5用于保護(hù)熔覆頭10的一部分免受照射能量影響，否則該照射能量可能損壞熔覆頭10。重要的是，注意到在熔覆加工過(guò)程中，熔覆頭10從管100的底部朝向管100的頂部向上移動(dòng)，且管100處于豎立位置中。管100以使得其可以高速旋轉(zhuǎn)的方式保持在豎立位置。任何數(shù)量的不同激發(fā)和保持裝置可用于實(shí)現(xiàn)管100的旋轉(zhuǎn)。一些示例在所附的附錄中可找到以及在圖4中示意性示出。較佳地，本發(fā)明的系統(tǒng)以從2轉(zhuǎn)每分鐘(下文“rpm”)到50rpm的速度運(yùn)行。本發(fā)明的系統(tǒng)使用具有約1/8英寸寬度的激光束。這些速度與本創(chuàng)新的立式熔覆布置的特征的組合意味著峰谷之間的差總是小于1/100英寸。結(jié)果是比常規(guī)系統(tǒng)少的熔覆后加工。通過(guò)從激光束20照射以從管100的底部到頂部形成連續(xù)的螺旋覆層線或焊珠31，來(lái)實(shí)現(xiàn)該熔覆。形成覆層的螺旋焊珠31通過(guò)在1/2和20千瓦之間工作的激光來(lái)形成。由于管100旋轉(zhuǎn),允許更小的熔覆頭10?？墒褂帽鞠到y(tǒng)來(lái)熔覆的最小管尺寸約為25mm。另外，在很多情形中，焊珠高度之間的差異幾乎無(wú)法測(cè)量。通過(guò)立式熔覆特征提供的更光滑的面層使得熔覆后精加工所需的時(shí)間是常規(guī)工藝的約1/5。很多情形中，形成均勻厚度的層幾乎不需要熔覆后精加工(即“清理”)。焊珠31以連續(xù)的螺旋狀布置，其中，隨后的焊珠層沿管狀結(jié)構(gòu)100的內(nèi)部向上移動(dòng)。從一層到相鄰層具有30%和50%之間的交迭。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該間隔在用于豎立管時(shí)在管的整個(gè)長(zhǎng)度產(chǎn)生非常均勻的焊接厚度。熔覆的面層越光滑，熔覆產(chǎn)品的熔覆后研磨和拋光所需要的時(shí)間越少。本發(fā)明的非水平熔覆加工形成更均勻程度的熔覆，從而覆層30沿覆層的整個(gè)長(zhǎng)度的厚度相對(duì)地幾乎均勻。這意味著本發(fā)明要求少得多的“清理”(使得覆層的厚度均勻)。該“清理”加工通常比簡(jiǎn)單地將覆層拋光至光滑的面層更有問(wèn)題。由于一致的覆層厚度，本發(fā)明的總體工藝更有效且大大地更不昂貴。激光束20以與管100的內(nèi)壁101成一角度照射。該角度較佳地從垂直于管的內(nèi)壁在30°和60°之間，其中，激光頭2在熔覆焊珠31所形成處的點(diǎn)上方。形成覆層的熔覆粉末從熔覆噴嘴3分配，熔覆噴嘴3也位于覆層上方。熔覆加工從管100的底部處開(kāi)始。可使用一結(jié)構(gòu)來(lái)支承原始熔覆層31以在管的最末端處支承所述熔覆。熔覆層30的隨后焊珠或?qū)?1然后形成在熔覆層30的每個(gè)下層或焊珠31的上側(cè)表面32上。在垂直于管100的內(nèi)表面101的軸線之上的在30°和60°之間的角度提供了多種有利結(jié)果。首先，由于反射的照射能量大大地減少，能量效率提高了。而且，由于沒(méi)有照射激光束20直接反射回激光頭2，避免了對(duì)激光頭2或熔覆噴嘴3的損害。另外，熔覆焊珠31的上側(cè)表面32形成了對(duì)吸收激光束20的能量更好的布置以形成更有效的總體工藝。熔覆焊珠31的擱板狀上表面32形成了保持來(lái)自熔覆粉末噴嘴3的熔覆粉末的位置。就是該粉末被來(lái)自激光束20的能量熔融以形成下一分層(tier)或熔覆焊珠31。因?yàn)槿鄹埠钢?1的上側(cè)表面32保持粉末，其損失少得多，而其遠(yuǎn)更多部分被用于形成下一熔覆焊珠31。與水平定位管相對(duì)比，本發(fā)明利用了更多的熔覆粉末并通過(guò)簡(jiǎn)單的重力作用容易地處理未被使用的粉末。由此，在熔覆加工過(guò)程中，積聚在管100中的碎屑少得多。而且，因?yàn)楣?00在基本上豎立位置中被熔覆,煙不會(huì)保留在管中而變成碎屑而污染熔覆層30。而是，煙可容易地向上逸出管100的上開(kāi)口端。由此，可基本上消除隨后熔覆分層(焊珠)的煙污染。煙通過(guò)管100的上開(kāi)口端的排放還用作將在熔覆加工過(guò)程中形成的附加熱排出的方式。當(dāng)管處于水平位置時(shí)，如所引述的常規(guī)技術(shù)所做的，熱和煙累積可能變成問(wèn)題。這通過(guò)本發(fā)明來(lái)避免，其中，熱隨著來(lái)自熔覆加工的煙向上排出。在可選擇的情況中，向下通風(fēng)系統(tǒng)7可用于排煙并恢復(fù)諸如熔覆粉末的顆粒物質(zhì)。圖4中示出這種系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)80下方，旋轉(zhuǎn)臺(tái)80支承并移動(dòng)被熔覆的桶。安裝至旋轉(zhuǎn)臺(tái)80的支承圓筒81用于支承被熔覆的桶100(圖4中未示出)。支承圓筒81和旋轉(zhuǎn)臺(tái)80下方的區(qū)域被漏斗狀收集部71包圍，收集部71靠近旋轉(zhuǎn)臺(tái)80獨(dú)立地安裝。在旋轉(zhuǎn)臺(tái)80下方的整個(gè)區(qū)域被收集部71包圍以容納并移動(dòng)來(lái)自熔覆加工的所有煙和顆粒物質(zhì)。真空泵和回收系統(tǒng)73通過(guò)將空氣從圓筒/桶布置的頂部向下抽過(guò)桶/圓筒，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)80并進(jìn)入收集部71來(lái)為向下通風(fēng)系統(tǒng)供能。真空泵從收集部71同時(shí)抽取煙和顆粒穿過(guò)氣流管72進(jìn)入與真空泵關(guān)聯(lián)的回收系統(tǒng)。圖4的向下通風(fēng)系統(tǒng)7的主要優(yōu)點(diǎn)在于，相對(duì)濃的煙霧在最后升至桶的頂部之前幾乎沒(méi)有可能逗留在被熔覆的桶100中。向下通風(fēng)系統(tǒng)使得更利于且更為有效地移除不需要的煙霧、煙和顆粒材料。此外，向下通風(fēng)系統(tǒng)能夠收集不使用的熔覆粉末，從而其可在其它操作中重新使用。使用向下通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)果是熔覆表面保持更清潔，熔覆時(shí)間最小化，由于回收熔覆材料而使加工較不昂貴，以及使得熔覆系統(tǒng)附近的總體環(huán)境更為清潔。管100旋轉(zhuǎn)而不是熔覆頭10旋轉(zhuǎn)的事實(shí)意味著可使用小得多的激光熔覆頭10。這意味著該系統(tǒng)可適應(yīng)比常規(guī)可適應(yīng)的更小內(nèi)管直徑，小至25mm。此外，由上熔覆表面32形成的擱架的使用有利于分層到分層的更均勻的熔覆焊珠31。由此，需要少得多的熔覆后機(jī)加工或拋光。對(duì)于用于具有相對(duì)小內(nèi)徑的塑化桶的管，這是尤其重要的。雖然已知在現(xiàn)有的裝置、諸如鍋爐中熔覆管的內(nèi)部以維修它們，常規(guī)技術(shù)并未公開(kāi)其中豎立管是旋壓成型的并且其中管的上端是開(kāi)口的系統(tǒng)。由此，通過(guò)本發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)不能在任何常規(guī)系統(tǒng)中找到。當(dāng)熔覆諸如圖2(a)和圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)。雙孔塑化桶需求很大，但通常非常難以制造。傳統(tǒng)上，用切削機(jī)器鉆孔兩件坯料。然后，每件被切害I]，從而其可以如圖2(a)所示的“圖形8”圖案焊接到另一件。一旦兩件坯料被焊接在一起，則對(duì)雙桶結(jié)構(gòu)加襯里。通常，這通過(guò)金屬套筒嵌件來(lái)完成，其被銅焊(使用各種不同技術(shù))以將它們固定至坯料材料。
常規(guī)的雙孔桶是非常昂貴的，且一定程度不穩(wěn)定。此外，常規(guī)的銅焊加襯里對(duì)于一些使用是不合適的。本發(fā)明解決了這一問(wèn)題。具體地，通過(guò)本發(fā)明在單件坯料50中(較佳地通過(guò)鉆孔)形成孔51、52，從而不必將各件坯料焊接回在一起。雙層孔結(jié)構(gòu)可以在豎立位置中被旋轉(zhuǎn)，并以與關(guān)于單管或桶100的前述方式相類似的方式來(lái)從底部熔覆到頂部。為了熔覆坯料50，熔覆頭10被插入每個(gè)孔51、52，并且單件坯料50被旋轉(zhuǎn)?？刂迫鄹差^(圖1中的10)的運(yùn)動(dòng)的軟件，結(jié)合塊50的旋轉(zhuǎn)，可被修改成使得熔覆不在兩個(gè)孔51,52之間的開(kāi)口空間53中發(fā)生。這是容易的軟件修改，且與用于單個(gè)孔的直接熔覆的軟件的不同之處僅在于在坯料旋轉(zhuǎn)的一些部分期間停止熔覆。以此方式，可幾乎與單個(gè)桶布置一樣容易地進(jìn)行傳統(tǒng)上困難的雙桶布置。另外，坯料表面的直接熔覆提供了比必須被銅焊的單獨(dú)金屬襯里的常規(guī)插入更理想的產(chǎn)品。圖5的流程框圖示出在生產(chǎn)激光熔覆雙桶結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行的制造步驟。該過(guò)程的第一部分是對(duì)坯料50設(shè)置交迭的雙桶，如圖2 (a)所示。該雙桶坯料50被放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)80或轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖4中所示)在使得激光熔覆頭10可在第一孔的中心直接向上移動(dòng)的位置中(步驟60)。然后第一孔被以類似于前面關(guān)于閉合管所述的方式徑向熔覆(步驟61)。不同之處在于控制激光熔覆工作的軟件被調(diào)整成使得在兩個(gè)孔51、52之間的相交空間53處不進(jìn)行操作。其余的熔覆操作與前述相同。在步驟62處,在旋轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上調(diào)節(jié)雙孔還料50,從而使熔覆頭當(dāng)前位于第二孔80的中心。在可選擇的情況中，第二孔可以被移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)臺(tái)的不同位置。步驟63處，以與在步驟61處對(duì)第一孔所進(jìn)行的相同的方式來(lái)熔覆第二半圓柱形內(nèi)表面。一如既往，隨著熔覆頭10沿所要熔覆的表面從較低位置移動(dòng)到較高位置而發(fā)生熔覆加工。一旦每個(gè)孔51、52的兩個(gè)半圓柱形表面的徑向熔覆結(jié)束，兩個(gè)孔會(huì)合處的頂點(diǎn)54、55被處理。熔覆頭10再次重新定位(步驟64)。第一接合頂點(diǎn)從底部至頂部接收一系列線性熔覆33 (步驟65)。重復(fù)線性焊接33直到頂點(diǎn)被完全覆蓋且熔覆在徑向熔覆上延伸(步驟66)。然后，將熔覆頭10重新定位至第二頂點(diǎn)(步驟67)。然后，線性熔覆被執(zhí)行(步驟68)并重復(fù)(步驟69)直到完全熔覆頂點(diǎn)。通常，在頂點(diǎn)處的線性焊接每個(gè)要求兩次至五次熔覆行進(jìn)。以連續(xù)方式進(jìn)行線性熔覆，從而每個(gè)焊接33是從桶的頂點(diǎn)的頂部到底部的連續(xù)線。線性熔覆的相互交迭在焊接的寬度的25%和75%之間。本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用本發(fā)明的工藝來(lái)熔覆先前已被涂敷、銅焊或施加有化學(xué)表面處理的舊管或孔。由此，先前被鉆孔和加襯里的管件可以經(jīng)受本發(fā)明的加工以在襯里材料和基底坯料之間設(shè)置熔覆的(冶金學(xué)的)結(jié)合。通過(guò)再磨光先前制造和加襯里的桶，可實(shí)現(xiàn)大量的節(jié)省，且再磨光變得經(jīng)濟(jì)可行。熔覆技術(shù)中的主要問(wèn)題是熱的控制。如前所述，對(duì)于解決常規(guī)(非激光)熔覆所固有的很多熱問(wèn)題，激光熔覆是已經(jīng)眾所周知的。用激光加熱是非常強(qiáng)烈且局部化的。由此，便于同時(shí)快速加熱和冷卻，且在很多情形中，完全不需要工件的預(yù)熱。但是，構(gòu)件的過(guò)快冷卻可能致使覆層易碎。這是尤其普遍的，由于由豎立管的開(kāi)口上端的煙囪作用而引起快速冷卻。本發(fā)明的特性有利于覆層表面的快速冷卻且因此導(dǎo)致覆層破裂的問(wèn)題。盡管本發(fā)明比常規(guī)布置效率更高，但這可能使得整個(gè)熔覆桶變得沒(méi)用，并構(gòu)成時(shí)間和資源的浪費(fèi)。本發(fā)明的另一實(shí)施例通過(guò)使用圍繞豎向?qū)R的管或桶100布置的感應(yīng)加熱器解決了該缺點(diǎn)。盡管在熔覆過(guò)程中桶旋轉(zhuǎn)，但感應(yīng)加熱不使總體工藝變復(fù)雜。本發(fā)明中，可在熔覆加工進(jìn)行之前、進(jìn)行中以及進(jìn)行之后使用感應(yīng)加熱器。這種加熱可用于延長(zhǎng)冷卻時(shí)間并由此避免覆層破裂。感應(yīng)加熱是尤其有效率的，因?yàn)樗鼈兛梢詮耐饷娲┩负瓦h(yuǎn)離管或桶100，同時(shí)仍然提供大量的熱到其內(nèi)部已經(jīng)通過(guò)激光熔覆形成熔覆焊珠31的位置處。圖3示出被安裝以輔助桶的激光熔覆操作的感應(yīng)加熱器的一個(gè)布置。感應(yīng)加熱系統(tǒng)可以是永久的或暫時(shí)的。任一情形中，感應(yīng)加熱器的繞組91圍繞絕緣層92布置，絕緣層92圍繞熔覆系統(tǒng)的其余部分。這可包括圍繞旋轉(zhuǎn)臺(tái)80或支承圓筒81 (兩者都在圖4中示出)固定的布置，但不是必須的。重要的是熱被有效地輸送至被熔覆的管或桶100。電源93被定尺寸為供應(yīng)足夠的電力，以在預(yù)加熱操作中將桶100加熱直到1300° F。對(duì)被熔覆的桶進(jìn)行預(yù)加熱以防止覆層破裂。另外用于熔覆的很多合金冷卻太快，從而在熔覆內(nèi)部形成可能導(dǎo)致破裂的張力。該預(yù)熱過(guò)程(與熔覆后加熱一起)允許更慢的冷卻過(guò)程。感應(yīng)加熱器可以被維持在任何適當(dāng)?shù)某潭纫钥刂谱儧銎?cool down period),從兩個(gè)小時(shí)至兩天。而且，絕緣毯(圖未示)可用于進(jìn)一步控制變涼期。該感應(yīng)加熱系統(tǒng)允許各種類型絕緣的使用而不增加總體系統(tǒng)的復(fù)雜性。應(yīng)指出的是，絕緣92對(duì)于保護(hù)涂有塑料的感應(yīng)線圈也是重要的。這種絕緣也有助于控制熔覆后的桶的變涼期。同時(shí)，絕緣防止過(guò)量的熱從熔覆后的桶傳遞至感應(yīng)加熱系統(tǒng)的線圈和熔覆系統(tǒng)周圍的環(huán)境。感應(yīng)加熱器91能夠以允許加熱管100的內(nèi)部的幾乎任何構(gòu)造被安裝在豎立管100周圍。在感應(yīng)加熱領(lǐng)域中這種構(gòu)造是已經(jīng)眾所周知的。但是，感應(yīng)加熱先前還沒(méi)有被應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)豎立管100來(lái)減慢冷卻過(guò)程。本發(fā)明的具有環(huán)繞感應(yīng)加熱器的豎立熔覆布置的示例見(jiàn)所附的附錄中的圖片。雖然附錄中的管在長(zhǎng)度上相對(duì)受限，應(yīng)理解的是本系統(tǒng)能夠熔覆20英尺長(zhǎng)的管20。還應(yīng)理解，本發(fā)明不限于附錄的所附圖片中所示的系統(tǒng)。而是，本發(fā)明可包含各種管的大小和材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯著的。本發(fā)明的每個(gè)細(xì)節(jié)均有助于總體的意料不到的結(jié)果和操作的優(yōu)越性。例如，使用本發(fā)明的布置降低了 25%至50%的昂貴熔覆粉末的浪費(fèi)。另外，熔覆碎屑的污染幾乎減少100%。與所有眾所周知的熔覆系統(tǒng)和布置相比，熔覆時(shí)間大大地減少。對(duì)于塑化桶中使用的最小內(nèi)徑的管(小至14_)，所有的這些都可以實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，管或管狀結(jié)構(gòu)100安裝在豎立位置中以熔覆，且熔覆頭10從管的底部至頂部線性地移動(dòng)。關(guān)于特殊旋轉(zhuǎn)布置的方式的要求非常少。一旦得知本發(fā)明的教導(dǎo)，任何數(shù)量的不同機(jī)械布置80可用于旋轉(zhuǎn)在豎立位置中的管。各示例見(jiàn)附錄。如此，對(duì)于本發(fā)明的理解，這些不同布置的進(jìn)一步描述不是必須的。該豎立布置還允許耐磨材料的更精確的設(shè)置，耐磨材料應(yīng)被保持在熔覆30的表面附近。如同熔覆粉末，該耐磨材料的浪費(fèi)被最小化，被那些不被覆層固定的顆粒污染的可能性也被最小化。由此，更多的耐磨材料被使用且更大百分比的耐磨材料被保留在熔覆30的表面附近。耐磨材料靠近覆層的表面的布置(而不是在覆層的本體的更深處)意味著少得多的覆層材料必須被機(jī)加工或拋光去除以露出耐磨材料。由此，降低了總體制造時(shí)間和花費(fèi)。本發(fā)明由于激光熔覆的特性、高速管旋轉(zhuǎn)，以及豎立管定位的前述優(yōu)點(diǎn)而能夠減少加工時(shí)間?？焖倮鋮s的缺點(diǎn)也通過(guò)使用不昂貴的輔助感應(yīng)加熱器解決了(圖3)。由此，冷卻時(shí)間可被精確地控制成不使由本系統(tǒng)造成的快速冷卻的所有優(yōu)點(diǎn)無(wú)效。將耐磨顆粒更靠近覆層的表面放置，由此需要更少的熔覆后機(jī)加工和拋光以露出耐磨顆粒同樣有利于時(shí)間的節(jié)省。另外，本發(fā)明可被修改，使得熔覆頭10旋轉(zhuǎn)而不是管11旋轉(zhuǎn)。但是，這樣做的缺點(diǎn)是眾所周知的，使得該布置僅對(duì)較大的管直徑是優(yōu)選的。但是，即使對(duì)于固定的豎立管，也可實(shí)現(xiàn)該豎立布置的優(yōu)點(diǎn)中的很多優(yōu)點(diǎn)，包括較少的熔覆后拋光、更少的熔覆粉末和耐磨材料的浪費(fèi)，更少的由于散落的熔覆粉末而帶來(lái)的污染；以及更有效使用涉及的所有材料。此外，在本發(fā)明構(gòu)思內(nèi)，尤其在管的豎立布置中，能夠使用各種不同熔覆頭。已經(jīng)以引用方式納入本文的申請(qǐng)人較早的專利(即授予Colby等人的專利第6，482，432號(hào))提供了各示例。因此，在本發(fā)明的構(gòu)思內(nèi)，能夠使用全向熔覆布置，或旋轉(zhuǎn)熔覆頭。另外，雖然本發(fā)明對(duì)于降低熔覆粉末的損失或其對(duì)其它熔覆位置的污染是尤其有效的，但在本發(fā)明的構(gòu)思內(nèi)，能夠有效地使用熔覆線材。任何廢料將從所有的熔覆位置掉落至管的底部，并且從熔覆加工產(chǎn)生的煙將排出管的頂部。雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之一已經(jīng)涉及鋼(或鋼合金)塑化桶的加襯里，但可使用前述發(fā)明的各實(shí)施例或其任何組合來(lái)對(duì)其它金屬管或管狀結(jié)構(gòu)加襯里。而且，可使用本發(fā)明的技術(shù)以本文所述優(yōu)選實(shí)施例的任何數(shù)量變型來(lái)對(duì)其它金屬材料加襯里。襯里材料不必須是具體的類型。相反，可使用適合基底和最終產(chǎn)品應(yīng)用的多種材料。雖然本發(fā)明對(duì)用于對(duì)金屬管加襯里的改進(jìn)技術(shù)是尤其有效的，可通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)對(duì)其它非圓柱形內(nèi)表面加襯里。多種不同形狀可應(yīng)用本發(fā)明的熔覆操作。例如，可使用激光頭2來(lái)熔覆不規(guī)則內(nèi)表面和外表面。對(duì)于這種操作，需要使激光頭是可移動(dòng)的。更具體地，因?yàn)榧す馐慕嵌瓤梢员徽{(diào)節(jié)(從垂直方向在30°和60°之間)，在熔覆加工過(guò)程中能夠調(diào)節(jié)照射角度以處理不規(guī)則表面。所有需要做的是使用軟件來(lái)控制頭的移動(dòng)，該軟件通常在管旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下控制激光頭2，如本發(fā)明的第一實(shí)施例的加工中所描述的。諸如圖2中的雙孔的不規(guī)則表面可被旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)。雖然本發(fā)明的多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例涉及立式熔覆，其中所要熔覆的結(jié)構(gòu)被保持在豎立位置中，但其它傾斜定向也是可能的。例如，管可以相對(duì)于水平成45°角度旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)先前關(guān)于本發(fā)明描述的許多相同益處?；谥T如熔覆材料、旋轉(zhuǎn)速度、熔覆厚度和管直徑的因素，可在本發(fā)明構(gòu)思內(nèi)使用多種不同定向角度的“水平偏離”。最后指出，激光熔覆對(duì)于維修鍍鉻表面是尤其有用的。有很多的各種表面，包括內(nèi)部和外部的表面，經(jīng)受鍍鉻。一些示例包括消防臂和液壓缸(諸如飛機(jī)起落架使用的那些)。但是鍍鉻的應(yīng)用不限于這些示例。雖然已經(jīng)以示例方式說(shuō)明了多個(gè)實(shí)施例和變型，但本發(fā)明不局限于此。而是，本發(fā)明應(yīng)被解釋為包括本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員一旦通過(guò)本申請(qǐng)被教導(dǎo)本發(fā)明后發(fā)生的任何和所有的修改、改變、變型、變通和實(shí)施例。因此，本發(fā)明應(yīng)被認(rèn)為僅由所附權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種用于熔覆金屬管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的激光熔覆系統(tǒng)，所述熔覆系統(tǒng)包括: a)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)用于以預(yù)定速度和預(yù)定非水平角度保持和旋轉(zhuǎn)所述管狀結(jié)構(gòu)； b )激光熔覆頭，所述激光熔覆頭被布置成與所述管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的垂直方向成預(yù)定角度地照射所述管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面；以及 c)平移系統(tǒng)，所述平移系統(tǒng)被布置成用于在從所述管狀結(jié)構(gòu)的底部至頂部的方向上移動(dòng)所述激光熔覆頭。
2.如權(quán)利要求1所述的激光熔覆系統(tǒng)，還包括: d)加熱器，該加熱器被布置成將所述管狀結(jié)構(gòu)的溫度提升至1500華氏度之上。
3.如權(quán)利要求1所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述激光熔覆頭包括熔覆粉末分配噴嘴。
4.如權(quán)利要求1所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述保持和旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)被布置成以從2至50轉(zhuǎn)每分鐘的速度旋轉(zhuǎn)所述管狀結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求2所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述加熱器包括感應(yīng)加熱單元。
6.如權(quán)利要求3所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述熔覆粉末分配噴嘴包括碳化鎢復(fù)合涂層。
7.如權(quán)利要求2所述的激光熔覆系統(tǒng)，還包括: e)向下通風(fēng)系統(tǒng)，所述向下通風(fēng)系統(tǒng)被布置成將空氣從所述管狀結(jié)構(gòu)的上開(kāi)口抽至所述管狀結(jié)構(gòu)的下開(kāi)口。
8.如權(quán)利要求1所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，與所述管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的垂直方向形成的所述預(yù)定角度在30°和60°之間。
9.如權(quán)利要求8所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述激光熔覆頭還包括反射鏡。
10.如權(quán)利要求9所述的激光熔覆系統(tǒng)，其中，所述激光熔覆頭還包括至少一個(gè)傳感器，以引導(dǎo)所述激光熔覆頭的操作。
11.一種熔覆管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的方法，包括如下步驟: a)將所述管狀結(jié)構(gòu)放置在非水平位置中； b)以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)所述管狀結(jié)構(gòu)； c)與所述管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面成非垂直角度地、從移動(dòng)的激光頭向下照射所述管狀結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)表面；以及 d)將所述激光熔覆頭從靠近所述管狀結(jié)構(gòu)的底部開(kāi)口向上移動(dòng)到靠近所述管狀結(jié)構(gòu)的頂部開(kāi)口。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，與所述管狀結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)表面形成的所述非垂直角度在30°和60。之間。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括如下步驟:在整個(gè)所述熔覆中在預(yù)定點(diǎn)處加熱所述管狀結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，使用感應(yīng)加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)所述管狀結(jié)構(gòu)的所述加熱。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，用于旋轉(zhuǎn)所述管狀結(jié)構(gòu)的所述預(yù)定速度在2轉(zhuǎn)每分鐘和10轉(zhuǎn)每分鐘之間。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述激光頭在1/2千瓦和20千瓦之間操作。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述方法產(chǎn)生連續(xù)螺旋熔覆焊珠，該連續(xù)螺旋熔覆焊珠從接近所述管狀結(jié)構(gòu)的底部開(kāi)口的開(kāi)始點(diǎn)開(kāi)始并在接近所述管狀結(jié)構(gòu)的頂部開(kāi)口的點(diǎn)處結(jié)束。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述焊珠的相鄰部分的交迭在30%和50%之間。
19.一種制造具有熔覆的內(nèi)部的雙桶結(jié)構(gòu)的方法，所述雙桶結(jié)構(gòu)具有在單件基底坯料中的兩個(gè)交迭的圓柱形孔，所述方法包括如下步驟: a)對(duì)每個(gè)所述孔從底部至頂部實(shí)施徑向激光熔覆；以及 b)在所述孔之間的每個(gè)接合頂點(diǎn)處從底部至頂部實(shí)施至少一個(gè)線性熔覆。
20.如權(quán)利要求19所述的制造方法，其中，步驟“b”還包括:在每個(gè)所述接合頂點(diǎn)處實(shí)施多次交迭線性熔覆 。
全文摘要
立式激光熔覆系統(tǒng)對(duì)管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面是尤其有效的。立式熔覆加工從底部加工到頂部，從而先前的覆層形成用于隨后熔覆粉末施加的擱架。該系統(tǒng)對(duì)于處理雙孔塑化桶也是尤其有效的。
文檔編號(hào)B23K26/08GK103180084SQ201180050737
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者保羅·T·科爾比, 大衛(wèi)·霍奇吉斯, 詹姆斯·W·西爾斯 申請(qǐng)人:特塑耐公司