一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法技術

本發明專利技術提供一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法，所述激光熔覆頭包括由內而外依次同軸設置的激光腔室、保護氣腔室和水冷腔室；激光腔室內設有混粉腔室和飛行光路系統；混粉腔室內設有傘形隔粉器和送粉噴嘴，傘形隔粉器通過根部固定于激光熔覆頭后蓋中心處，激光熔覆頭后蓋上還設有送粉針，送粉針沿傘形隔粉器環向設置；飛行光路系統沿混粉腔室環向設置，激光腔室的出光口在送粉噴嘴外圍，呈環形。本發明專利技術的激光熔覆頭具有激光光斑面積大，光斑能量梯度分布可設計調節功能，能同步實現基材預熱，熔覆層重熔的功能，從而達到高速激光熔覆的要求，并且相比較采用高功率激光器，還有成本更低的特點。還有成本更低的特點。還有成本更低的特點。

【技術實現步驟摘要】
一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法


[0001]本專利技術涉及表面工程與再制造涂層領域，尤其涉及一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法。

技術介紹

[0002]激光熔覆技術因其制備的涂層與堆焊相比，具有稀釋度低、適用粉末材料廣等優點；與氣相沉積和電鍍等相比，具有結合強度高、適用材料廣以及可制備厚涂層等優點；與熱噴涂相比，具有涂層結合力高、與基體呈冶金結合等優點。因此，其在表面改性和修復領域的應用前景非常廣泛。但是因為我國高功率激光器技術的限制，激光熔覆的加工速度不高，所以無法適用于大面積表面快速處理和修復工程項目，在很大程度上限制了該技術大范圍推廣應用。雖然國外激光器龍頭企業，如美國的Coherent、IPG、Nlight，德國的Trumpf、DILAS目前已經研制出高功率激光器，但是存在造價昂貴、維護費用高、質量還不穩定、無法長時間工作的缺點，仍然無法適用于大面積表面快速處理和修復工程項目。另外，在送粉方式方面，預置式送粉雖然粉末利用率高，但是存在工序繁瑣、花費時間多、影響熔覆層質量的因素多、難以控制的問題，并且也不符合行業智能化、自動化等的發展趨勢，所以預置式送粉方式在高速激光熔覆工藝中并不適用；同步式送粉不管是旁軸送粉還是同軸送粉都涉及粉末匯聚和粉末利用率的問題，粉末匯聚必然會影響粉末流的均勻性，從而降低熔覆層的均勻性；并且粉末流出了熔覆頭，呈發散狀，難以控制，又因為粉末流在激光束的外圍并且與基體表面傾斜，所以粉末會有很大一部分飛逸到空氣中，從而造成粉末利用率低的問題。<br/>[0003]近年來對于大面積表面激光高速熔覆的需求日益強烈，市場迫切需要成本低、效率高、質量好的激光熔覆裝備和工藝。為了滿足高速激光熔覆的要求，需要能夠同時提高激光光斑能量、改善激光光斑大小、提高粉末利用率、提高熔覆層質量的裝置和工藝，而這方面還處于空缺狀態。

技術實現思路

[0004]本專利技術是為了解決激光光斑在高速移動時，熔融粉末所需能量不夠、送粉方式粉末利用率低、以及傳統激光光斑面積小熔覆效率低的問題，提供了一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法。該激光熔覆頭具有激光光斑面積大，光斑能量梯度分布可設計調節功能，能同步實現基材預熱，熔覆層重熔的功能，從而達到高速激光熔覆的要求，并且相比較采用高功率激光器，還有成本更低的特點。
[0005]本專利技術采用以下技術方案實現：
[0006]一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，所述的激光熔覆頭包括由內而外依次同軸設置的激光腔室、保護氣腔室和水冷腔室；所述的激光腔室與保護氣腔室之間設有激光室外套，所述的保護氣腔室和水冷腔室之間設有保護氣外套，所述的水冷腔室
外設有水冷套；
[0007]所述的激光腔室內設有混粉腔室和飛行光路系統；所述的混粉腔室內設有傘形隔粉器和送粉噴嘴，所述的傘形隔粉器通過根部固定于激光熔覆頭后蓋中心處，激光熔覆頭后蓋上還設有送粉針；所述的送粉針沿傘形隔粉器環向設置；所述的送粉噴嘴設于混粉腔室下端、其另一端與激光熔覆頭的頭部固定連接，混勻之后的粉從混粉腔室進入送粉噴嘴，最后到達基體；所述的送粉噴嘴位于激光熔覆頭的頭部中心處；所述的飛行光路系統沿混粉腔室環向設置，激光腔室的出光口在送粉噴嘴外圍，呈環形；所述的飛行光路系統包括傳輸光纖、激光準直器、45度平面反射鏡和離軸拋物面鏡，所述的離軸拋物面鏡通過拋物面鏡固定裝置固定于微型滑軌上，所述的微型滑軌固定于激光熔覆頭后蓋上；
[0008]所述的保護氣腔室的進氣口、水冷腔室的進水口和出水口均設于激光熔覆頭后蓋上；所述的保護氣腔室的出氣口在出光口外圍，呈環形。
[0009]上述技術方案中，進一步地，所述的熔覆頭后蓋中心處設有送粉針固定板，所述的傘形隔粉器和送粉針通過送粉針固定板與激光熔覆頭后蓋固定連接。所述的送粉針固定板通過螺紋連接在激光熔覆頭的后蓋上，并采用橡膠密封圈密封，多個送粉針位置應相對于激光熔覆頭軸心對稱均勻分布。
[0010]進一步地，所述的混粉腔室自上而下分為第一混粉腔室和第二混粉腔室，第一混粉腔室位于傘形隔粉器上方，第二混粉腔室位于傘形隔粉器下方；所述的傘形隔粉器邊緣與混粉腔室內壁之間形成一個環形通道，粉從第一混粉腔室進入到第二混粉腔室會經過該環形通道；所述的第二混粉腔室的截面為菱形，粉在第二混粉腔室會更加均勻充分的混合，以軸心對稱的方式被均勻的送出送粉噴嘴，到達基體。
[0011]更進一步地，所述的傘形隔粉器中心高，邊緣低，且其表面光滑，可更好的利用重力將粉從第一混粉腔室送到第二混粉腔室，比網狀的送粉隔板，殘留更低，送粉更順暢。
[0012]更進一步地，傘形隔粉器上部通過軸連接一個電機，可通過電機控制傘形隔粉器轉動，傘形隔粉器轉動可以起到攪拌粉末的作用，讓混粉腔室里的粉末混合的更加均勻充分。
[0013]進一步地，所述的送粉噴嘴外表面還設有電加熱墊，可加熱到50～150攝氏度，用于使粉末充分干燥、預熱和膨脹。所述的送粉噴嘴根部外圓柱面有螺紋，通過該螺紋將送粉噴嘴與激光熔覆頭固定連接。
[0014]進一步地，所述的微型滑軌的作用是小范圍、高精度的調整離軸拋物面鏡的位置，從而改變激光光斑的位置，設計整體合成激光光斑的能量分布。微型滑軌可根據工藝要求，采用一維運動滑軌、二維運動滑軌或者三維運動滑軌配置，二維運動滑軌對于平面上激光合成光斑的調整方案比一維運動滑軌更豐富，三維運動滑軌能通過高低調節離軸拋物面鏡，達到改變激光束焦點的功能，從而更適合應用在曲面激光熔覆場景。
[0015]進一步地，所述激光腔室的上部為圓柱形、下部為錐形；所述保護氣腔室和水冷腔室形狀類似，上部為圓環形腔室，下部分錐環形腔室。所述的進氣口接入惰性保護氣體如氬氣、氮氣等，并通過螺紋連接在激光熔覆頭后蓋上，進氣口的另一端通入保護氣腔室。出氣口在激光腔室出光口外圍，呈環形，較寬的出口能更好的使激光熔覆區域被保護氣全包圍。所述的保護氣外套通過內螺紋連接在激光室外套的外螺紋上，并通過橡膠密封圈密封。所述的水冷套通過螺紋連接在保護氣外套上，并用橡膠密封圈密封。所述的水冷腔室將整個
激光熔覆頭包圍，起到充分冷卻整個激光熔覆頭的作用。
[0016]進一步地，所述的傳輸光纖是常用的適配激光波長的傳輸激光光纖；所述的激光準直器采用適配激光波長的常用的準直器。所述的45度平面反射鏡可采用硅基材鍍金或者鍍銀的高反射率反射鏡，能適應高功率激光使用。所述的離軸拋物面鏡，具有將平行激光反射聚焦的作用，可根據激光熔覆頭結構和光斑工藝要求需要選擇30
°
、45
°
、60
°
、90
°
等離軸角的型號。所述離軸拋物面鏡反射面需采用對相應波長激光的高反射率鍍膜，常見的有鍍鋁、鍍銀、鍍金膜。
[0017]上述的超高速激光熔覆頭的飛行光路系統可以在激光熔覆頭內部的激光腔室內設置多個，例如萬瓦級功率激光器發出的光斑能量，可通過多個千瓦級的激光器發出的激光合成，達到所需光斑本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，其特征在于，所述的激光熔覆頭包括由內而外依次同軸設置的激光腔室、保護氣腔室和水冷腔室；所述的激光腔室與保護氣腔室之間設有激光室外套，所述的保護氣腔室和水冷腔室之間設有保護氣外套，所述的水冷腔室外設有水冷套；所述的激光腔室內設有混粉腔室和飛行光路系統；所述的混粉腔室內設有傘形隔粉器和送粉噴嘴，所述的傘形隔粉器通過根部固定于激光熔覆頭后蓋中心處，激光熔覆頭后蓋上還設有送粉針；所述的送粉針沿傘形隔粉器環向設置；所述的送粉噴嘴設于混粉腔室下端、其另一端與激光熔覆頭的頭部固定連接，混勻之后的粉從混粉腔室進入送粉噴嘴，最后到達基體；所述的送粉噴嘴位于激光熔覆頭的頭部中心處；所述的飛行光路系統沿混粉腔室環向設置，所述激光腔室的出光口在送粉噴嘴外圍，呈環形；所述的飛行光路系統包括傳輸光纖、激光準直器、45度平面反射鏡和離軸拋物面鏡，所述的離軸拋物面鏡通過拋物面鏡固定裝置固定于微型滑軌上，所述的微型滑軌固定于激光熔覆頭后蓋上；所述的保護氣腔室的進氣口、水冷腔室的進水口和出水口均設于激光熔覆頭后蓋上；所述的保護氣腔室的出氣口在出光口外圍，呈環形。2.根據權利要求1所述的一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，其特征在于，所述的激光熔覆頭后蓋中心處設有送粉針固定板，所述的傘形隔粉器和送粉針通過送粉針固定板與激光熔覆頭后蓋固定連接。3.根據權利要求1所述的一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，其特征在于，所述的混粉腔室自上而下分為第一混粉腔室和第二混粉腔室，第一混粉腔室位于傘形隔粉器上方，第二混粉腔室位于傘形隔粉器下方；所述的傘形隔粉器邊緣與混粉腔室內壁之間形成一個環形通道，所述的第二混粉腔室的截面為菱形。4.根據權利要求3所述的一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，其特征在于，所述傘形隔粉器中心高，邊緣低，便于粉通過重力作用從第一混粉腔室進入第二混粉腔室。5.根據權利要求3所述的一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，其特征在于，所述的傘形隔粉器上部通過軸連接有電機。6.根據權利要求1所述的一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳小明，張凱，劉德有，趙堅，劉偉，毛鵬展，伏利，張磊，霍嘉翔，
申請(專利權)人：水利部杭州機械設計研究所，
類型：發明
國別省市：