CN105562951A - 一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置，沿激光传送方向设有反射镜和聚焦镜，其特征在于：所述反射镜为将入射方形光束分成两束反射光的尖劈分光镜，所述聚焦镜为将两束所述反射光聚焦为线形的反射聚焦镜，设有一支撑架，所述尖劈分光镜固定于所述支撑架的顶部中央，尖劈分光镜的尖端朝向入光方向；所述支撑架上设有至少两个导丝槽，所述导丝槽与由所述反射聚焦镜形成的聚焦光束不相交，导丝槽的出口处设有导丝嘴，所述导丝嘴上出丝口的位置位于聚焦光束的焦点的侧上方。本发明能有效提高熔覆效率、提高熔覆表面质量和尺寸精度，并有效避免堵丝问题产生。

Description

一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置，具体涉及一种用于激光熔覆的加工装置，尤其是装置中的送丝结构。

背景技术

激光熔覆技术是一种先进激光加工成形制造技术，其中最关键的技术之一就是将激光和熔覆材料同步传输至加工的位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定的轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能和热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。

现有技术中，较为先进的送丝工艺是光内同轴单送丝技术。例如，中国发明专利申请CN101386111A公开了一种激光光内送丝装置，由激光器发射的激光束从入光口进入筒体，入射到筒体中心圆锥镜的镜面上，圆锥镜面将光束切割并反射，变换成环形光束，再由环形反射聚焦镜将入射的环形光束再进行反射并聚焦，形成一环锥形光束。此环锥形光束中部形成了一锥形中空无光区。单根送丝管即可由筒体上部或中部侧面进入此无光区内，实现从激光束内部送丝，即所谓“光内送丝”。具体结构参见附图1所示，由激光器发射的激光束2（光源）从入光口27进入，入射到中心圆锥镜46的镜面上，被其切割并反射成环形光束39，环形光束39射到环形反射聚焦镜47上再次反射并聚焦形成一环锥形光束40。此环锥形光束40中间形成一个中空无光区41。单根送丝管42从筒体外部插入，穿过圆锥镜46与环形反射聚焦镜47之间的空隙，到达圆锥镜46背面后转为与环锥形光束40同轴线，使得送丝管42端部的喷丝嘴43置于所述环锥形光束40的锥形中空无光区41内，并与环锥形光束40同轴线。喷丝嘴43出口位置靠近环锥形光束40的焦点44。丝材5从送丝管42中送入，通过送丝管42下端的喷丝嘴43输出，在接近焦点44处被所述环锥形光束40下部包围照射，然后在光照与基材45表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材表面调整到所述焦点44附近，熔入熔池的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随光束与基材的相对移动而连续凝固形成熔道。

上述技术方案存在如下缺陷：

1、采用环锥形光束实现光内送丝，环锥形光束在投射到工件表面的过程中，需要通过支架上的三条支撑筋板，会导致激光功率损耗比较大，影响激光有效输出功率，也会影响整个喷头的寿命。

2、受到激光功率的限制，丝材的线径一般在0.8mm左右，导致单位时间内熔覆层面积小，从而致使熔覆效率较低。

3、为了防止丝材被堵在喷头中，丝材和喷嘴孔需要间隙配合，因此丝材从喷头出来时的位置存在不确定性，由于喷丝嘴的出口和聚焦光斑之间存在一段距离，很容易导致丝材在到达工件的熔覆区域时和光斑发生偏离，导致熔覆表面质量和尺寸精度不好，熔覆表层料厚不均匀，熔覆区域的尺寸变化比较大，达不到熔覆的精度要求。

4、丝材在喷头内运动过程中，由于喷头受到熔池热量传递，整个喷头的温度会很高，由于材料的热胀冷缩，丝材和喷头内部导槽之间的摩擦力增大，丝材很容易堵在喷头中，无法从喷嘴口排出。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置，以获得较高的熔覆效率以及较高的熔覆精度，并避免喷丝嘴堵塞。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置，沿激光传送方向设有反射镜和聚焦镜，所述反射镜为将入射光束分成两束反射光的尖劈分光镜，所述聚焦镜为将两束所述反射光聚焦为线形的反射聚焦镜，设有一支撑架，所述尖劈分光镜固定于所述支撑架的顶部中央，尖劈分光镜的尖端朝向入光方向；所述支撑架上设有至少两个导丝槽，所述导丝槽与由所述反射聚焦镜形成的聚焦光束不相交，导丝槽的出口处设有导丝嘴，所述导丝嘴上出丝口的位置位于聚焦光束的焦点的侧上方。

上述技术方案中，反射聚焦镜由固定连接在所述支撑架两侧的一对聚焦镜构成，聚焦镜的镜面与所述尖劈分光镜的两侧镜面相对，并使反射的聚焦光束朝向支撑架下方的出光口，所述支撑架在聚焦光束路径上设有通孔；所述导丝槽的入口位于所述支撑架上的另两侧。

每一所述导丝槽由上部的弧形导槽和下部的直线导槽连接构成，下部的直线导槽位于聚焦光束之间的中空无光区内；当设置偶数个导丝槽时，各导丝槽中的直线导槽与导丝嘴中的槽以支撑架中心线为轴成轴对称布置。

优选的技术方案，所述支撑架的下部对应直线导槽设有丝材位置校正机构，所述丝材位置校正机构包括一靠于直线导槽槽口处的压紧块，所述压紧块经弹性机构安装在所述支撑架上，并压紧直线导槽。

其中，所述弹性机构包括一与支撑架销轴连接的传递杆，所述传递杆的一端经弹性元件和调节螺钉与支撑架连接，所述传递杆的另一端压迫所述压紧块。

进一步的技术方案，在所述圆弧导槽的入口处，设有圆柱形连接孔，所述圆柱形连接孔内设有润滑元件，润滑元件内设有润滑液，丝材经所述润滑液进入所述圆弧导槽内。

上述技术方案中，所述支撑架内部设有气体通道，所述导丝嘴上设有与所述气体通道连通的出气口，保护气体经所述气体通道和出气品输送到熔覆区域。

所述导丝嘴上设有进气导槽、出气口、V形进丝口和出丝口、导向孔，并分别与支撑架上的对应槽、孔连通。

上述技术方案中，包括上防护罩、下防护罩、连接板，上防护罩上方有入光口，下防护罩下方有出光口。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明通过设置尖劈分光镜和对应的反射聚焦镜，将光线从两侧形成倒三角形形状聚焦成线状焦点，从而避免了光线与支撑架的干涉，减少激光功率损耗，能有效提高熔覆效率。

2、由于采用倒三角形形状的聚焦路径，本发明的光束具有较大的中空区，便于实现多条丝材同时熔覆，增大了整个熔覆区域的面积，较大地提高了熔覆效率，进而也可以进行大面积的熔覆工作。

3、本发明在设计喷丝嘴时增加了一个用于校正丝材位置的校正装置，该装置通过内置的压紧装置将丝材紧紧得压在线槽内，消除了丝材和槽的间隙，保证了丝材在导槽内的位置精度，丝材在工件的熔覆区域始终处于光斑内部，大大缩小了熔覆区域尺寸变化的幅度，从而提高了熔覆表面质量和尺寸精度。

4、在支撑架丝材入口处增加润滑元件，丝材通过润滑元件，将润滑元件上的润滑液带入到整个喷头中，有效减小丝材和喷头内部导槽摩擦力，有效避免堵丝问题产生。

附图说明

图1为现有激光单送丝喷头的原理图；

图2为本发明实施例中一种激光光内可同时输送两根丝材的喷头的整体结构示意图；

图3为实施例中支撑架的结构示意图；

图4为实施例中支撑架的正向剖面示意图；

图5为实施例中导丝嘴的侧上方视图；

图6为导丝嘴的侧面视图；

图7为导丝嘴的侧下方视图；

图8为实施例中支撑架与导丝嘴连接处的结构示意图；

图9为实施例中支撑架的侧向剖面示意图；

图10为支撑架内部的通气管道示意图；

图11为支撑架内部的结构示意图。

其中：1、连接板；2、激光束；3、上防护罩；4、送丝口；5、丝材；6、下防护罩；7、光斑；8、反射聚焦镜；9、支撑架；10、传递杆；11、调节螺钉；12、压紧块；13、导丝嘴；14、润滑元件；15、支撑架；16、弹性元件；17、调节螺钉；18、销；19、传递杆；20、出气口；21、尖劈分光镜；22、进气导槽；23、V形进丝口；24、导向孔；25、V形出丝口；26、气体通道；27、入光口；28、出光口；30、倒三角光束；32、圆弧导槽；33、直线导槽；34、弹性元件支撑孔；35销的连接孔；36、圆柱连接孔；37、导气孔；38、定位孔；39、环形光束；40、环锥形聚焦光束；41、中空无光区；42、送丝管；43、喷丝嘴；44、焦点；45、基材；46、圆锥镜；47、环形反射聚焦镜；48、方孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图2-图11所示，一种激光光内送丝喷头，包括上防护罩3、下防护罩6、连接板1和支撑架9，上防护罩3上方有入光口27，下防护罩6下方有出光口28，所述支撑架上部设置有反射镜21、聚焦镜8，下部设置有导丝嘴13；所述反射镜为可将入射方形光束切割分成两束的尖劈分光镜21，所述聚焦镜为可将反射光束再次反射并聚焦为线形的反射聚焦镜8。尖劈分光镜21固定于所述支撑架9的中心，其镜面朝向入光口，反射聚焦镜8固定于支撑架9两侧，其镜面与尖劈分光镜的两侧镜面相对，并朝向支撑架下方的出光口。支撑架内部由圆弧导槽32和直线导槽33，两根或多根丝材5分别从所述支撑架没有安装反射聚焦镜的另外两侧插入，顺沿着圆弧导槽32和直线导槽33从支撑架下端的导丝嘴13导出。

如附图9所示，入射的激光束由尖臂分光镜21分光后，分别由两侧的反射聚焦镜8反射，并聚焦形成光斑7，两侧反射的光束构成倒三角形光束30。

支撑架下端的导丝嘴13置于所述倒三角形光束30中的中空无光区内，导丝嘴13与倒三角形光束30的中心线平行，两根或多根送丝圆弧导槽32和直线导槽33以及导丝嘴13以支撑架中心线成轴对称，导丝嘴13出口位置距离倒三角形光束的焦点有一段距离。

如图2所示，上防护罩3、支撑架9、连接板1以及下防护罩6构成方形筒体。上防护罩3用于防护光路以及阻止灰尘的进入，连接板1则是连接喷头和机械手臂，下防护罩6除了包含上防护罩3的功能外还为了防止操作者进入光路区域从而造成人员伤害，支撑架则用于连接以上三个部分。

参见图11，丝材在进入支撑架9时会通过支撑架上的一个润滑元件14，此润滑元件14固定在支撑架圆柱连接孔36中，用于减少圆弧导槽32与丝材5的摩擦力，防止丝堵在喷头中。

如图3和图4所示，支撑架9用于安装和连接整个装置的零部件，除了包括反射镜21、聚焦镜8、丝材5以及导丝嘴13等外，其主体部分是一个支撑架9。支撑架9用于支撑光路系统、连接上下防护罩、支撑弹性元件和传递杆。支撑架9内部有圆弧导槽32，起丝导向作用。

参见图3、图4、图11所示，支撑架的下端装有一个校正丝材位置的装置，该装置由弹性元件16、弹性元件支撑孔34、调节螺钉17、销18、销的连接孔35、传递杆19、压紧块12和导丝嘴13构成。调节螺钉17用于调节弹性元件的压缩量以调节弹力大小；销18用于连接支撑架和传递杆19，让传递杆实现转动运动；传递杆19将弹性元件的弹力传递到所述压紧块12，把丝压紧在V槽（图4）中，实现丝的整形作用。

图5-图8展示了V槽结构，其中，图5至图7是导丝嘴的结构示意图，导丝嘴13包括进气导槽22和出气口20、V形进丝口23和出丝口25、导向孔24等。进气导槽22用于送入安全保护气；V形进丝口23内部有V形导槽，使喷丝在V槽内滑动；导向孔24是为了让压紧块12在导槽内滑动。图8则显示了支撑架下部与导线嘴的连接处的结构，导气孔37和定位孔38分别与导线嘴顶部配合。

由此，本实施例通过设置尖劈分光镜和对应的反射聚焦镜，将光线从两侧形成倒三角形形状聚焦成线状焦点，从而避免了光线与支撑架的干涉，减少激光功率损耗，能有效提高熔覆效率。同时，本实施例设置了两组导丝孔，能够实现2条丝材同时熔覆，增大了整个熔覆区域的面积。再次，本实施例增加了校正装置，通过内置的压紧装置将丝材紧紧得压在线槽内，消除了丝材和槽的间隙，保证了丝材在导槽内的位置精度，丝材在工件的熔覆区域始终处于光斑内部，大大缩小了熔覆区域尺寸变化的幅度，从而提高了熔覆表面质量和尺寸精度。最后，本实施例在支撑架丝材入口处增加润滑元件，丝材通过润滑元件，将润滑元件上的润滑液带入到整个喷头中，有效减小丝材和喷头内部导槽摩擦力，有效避免堵丝问题产生。因此，本实施例的方案解决了现有技术中存在的问题，产生了显著的技术效果。

Claims (9)

1.一种用于激光熔覆的激光光内送丝装置，沿激光传送方向设有反射镜和聚焦镜，其特征在于：所述反射镜为将入射光束分成两束反射光的尖劈分光镜，所述聚焦镜为将两束所述反射光聚焦为线形的反射聚焦镜，设有一支撑架，所述尖劈分光镜固定于所述支撑架的顶部中央，尖劈分光镜的尖端朝向入光方向；所述支撑架上设有至少两个导丝槽，所述导丝槽与由所述反射聚焦镜形成的聚焦光束不相交，导丝槽的出口处设有导丝嘴，所述导丝嘴上出丝口的位置位于聚焦光束的焦点的侧上方。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：反射聚焦镜由固定连接在所述支撑架两侧的一对聚焦镜构成，聚焦镜的镜面与所述尖劈分光镜的两侧镜面相对，并使反射的聚焦光束朝向支撑架下方的出光口，所述支撑架在聚焦光束路径上设有通孔；所述导丝槽的入口位于所述支撑架上的另两侧。

3.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：每一所述导丝槽由上部的弧形导槽和下部的直线导槽连接构成，下部的直线导槽位于聚焦光束之间的中空无光区内；当设置偶数个导丝槽时，各导丝槽中的直线导槽与导丝嘴中的槽以支撑架中心线为轴成轴对称布置。

4.根据权利要求3所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：在所述支撑架的下部对应直线导槽设有丝材位置校正机构，所述丝材位置校正机构包括一靠于直线导槽槽口处的压紧块，所述压紧块经弹性机构安装在所述支撑架上，并压紧直线导槽。

5.根据权利要求3所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：所述弹性机构包括一与支撑架销轴连接的传递杆，所述传递杆的一端经弹性元件和调节螺钉与支撑架连接，所述传递杆的另一端压迫所述压紧块。

6.根据权利要求3所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：在所述圆弧导槽的入口处，设有圆柱形连接孔，所述圆柱形连接孔内设有润滑元件，润滑元件内设有润滑液，丝材经所述润滑液进入所述圆弧导槽内。

7.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：所述支撑架内部设有气体通道，所述导丝嘴上设有与所述气体通道连通的出气口，保护气体经所述气体通道和出气品输送到熔覆区域。

8.根据权利要求3所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：所述导丝嘴上设有进气导槽、出气口、V形进丝口和出丝口、导向孔，并分别与支撑架上的对应槽、孔连通。

9.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的激光光内送丝装置，其特征在于：包括上防护罩、下防护罩、连接板，上防护罩上方有入光口，下防护罩下方有出光口。