CN106521485A - 宽带激光熔覆用同轴送粉装置及其送粉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置及其送粉方法，所述装置包括套筒组件，套筒组件底端设有光束隔罩和从内到外依次套在光束隔罩上的内层气罩、外层气罩和冷却水罩，套筒组件底端内层气罩和外层气罩之间设有两个关于光束隔罩对称的送粉管，送粉管出口为矩形管，光束隔罩、内层气罩、外层气罩和冷却水罩位于底部的出口均为矩形，套筒组件上设有注水口和出水口、外层保护气入口、内层保护气入口和送粉入口。所述方法包括外源设备的连接、送粉装置参数调节及同轴宽带送粉激光熔覆三个步骤。该装置能防止熔化金属液体飞溅堵塞送粉装置出口，能对粉斑整形使得粉斑铺放更加均匀，结构简单、易于加工。

Description

宽带激光熔覆用同轴送粉装置及其送粉方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置及其送粉方法。

背景技术

激光熔覆是一种先进的表面处理技术，其原理是利用激光对合金粉末与基体表面进行辐照使之熔化，并快速凝固后形成冶金结合良好的涂层，以提高基体材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性能，与传统表面处理工艺如热喷涂、电弧堆焊、等离子喷涂等相比，激光熔覆具有热影响区小、变形小、稀释率低和区域可控等诸多优点，广泛应用于汽轮机叶片、曲轴、机床主轴等零部件的再制造修复。

随着大型轴类件(如船用曲轴、液压缸立柱等)对表面修复的需求越来越高，传统小光斑的激光熔覆设备由于熔覆效率低，已不能满足大型轴类件对修复效率的迫切需求，大光斑宽带激光熔覆设备应运而生，由此带来的问题是激光熔覆过程中合金粉末如何准确均匀地输送到激光熔覆产生的熔池中，现有的同轴送粉喷嘴大都适用于圆形或方形光斑，对于大宽带矩形光斑，则不适用。

国内许多学者对宽带激光熔覆用送粉装置进行了一系列设计，授权号为CN103132072B的发明专利“一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置”提出了一种适用于矩形光斑的侧向送粉喷嘴，这种侧向送粉喷嘴装置对激光熔覆方向较敏感，无法解决正反向送粉产生的方向性问题，粉末汇聚性较差；申请号为201510808637.8的发明专利“一种宽带激光熔覆系统及其送粉喷嘴”公开了一套适用于宽带激光熔覆的系统及送粉喷嘴，这种可调宽带送粉系统复杂，控制困难，粉末均匀性较差，粉束并未直接进入熔池；公开号为CN1319459A的发明专利“可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴”提出了一种同轴的宽带激光熔覆用送粉喷嘴，该喷嘴的主要特点是在光束两侧安装矩形通道的送粉头，以实现矩形粉束的同轴输送，这种同轴送粉喷嘴加工困难，并且粉束铺放不均匀、加工质量差。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置及其送粉方法，该装置能防止熔化金属液体飞溅堵塞送粉装置出口，能对粉斑整形使得粉斑铺放更加均匀，结构简单、易于加工。

本发明所采用的技术方案是：

一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置，包括高度可调且设有中心通孔的套筒组件，套筒组件顶端设有用于与激光器连接的外接件，套筒组件底端轴心处设有光束隔罩，套筒组件底端设有从内到外依次套在光束隔罩上的内层气罩、外层气罩和冷却水罩，套筒组件底端内层气罩和外层气罩之间设有两个关于光束隔罩对称的送粉管，送粉管为矩形管、下部向光束隔罩一侧折弯、出口为与光斑形状相匹配的矩形，光束隔罩、内层气罩、外层气罩和冷却水罩的上部均为矩形、下部均为向下收缩的楔形、位于底部的出口均为矩形，冷却水罩与套筒组件和外层气罩配合围成密封腔，套筒组件上设有与密封腔连通的注水口和出水口、与内层气罩和外层气罩的环空连通的外层保护气入口、与内层气罩和光束隔罩的环空连通的内层保护气入口、与送粉管进口连通的送粉入口。

进一步地，套筒组件底端设有连接盘，套筒组件底端轴心处设有穿过连接盘的隔罩连接套，光束隔罩设在隔罩连接套轴心处的方形通孔内，内层气罩、外层气罩和冷却水罩的顶部分别定位安装在连接盘的矩形槽内，注水口、出水口和外层保护气入口分别设在连接盘上，送粉管进口位于套筒组件底端和连接盘的配合面上，送粉入口设在套筒组件底端，套筒组件上设有一圈环槽，环槽通过套筒组件的中心通孔与内层气罩和光束隔罩的环空连通，内层保护气入口设在套筒组件底端并与环槽连通。

进一步地，在垂直于轴心的投影面上，以轴心投影点为基准，注水口和出水口呈180度排布，两个送粉入口呈180度排布，内层保护气入口与两个送粉入口分别呈90度排布，外层保护气入口与两个送粉入口分别呈90度排布。

进一步地，套筒组件包括通过螺纹连接套在一起的顶部套筒和底部套筒，外接件设在顶部套筒上。

一种基于上述宽带激光熔覆用同轴送粉装置的送粉方法，包括外源设备的连接、送粉装置参数调节及同轴宽带送粉激光熔覆三个步骤：

外源设备的连接包括——外接件与激光器末端圆形镜头相连，注水口和出水口分别与冷却水循环装置连接，送粉入口与送粉装置)连接，内层保护气入口和外层保护气入口分别与惰性气体发生装置连接，其中，激光器是指能产生宽带型光斑的激光器；

送粉装置参数调节是指保护气压与送粉流量的调节和送粉距离h的调节，其中，送粉距离h是指送粉装置出粉口下端距工件平面的距离，保护气压、送粉流量及送粉距离h调节应限定在一定范围，参数调节的要求是粉末不发散、粉末汇聚点位于激光器产生于工件表面的激光光斑内；

同轴宽带送粉激光熔覆是指根据工件表面情况选取合理的熔覆工艺参数进行宽带激光熔覆，要求熔覆层表面质量良好、送粉装置不堵粉、不漏水。

本发明的有益效果是：

该装置采用同轴送粉方式实现对宽带激光熔覆的送粉，有效解决了侧向送粉方式时激光熔覆的方向性问题，并且粉末汇聚特性优于侧向送粉；内层保护气入口向内层气罩和光束隔罩的环空通入内层保护气，内层保护气包裹在光束隔罩形成的光斑上，不仅防止熔覆层表面氧化，还防止熔化金属液体飞溅堵塞送粉装置出口；外层保护气入口向内层气罩和外层气罩的环空通入外层保护气，外层保护气和内层保护气双重作用在送粉管喷出的粉斑上，约束了粉斑向内侧和外侧的扩散，对粉斑起到了整形的作用，使得粉斑铺放更加均匀；该装置采用多层罩体结构，即可实现了外层保护气、内层保护气和冷却水的相互隔离，通过罩体与套筒组件的安装即可实现了光斑、粉斑、外层保护气和内层保护气的定位，调节套筒组件高度即可调节送粉距离，整个装置结构简单、易于加工，特别适用于大型轴类件、大平面件的大面积激光熔覆应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的主视图(包含冷却水循环装置和粉末输送装置)。

图2是图1中A-A的剖视图。

图3是本发明实施例的左视图(包含惰性气体发生装置)。

图4是图3中B-B的剖视图。

图中：1-冷却水罩；2-外层气罩；3-光束隔罩；4-送粉管；5-内层气罩；6-连接盘；7-套筒组件；8-连接箍；9-隔罩连接套；10-送粉入口；11-注水口(出水口)；12-冷却水循环装置；13-粉末输送装置；14-内层保护气入口；15-外层保护气入口；16-惰性气体发生装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图3所示，一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置，包括高度可调且设有中心通孔的套筒组件7，套筒组件7顶端设有用于与激光器(末端镜头)连接的外接件(连接箍8)，套筒组件7底端轴心处设有光束隔罩3，套筒组件7底端设有从内到外依次套在光束隔罩3上的内层气罩5、外层气罩2和冷却水罩1，套筒组件7底端内层气罩5和外层气罩2之间设有两个关于光束隔罩3对称的送粉管4，送粉管4为矩形管、下部向光束隔罩3一侧折弯、出口为与光斑形状相匹配的矩形(在本实施例中，送粉管4出口尺寸为14mm×2.5mm，与光束形状相匹配，下部折弯成150°)，光束隔罩3、内层气罩5、外层气罩2和冷却水罩1的上部均为矩形、下部均为向下收缩的楔形、位于底部的出口均为矩形(在本实施例中，光束隔罩3出口尺寸为1６mm×4mm，与光束形状相匹配，光束隔罩3出口高于内层气罩5出口5-8mm)，冷却水罩1与套筒组件7和外层气罩2配合围成密封腔(本实施例中，冷却水罩1出口高于外层气罩2出口5-8mm，保证冷却水罩1出口封闭时不会将外层气罩2出口堵住，冷却水罩1与套筒组件7和外层气罩2之间通过方形密封圈密封)，套筒组件7上设有与密封腔连通的注水口11和出水口11、与内层气罩5和外层气罩2的环空连通的外层保护气入口15、与内层气罩5和光束隔罩3的环空连通的内层保护气入口14、与送粉管4进口连通的送粉入口10。

该装置采用同轴送粉方式实现对宽带激光熔覆的送粉，有效解决了侧向送粉方式时激光熔覆的方向性问题，并且粉末汇聚特性优于侧向送粉；内层保护气入口14向内层气罩5和光束隔罩3的环空通入内层保护气，内层保护气包裹在光束隔罩3形成的光斑上，不仅防止熔覆层表面氧化，还防止熔化金属液体飞溅堵塞送粉装置出口；外层保护气入口15向内层气罩5和外层气罩2的环空通入外层保护气，外层保护气和内层保护气双重作用在送粉管4喷出的粉斑上，约束了粉斑向内侧和外侧的扩散，对粉斑起到了整形的作用，使得粉斑铺放更加均匀；该装置采用多层罩体结构，即可实现了外层保护气、内层保护气和冷却水的相互隔离，通过罩体与套筒组件7的安装即可实现了光斑、粉斑、外层保护气和内层保护气的定位，调节套筒组件7高度即可调节送粉距离，整个装置结构简单、易于加工，特别适用于大型轴类件、大平面件的大面积激光熔覆应用领域。

如图1和图3所示，在本实施例中，套筒组件7底端设有连接盘6，套筒组件7底端轴心处设有穿过连接盘6的隔罩连接套9，光束隔罩3设在隔罩连接套9轴心处的方形通孔内，内层气罩5、外层气罩2和冷却水罩1的顶部分别定位安装在连接盘6的矩形槽内，注水口11、出水口11和外层保护气入口15分别设在连接盘6上，送粉管4进口位于套筒组件7底端和连接盘6的配合面上，送粉入口10设在套筒组件7底端，套筒组件7上设有一圈环槽，环槽通过套筒组件7的中心通孔与内层气罩5和光束隔罩3的环空连通，内层保护气入口14设在套筒组件7底端并与环槽连通。

由于光束隔罩3外套有三层罩体(内层气罩5、外层气罩2和冷却水罩1)，内层气罩5和外层气罩2之间还设有两个送粉管4，如何将外部的物质输入两层罩体之间的环空和送粉管4内成为了一个难题，对于外层的外层气罩2和冷却水罩1，可以将注水口11、出水口11和外层保护气入口15直接开设在连接盘6上，但是对于内层的内层气罩5和光束隔罩3，由于位置较深，不好在连接盘6上直接加工，因此，将送粉入口10和内层保护气入口14开设在套筒组件7底端，通过环槽以及套筒组件7底端和连接盘6的配合面将物质输入，制作简单；连接盘6通过矩形槽分别将内层气罩5、外层气罩2和冷却水罩1安装定位，保证了位置精度。

如图1至图4所示，在本实施例中，在垂直于轴心的投影面上，以轴心投影点为基准，注水口11和出水口11呈180度排布，两个送粉入口10呈180度排布，内层保护气入口14与两个送粉入口10分别呈90度排布，外层保护气入口15与两个送粉入口10分别呈90度排布。内层保护气入口14与两个送粉入口10距离的角度相同，保证了内层保护气均衡作用在粉斑上，外层保护气入口15与两个送粉入口10距离的角度相同，保证了外层保护气均衡作用在粉斑上。

如图1和图3所示，套筒组件7包括通过螺纹连接套在一起的顶部套筒和底部套筒，外接件设在顶部套筒上。通过螺纹副实现顶部套筒和底部套筒的上下相对移动，进而实现对送粉距离的调节，以使粉斑与光斑完全匹配。

一种基于上述宽带激光熔覆用同轴送粉装置的送粉方法，包括外源设备的连接、送粉装置参数调节及同轴宽带送粉激光熔覆三个步骤。

外源设备的连接包括——外接件(连接箍8)与激光器末端圆形镜头相连，注水口11和出水口11分别与冷却水循环装置12连接，送粉入口10与送粉装置)连接，内层保护气入口14和外层保护气入口15分别与惰性气体发生装置16连接，其中，激光器是指能产生宽带型光斑的激光器。

送粉装置参数调节是指保护气压与送粉流量的调节和送粉距离h的调节，其中，送粉距离h是指送粉装置出粉口下端距工件平面的距离，保护气压、送粉流量及送粉距离h调节应限定在一定范围(在本实施例中，送粉距离h的调节范围为5-10mm，保护气压的调节范围为0.5-1.5MPa，送粉流量的调节范围为5-15g/min)，参数调节的要求是粉末不发散、粉末汇聚点位于激光器产生于工件表面的激光光斑内。

同轴宽带送粉激光熔覆是指根据工件表面情况选取合理的熔覆工艺参数进行宽带激光熔覆(在本实施例中，激光功率选取1500W，送粉流量选取8g/min，扫描速度选取5mm/s)，要求熔覆层表面质量良好、送粉装置不堵粉、不漏水。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种宽带激光熔覆用同轴送粉装置，其特征在于：包括高度可调且设有中心通孔的套筒组件，套筒组件顶端设有用于与激光器连接的外接件，套筒组件底端轴心处设有光束隔罩，套筒组件底端设有从内到外依次套在光束隔罩上的内层气罩、外层气罩和冷却水罩，套筒组件底端内层气罩和外层气罩之间设有两个关于光束隔罩对称的送粉管，送粉管为矩形管、下部向光束隔罩一侧折弯、出口为与光斑形状相匹配的矩形，光束隔罩、内层气罩、外层气罩和冷却水罩的上部均为矩形、下部均为向下收缩的楔形、位于底部的出口均为矩形，冷却水罩与套筒组件和外层气罩配合围成密封腔，套筒组件上设有与密封腔连通的注水口和出水口、与内层气罩和外层气罩的环空连通的外层保护气入口、与内层气罩和光束隔罩的环空连通的内层保护气入口、与送粉管进口连通的送粉入口。

2.如权利要求1所述的宽带激光熔覆用同轴送粉装置，其特征在于：套筒组件底端设有连接盘，套筒组件底端轴心处设有穿过连接盘的隔罩连接套，光束隔罩设在隔罩连接套轴心处的方形通孔内，内层气罩、外层气罩和冷却水罩的顶部分别定位安装在连接盘的矩形槽内，注水口、出水口和外层保护气入口分别设在连接盘上，送粉管进口位于套筒组件底端和连接盘的配合面上，送粉入口设在套筒组件底端，套筒组件上设有一圈环槽，环槽通过套筒组件的中心通孔与内层气罩和光束隔罩的环空连通，内层保护气入口设在套筒组件底端并与环槽连通。

3.如权利要求2所述的宽带激光熔覆用同轴送粉装置，其特征在于：在垂直于轴心的投影面上，以轴心投影点为基准，注水口和出水口呈180度排布，两个送粉入口呈180度排布，内层保护气入口与两个送粉入口分别呈90度排布，外层保护气入口与两个送粉入口分别呈90度排布。

4.如权利要求1所述的宽带激光熔覆用同轴送粉装置，其特征在于：套筒组件包括通过螺纹连接套在一起的顶部套筒和底部套筒，外接件设在顶部套筒上。

5.一种基于上述宽带激光熔覆用同轴送粉装置的送粉方法，其特征在于：包括外源设备的连接、送粉装置参数调节及同轴宽带送粉激光熔覆三个步骤，

外源设备的连接包括——外接件与激光器末端圆形镜头相连，注水口和出水口分别与冷却水循环装置连接，送粉入口与送粉装置)连接，内层保护气入口和外层保护气入口分别与惰性气体发生装置连接，其中，激光器是指能产生宽带型光斑的激光器；

送粉装置参数调节是指保护气压与送粉流量的调节和送粉距离h的调节，其中，送粉距离h是指送粉装置出粉口下端距工件平面的距离，保护气压、送粉流量及送粉距离h调节应限定在一定范围，参数调节的要求是粉末不发散、粉末汇聚点位于激光器产生于工件表面的激光光斑内；

同轴宽带送粉激光熔覆是指根据工件表面情况选取合理的熔覆工艺参数进行宽带激光熔覆，要求熔覆层表面质量良好、送粉装置不堵粉、不漏水。