CN107723705A - 一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工设备的配套装置，涉及一种激光熔覆头，尤其涉及一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用，主要包括主体架、送粉管及至少两个激光输出头；主体架上开设有垂直贯通主体架顶部与底部的中心通孔；送粉管穿过中心通孔并固定在主体架上；激光输出头以送粉管为中心周向排布在主体架顶部；主体架的内部还沿激光光束方向设有与激光光束同轴的激光通道，激光通道的中心轴与中心通孔的中心轴共面，且两轴之间的夹角为锐角，确保送粉管不位于激光光路中，解决了现有的中心送粉激光熔覆头结构复杂，激光能量利用率低的问题。可用于一般的激光金属表面熔覆、激光修复、激光焊接以及激光金属快速制造等领域。

Description

一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用

技术领域

本发明属于激光加工设备的配套装置，涉及一种激光熔覆头，尤其涉及一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用。

背景技术

激光熔覆也称为激光包覆或激光熔敷，是一种激光表面改性技术。是以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被熔覆材料(金属粉)经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

根据被熔覆材料与激光光束的相对运动路径，激光熔覆可分为中心光束熔覆以及中心送粉熔覆。中心光束熔覆应用较为普遍，以激光光束为中心，金属粉围绕光束周围与光束同步或者预置到基材表面，金属粉在基体表面经过激光光束照射与基体表面一薄层同时融化，快速凝固后形成冶金结合的表面涂层。

中心光束熔覆方案存在以下问题：

(1)金属粉利用率低，未经照射的金属粉飞溅至加工区外；(2)粉尘污染严重，严重影响操作人员身体健康；(3)激光能量利用率低，部分能量被基材吸收损耗。

中心送粉熔覆相较中心光束熔覆可解决其在应用中存在的上述问题，但由于其工艺实现难度大，熔覆头结构设计复杂，市场应用推广较少。

中国专利CN201710059713.9公布了一种中心送粉熔覆装置，即一种中心送粉熔覆头设计，通过在熔覆头内腔搭建锥形反射扩散镜和反射聚焦组件将入射光束转化为环形锥状空心光束，其中锥形反射扩散镜将入射光束扩束并沿该锥形反射扩散境的圆周方向上反射以形成反射光束；反射聚焦组件包括反射聚焦面和反射面，其中发射聚焦面接收发射光束再发射形成聚焦光束，至基材形成聚焦光斑，以融化位于所述聚焦光斑内的被熔覆材料，进而在所述基材上形成熔池；所述反射面接收部分反射光束再反射形成预热光束，预热光束对位于基材上方的被熔覆材料预热，对基材进行预热和缓冷。此方案中金属粉通过送粉通道送至中空无光区，实现中心送粉熔覆，解决了上述中心光束熔覆存在的问题。但依然存在如下问题：(1)该熔覆头内部的支撑筋板位于光束路径中，影响光束传输，造成部分激光能量损失；(2)送粉通道穿过激光光束进入中空无光区，影响光束传输，造成部分激光能量损失；(3)反射扩散镜和反射聚焦组件加工难度大，且受自身反射率影响，会损耗部分激光能量；(4)由于上述原因，该种结构熔覆头不能用于特大功率(万瓦级)激光熔覆。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，激光能量利用率高的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，通过多束激光空间合束，实现中心送粉熔覆，可用于一般的激光金属表面熔覆、激光修复、激光焊接以及激光金属快速制造等。

本发明的技术解决方案是提供一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特别之处在于：包括主体架、送粉管及至少两个激光输出头；

上述主体架上开设有垂直贯通主体架顶部与底部的中心通孔；

上述送粉管穿过中心通孔并固定在主体架上；

上述激光输出头以送粉管为中心周向排布在主体架顶部；上述主体架的内部还沿激光光束方向设有与激光光束同轴的激光通道，上述激光通道的中心轴与中心通孔的中心轴共面，且两轴之间的夹角为锐角，确保送粉管不位于激光光路中，不影响光束的传输。

优选地，为了防止光路污染，本发明激光熔覆头还包括与激光通道对应的保护镜座和保护镜片，上述保护镜座以可拆卸的方式内嵌于主体架内部；上述保护镜片安装于保护镜座上，且保护镜片中心轴与激光光束中心轴重合。当保护镜片被污染时，可及时更换。

优选地，为了能更好的固定送粉管，本发明激光熔覆头还包括定位器，上述定位器可拆卸的固定于主体架的底部，上述定位器内部具有定位槽，上述定位槽与中心通孔相通；上述送粉管穿过中心通孔固定在定位槽内，上述激光通道的中心轴与中心通孔的中心轴之间的夹角大小确保送粉管及定位器不位于激光光路中。

优选地，本发明激光熔覆头还包括连接件，上述连接件为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与主体架底部可拆卸连接，定位器，送粉管，激光光束位于连接件的锥状空腔内。

优选地，激光输出头以送粉管为中心周向均匀排布在主体架上；激光光束交点处激光光束的直径大于送粉管内金属粉的横截面，激光光束交点距基体的距离小于送粉管出口与基体之间的距离，确保定位器及送粉管不影响激光光束的传输。

优选地，为了防止空气对激光加工区造成影响，本发明激光熔覆头还包括具有气体入口的气体喷嘴，进一步为了冷却气嘴，还包括具有进水口的水冷嘴；

上述气体喷嘴为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与连接件可拆卸连接，与连接件外壁形成环形空腔，小端与连接件外壁之间具有环形锥状间隙；

上述水冷嘴为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与气体喷嘴可拆卸连接，水冷嘴与气体喷嘴外壁形成类锥状环形空腔。

优选地，连接件，气体喷嘴及水冷嘴的大端均为中空圆柱体，小端均为圆锥台，各圆锥台的锥部端面位于同一平面。

优选地，上述激光输出头通过法兰固定在主体架上；上述气体喷嘴与连接件螺纹连接，上述水冷嘴与气体喷嘴螺纹连接；

上述定位器为类锥状结构，锥底与主体架底部螺纹连接；

上述主体架底部设有筒状固定件，上述连接件与固定件通过螺纹连接；

上述保护镜座通过螺丝固定在主体架内部；

上述送粉管通过顶丝固定在定位槽内。

优选地，上述保护镜座包括座体，上述座体上开设有保护镜片安装孔，上述保护镜片安装在所述保护镜安装孔内。

本发明还提供上述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头在激光金属表面熔覆、激光修复、激光焊接以及激光金属快速制造领域的应用。

本发明的有益效果是：

1、本发明包括多个激光输出头，多束激光光束进行空间合束，激光能量利用率高且沿光束路径无激光能量损耗；

2、激光输出稳定性是激光熔覆工艺的重要参数指标，多光束合束结构可实现超高功率(万瓦级)激光输出，相较于传统的单束激光，同等超高功率激光(万瓦级)输出时，本发明稳定性能较高；

3、本发明还包括保护镜，保护激光光路不受污染，易于维护，出现污染后可及时更换保护镜片；

4、多光束激光合束技术方案降低设备故障风险，工业应用中长时间持续出光激光器故障率较高，该方案各激光发生器独立出光，某一路光束出现故障前提下，其他光路可正常出光，避免设备停机无法正常使用；

5、该发明结构简单，便于生产加工，制作成本低，易于在工业中推广。

附图说明

图1为实施例中心送粉可扩展多束激光熔覆头结构示意图；

图2为具有四组激光输出头的中心送粉可扩展多束激光熔覆头俯视图；

图3为保护镜座结构示意图；

图4为本实施例工作原理示意图。

图中附图标记为：1-激光输出头，2-主体架，3-定位器，4-气体喷嘴，5-水冷嘴，6-连接件，9-定位槽；

22-送粉管，24-激光通道，25-中心通孔，215-保护镜座，35-保护镜片，41-激光光束，42-金属粉，45-激光光束交点，51-基体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种中心送粉激光熔覆头，通过多束激光空间合束实现中心送粉激光熔覆。从图1可以看出，本实施例主要包括激光输出头1、主体架2、定位器3、气体喷嘴4、水冷嘴5、连接件6、送粉管22、保护镜座215、保护镜片35；

激光输出头1为2个或2个以上，本实施例中以4个激光输出头为例进行说明；主体架2上沿光束方向设有4路激光通道24，激光通道24与激光输出头1对应同轴；主体架2中央位置有中心通孔25；中心通孔25垂直贯通主体架2的上下表面；所有的激光输出头1以中心通孔25为中心周向均匀的排布在主体架2上；所述激光输出头1分别相对中心通孔25以一定角度倾斜，夹角为锐角，确保定位器不位于光路中，并使得激光光束的交点距基体的距离小于送粉管与基体之间的距离；激光输出头1通过法兰螺孔固定于主体架2上；保护镜座215以可拆卸的方式内嵌于主体架2内部(本实施例中通过螺丝固定)并与激光通道24一一对应，保护镜片35安装于保护镜座215上，且其中心轴与激光光束中心轴重合，防止熔融金属粉迸溅至激光输出头内，造成光路污染。实际应用中需定期检查保护镜片35，出现污染后可及时更换保护镜片35。定位器3通过螺纹固定于主体架2底部；定位器3内部有定位槽9，定位槽9、定位器3以及中心通孔25三者同轴；送粉管22内置于中心通孔25中，且其下部固定于定位槽9内；连接件6为类锥状薄壁空心结构，包括大端与小端，大端通过螺纹与主体架2连接，在该实施例中，主体架的底部设有筒状固定件，连接件的大端与固定件通过螺纹连接；气体喷嘴4为类锥状薄壁空心结构，包括大端与小端，其大端通过螺纹与连接件6连接，与连接件6外壁形成环形空腔，小端与连接件6外壁之间形成环形锥状间隙；水冷嘴5为类锥状薄壁空心结构，包括大端与小端，大端通过螺纹与气体喷嘴4连接，水冷嘴5与气体喷嘴4外壁形成类锥状环形空腔；本实施例中以一组气路和水路为例，保护气体一般选用氮气或氧气等惰性气体，防止空气对激光加工区造成影响，水路可对气嘴进行冷却。实际应用中可在此结构设计思想上进行气路与水路扩展。

结合图3对该发明进一步原理说明，设备工作时，4束激光光束41空间合束于激光光束交点45后分散，基体51位于交点处下方近交点处，且交点处激光光束直径大于金属粉42横截面，确保激光光束中心部分对金属粉进行预热以及在基体表面形成熔池，激光光束外围部分对基体进行预热和冷缓。

本发明所提出的将多光束以送粉管为中心环绕进行空间合束实现中心送粉的设计思想为保护核心。在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。同时，本发明将不被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：包括主体架(2)、送粉管(22)及至少两个激光输出头(1)；

所述主体架(2)上开设有垂直贯通主体架(2)顶部与底部的中心通孔(25)；

所述送粉管(22)穿过中心通孔(25)并固定在主体架(2)上；

所述激光输出头(1)以送粉管(22)为中心周向排布在主体架(2)顶部；所述主体架(2)的内部还沿激光光束方向设有与激光光束同轴的激光通道(24)，所述激光通道(24)的中心轴与中心通孔(25)的中心轴共面，且两轴之间的夹角为锐角，确保送粉管(22)不位于激光光路中。

2.根据权利要求1所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：还包括与激光通道(24)对应的保护镜座(215)和保护镜片(35)，所述保护镜座(215)以可拆卸的方式内嵌于主体架(2)内部；所述保护镜片(35)安装于保护镜座(215)上，且保护镜片(35)中心轴与激光光束中心轴重合。

3.根据权利要求2所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：还包括定位器(3)，所述定位器(3)可拆卸的固定于主体架(2)的底部，所述定位器(3)内部具有定位槽(9)，所述定位槽(9)与中心通孔(25)相通；所述送粉管(22)穿过中心通孔(25)固定在定位槽(9)内，所述激光通道(24)的中心轴与中心通孔(25)的中心轴之间的夹角大小确保送粉管(22)及定位器(3)不位于激光光路中。

4.根据权利要求3所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：还包括连接件(6)，所述连接件(6)为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与主体架(2)底部可拆卸连接，定位器(3)，送粉管(22)，激光光束位于连接件(6)的锥状空腔内。

5.根据权利要求4所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：激光输出头(1)以送粉管(22)为中心周向均匀排布在主体架(2)上；激光光束交点(45)处激光光束的直径大于送粉管(22)内金属粉(42)的横截面，激光光束交点(45)距基体(51)的距离小于送粉管(22)出口与基体(51)之间的距离。

6.根据权利要求5所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：还包括具有气体入口的气体喷嘴(4)与具有进水口的水冷嘴(5)；

所述气体喷嘴(4)为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与连接件(6)可拆卸连接，与连接件(6)外壁形成环形空腔，小端与连接件(6)外壁之间具有环形锥状间隙；

所述水冷嘴(5)为中空、类锥状结构，包括大端与小端，大端与气体喷嘴(4)可拆卸连接，水冷嘴(5)与气体喷嘴(4)外壁形成类锥状环形空腔。

7.根据权利要求6所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：连接件(6)，气体喷嘴(4)及水冷嘴(5)的大端均为中空圆柱体，小端均为圆锥台，各圆锥台的锥部端面位于同一平面。

8.根据权利要求7所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：所述激光输出头(1)通过法兰固定在主体架(2)上；所述气体喷嘴(4)与连接件(6)螺纹连接，所述水冷嘴(5)与气体喷嘴(4)螺纹连接；

所述定位器(3)为类锥状结构，锥底与主体架(2)底部螺纹连接；

所述主体架(2)底部设有筒状固定件，所述连接件(6)与固定件通过螺纹连接；

所述保护镜座(215)通过螺丝固定在主体架(2)内部；

所述送粉管(22)通过顶丝固定在定位槽(9)内。

9.根据权利要求2-8任一所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头，其特征在于：所述保护镜座(215)包括座体，所述座体上开设有保护镜片安装孔，所述保护镜片(35)安装在所述保护镜安装孔内。

10.权利要求1-9任一所述的中心送粉可扩展多束激光熔覆头在激光金属表面熔覆、激光修复、激光焊接以及激光金属快速制造领域的应用。