CN109989060B - 一种同轴送粉高速激光喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴送粉高速激光喷涂装置，包括支撑座，支撑座包括支撑外、内座，两者间具有空隙，通过若干支撑筋连结。支撑内座顶、底安装分光反射镜、缩扩型喷嘴，支撑外座顶安装聚焦反射镜。分光反射镜、聚焦反射镜、缩扩型喷嘴与支撑座同轴。支撑座上设有与缩扩型喷嘴连通的气粉通道。从聚焦反射镜上开口处射入的单束准直激光直接射向正棱锥体结构的分光反射镜得到若干反射光束实现分束，反射光束射向聚焦反射镜得到汇聚光束，汇聚光束在缩扩型喷嘴出口聚焦，形成与缩扩型喷嘴同轴的聚焦光斑。粉末在压缩气体加速气流作用下，高速从缩扩型喷嘴喷射出，与聚焦光斑交汇。本发明采用同轴送粉达到了减少粉末飞溅的高速激光喷涂目的。

Description

一种同轴送粉高速激光喷涂装置

技术领域

本发明涉及一种激光喷涂设备，尤指一种同轴送粉高速激光喷涂装置。

背景技术

激光喷涂工艺是使用激光作为热源将粉末材料加热至熔融或半熔融状态，同时借助气体射流的推动作用加速粉末材料，使其以一定速度喷射沉积到基体表面形成涂层的过程，该工艺与等离子喷涂、高速火焰喷涂等热喷涂技术相比，最大的不同是，该工艺使用激光作为热源，粉末受热的过程非常迅速，同时基体沉积斑点区也受激光加热，而气体可以不受热，能量利用率高，而等离子、高速火焰喷涂通常是利用气流的高热量和高动能对喷涂的粉末进行加热和加速，或者说在喷涂粉末被加热的同时通常伴随着气流被加热至很高温度，气流额外的高温将会产生环境温度高、沉积效率慢、热变形严重、材料氧化等不利影响。为了减弱这些不利影响，早期学者们开发出了一种激光辅助冷喷涂的工艺，它是在原有冷喷涂的基础上，外加一束激光，使激光光斑与喷涂粒子沉积斑点重叠并保持同步移动，通过激光的加热作用使喷涂粒子和沉积表面软化，从而改善了沉积效果。激光辅助冷喷涂技术与传统冷喷涂技术相比，可以显著降低喷涂粒子的临界沉积速度，扩充了适用材料的种类，但是，目前激光辅助冷喷涂技术的激光束相对喷涂射流大都是侧向布置，这样严重限制了喷枪移动的方向，并且激光光斑和粉末沉积斑点很难完全重合，粉末飞溅严重，工艺均匀性差。

激光喷涂与激光熔覆存在相似之处，它们都是通过气体输送粉末并利用激光加热材料，但二者也存在明显差异：一是激光熔覆主要利用激光将基体(或已沉积表面)加热至熔化状态，通常存在明显的熔池特征，只有少部分热量用来加热粉末，主要通过熔池的热传导作用将粉末熔化，这样使覆层/基体界面及层间界面形成了冶金结合的结合形式；二是激光熔覆粉末的飞行速度很低，而激光喷涂除了需要利用激光加热粉末和基体(或已沉积表面)之外，还需要利用气体的动能加速粉末至亚音速甚至超音速的水平，这样使基体(或已沉积表面)在未熔化或未形成熔池的条件下就能发生可靠沉积，使涂层/基体界面及层间界面表现为机械嵌合或部分冶金结合(微冶金结合)的结合形式。正是由于激光喷涂可以不用形成很深的熔池，使得其沉积的表面没有明显的搭接区而变得更加平整，同时在相同激光能量下可以使沉积效率得到几十甚至上百倍的提高，工业应用前景十分广阔。

不管是激光熔覆还是激光喷涂，侧向送粉方式没有同轴送粉方式优势明显，因此，同轴送粉一直是本领域努力的方向。同轴送粉通常分为中心光束以及中心送粉两种方式。对于中心光束熔覆或喷涂，粉末通常通过几个围绕光束周向均匀布置的送粉管送至光斑焦点处，或者通过一个与光束同轴的环形送粉通道送至光斑焦点处。中心光束方式通常存在以下不足：由于粉末倾斜汇聚至光斑焦点处后再次分散，与激光作用区间小，致使粉末飞溅严重、利用率低；激光光斑可调节范围小、熔覆头精度要求高。中心光束的激光喷涂还存在其它一些不利因素，例如，申请号为201710996639.3的中国发明专利申请“一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置及应用”公开了中心光束侧向同轴送粉的方式，高压气体经过中心布置的喷嘴加速后与激光光束同轴输出，同时设置于激光腔管管壁上并与激光腔管轴线呈锐角布置的送粉管及锥状送粉空隙，虽然能够实现基本激光喷涂，但是由于中心高压气体射流与粉末分离布置，会导致高压气体射流对粉末的加速作用距离有限，存在粉末加速不充分的缺陷，极大限制了激光喷涂技术优势的发展空间。对于中心送粉，申请号为201711184987.7的中国发明专利申请公布了一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用，通过至少两个激光输出头的多束激光组合设计实现中心送粉，即多个激光输出头以送粉管为中心周向排布在主体架顶部，并在熔覆头内部进行空间合束以完成与中心送粉通道的交汇，该设计需要使用多束激光，如果光束数量太少则不利于能量的均匀分布，不是真正意义上的同轴，而且该设计对激光器和传输光路提出了更高的要求，一定程度上增加了设备的复杂程度和使用成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴送粉高速激光喷涂装置，其通过单激光束变换为分散式多激光束、再汇聚成环形光束的方式，实现中心同轴送粉，激光光路无遮挡，达到低粉末飞溅的高速激光喷涂目的。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：它包括支撑座，其中：支撑座包括支撑外座和支撑内座，支撑外座与支撑内座之间具有空隙而通过若干支撑筋连结；支撑内座顶部安装分光反射镜而底部安装缩扩型喷嘴，支撑外座顶部安装聚焦反射镜，呈正棱锥体结构的分光反射镜位于聚焦反射镜内，分光反射镜、聚焦反射镜、缩扩型喷嘴与支撑座同轴设置；支撑座上设有与缩扩型喷嘴的缩扩通道连通、用于输送压缩气体和粉末的气粉通道；从聚焦反射镜的上开口射入的单束准直激光直接射向分光反射镜得到若干反射光束而实现分束，反射光束射向聚焦反射镜得到汇聚光束，汇聚光束在缩扩型喷嘴出口前方聚焦，以形成与缩扩型喷嘴同轴的聚焦光斑；通过气粉通道送入的粉末在压缩气体经缩扩型喷嘴形成的加速气流的作用下加速至亚音速或超音速后，从缩扩型喷嘴出口喷射出，与聚焦光斑交汇，粉末和聚焦光斑区域内的基体表面同时被加热，以使粉末在基体表面上沉积形成涂层。

本发明的优点是：

本发明一方面通过将单激光束(入射的单束准直激光)变换成中空的环形激光束(汇聚光束)，起到支撑且兼具送粉作用的支撑筋从激光光路的间隙插入，实现了无挡光的同轴送粉，另一方面，粉末在压缩气体经缩扩型喷嘴形成的加速气流的作用下加速至亚音速甚至超音速，从而粉末最终与激光光束汇聚产生的聚焦光斑在基体表面附近交汇加热，高速沉积形成涂层，激光能量利用率高，粉末飞溅少，涂层沉积效率高、均匀性好。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的剖视示意图。

图2是从图1仰视看去，支撑座的一实施例结构示意图。

图3是沿图2中A-A向切割后的支撑座立体示意图。

图4是分光反射镜的立体示意图。

图5是聚焦反射镜的立体示意图。

图6是保护镜的立体示意图。

图7是缩扩型喷嘴的结构示意图。

图8是图1中沿B-B剖面的光斑示意图。

图9是图1中沿C-C剖面的聚焦光斑示意图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明同轴送粉高速激光喷涂装置包括支撑座10，其中：支撑座10包括截面为环状的支撑外座11(根据安装需求，支撑外座11圆周上的某部位可做成平面，如图2)和截面为圆形的支撑内座12，支撑外座11与支撑内座12之间具有空隙18而支撑外座11与支撑内座12之间通过若干支撑筋13连结；支撑内座12顶部安装分光反射镜20而支撑内座12底部安装缩扩型喷嘴50，支撑外座11顶部安装聚焦反射镜30，呈正棱锥体结构的分光反射镜20位于聚焦反射镜30内，分光反射镜20、聚焦反射镜30、缩扩型喷嘴50与支撑座10(或说支撑外座11和支撑内座12)同轴设置；支撑座10上设有与缩扩型喷嘴50的缩扩通道连通、用于输送压缩气体和粉末的气粉通道160；从聚焦反射镜30的上开口31射入的单束准直激光直接射向分光反射镜20的反射平面22得到若干反射光束而实现分束，反射光束射向聚焦反射镜30的反射面33得到汇聚光束，汇聚光束在缩扩型喷嘴50出口54前方聚焦，以在工件基体表面附近形成与缩扩型喷嘴50同轴的聚焦光斑(如图9所示)，通常，聚焦光斑为环形光斑；通过气粉通道160送入的粉末在压缩气体经缩扩型喷嘴50形成的加速气流的作用下加速至亚音速或超音速后，从缩扩型喷嘴50出口54喷射出，与聚焦光斑交汇，粉末和聚焦光斑区域内的基体表面同时受激光作用被加热软化甚至熔化，以使粉末在基体表面上沉积形成涂层。

如图4，分光反射镜20包括呈正棱锥体的反射表面结构21，反射表面结构21具有3个至24个相同的反射平面22，以将单束准直激光分为多个反射光束，反射平面22即棱锥体的棱面，图4示出了12个反射平面的情形，其中，分光反射镜20的底端固定安装在支撑内座12顶部的凸部121上。

如图5，聚焦反射镜30包括本体，本体的顶、底部分别具有上开口31、下开口32，上开口31与支撑座10同轴设置，单束准直激光从上开口31射入，下开口32与支撑外座11连接，以使聚焦反射镜30固定安装在支撑外座11上，本体的内壁上设有一圈反射面33，其中：聚焦反射镜30的反射面33朝向分光反射镜20的反射平面22设置，以用来接收分光反射镜20反射出的反射光束以及反射产生在缩扩型喷嘴50出口54前方聚焦的汇聚光束。

如图2、图3，所有支撑筋13将支撑外座11与支撑内座12之间的空隙18分成至少2份，通常，在不遮挡从聚焦反射镜30反射出来的激光并保证结构稳定可靠的前提下，支撑筋13数量越少越好。通常，支撑筋13与反射表面结构21的棱线相对设置，以便于支撑筋13不遮挡通过的激光光束。例如，图2示出了支撑筋13设计了3根，将空隙18均分成3份的情形。

如图5，聚焦反射镜30的反射面33为一圈连续、无棱的圆锥面或圆弧面。

如图3，气粉通道160从支撑外座11的外壁上的气粉入口16沿支撑外座11、相应一支撑筋13、支撑内座12而通向缩扩型喷嘴50的缩扩通道的入口。在实际设计中，气粉通道160为直孔状，以便于加工。

如图7，缩扩型喷嘴50包括喷管51，喷管51沿自身长度方向设有两端贯通的缩扩通道，缩扩通道由依次连通的入口段521、喉部522、扩张段523和直管段524构成，入口段521形成入口53，直管段524形成出口54，其中：呈喇叭状的入口段521的截面尺寸逐渐减小至与喉部522连结，扩张段523的截面尺寸逐渐增大至与直管段524连结，直管段524的截面尺寸保持不变，扩张段523的最大截面尺寸小于入口段521的最大截面尺寸。

在本发明中，缩扩型喷嘴50先缩小再扩大的结构设计利于压缩气体形成加速气流，从而粉末在加速气流作用下从喷管51的出口54以加速至亚音速，甚至超音速的速度喷射出。

在实际设计中，缩扩型喷嘴50的喷管51顶部固定安装在支撑内座12底部凸设的具有圆孔的环形槽122上，以使入口段521，即入口53与支撑内座12底部相对，来与气粉通道160连通。

如图1，聚焦反射镜30上安装有密封罩40，密封罩40上设有与聚焦反射镜30的上开口31相对的开口44，密封罩40上设有第一入水口41、第一回水口42，第一入水口41、第一回水口42和聚焦反射镜30与密封罩40之间形成的间隙43共同形成供冷却介质循环流动的第一冷却通道，第一冷却通道用于为聚焦反射镜30降温。

如图3，支撑外座11的外壁上设有第二入水口14、第二回水口15，第二入水口14、第二回水口15应设置在相对或大致相对的外壁上，第二入水口14沿支撑外座11、相应一支撑筋13、支撑内座12形成入水通道140而向支撑内座12与分光反射镜20之间的空腔201通入冷却水，第二回水口15沿支撑外座11、相应另一支撑筋13、支撑内座12形成回水通道150而使支撑内座12与分光反射镜20之间的空腔201内的冷却水流出，从而形成供冷却介质循环流动的第二冷却通道，第二冷却通道用于为分光反射镜20降温。

在实际设计中，第一冷却通道与第二冷却通道可通过管路连通，或者两者彼此独立设置，不受局限。

如图1，支撑外座11下面安装有外固定套70，外固定套70与缩扩型喷嘴50的上部之间安装有透光的平面式保护镜60，缩扩型喷嘴50的喷管51贯穿保护镜60中心上的通孔61，保护镜60将分光反射镜20、聚焦反射镜30与缩扩型喷嘴50的出口54相隔离，以防止从缩扩型喷嘴50的出口54喷射出的粉尘对分光反射镜20、聚焦反射镜30造成污染。

对于可能进入的粉尘，本发明装置设计有如下措施：如图3，支撑座10上设有吹气通道170，吹气通道170从支撑外座11的外壁上的吹气入口17沿支撑外座11延伸至支撑筋13上朝下，即朝向保护镜60设置的至少一吹气出口171；保护镜60中心上的通孔61与缩扩型喷嘴50之间设有排气缝隙(图中未示出)，以使从吹气通道170进入的气体从排气缝隙流出，进而阻止保护镜60外部的粉尘接触分光反射镜20的反射平面22和聚焦反射镜30的反射面33，进一步保证了分光反射镜20、聚焦反射镜30免受粉尘污染。

在实际设计中，保护镜60的外侧通过紧固件72(如螺母)与外固定套70固定，保护镜60的内侧与缩扩型喷嘴50之间安装有形成排气缝隙的固定部件71(如螺母)，固定部件71用于将送入其内部的气流切换方向至沿保护镜60外表面径向流动，从而吹走保护镜表面可能积聚的粉尘。

如图1，支撑座10下方设有喷嘴保护帽80，喷嘴保护帽80将缩扩型喷嘴50罩住，喷嘴保护帽80的底开口81与缩扩型喷嘴50的出口54相对，进一步减小外界粉尘进入的可能。通常，如图1，喷嘴保护帽80与外固定套70固定安装。

本发明装置的工作过程和原理为：

聚焦反射镜30的上开口31接收从密封罩40的开口44射入的单束准直激光，于是单束准直激光直接向下径直射向分光反射镜20的各反射平面22，转换为多个反射光束，实现了分束，然后反射光束射向聚焦反射镜30的反射面33，形成汇聚光束(参见图8示出的汇聚光束表现的光斑)，汇聚光束不受支撑筋13遮挡，直接在缩扩型喷嘴50出口54前方聚焦，用于在工件基体表面附近形成聚焦光斑(参见图9所示)。

与此同时，粉末和压缩气体送入气粉入口16，经由气粉通道160后被送入与聚焦光斑同轴的缩扩通道，压缩气体经缩扩通道加速，形成加速气流，粉末在加速气流作用下加速至亚音速或超音速后从缩扩型喷嘴50出口54喷射出，与聚焦光斑交汇，粉末和聚焦光斑区域内的基体表面同时受激光作用被加热软化甚至熔化，进而在工件基体表面上沉积形成涂层。

在本发明中，音速是指声音的速度，标准速度是在15℃(气温)的海平面测试声音在空气中传播的速度(在水中或其他介质中速度不同)。通常，亚音速是指小于声音速度的传播速度，超音速是指大于声音速度的传播速度。

本发明的优点有：

1、本发明采用正棱锥体的分光反射镜结构，并通过合理布置支撑筋，使得单束准直激光经分光反射镜、聚焦反射镜反射后形成的汇聚光束不会照射到支撑筋上，从而避免了支撑筋吸收激光能量而导致装置过热，减少了激光的能量损失。

2、在本发明中，分光反射镜、聚焦反射镜、缩扩型喷嘴与支撑座同轴设计，实现了真正的同轴送粉，减小喷射的粉末产生飞溅，而且安装、微调便捷，极大减小了制造、安装中可能产生的误差，提高了本发明装置的精度。

3、借由本发明装置中的缩扩型喷嘴的结构设计，粉末与压缩气体形成的加速气流之间的作用距离长，从而粉末可利用压缩气体的动能得到充分加速，通过调节压缩气体的压力大小可改变和控制粉末的沉积速度，使其达到亚音速，甚至超音速喷射的要求。

4、本发明将粉末加速与加热过程分开进行，极大限度地降低了氧化缺陷的产生。由于激光的聚焦光斑处于工件基体表面附近，粉末与聚焦光斑交汇时才受到激光的加热作用，在此之前只受压缩气体的作用，这样一方面可以使压缩气体保持较低的温度，避免使用过热的雾化气流而导致的粉末氧化、环境温度过高等不利影响，另一方面，粉末受激光的加热距离和加热时间都非常短，一定程度上降低了粉末的氧化程度。

5、激光产生的聚焦光斑加热粉末的同时，还有部分能量用来加热基体表面，显著提高了结合强度和沉积效率。并且，由于激光照射基体的加热深度很浅，使得冗余能量减小，因此可实现本发明装置与工件间的快速移动，提高涂层的沉积效率。

6、本发明中的保护镜具有防止尘气流入的效果，有效避免了喷涂过程产生的粉尘对光学镜片(分光反射镜、聚焦反射镜)的污染，使可能进入本发明装置内部的粉尘紧贴保护镜表面流动后最终从喷嘴保护帽的底开口流出，确保了本发明装置的正常运行。进一步，对于可能进入的粉尘，本发明装置通过设计的吹气通道，可将粉尘通过保护镜通孔与缩扩型喷嘴之间设有的排气缝隙吹出，更加保障了分光反射镜、聚焦反射镜免受粉尘污染。

7、本发明装置不仅可用于激光喷涂方面，通过调节少量工艺参数或结构参数，还可用于激光熔覆、激光增材制造等方面。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：它包括支撑座，其中：支撑座包括支撑外座和支撑内座，支撑外座与支撑内座之间具有空隙而通过若干支撑筋连结；支撑内座顶部安装分光反射镜而底部安装缩扩型喷嘴，支撑外座顶部安装聚焦反射镜，呈正棱锥体结构的分光反射镜位于聚焦反射镜内，聚焦反射镜设有一圈连续、无棱的反射面，反射面为圆锥面或圆弧面，分光反射镜、聚焦反射镜、缩扩型喷嘴与支撑座同轴设置；支撑座上设有与缩扩型喷嘴的缩扩通道连通、用于输送压缩气体和粉末的气粉通道；从聚焦反射镜的上开口射入的单束准直激光直接射向分光反射镜得到若干反射光束而实现分束，反射光束射向聚焦反射镜得到汇聚光束，汇聚光束在缩扩型喷嘴出口前方聚焦，以形成与缩扩型喷嘴同轴的聚焦光斑；通过气粉通道送入的粉末在压缩气体经缩扩型喷嘴形成的加速气流的作用下加速至亚音速或超音速后，从缩扩型喷嘴出口喷射出，与聚焦光斑交汇，粉末和聚焦光斑区域内的基体表面同时被加热，以使粉末在基体表面上沉积形成涂层；支撑外座下面安装有外固定套，外固定套与缩扩型喷嘴的上部之间安装有保护镜，保护镜将分光反射镜、聚焦反射镜与缩扩型喷嘴的出口相隔离；支撑座上设有吹气通道，吹气通道从支撑外座的外壁上的吹气入口沿支撑外座延伸至支撑筋上朝下设置的至少一吹气出口；保护镜上的通孔与缩扩型喷嘴之间设有排气缝隙，以使从吹气通道进入的气体从排气缝隙流出，进而阻止保护镜外部的粉尘接触分光反射镜的反射平面和聚焦反射镜的反射面，其中，保护镜与缩扩型喷嘴之间安装有形成排气缝隙的固定部件，固定部件用于将送入其内部的气流切换方向至沿保护镜外表面径向流动，从而吹走保护镜表面积聚的粉尘。

2.如权利要求1所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所述分光反射镜包括呈正棱锥体的反射表面结构，反射表面结构具有3个至24个反射平面；

所述聚焦反射镜包括本体，本体的顶、底部分别具有上开口、下开口，本体的内壁上设有一圈所述反射面，其中：所述聚焦反射镜的所述反射面朝向所述分光反射镜的反射平面设置，以用来接收所述分光反射镜反射出的反射光束以及反射产生在所述缩扩型喷嘴出口前方聚焦的汇聚光束。

3.如权利要求2所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所有所述支撑筋将所述支撑外座与所述支撑内座之间的空隙分成至少2份，所述支撑筋不遮挡通过的激光光束。

4.如权利要求3所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所述气粉通道从所述支撑外座的外壁上的气粉入口沿所述支撑外座、相应一所述支撑筋、所述支撑内座而通向所述缩扩型喷嘴的所述缩扩通道的入口。

5.如权利要求4所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所述缩扩型喷嘴包括喷管，喷管设有所述缩扩通道，所述缩扩通道由依次连通的入口段、喉部、扩张段和直管段构成，其中：呈喇叭状的入口段的截面尺寸逐渐减小至与喉部连结，扩张段的截面尺寸逐渐增大至与直管段连结，直管段的截面尺寸保持不变，扩张段的最大截面尺寸小于入口段的最大截面尺寸。

6.如权利要求1至5中任一项所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所述聚焦反射镜上安装有密封罩，密封罩上设有与所述聚焦反射镜的所述上开口相对的开口，密封罩上设有第一入水口、第一回水口，第一入水口、第一回水口和所述聚焦反射镜与密封罩之间形成的间隙共同形成供冷却介质循环流动的第一冷却通道。

7.如权利要求1至5中任一项所述的同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：

所述支撑外座的外壁上设有第二入水口、第二回水口，第二入水口沿所述支撑外座、相应一所述支撑筋、所述支撑内座形成入水通道而向所述支撑内座与所述分光反射镜之间的空腔通入冷却水，第二回水口沿所述支撑外座、相应另一所述支撑筋、所述支撑内座形成回水通道而使所述支撑内座与所述分光反射镜之间的空腔内的冷却水流出。

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