CN110090957A - 一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头，包括：自上而下依次连接的第一部件、第二部件、第三部件和第四部件，所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件的轴心口贯通组成激光腔室，其中：所述第一部件的轴心口连接同轴激光器；本发明实施例布设了粉末流通的路径，使得金属粉末从送粉螺孔进入，依次经过粉末流道、粉末混合室、粉末碰撞平台达到粉末喷嘴时，金属粉末的流动速度已大大减慢，可大大增加金属粉末与从激光腔室出来的激光作用的时间，提高粉末利用率，使得送粉头适合水下低温长时间增材制造，并且利用这种送粉头传输的金属粉末被加热的效果更好，能提高激光增材制造以及熔覆层制备的成品效果。

Description

一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，特别是涉及一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头。

背景技术

随着海洋工程以及海底工业设施的发展与增加，许多水下金属制品的损耗与再修复成了不可忽视的问题，比如水中舰船的铜基螺旋桨，海底管线所用的管线钢以及传神采用的防腐耐蚀涂层等。这些零部件在海底严酷的环境下面对这化学腐蚀、电化学腐蚀、生物腐蚀以及潮汐腐蚀等过程，其表面的磨损以及结构部位的减薄断裂将会在成严重的损失。而采用常规修复方法，比如舰艇的船坞修复，海底管线的分段水上修复等，虽然可以获得较好的修复效果，但是其效率较低并且耗资巨大。

寻求一种在水下直接修复受损部件并且效果良好的低成本工艺方法以及装置是许多研究人员的研究目标。3D打印，增材制造是一种以粉末或者线材为原料的“自下而上”通过材料累加的制造方法，辅以计算机控制可以实现复杂结构件的制造。激光作为一种高密度热源可以快速的对粉末和基体进行升温从而准确的按照计算机指定的路线制备构件。但由于激光在局部的热输入过大，会造成局部构件的翘曲变形，对于增材制造这种由大量原材料长时间“生长”而成的工艺来说，由于累加效应构件的微小变形都会累积成影响整体构建的形变；同时由于局部较高的热输入，激光对于制备一些存在氧化趋势的材料时必须进行气氛保护，这导致提高了成本同时还限制了一些结构复杂的大型构件的制备。

水下激光增材制造是一种新型的修复和快速成型工艺，其原理在水下利用高功率的激光作为热源利用同步同轴送粉工艺，粉末在沉积点或沉积点之上融化，基体在沉积点处形成微熔池，在激光移动后局部快速凝固，形成质量良好的熔覆层。水下环境中通过送粉头前部的保护气以及送粉气流将沉积点附近的水排开，利用周围的水环境对易氧化的基体以及粉末进行保护，同时由于水环境具有较大的热容，其对整体构建会产生降温效果，有效控制构件的形变。这种方法对于构件的表面改性及修复以及整体快速制造有着广泛应用前景。

目前水下同步激光增材制造可以采用完全水下干法进行操作，此种方法虽然可以避免水环境所带来的不利影响，尽量营造与大气环境相同的干燥环境，但其缺点也相对明显，首先，局部干燥环境的营造难度大，完全干法压力仓的设计及生产成本高；其次，附加的压力仓将增加负载机器人的载重，会影响熔覆精度；最后，局部干法同样不能完全排除水环境的影响，不能保证熔覆层的相关性能。所以采用集成度更高的同轴激光方法是势在必行的。

发明内容

本发明提供一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头，可在水下低温长时间增材制造，可提高激光增材制造以及熔覆层制备的成品效果。

为了解决上述问题，本发明公开了一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头，包括：

自上而下依次连接的第一部件、第二部件、第三部件和第四部件，所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件的轴心口贯通组成激光腔室，其中：

所述第一部件的轴心口连接同轴激光器，所述第一部件的顶端设置有多个送粉螺孔，所述送粉螺孔垂直贯穿所述第一部件；

所述第二部件的顶端设置有粉末流道，底端设置有第一环形槽，所述粉末流道的一端与所述送粉螺孔连通，另一端与所述第一环形槽相通，且所述粉末流道呈一定角度倾斜连通至所述第一环形槽；

所述第三部件的顶端设置有第二环形槽，所述第二环形槽与所述第一环形槽组装后形成环形的粉末混合室，所述粉末混合室与所述激光腔室同轴，所述第二环形槽的底端面均匀分布有多个槽孔，所述槽孔贯穿所述第三部件进入所述第四部件；

所述第四部件的轴心口套住所述第三部件的外壁形成粉末喷嘴，所述粉末喷嘴与所述激光腔室同轴，在所述第四部件的顶端还设置有粉末碰撞平台，所述粉末碰撞平台与所述槽孔和所述粉末喷嘴相通，且所述粉末碰撞平台的底面朝所述粉末喷嘴的入口处倾斜。

进一步的，所述第一部件的轴心口设置有同轴对中密封环，所述同轴对中密封环用于与所述同轴激光器连接且与所述同轴激光器保持对中。

进一步的，所述第一部件的底端设置有激光保护镜，所述激光保护镜设置在所述同轴对中密封环的正下方。

进一步的，所述第一部件的顶端设置有至少一个注水孔；

所述第二部件的顶端开有与所述注水孔相通的环形冷却水流道，所述环形冷却水流道与所述激光腔室同轴。

进一步的，所述第一部件的底端设置有第一密封圈，所述第一密封圈用于使所述环形冷却水流道与所述送粉螺孔隔离。

进一步的，所述第一部件的顶端设置有至少一个保护气螺孔，所述保护气螺孔垂直贯穿所述第一部件；

所述第二部件上设置有保护气流道，所述保护气流道成一定角度倾斜连通至所述激光腔室。

进一步的，所述激光腔室的口径朝靠近所述第三部件底端的方向逐渐缩小。

进一步的，所述粉末喷嘴的轴向长度≥所述第三部件被所述第四部件套住的部分的轴向长度。

进一步的，所述第四部件沿轴向自上而下分为连接部和功能部，所述连接部用于与所述第三部件固定，所述功能部用于套住所述第三部件的外壁形成粉末喷嘴；其中，

所述功能部为圆锥形；

或，所述功能部包括第一罩体和第二罩体，所述第一罩体为圆锥形且与所述连接部的底端固定，所述第二罩体为圆柱形且连接在所述第一罩体的底端。

进一步的，所述第四部件的两侧设置有水压检测装置和温度检测装置，所述水压检测装置用于判断工作水压同时反馈至保护气开关，所述温度检测装置用于实时监控工作温度。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明实施例通过布设了粉末流通的路径，使得金属粉末从送粉螺孔进入，依次经过粉末流道、粉末混合室、粉末碰撞平台达到粉末喷嘴时，金属粉末的流动速度已大大减慢，相比现有技术，在等质量金属粉末进行熔覆的情况下，可大大增加金属粉末与从激光腔室出来的激光作用的时间，提高粉末利用率，使得送粉头可适合水下低温长时间增材制造，并且利用这种送粉头传输的金属粉末被加热的效果更好，可提高激光增材制造以及熔覆层制备的成品效果。

附图说明

图1是本发明实施例一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头实施例一的立体结构示意图；

图2是本发明实施例一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头实施例一的剖面结构示意图；

图3a是本发明实施例第一部件的立体结构示意图；

图3b是本发明实施例第一部件的剖面结构示意图；

图4a是本发明实施例第二部件的立体结构示意图；

图4b是本发明实施例第二部件的剖面结构示意图；

图5a是本发明实施例第三部件的立体结构示意图；

图5b是本发明实施例第三部件的剖面结构示意图；

图6a是本发明实施例第四部件实施例一的立体结构示意图；

图6b是本发明实施例第四部件实施例一的剖面结构示意图；

图7a是本发明实施例第四部件实施例二的立体结构示意图；

图7b是本发明实施例第四部件实施例二的剖面结构示意图；

图8是本发明实施例第四部件实施例三的剖面结构示意图；

图9是本发明实施例第四部件实施例四的剖面结构示意图；

图10是回转体水下试验的示意图；

图11是200μm观察精度下的激光增材制造处的图片；

图12是10μm观察精度下的激光增材制造处的图片；

图13是水下平板熔覆试验的示意图；

图14是10μm观察精度下的平板熔覆处的图片。

附图标记说明：

1-第一部件，2-第二部件，3-第三部件，4-第四部件，5-激光腔室，6-送粉螺孔，7-粉末流道，8-第一环形槽，9-第二环形槽，10-槽孔，11-粉末喷嘴，12-注水孔，13-环形冷却水流道，14-保护气螺孔，15-保护气流道，16-粉末碰撞平台，401-连接部，402-功能部。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

目前已有的激光送粉头部分采用多针式同轴送粉，部分采用侧向送粉。

发明人通过分析发现，对于侧向送粉的激光熔覆由于粉末运行路径长，粉末对于沉积点汇聚性不好，整体设备装配度要求较高不适宜进行水下激光增材制造。同时保护气氛只对基体局部进行保护，在缺少机械保护措施条件下，过高的保护气氛流量会严重破坏粉末路径，对沉积点造成破坏。从激光增材制造角度看，侧向送粉不利于制备复杂三维构件，在Z轴方向难以保证粉末与沉积位置的一致性。所以侧向送粉的方式比较适用于表面修复与改性的激光熔覆而对于增材制造的生产条件侧向送粉的限制较大难以采用。

多针式同轴送粉头集成性高适合用于增材制造，但是由于粉末对于各个出口位置要求严格，加工准确性难以保证，通常会造成粉末汇聚性差，粉末利用率低等缺点。

发明人通过分析，发现现有的常规激光增材制造送粉头还存在以下问题：

1.激光快速成型过程中会出现工件过热导致的变形：

在长时间工作的增材制造过程中，由于激光对工件的热输入通常会导致工件翘曲变形，更为严重会导致工件整体开裂。激光增材制造要达到整体制造必然会面对长时间连续成型的问题，所以热输入导致变形不可避免。

2.对于缺少气氛保护的工件会有氧化问题：

对于小型增材制造工件会有气氛保护装置，但是较大型的工件难以完全获得良好的气氛保护；同时由于激光沉积点较大的热输入，对于易氧化的材料在局部会有极大的氧化趋势。氧化产物对后续成型以及构件整体强度会产生影响。

3.常规激光增材制造送粉头无法适用于水下环境：

常规多针式和环形激光增材制造送粉头均无法直接在水下进行工作，实现水下激光增材制造需要克服水环境给粉末带来的干扰，在粉末累加过程中水会受到激光加热蒸发在工件中留下缺陷；并且需要控制保护气流不会对粉末汇聚性带来系影响，同时保护激光镜片不受到水的影响。

针对现有技术问题，参照图1，示出了本发明实施例一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头实施例一的立体结构示意图；图2示出了本发明实施例一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头实施例一的剖面结构示意图；所述送粉头包括：

自上而下依次连接的第一部件1、第二部件2、第三部件3和第四部件4，所述第一部件1、所述第二部件2和所述第三部件3的轴心口贯通组成激光腔室5，其中：

所述第一部件1的轴心口连接同轴激光器，所述第一部件1的顶端设置有多个送粉螺孔6，所述送粉螺孔6垂直贯穿所述第一部件1；

所述第二部件2的顶端设置有粉末流道7，底端设置有第一环形槽8，所述粉末流道7的一端与所述送粉螺孔6连通，另一端与所述第一环形槽8相通，且所述粉末流道7呈一定角度倾斜连通至所述第一环形槽8；

所述第三部件3的顶端设置有第二环形槽9，所述第二环形槽9与所述第一环形槽8组装后形成环形的粉末混合室，所述粉末混合室与所述激光腔室5同轴，所述第二环形槽9的底端面均匀分布有多个槽孔10，所述槽孔10贯穿所述第三部件3进入所述第四部件4；

所述第四部件4的轴心口套住所述第三部件3的外壁形成粉末喷嘴11，所述粉末喷嘴11与所述激光腔室5同轴，在所述第四部件4的顶端还设置有粉末碰撞平台16，所述粉末碰撞平台16与所述槽孔10和所述粉末喷嘴11相通，且所述粉末碰撞平台16的底面朝所述粉末喷嘴11的入口处倾斜。

本发明实施例的送粉头至少包括第一部件1、第二部件2、第三部件3和第四部件4，第一部件1、第二部件2、第三部件3和第四部件4自上而下依次连接。轴心口指沿中心轴线方向所开的口。

参照图3a，示出了本发明实施例第一部件1的立体结构示意图；参照图3b，示出了本发明实施例第一部件1的剖面结构示意图。

参照图4a，示出了本发明实施例第二部件2的立体结构示意图；参照图4b，示出了本发明实施例第二部件2的剖面结构示意图。

参照图5a，示出了本发明实施例第三部件3的立体结构示意图；参照图5b，示出了本发明实施例第三部件3的剖面结构示意图。

参照图6a，示出了本发明实施例第四部件4实施例一的立体结构示意图；参照图6b，示出了本发明实施例第四部件4实施例一的剖面结构示意图。

连接方式可以包括：

所述第一部件1的底端面设置有多个第一定位螺孔，所述第一定位螺孔用于与后续部件定位连接；所述第二部件2的顶端设置有多个第二定位螺孔，所述第二定位螺孔贯穿所述第二部件2，所述第二定位螺孔用于与后续部件定位连接；所述第三部件3的顶端面设置有多个第三定位螺孔，底端面设置有多个第四定位螺孔；所述第四部件4的顶端面设置有多个第五定位螺孔。

上述的具体连接方式可为采用一根螺杆先贯穿所述第二定位螺孔，与所述第二部件2保持固定，然后将暴露在第二部件2顶端面的螺杆与第一定位螺孔螺接固定，以此实现第一部件1和第二部件2的固定；接着，将暴露在第二部件2底端面的螺杆与第三定位螺孔螺接固定，以此实现第二部件2和第三部件3的固定；最后，再采用一根螺杆连接第四定位螺孔和第五定位螺孔，以此实现第三部件3和第四部件4的固定。

优选的，第一定位螺孔的数量可为4个，均匀分布在第一部件1的底端面，第二定位螺孔、第三定位螺孔分别对应所述第一定位螺孔的数量设置，以此可提高连接的稳定性；第四定位螺孔和第五定位螺孔的数量相同且对应设置，比如也为4个，且均匀分布在第三部件3或第四部件4上，以此保证连接的稳定性。

本发明实施例的第一部件1、第二部件2、第三部件3和第四部件4的中心轴线上都有一个开口，为轴心口，每个部件的轴心口大小不一致，但都是沿中心轴线贯穿部件本体，所述第一部件1、所述第二部件2和所述第三部件3的轴心口贯通后组成激光腔室5。

第一部件1的轴心口连接同轴激光器，具体实施方式可为，在第一部件1的顶端面设置有多个(比如4个)固定螺孔，利用螺杆或螺栓等连接件将固定螺孔与同轴激光器连接固定。

对于此，本发明实施例设计了一种具有层状叠加的组装形式的送粉头，可便于拆装，当某个部件损坏时，直接将该部件替换即可，相比现有技术，可大大降低维修制造成本。

在本发明实施例中，从第一部件1到第四部件4，自上而下依次设置有送粉螺孔6、粉末流道7、粉末混合室、粉末碰撞平台16和粉末喷嘴11，送粉螺孔6在所述第一部件1的上端面均匀布设有4个，且分别与4路粉末流道7的入口端连接，粉末流道7的出口端都与粉末混合室连接，在粉末混合室底端设置有多个槽孔10，槽孔10的正下方为粉末碰撞平台16，槽孔10与粉末碰撞平台16连通，粉末碰撞平台16与粉末喷嘴11连通。本发明实施例通过布设了粉末流通的路径，使得金属粉末从送粉螺孔6进入，依次经过粉末流道7、粉末混合室、粉末碰撞平台16达到粉末喷嘴11时，金属粉末的流动速度已大大减慢，相比现有技术，在等质量金属粉末进行熔覆的情况下，可大大增加金属粉末与从激光腔室5出来的激光作用的时间，使得送粉头可适合水下低温长时间增材制造，并且利用这种送粉头传输的金属粉末被加热的效果更好，可提高激光增材制造以及熔覆层制备的成品效果。

具体的，送粉螺孔6垂直贯穿所述第一部件1，可保证金属粉末在送粉头内部以及离开送粉头后的路径均匀；粉末流道7呈一定角度倾斜连通至所述第一环形槽8，侧向注入使得金属粉末到粉末混合室时的出口面积增大，金属粉末更加均匀，同时粉末撞击粉末混合室壁面的区域增大，金属粉末粒子减速效果更加明显。第二部件2和第三部件3组装后，其第二部件2底端的第一环形槽8，第三部件3顶端的第二环形槽9组成一个绕激光腔室5设置的环形非粉末混合室，从4路粉末流道7流出的金属粉末都会在此汇集并充分混合均匀。在粉末混合室底端面均匀分布有多个槽孔10，混合后的金属粉末会经过槽孔10落入粉末碰撞平台16中；第四部件4的轴心口套住所述第三部件3的外壁形成圆锥形的粉末喷嘴11，粉末碰撞平台16与所述粉末喷嘴11相通，金属粉末掉落下来碰撞粉末碰撞平台16，以及碰撞粉末喷嘴11的内避面，可起到对金属粉末再次减速的效果。所述粉末碰撞平台16的底面朝所述粉末喷嘴11的入口处倾斜，有助于金属粉末从粉末碰撞平台16的底面流向粉末喷嘴11。圆锥形的粉末喷嘴11可起到将金属粉末汇集在激光腔室5出口处的作用。

优选的，所述粉末混合室的内径朝靠近所述槽孔10的方向逐渐增大。具体的，所述第二环形槽9的内径朝靠近所述槽孔10的方向逐渐增大。即粉末混合室的体积从上自下逐渐扩大，以此可混合更多的金属粉末。

优选的，所述第二环形槽9的底端面设置有两组环形分布的槽孔10，两组槽孔10具有一定数量与大小，呈交错状排列，可便于使金属粉末均匀流过并从出口射出。

在本发明一优选实施例中，所述第一部件1的轴心口设置有同轴对中密封环，所述同轴对中密封环用于与所述同轴激光器连接且与所述同轴激光器保持对中。本发明实施例的同轴对中密封环紧贴第一部件1的轴心口内壁设置，以此实现对同轴激光器的对中，进一步保证第一部件1与同轴激光器在水下工作时连接的稳定性，以及激光器所发射激光的线路准确。具体的，上述同轴对中密封环可为一个高硬度材料的环形圈，其环形圈的内壁和外壁分别设置有螺纹，以用于连接第一部件1和同轴激光器。更进一步的，同轴对中密封环在外圈壁或顶端面设置密封垫，以此进一步提高与同轴激光器连接的稳定性。

另外，所述第一部件1的底端设置有激光保护镜，所述激光保护镜设置在所述同轴对中密封环的正下方。激光保护镜可保护激光镜头，避免在水中作业时水流回溅以及粉末对镜头的污染。

优选的，所述第三部件3的顶端面还设置有同心对中凹槽，底端面设置有环形定位凸台，所述同心对中凹槽用于与所述第二部件2对中连接，所述环形定位凸台用于与所述第四部件4对中连接。通过设置同心对中凹槽和环形定位凸台，可进一步保障整个送粉头在水下工作时连接的稳定性，保证激光的线路准确。

在本发明一优选实施例中，还示出了所述第一部件1的顶端设置有至少一个注水孔12；

所述第二部件2的顶端开有与所述注水孔12相通的环形冷却水流道13，所述环形冷却水流道13与所述激光腔室5同轴。

注水孔12的数量可设置为两个，注水孔12可用于送粉头在浅水工作时，使得受到激光辐射的环形内孔周围温度降低。环形冷却水流道13的开设，使得冷却水流道扩大，对整个送粉头起到降温作用，有助于延长送粉头的使用寿命。

更进一步的，所述第一部件1的底端设置有第一密封圈，所述第一密封圈用于使所述环形冷却水流道13与所述送粉螺孔6隔离。隔离环形冷却水流道13与送粉螺孔6，可降低送粉螺孔6对冷却水的污染，避免附着在送粉头内壁，使送粉头产生间隙，导致送粉头在工作过程中过度摩擦而损坏的问题。同时也可避免水将与金属粉末混合堵住送粉螺孔6和粉末流道7等的问题。

在本发明一优选实施例中，还示出了所述第一部件1的顶端设置有至少一个保护气螺孔14，所述保护气螺孔14垂直贯穿所述第一部件1；

所述第二部件2上设置有保护气流道15，所述保护气流道15成一定角度倾斜连通至所述激光腔室5。

保护气流道15成一定角度倾斜连通至所述激光腔室5，可有利于作业粉末于基体碰撞过程中回弹至激光保护镜以及激光腔室5内壁，增加整体的使用寿命与熔覆层成型一致率。

在本发明一优选实施例中，所述激光腔室5的口径朝靠近所述第三部件3底端的方向逐渐缩小。以此可保证粉末在末端汇聚的同时末端受到水压影响最小。具体的，第一部件1的轴心口为具有第一尺寸的圆形通孔，第二部件2的轴心口为具有第二尺寸的圆形通孔，其中，所述第二尺寸大于所述第一尺寸；第三部件3的轴心口为内径自上而下逐渐缩小的第一圆锥形通孔，第四部件4的轴心口为内径自上而下逐渐缩小的第二圆锥形通孔，其中，所述第二圆锥形通孔大于所述第一圆锥形通孔，以此第二圆锥形通孔可包裹住第三部件3，且与第三部件3的外壁之间形成本发明实施例的粉末喷嘴11。

所述第一部件1的底端设置有第二密封圈，所述第二密封圈用于使所述保护气螺孔14与所述环形冷却水流道13隔离。隔离保护气螺孔14与环形冷却水流道13后，可避免水汽混合，加速送粉头氧化的问题。

优选的，所述第三部件3的顶端设置有第一密封环、第二密封环和第三密封环，其中：

所述第一密封环用于将所述粉末混合室与所述激光腔室5隔离；

所述第二密封环用于将所述粉末混合室与外界环境隔离；

所述第三密封环用于将所述激光腔室5与外界环境隔离。

上述的第一密封环将所述粉末混合室与所述激光腔室5隔离，可避免激光对粉末混合室的金属粉末提前加热，导致送粉头变形；第二密封环和第三密封环的设置，可降低外界环境对送粉头的影响。

另外，为后续激光加热进一步增加时间，本发明实施例所提供的所述粉末喷嘴11的轴向长度≥所述第三部件3被所述第四部件4套住的部分的轴向长度，以此可在水下环境提供疏水功能与粉末保护功能。

由于水下环境具体很大的可变性，送粉头在水下环境中工作时不同的水深受水压的影响不同，所以本发明实施例的还对第四部分做了进一步改进，即：

所述第四部件4沿轴向自上而下分为连接部401和功能部402，所述连接部401用于与所述第三部件3固定，所述功能部402用于套住所述第三部件3的外壁形成粉末喷嘴11；其中，

所述功能部402为圆锥形；

或，所述功能部402包括第一罩体和第二罩体，所述第一罩体为圆锥形且与所述连接部401的底端固定，所述第二罩体为圆柱形且连接在所述第一罩体的底端。

本发明实施例的第四部件4具有多种结构分别对应与不同深度作业条件。

参照图6a和图6b，所述第四部件4实施例一的功能部402为圆锥形，此结构适用于送粉头在较低的水深，水压较小的情况下作业，使得气流与金属粉末流在保护气和送粉流量不大的情况下依旧保持直线。

参照图7a，示出了本发明实施例第四部件4实施例二的立体结构示意图；图7b示出了本发明实施例第四部件4实施例二的剖面结构示意图；所述第四部件4实施例二的功能部402包括第一罩体和第二罩体，此结构适用于送粉头在压力增大的情况下作业，再高的压力和送粉流量下气流紊乱需要扩大保护体积，第二罩体即可将体积扩大。

优选的，所述第四部件4采用一体加工成型，可以保护气流与粉末流的形貌，同时防止大量环境水卷吸。

图8还示出了本发明实施例第四部件4实施例三的剖面结构示意图；图9示出了本发明实施例第四部件4实施例四的剖面结构示意图。需要说明的是，本发明实施例的第四部件4还具有其他结构，上述只列举出了部分，为了节约篇幅，在此不一一说明。

此外，在本发明实施例中，为了更好的对送粉头在水下工作时的工作状态进行监测，所述第四部件4的两侧设置有水压检测装置和温度检测装置，所述水压检测装置用于判断工作水压同时反馈至保护气开关，保证保护气压力等于工作压力；所述温度检测装置用于实时监控工作温度，防止局部温度过高，可保护整个装置在最易产生过高温度的位置的安全。

为了验证本发明实施例的送粉头在水下工作的效果，接下来采用两个案例进行说明：(以下均采用本发明实施例的送粉头实施例一的结构进行试验)

案例一：

将送粉头置于水下进行回转体水下试验，参见图10，示出了回转体水下试验的示意图。送粉材料为Fe基合金，通过激光腔室5的激光功率1.5kW，激光对回转体的工作距离为15mm，采用氮气向送粉螺孔6输送Fe基合金粉，送粉气压力0.4Mpa，送粉气流量30L/min，线速度37mm/s，送粉率0.33g/s，同时采用氮气作为本发明实施例的送粉头在工作过程中的保护气体，通入保护气螺孔14。试验过后采用(SEM；MIRA3-LMH；TESCAN,Czech Republic)扫描电子显微镜观察对回转体被激光增材制造处进行观察，参见图11，示出了200μm观察精度下的激光增材制造处的图片；参见图12，示出了10μm观察精度下的激光增材制造处的图片。从图11和图12可明显看出，经过本发明的送粉头涂覆的产品粉质均匀、细腻，成品效果较好。

案例二：

将送粉头置于水下进行水下平板熔覆试验，参见图13，示出了水下平板熔覆试验的示意图。送粉材料为Ni基合金，通过激光腔室5的激光功率2.0kW，激光对回转体的工作距离为14mm，采用氮气向送粉螺孔6输送Fe基合金粉，送粉气压力0.4Mpa，送粉气流量35L/min，线速度5mm/s，送粉率0.54g/s，同时采用氮气作为本发明实施例的送粉头在工作过程中的保护气体，通入保护气螺孔14。

试验过后，采用(SEM；MIRA3-LMH；TESCAN,Czech Republic)扫描电子显微镜观察对平板熔覆处进行观察，参见图14，示出了10μm观察精度下的平板熔覆处的图片。从图14可明显看出，经过本发明的送粉头涂覆的产品粉质均匀、细腻，成品效果较好。

以上对本发明所提供的一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的送粉头及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于水下激光增材制造以及熔覆层制备的送粉头，其特征在于，包括：

自上而下依次连接的第一部件(1)、第二部件(2)、第三部件(3)和第四部件(4)，所述第一部件(1)、所述第二部件(2)和所述第三部件(3)的轴心口贯通组成激光腔室(5)，其中：

所述第一部件(1)的轴心口连接同轴激光器，所述第一部件(1)的顶端设置有多个送粉螺孔(6)，所述送粉螺孔(6)垂直贯穿所述第一部件(1)；

所述第二部件(2)的顶端设置有粉末流道(7)，底端设置有第一环形槽(8)，所述粉末流道(7)的一端与所述送粉螺孔(6)连通，另一端与所述第一环形槽(8)相通，且所述粉末流道(7)呈一定角度倾斜连通至所述第一环形槽(8)；

所述第三部件(3)的顶端设置有第二环形槽(9)，所述第二环形槽(9)与所述第一环形槽(8)组装后形成环形的粉末混合室，所述粉末混合室与所述激光腔室(5)同轴，所述第二环形槽(9)的底端面均匀分布有多个槽孔(10)，所述槽孔(10)贯穿所述第三部件(3)进入所述第四部件(4)；

所述第四部件(4)的轴心口套住所述第三部件(3)的外壁形成粉末喷嘴(11)，所述粉末喷嘴(11)与所述激光腔室(5)同轴，在所述第四部件(4)的顶端还设置有粉末碰撞平台(16)，所述粉末碰撞平台(16)与所述槽孔(10)和所述粉末喷嘴(11)相通，且所述粉末碰撞平台(16)的底面朝所述粉末喷嘴(11)的入口处倾斜。

2.根据权利要求1所述的送粉头，其特征在于，所述第一部件(1)的轴心口设置有同轴对中密封环，所述同轴对中密封环用于与所述同轴激光器连接且与所述同轴激光器保持对中。

3.根据权利要求2所述的送粉头，其特征在于，所述第一部件(1)的底端设置有激光保护镜，所述激光保护镜设置在所述同轴对中密封环的正下方。

4.根据权利要求1所述的送粉头，其特征在于，所述第一部件(1)的顶端设置有至少一个注水孔(12)；

所述第二部件(2)的顶端开有与所述注水孔(12)相通的环形冷却水流道(13)，所述环形冷却水流道(13)与所述激光腔室(5)同轴。

5.根据权利要求4所述的送粉头，其特征在于，所述第一部件(1)的底端设置有第一密封圈，所述第一密封圈用于使所述环形冷却水流道(13)与所述送粉螺孔(6)隔离。

6.根据权利要求1所述的送粉头，其特征在于，所述第一部件(1)的顶端设置有至少一个保护气螺孔(14)，所述保护气螺孔(14)垂直贯穿所述第一部件(1)；

所述第二部件(2)上设置有保护气流道(15)，所述保护气流道(15)成一定角度倾斜连通至所述激光腔室(5)。

7.根据权利要求1或6所述的送粉头，其特征在于，所述激光腔室(5)的口径朝靠近所述第三部件(3)底端的方向逐渐缩小。

8.根据权利要求1所述的送粉头，其特征在于，所述粉末喷嘴(11)的轴向长度≥所述第三部件(3)被所述第四部件(4)套住的部分的轴向长度。

9.根据权利要求1或8所述的送粉头，其特征在于，所述第四部件(4)沿轴向自上而下分为连接部(401)和功能部(402)，所述连接部(401)用于与所述第三部件(3)固定，所述功能部(402)用于套住所述第三部件(3)的外壁形成粉末喷嘴(11)；其中，

所述功能部(402)为圆锥形；

或，所述功能部(402)包括第一罩体和第二罩体，所述第一罩体为圆锥形且与所述连接部的底端固定，所述第二罩体为圆柱形且连接在所述第一罩体的底端。

10.根据权利要求1所述的送粉头，其特征在于，所述第四部件(4)的两侧设置有水压检测装置和温度检测装置，所述水压检测装置用于判断工作水压同时反馈至保护气开关，所述温度检测装置用于实时监控工作温度。