CN110359041B - 一种多光束中心送粉内孔熔覆头 - Google Patents

一种多光束中心送粉内孔熔覆头 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种多光束中心送粉内孔熔覆头，该多光束中心送粉内孔熔覆头包括主体，以及设置于主体上的多组激光通道、送粉通道、反射镜和水冷通道，送粉通道设置于熔覆头的中轴面上，水冷通道与多组激光通道错开设置，反射镜设置在多组激光通道内部，所述主体为柱状结构。本发明的多光束中心送粉内孔熔覆头采用多束激光空间组合的方式，在不增加单束激光强度的条件下，通过多束激光空间组合方式，突破了现有内孔熔覆头因功率密度过高导致的反射镜镀膜层容易烧毁的行业瓶颈问题。

Description

一种多光束中心送粉内孔熔覆头
技术领域
本发明涉及一种多光束中心送粉内孔熔覆头，可用于激光加工设备技术领域。
背景技术
激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，提高基体表面的耐腐、耐磨、抗氧化等特性。激光熔覆过程中会产生热辐射及飞溅的金属粉尘，影响激光熔覆头的使用性能。尤其对于内孔激光熔覆，熔覆加工空间小，加工环境闭塞且粉尘污染严重，内孔熔覆头在相对恶劣的环境中工作容易受到烟尘的干扰和污染，熔覆头内部的光学镜片经常因污染而烧毁。
现有内孔熔覆头还存在一个重要的瓶颈问题：内孔熔覆头都需要一内置光学反射镜将激光反射至部件内壁，此反射镜镜面处的激光光斑一般都很小（直径1-3mm），功率密度很高（500-800W/mm2），反射镜的反射膜在如此高的激光功率密度作用下也容易损坏。也是由于这个原因，目前市场内孔熔覆激光功率一般都维持在2500W上下，且不能长时间连续工作。若是继续增大激光功率，会导致内孔熔覆头的可靠性更差。激光功率决定着熔覆加工效率，由于上述原因，目前现有内孔熔覆使用的激光功率较小，熔覆加工效率低，满足不了大孔径、大面积工件内部的熔覆加工需求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种多光束中心送粉内孔熔覆头。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种多光束中心送粉内孔熔覆头，包括主体，以及设置于主体上的多组激光通道、送粉通道、反射镜和水冷通道，送粉通道设置于熔覆头的中轴面上，水冷通道与多组激光通道错开设置，反射镜设置在多组激光通道内部。
优选地，所述主体为柱状结构，所述主体上设置有N组激光通道，N的取值为2、3或4。
优选地，所述主体上设置有三组激光通道，每组激光通道包括第一横向激光通道、第二横向激光通道、第三横向激光通道和第一纵向激光通道、第二纵向激光通道、第三纵向激光通道；第一横向激光通道和第一纵向激光通道为相互连通，第二横向激光通道和第二纵向激光通道为相互连通，第三横向激光通道和第三纵向激光通道为相互连通。
优选地，所述第一横向激光通道和第一纵向激光通道两者轴线相交且夹角为钝角，第二横向激光通道和第二纵向激光通道两者轴线相交且夹角为钝角，第三横向激光通道和第三纵向激光通道两者轴线相交且夹角为锐角；或所述第一横向激光通道和第一纵向激光通道两者轴线相交且夹角为锐角，第二横向激光通道和第二纵向激光通道两者轴线相交且夹角为锐角，第三横向激光通道和第三纵向激光通道两者轴线相交且夹角为钝角。
优选地，所述反射镜包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜通过压片分别固定于主体上，压片与主体紧固连接，每个横向激光通道和纵向激光通道连通处分别为第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜所在的位置，每组激光通道的横向通道和纵向通道两通道轴线与对应的反射镜的垂线夹角相同。
优选地，所述送粉通道包括横向送粉通道和纵向送粉通道，第一横向激光通道、第二横向激光通道、第三横向激光通道和横向送粉通道两两平行；第一纵向激光通道、第二纵向激光通道、第三纵向激光通道的中心轴线和纵向送粉通道中心轴线相交于一点，且该点位于主体外部。
优选地，所述纵向送粉通道中心轴线分别和第一纵向激光通道、第二纵向激光通道、第三纵向激光通道中心轴线夹角均为锐角。
优选地，所述送粉通道的横向送粉通道内径大于纵向送粉通道内径，纵向送粉通道和第一纵向激光通道、第二纵向激光通道、第三纵向激光通道均为锥形结构。
优选地，所述水冷通道包括沿横向设置的两个长水路通道，以及和两个长水路通道均连通并纵向设置的短水路通道。
优选地，所述短水路通道在靠近第一纵向激光通道、第二纵向激光通道、第三纵向激光通道位置处开设，两个长水路通道和主体三者轴线平行。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明多光束中心送粉内孔熔覆头采用多束激光空间组合的方式，在不增加单束激光强度的条件下，通过多束激光空间组合方式，突破了现有内孔熔覆头因功率密度过高导致的反射镜镀膜层容易烧毁的行业瓶颈问题。
采用本发明技术，内孔熔覆头的承载功率可从现有的2500W左右，增大到3000W-10000W。相对于传统的单光束内孔熔覆头，本发明在增加激光输出总功率，提高熔覆效率的同时避免了因单光束激光功率增大导致的内孔熔覆头的不能连续工作问题。
本发明内孔熔覆头可实现大功率激光稳定输出，尤其适用于大型工件内壁加工，加工效率高，大大缩短熔覆加工时间短。
本发明纵向送粉通道与纵向激光通道轴线交于熔覆头外部，实际工作中该交点位于工件内壁内表面上方，即金属粉与激光束在待熔覆工件内表面上方发生交叠作用，吸收激光能量后的金属粉以熔化或半熔化状态落入待熔覆工件内孔表面，该处技术设计依据高速激光熔覆技术原理，相较传统的内孔熔覆头（激光和粉在内壁表面相互作用），熔覆效率高、熔覆层薄且平整、稀释率低以及对基体热影响小等优势。
本发明采用中心送粉即“光包粉”的工作原理，多束激光围绕中心金属粉，金属粉与激光充分发生作用，粉末利用率大大提高，利用率大于80%，熔覆效率高，节约了金属粉末购置成本，适合在产业上推广使用。
附图说明
图1为本发明的一种多光束中心送粉内孔熔覆头的剖面结构示意图。
图2为本发明的一种多光束中心送粉内孔熔覆头的部分剖面结构示意图。
图3为本发明一种多光束中心送粉内孔熔覆头的左视图。
图4为本发明一种多光束中心送粉内孔熔覆头的左视图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种多光束中心送粉内孔熔覆头，如图1、图2、图3和图4所示，该多光束中心送粉内孔熔覆头包括主体1，以及设置于主体1上的多组激光通道、送粉通道、反射镜和水冷通道，送粉通道设置于熔覆头的中轴面上，水冷通道与多组激光通道错开设置，反射镜设置在多组激光通道内部。
如图1所示，所述主体1为柱状结构，所述主体上设置有N组激光通道，N的取值为2、3或4，在本技术方案中，所述主体上优选地设置有三组激光通道。实施例1：当所述主体上设置有三组激光通道时，每组激光通道包括第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第三横向激光通道24和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32第三纵向激光通道42。第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12为相互连通，第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32为相互连通，第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42为相互连通。
所述第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12两者轴线相交且夹角为钝角，钝角角度范围为：90°-120°，在本技术方案中，所述第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12的夹角范围优选为100°。第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32两者轴线相交且夹角为钝角，钝角角度范围为：90°-120°，在本技术方案中，所述第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32的夹角范围优选为100°。所述第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42两者轴线相交且夹角为锐角，锐角角度范围为：60°-90°，在本技术方案中，所述第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42的夹角范围优选为80°。
或者所述第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12两者轴线相交且夹角为锐角，锐角角度范围为：60°-90°；第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32两者轴线相交且夹角为锐角，锐角角度范围为：60°-90°；第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42两者轴线相交且夹角为钝角，钝角角度范围为：90°-120°。
所述反射镜包括第一反射镜51、第二反射镜53和第三反射镜54，第一反射镜51、第二反射镜53和第三反射镜54通过压片5分别固定于主体1上，压片5通过螺丝与主体1紧固连接。每个横向激光通道和纵向激光通道连通处分别为第一反射镜51、第二反射镜53、第三反射镜54所在的位置，每组激光通道的横向通道和纵向通道两通道轴线与对应的反射镜的垂线夹角相同。
所述送粉通道包括横向送粉通道81和纵向送粉通道82，第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第三横向激光通道24和横向送粉通道81两两平行。第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42的中心轴线和纵向送粉通道82中心轴线相交于一点，且该点位于主体外部。
所述纵向送粉通道82中心轴线分别和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42中心轴线夹角为锐角，在本技术方案中，该锐角的角度优选为20°。所述送粉通道的横向送粉通道81内径大于纵向送粉通道82内径，纵向送粉通道82和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42均为锥形结构。
在本技术方案中，每个激光通道的横向激光通道内径均大于纵向激光通道内径，具体地为：第一横向激光通道21大于第一纵向激光通道12的内径，第二横向激光通道23大于第二纵向激光通道32的内径，第三横向激光通道24大于第三纵向激光通道42的内径。
实施例2：当所述主体上设置有两组激光通道时，具体为第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第一纵向激光通道12和第二纵向激光通道32；第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12为相互连通，第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32为相互连通；所述第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12两者轴线相交，第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32两者轴线相交。
所述反射镜包括第一反射镜51和第二反射镜53，第一反射镜51和第二反射镜53通过压片5分别固定于主体1上，压片5通过螺丝与主体1紧固连接。每个横向激光通道和纵向激光通道连通处分别为第一反射镜51、第二反射镜53所在的位置，每组激光通道的横向通道和纵向通道两通道轴线与对应的反射镜的垂线夹角相同。
所述送粉通道包括横向送粉通道81和纵向送粉通道82，第一横向激光通道21、第二横向激光通道23和横向送粉通道81两两平行。第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32的中心轴线和纵向送粉通道82中心轴线相交于一点，且该点位于主体外部。
所述纵向送粉通道82中心轴线分别和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32中心轴线夹角相同均为锐角，在本技术方案中，该锐角的角度优选为20°。所述送粉通道的横向送粉通道81内径大于纵向送粉通道82内径，纵向送粉通道82和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32均为锥形结构。
实施例3：当所述主体上设置有四组激光通道时，具体为：第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第三横向激光通道24、第四横向激光通道和第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42、第四纵向激光通道。第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12为相互连通，第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32为相互连通，第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42为相互连通，第四横向激光通道和第四纵向激光通道为相互连通。
所述第一横向激光通道21和第一纵向激光通道12两者轴线相交，夹角为90°-120°，第二横向激光通道23和第二纵向激光通道32两者轴线相交，夹角为90°-120°，第三横向激光通道24和第三纵向激光通道42两者轴线相交，夹角为60°-90°，第四横向激光通道和第四纵向激光通道两者轴线相交，夹角为60°-90°。
所述反射镜包括第一反射镜51、第二反射镜53、第三反射镜54和第四反射镜，第一反射镜51、第二反射镜53、第三反射镜54和第四反射镜通过压片5分别固定于主体1上，压片5通过螺丝与主体1紧固连接。每个横向激光通道和纵向激光通道连通处分别为第一反射镜51、第二反射镜53、第三反射镜54和第四反射镜所在的位置，每组激光通道的横向通道和纵向通道两通道轴线与对应的反射镜的垂线夹角相同。
所述送粉通道包括横向送粉通道81和纵向送粉通道82，第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第三横向激光通道24、第四横向激光通道和横向送粉通道81两两平行。第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42、第四纵向激光通道的中心轴线和纵向送粉通道82中心轴线相交于一点，且该点位于主体外部。
在本技术方案中，每个激光通道的横向激光通道内径均大于纵向激光通道内径，具体地为：第一横向激光通道21大于第一纵向激光通道12的内径，第二横向激光通道23大于第二纵向激光通道32的内径，第三横向激光通道24大于第三纵向激光通道42的内径，第四横向激光通道大于第四纵向激光通道的内径。
在本技术方案中，纵向送粉通道与纵向激光通道轴线交于熔覆头外部，实际工作中该交点位于工件内壁内表面上方，即金属粉与激光束在待熔覆工件内表面上方发生交叠作用，吸收激光能量后的金属粉以熔化或半熔化状态落入待熔覆工件内孔表面，该设置具有熔覆效率高、熔覆层薄且平整、稀释率低以及对基体热影响小等优点。
所述水冷通道包括沿横向设置的两个长水路通道61，以及和两个长水路通道61均连通并纵向设置的短水路通道62，短水路通道62在靠近第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42位置处开设。两个长水路通道61和主体1三者轴线平行且位于主体1较外侧的位置。
实际加工时，首先完成主体1侧面短水路通道62的钻孔，然后分别将两个长水路通道61钻通至短水路通道62。工作时，先将短水路通道62端口进行塞堵，从而与两个长水路通道61形成U形水路；两个长边水路通道61的开口分别为进水口和出水口。
该多光束中心送粉内孔激光熔覆头工作时，如图1和图4所示，激光4分别沿第一横向激光通道21、第二横向激光通道23、第三横向激光通道24输入，经对应的第一反射镜51、第二反射镜53、第三反射镜54反射后分别沿第一纵向激光通道12、第二纵向激光通道32、第三纵向激光通道42输出。
金属粉6在气动作用下分别经过横向送粉通道81和纵向送粉通道82输出；冷却水在U形通道流通，熔覆头在水冷作用下使得温度保持在安全范围内；三路激光光束4和单路金属粉6在熔覆头外部基体46上方相互作用，并在基体46内壁表面形成熔覆熔池47，实现了部件内壁高速激光熔覆。
该技术方案可解决现有内孔激光熔覆头承受的激光功率低，熔覆效率低，以及光学镜片易烧毁等问题。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多光束中心送粉内孔熔覆头，其特征在于：包括主体（1），以及设置于主体（1）上的多组激光通道、送粉通道、反射镜和水冷通道，送粉通道设置于熔覆头的中轴面上，水冷通道与多组激光通道错开设置，反射镜设置在多组激光通道内部；
其中所述主体（1）为柱状结构，且主体（1）上设置有三组激光通道，每组激光通道包括第一横向激光通道（21）、第二横向激光通道（23）、第三横向激光通道（24）和第一纵向激光通道（12）、第二纵向激光通道（32）、第三纵向激光通道（42）；第一横向激光通道（21）和第一纵向激光通道（12）为相互连通，第二横向激光通道（23）和第二纵向激光通道（32）为相互连通，第三横向激光通道（24）和第三纵向激光通道（42）为相互连通；
所述反射镜包括第一反射镜（51）、第二反射镜（53）和第三反射镜（54），第一反射镜（51）、第二反射镜（53）和第三反射镜（54）通过压片（5）分别固定于主体（1）上，压片（5）与主体（1）紧固连接，每个横向激光通道和纵向激光通道连通处分别为第一反射镜（51）、第二反射镜（53）、第三反射镜（54）所在的位置，每组激光通道的横向通道和纵向通道两通道轴线与对应的反射镜的垂线夹角相同；
所述送粉通道包括横向送粉通道（81）和纵向送粉通道（82），第一横向激光通道（21）、第二横向激光通道（23）、第三横向激光通道（24）和横向送粉通道（81）两两平行；第一纵向激光通道（12）、第二纵向激光通道（32）、第三纵向激光通道（42）的中心轴线和纵向送粉通道（82）中心轴线相交于一点，且该点位于主体外部；
所述纵向送粉通道（82）中心轴线分别和第一纵向激光通道（12）、第二纵向激光通道（32）、第三纵向激光通道（42）中心轴线夹角均为锐角；所述送粉通道的横向送粉通道（81）内径大于纵向送粉通道（82）内径，纵向送粉通道（82）和第一纵向激光通道（12）、第二纵向激光通道（32）、第三纵向激光通道（42）均为锥形结构。
2.根据权利要求1所述的一种多光束中心送粉内孔熔覆头，其特征在于：所述第一横向激光通道（21）和第一纵向激光通道（12）两者轴线相交且夹角为钝角，第二横向激光通道（23）和第二纵向激光通道（32）两者轴线相交且夹角为钝角，第三横向激光通道（24）和第三纵向激光通道（42）两者轴线相交且夹角为锐角；或所述第一横向激光通道（21）和第一纵向激光通道（12）两者轴线相交且夹角为锐角，第二横向激光通道（23）和第二纵向激光通道（32）两者轴线相交且夹角为锐角，第三横向激光通道（24）和第三纵向激光通道（42）两者轴线相交且夹角为钝角。
3.根据权利要求1所述的一种多光束中心送粉内孔熔覆头，其特征在于：所述水冷通道包括沿横向设置的两个长水路通道（61），以及和两个长水路通道（61）均连通并纵向设置的短水路通道（62）。
4.根据权利要求3所述的一种多光束中心送粉内孔熔覆头，其特征在于：所述短水路通道（62）在靠近第一纵向激光通道（12）、第二纵向激光通道（32）、第三纵向激光通道（42）位置处开设，两个长水路通道（61）和主体（1）三者轴线平行。
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