CN110791755A - 一种激光熔覆加工头 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆加工头，包括光纤接入模块、准直聚焦模块和喷嘴，光纤接入模块用于接入激光器；准直聚焦模块包括准直聚焦外罩、准直聚焦内套、准直装置和聚焦镜，准直聚焦外罩侧壁设有进水口一和出水口一，准直装置和聚焦镜设置在准直聚焦内套中，准直聚焦外罩套设在准直聚焦内套之外，使二者之间形成环形空间一，便于冷却水经进水口一流入环形空间一，并经出水口一流出；喷嘴包括喷嘴外罩和喷嘴内芯，喷嘴外罩侧壁上设有送粉口，喷嘴外罩套设在喷嘴内芯之外，使喷嘴外罩和喷嘴内芯之间形成送粉通道；准直聚焦模块顶部连接光纤接入模块，底部连接喷嘴，光线经准直聚焦后，穿过喷嘴内芯，对经送粉通道流出的粉末进行激光熔覆。

Description

一种激光熔覆加工头

技术领域

本发明属于激光熔覆设备技术领域，具体涉及一种激光熔覆加工头。

背景技术

目前市场上主要通过堆焊、喷涂、电镀技术在金属基材表面获得改性层或修复层，就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。这些方式的主要缺点是效率低、消耗大，另外，电镀行业由于其产生的污染量大，污染物种类复杂、毒性强，已经是全球三大污染工业（电镀行业、电池行业、金属治炼行业）之一。

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高密度的激光束与基材表面一起熔凝，在表面形成与基材冶金结合的添料熔覆层。从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的。

在激光熔覆过程中，准直聚焦模块的准直镜和聚焦镜长期处于高温下，不仅会降低零件的使用寿命，造成浪费，长期的高温环境还会导致热透镜效应，使激光焦点偏移，从而无法进行长时间的稳定加工。

发明内容

为了解决聚焦准直模块长期处于高温下寿命短，且容易发生热透镜效应的问题，本发明公开了一种激光熔覆加工头，在准直聚焦外罩和准直聚焦内套之间设置了密闭的环形空间一，通过在环形空间一内的水循环对准直聚焦模块进行降温，使其处于恒定的最佳工作温度，大大提高了准直聚焦模块的使用寿命，并可以避免热透镜效应的发生，实现长期稳定的加工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光熔覆加工头，包括

光纤接入模块，所述光纤接入模块用于接入激光器；

准直聚焦模块，所述准直聚焦模块包括准直聚焦外罩、准直聚焦内套、准直装置和聚焦镜，所述准直聚焦外罩的侧壁上设有进水口一和出水口一，所述准直装置和聚焦镜由上到下设置在准直聚焦内套中，所述准直聚焦外罩套设在准直聚焦内套之外，使所述准直聚焦外罩和准直聚焦内套之间形成密闭的环形空间一，便于冷却水经进水口一流入环形空间一，循环一圈后经出水口一流出；和

喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴外罩和喷嘴内芯，所述喷嘴外罩的侧壁上设有送粉口，所述喷嘴外罩套设在喷嘴内芯之外，使喷嘴外罩和喷嘴内芯之间形成送粉通道；

所述准直聚焦模块顶部连接光纤接入模块，底部连接喷嘴，所述激光器发射的光线经准直装置准直并经聚焦镜聚焦后，穿过喷嘴内芯，对经送粉通道流出的粉末进行激光熔覆。

作为优选，上述喷嘴外罩的侧壁上还设有进水口二和出水口二，所述喷嘴外罩套设在喷嘴内芯之外，使喷嘴外罩与喷嘴内芯之间形成密闭的环形空间二，便于冷却水经进水口二流入环形空间二，循环一圈后经出水口二流出；

所述准直装置包括两个准直镜。

作为优选，上述喷嘴内芯上设有沿喷嘴内芯的外侧壁向外凸出的散粉凸台，用于将送粉通道分隔为上方的送粉通道一和下方的送粉通道二，所述散粉凸台上设有若干个均匀分布的散粉孔，便于将从送粉口送入送粉通道一的粉末经散粉孔均匀输送至送粉通道二中。

作为优选，上述喷嘴内芯用于形成送粉通道一的外侧壁具有向喷嘴外罩倾斜的斜面，便于使从送粉口送入送粉通道一的粉末撞击所述斜面后均匀落下；所述散粉孔设有-个。

作为优选，上述的激光熔覆加工头，还包括光阑模块，所述光阑模块设置在光纤接入模块与准直聚焦模块之间，包括光阑外罩和光阑内芯，所述光阑外罩的侧壁上设有进水口三和出水口三，所述光阑外罩套设在光阑内芯之外，使光阑外罩与光阑内芯之间形成密闭的环形空间三，便于冷却水经进水口三流入环形空间三，循环一圈后经出水口三流出。

作为优选，上述的激光熔覆加工头，还包括保护模块，所述保护模块设置在准直聚焦模块与喷嘴之间，包括保护外罩、保护抽屉、保护压环和保护镜片，所述保护镜片置于保护抽屉内，经保护压环固定后，所述保护抽屉经保护外罩侧壁上的开口插入保护外罩内。

作为优选，上述的激光熔覆加工头，还包括调节模块，所述调节模块设置在保护模块与喷嘴之间，包括用于调节喷嘴水平位置的水平调节机构和用于调节喷嘴高度的高度调节机构。

作为优选，上述水平调节机构包括调节外罩、调节内套、调节限位圈和四个水平调节螺栓，所述调节外罩的底部设有沿调节外罩的内侧壁向上凹进的调节凹环，所述调节内套顶部设有沿调节内套的外侧壁向外凸出的调节凸环，所述调节凹环具有便于调节凸环在水平面内活动的空间，所述四个水平调节螺栓均匀分布在调节外罩的周围；所述调节凸环设置在调节凹环内，通过调节限位圈限制上下运动，所述水平调节螺栓穿过调节外罩抵靠在调节内套上，用于固定调节内套的水平位置。

作为优选，上述高度调节机构包括高度调节内筒和至少一个高度调节螺栓，所述高度调节内筒的外侧壁上设有条形凹槽，所述高度调节螺栓穿过调节内套抵靠在条形凹槽的底面上，用于固定高度调节内筒的高度。

作为优选，上述的激光熔覆加工头，还包括输气模块，所述输气模块设置在保护模块与调节模块之间，包括环形气刀和气嘴，所述环形气刀包括气刀本体和沿气刀本体的外侧壁向外凸出的环台，所述调节外罩的顶部设有沿调节外罩的内侧壁向下凹进的气刀凹台，所述气刀凹台包括位于上方的一级凹台和位于下方的二级凹台，所述环形气刀套设在调节外罩之内，使所述环台卡设在一级凹台上，所述气刀本体与调节外罩之间形成输气通道，所述气嘴通过调节外罩侧壁上设置的通孔向输气通道内输气。

本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明在准直聚焦模块的准直聚焦外罩和准直聚焦内套之间设置了密闭的环形空间一，通过在环形空间一内的水循环对准直聚焦模块进行降温，使其处于恒定的最佳工作温度，大大提高了准直聚焦模块的使用寿命，并可以避免热透镜效应的发生，实现长期稳定的加工；

（2）本发明在喷嘴处设置的环形空间二可以使接入的冷却水环形螺旋流动，达到喷嘴全水冷的加工要求，解决了送粉过程中由于过热使得粉末不均匀，送粉口堵塞，粉末利用率低等问题，可以实现长时间的激光熔覆加工；

（3）本发明在光阑模块设置的环形空间三可以使接入的冷却水环形螺旋流动，对光阑内芯进行冷却，提高光阑内芯的使用寿命，使加工头可以长期稳定地工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明加工头的主视图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图；

图3是本发明准直聚焦模块的剖视图；

图4是本发明喷嘴的剖视图；

图5是本发明喷嘴内芯的结构示意图；

图6是本发明光阑模块的剖视图；

图7是本发明保护模块、调节模块和输气模块的剖视图；

图8是本发明的局部示意图；

图中：1. 光纤接入模块；2. 准直聚焦模块；21. 准直聚焦外罩；211. 水管接头一；22.准直聚焦内套；231. 准直镜；24. 聚焦镜；25. 环形空间一；26. 螺纹固定环；27. 定位压环；3. 喷嘴；31. 喷嘴外罩；311. 水管接头二；312. 送粉管；32. 喷嘴内芯；321. 散粉凸台；322. 散粉孔；323. 斜面；33. 送粉通道；331. 送粉通道一；332. 送粉通道二；34. 环形空间二；4. 光阑模块；41. 光阑外罩；411. 水管接头三；42. 光阑内芯；43. 环形空间三；5. 保护模块；51. 保护外罩；52. 保护抽屉；53. 保护压环；54. 保护镜片；55. 定位圈； 6. 调节模块；61. 水平调节机构；611. 调节外罩；612. 调节内套；6121. 调节凸环；613. 调节限位圈；614. 水平调节螺栓；62. 高度调节机构；621. 高度调节内筒；6211. 条形凹槽；622. 高度调节螺栓；7. 输气模块；71. 环形气刀；711. 气刀本体；712. 环台；72.气嘴；73. 输气通道；81. 分粉器；82. 出粉接头；83. 堵丝。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明以图1中的E方向为上方向或顶方向。

一种激光熔覆加工头，如图1-4所示，包括光纤接入模块1、准直聚焦模块2和喷嘴3，光纤接入模块1用于接入激光器；准直聚焦模块2包括准直聚焦外罩21、准直聚焦内套22、准直装置和聚焦镜24，准直聚焦外罩21的侧壁上设有进水口一和出水口一，准直装置和聚焦镜24由上到下设置在准直聚焦内套22中，准直聚焦外罩21套设在准直聚焦内套22之外，使准直聚焦外罩21和准直聚焦内套22之间形成密闭的环形空间一25，便于冷却水经进水口一流入环形空间一25，循环一圈后经出水口一流出； 喷嘴3包括喷嘴外罩31和喷嘴内芯32，喷嘴外罩31的侧壁上设有送粉口，喷嘴外罩31套设在喷嘴内芯32之外，使喷嘴外罩31和喷嘴内芯32之间形成送粉通道33；准直聚焦模块2顶部连接光纤接入模块1，底部连接喷嘴3，激光器发射的光线经准直装置准直并经聚焦镜24聚焦后，穿过喷嘴内芯32，对经送粉通道33流出的粉末进行激光熔覆。

在准直聚焦模块2处设置的环形空间一25可以使接入的冷却水环形螺旋流动，对准直聚焦模块2进行冷却降温，使其处于恒定的最佳工作温度，大大提高了准直聚焦模块的使用寿命，并可以避免热透镜效应的发生，实现长期稳定的加工。在具体实施方式中，进水口一和出水口一处均设置水管接头一211，便于连接进水管和出水管；准直装置（准直镜231）和聚焦镜24之间通过定位压环27分隔，并通过两端的螺纹固定环26将准直装置和聚焦镜24固定在准直聚焦内套22中；喷嘴外罩31的送粉口处连接送粉管312，送粉管312可以通过焊接方式固定在送粉口处，也可以是其他能够保证密封的固定方式；环形空间一25的上下两端设置密封圈进行密封。

在一种具体的实施方式中，如图4所示，喷嘴外罩31的侧壁上还设有进水口二和出水口二，喷嘴外罩31套设在喷嘴内芯32之外，使喷嘴外罩31与喷嘴内芯32之间形成密闭的环形空间二34，便于冷却水经进水口二流入环形空间二34，循环一圈后经出水口二流出；准直装置包括两个准直镜231。

在喷嘴3处设置的环形空间二34可以使接入的冷却水环形螺旋流动，达到喷嘴全水冷的加工要求，解决了送粉过程中由于过热使得粉末不均匀，送粉口堵塞，粉末利用率低等问题，可以实现长时间的激光熔覆加工。在具体的实施方式中，如图1和图4所示，进水口二和出水口二处均设置水管接头二311，便于连接进水管和出水管，另外，也可以直接将进水管和出水管直接焊接在进水口二和出水口二的位置；环形空间二34的上下两端设置密封圈进行密封。

在一种具体的实施方式中，如图4-5所示，喷嘴内芯32上设有沿喷嘴内芯32的外侧壁向外凸出的散粉凸台321，用于将送粉通道33分隔为上方的送粉通道一331和下方的送粉通道二332，散粉凸台321上设有若干个均匀分布的散粉孔322，便于将从送粉口送入送粉通道一331的粉末经散粉孔322均匀输送至送粉通道二332中。散粉凸台321和散粉孔322的设置有利于将从送粉口送入的粉末均匀分散。

在一种具体的实施方式中，如图4-5所示，喷嘴内芯32用于形成送粉通道一331的外侧壁具有向喷嘴外罩31倾斜的斜面323，便于使从送粉口送入送粉通道一331的粉末撞击斜面323后均匀落下；散粉孔322设有30-50个。经送粉口送入的粉末撞击斜面323之后，可以更均匀地分散落下，并通过散粉孔322进入送粉通道二332，使粉末以均匀高速的状态发射出喷嘴。

在一种具体的实施方式中，如图1-2和图6所示，激光熔覆加工头还包括光阑模块4，光阑模块4设置在光纤接入模块1与准直聚焦模块2之间，包括光阑外罩41和光阑内芯42，光阑外罩41的侧壁上设有进水口三和出水口三，光阑外罩41套设在光阑内芯42之外，使光阑外罩41与光阑内芯42之间形成密闭的环形空间三43，便于冷却水经进水口三流入环形空间三43，循环一圈后经出水口三流出。

在光阑模块4设置的环形空间三43可以使接入的冷却水环形螺旋流动，对光阑内芯42进行冷却，提高光阑内芯42的使用寿命，使加工头可以长期稳定地工作。在具体的实施方式中，如图1和图4所示，进水口三和出水口三处均设置水管接头三411，便于连接进水管和出水管；环形空间三43的上下两端设置密封圈进行密封。

在一种具体的实施方式中，如图1-2和图7所示，激光熔覆加工头还包括保护模块5，保护模块5设置在准直聚焦模块2与喷嘴3之间，包括保护外罩51、保护抽屉52、保护压环53和保护镜片54，保护镜片54置于保护抽屉52内，经保护压环53固定后，保护抽屉52经保护外罩51侧壁上的开口插入保护外罩51内。

保护模块5的设置能够使聚焦光点原始高效通过，并且阻挡激光熔覆加工时的外部灰层的飞溅，达到保护准直聚焦模块2内部无污染的作用。在具体实施方式中，保护压环53与保护外罩51之间螺纹连接。在具体实施例中，设置定位圈55，将保护抽屉52经保护外罩51侧壁的开口插入保护外罩51与定位圈55之间，结构上便于加工。

在一种具体的实施方式中，如图1-2和图7所示，激光熔覆加工头还包括调节模块6，调节模块6设置在保护模块5与喷嘴3之间，包括用于调节喷嘴3水平位置的水平调节机构61和用于调节喷嘴3高度的高度调节机构62。水平调节机构61可以前后左右调节射出的光斑位置，使其处于喷嘴3的正中心位置；高度调节机构62可以调节喷嘴3的高度，使射出的光斑焦点处于适合各种加工需求的位置，也就是正离焦、负离焦和焦点三种不同的位置。

在一种具体的实施方式中，如图7所示，水平调节机构61包括调节外罩611、调节内套612、调节限位圈613和四个水平调节螺栓614，调节外罩611的底部设有沿调节外罩611的内侧壁向上凹进的调节凹环，调节内套612顶部设有沿调节内套612的外侧壁向外凸出的调节凸环6121，调节凹环具有便于调节凸环6121在水平面内活动的空间，四个水平调节螺栓614均匀分布在调节外罩611的周围；调节凸环6121设置在调节凹环内，通过调节限位圈613限制上下运动，水平调节螺栓614穿过调节外罩611抵靠在调节内套612上，用于固定调节内套612的水平位置。

在一种具体的实施方式中，如图7-8所示，高度调节机构62包括高度调节内筒621和至少一个高度调节螺栓622，高度调节内筒621的外侧壁上设有条形凹槽6211，高度调节螺栓622穿过调节内套612抵靠在条形凹槽6211的底面上，用于固定高度调节内筒621的高度。

在一种具体的实施方式中，如图7-8所示，激光熔覆加工头还包括输气模块7，输气模块7设置在保护模块5与调节模块6之间，包括环形气刀71和气嘴72，环形气刀71包括气刀本体711和沿气刀本体711的外侧壁向外凸出的环台712，调节外罩611的顶部设有沿调节外罩611的内侧壁向下凹进的气刀凹台，气刀凹台包括位于上方的一级凹台和位于下方的二级凹台，环形气刀71套设在调节外罩611之内，使环台712卡设在一级凹台上，气刀本体711与调节外罩611之间形成输气通道73，气嘴72通过调节外罩611侧壁上设置的通孔向输气通道73内输气。输气模块7可以接入保护气体，如氩气、氮气等，它在内部形成一个往下的气流，不仅可以使保护镜片54得到保护，还可以对激光熔覆的基材熔池进行保护，防止激光加工时金属粉末氧化，确保激光加工的效果。

在具体实施方式中，如图1所述，可以在加工头上固定设置一个分粉器81，图1中将分粉器81固定在准直聚焦外罩21的外侧壁上，根据具体需求，分粉器81可以连接若干个出粉接头82，图中示出为连接3个出粉接头82，可以分别与三个送粉管312连接，分粉器81顶部设置堵丝83。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种激光熔覆加工头，其特征在于：包括

光纤接入模块（1），所述光纤接入模块（1）用于接入激光器；

准直聚焦模块（2），所述准直聚焦模块（2）包括准直聚焦外罩（21）、准直聚焦内套（22）、准直装置和聚焦镜（24），所述准直聚焦外罩（21）的侧壁上设有进水口一和出水口一，所述准直装置和聚焦镜（24）由上到下设置在准直聚焦内套（22）中，所述准直聚焦外罩（21）套设在准直聚焦内套（22）之外，使所述准直聚焦外罩（21）和准直聚焦内套（22）之间形成密闭的环形空间一（25），便于冷却水经进水口一流入环形空间一（25），循环一圈后经出水口一流出；和

喷嘴（3），所述喷嘴（3）包括喷嘴外罩（31）和喷嘴内芯（32），所述喷嘴外罩（31）的侧壁上设有送粉口，所述喷嘴外罩（31）套设在喷嘴内芯（32）之外，使喷嘴外罩（31）和喷嘴内芯（32）之间形成送粉通道（33）；

所述准直聚焦模块（2）顶部连接光纤接入模块（1），底部连接喷嘴（3），所述激光器发射的光线经准直装置准直并经聚焦镜（24）聚焦后，穿过喷嘴内芯（32），对经送粉通道（33）流出的粉末进行激光熔覆。

2.如权利要求1所述的激光熔覆加工头，其特征在于：所述喷嘴外罩（31）的侧壁上还设有进水口二和出水口二，所述喷嘴外罩（31）套设在喷嘴内芯（32）之外，使喷嘴外罩（31）与喷嘴内芯（32）之间形成密闭的环形空间二（34），便于冷却水经进水口二流入环形空间二（34），循环一圈后经出水口二流出；

所述准直装置包括两个准直镜（231）。

3.如权利要求1所述的激光熔覆加工头，其特征在于：所述喷嘴内芯（32）上设有沿喷嘴内芯（32）的外侧壁向外凸出的散粉凸台（321），用于将送粉通道（33）分隔为上方的送粉通道一（331）和下方的送粉通道二（332），所述散粉凸台（321）上设有若干个均匀分布的散粉孔（322），便于将从送粉口送入送粉通道一（331）的粉末经散粉孔（322）均匀输送至送粉通道二（332）中。

4.如权利要求3所述的激光熔覆加工头，其特征在于：所述喷嘴内芯（32）用于形成送粉通道一（331）的外侧壁具有向喷嘴外罩（31）倾斜的斜面（323），便于使从送粉口送入送粉通道一（331）的粉末撞击所述斜面（323）后均匀落下；所述散粉孔（322）设有30-50个。

5.如权利要求1所述的激光熔覆加工头，其特征在于：还包括光阑模块（4），所述光阑模块（4）设置在光纤接入模块（1）与准直聚焦模块（2）之间，包括光阑外罩（41）和光阑内芯（42），所述光阑外罩（41）的侧壁上设有进水口三和出水口三，所述光阑外罩（41）套设在光阑内芯（42）之外，使光阑外罩（41）与光阑内芯（42）之间形成密闭的环形空间三（43），便于冷却水经进水口三流入环形空间三（43），循环一圈后经出水口三流出。

6.如权利要求1所述的激光熔覆加工头，其特征在于：还包括保护模块（5），所述保护模块（5）设置在准直聚焦模块（2）与喷嘴（3）之间，包括保护外罩（51）、保护抽屉（52）、保护压环（53）和保护镜片（54），所述保护镜片（54）置于保护抽屉（52）内，经保护压环（53）固定后，所述保护抽屉（52）经保护外罩（51）侧壁上的开口插入保护外罩（51）内。

7.如权利要求6所述的激光熔覆加工头，其特征在于：还包括调节模块（6），所述调节模块（6）设置在保护模块（5）与喷嘴（3）之间，包括用于调节喷嘴（3）水平位置的水平调节机构（61）和用于调节喷嘴（3）高度的高度调节机构（62）。

8.如权利要求7所述的激光熔覆加工头，其特征在于：所述水平调节机构（61）包括调节外罩（611）、调节内套（612）、调节限位圈（613）和四个水平调节螺栓（614），所述调节外罩（611）的底部设有沿调节外罩（611）的内侧壁向上凹进的调节凹环，所述调节内套（612）顶部设有沿调节内套（612）的外侧壁向外凸出的调节凸环（6121），所述调节凹环具有便于调节凸环（6121）在水平面内活动的空间，所述四个水平调节螺栓（614）均匀分布在调节外罩（611）的周围；所述调节凸环（6121）设置在调节凹环内，通过调节限位圈（613）限制上下运动，所述水平调节螺栓（614）穿过调节外罩（611）抵靠在调节内套（612）上，用于固定调节内套（612）的水平位置。

9.如权利要求8所述的激光熔覆加工头，其特征在于：所述高度调节机构（62）包括高度调节内筒（621）和至少一个高度调节螺栓（622），所述高度调节内筒（621）的外侧壁上设有条形凹槽（6211），所述高度调节螺栓（622）穿过调节内套（612）抵靠在条形凹槽（6211）的底面上，用于固定高度调节内筒（621）的高度。

10.如权利要求8所述的激光熔覆加工头，其特征在于：还包括输气模块（7），所述输气模块（7）设置在保护模块（5）与调节模块（6）之间，包括环形气刀（71）和气嘴（72），所述环形气刀（71）包括气刀本体（711）和沿气刀本体（711）的外侧壁向外凸出的环台（712），所述调节外罩（611）的顶部设有沿调节外罩（611）的内侧壁向下凹进的气刀凹台，所述气刀凹台包括位于上方的一级凹台和位于下方的二级凹台，所述环形气刀（71）套设在调节外罩（611）之内，使所述环台（712）卡设在一级凹台上，所述气刀本体（711）与调节外罩（611）之间形成输气通道（73），所述气嘴（72）通过调节外罩（611）侧壁上设置的通孔向输气通道（73）内输气。

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