CN111441048B - 激光熔覆的送粉装置、激光熔覆设备及金属覆层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆的送粉装置，并公开了具有送粉装置的激光熔覆设备和金属覆层加工方法，其中激光熔覆的送粉装置包括：粉末流动环形管道，其中轴线竖向设置，粉末流动环形管道上设有若干个进粉口；多个粉末分流管道，粉末分流管道的上端与粉末流动环形管道连通，粉末分流管道从上到下向粉末流动环形管道的中轴线倾斜设置，粉末分流管道的下端设有喷粉口，多个喷粉口的出粉方向的延伸线交汇于一点。金属粉末在载气的带动下进入进粉口，然后在粉末流动环形管道内流动，再进入到粉末分流管道从喷粉口喷出，汇聚形成较稳定的粉斑，减少远离激光照射位置的粉末，提高了金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

Description

激光熔覆的送粉装置、激光熔覆设备及金属覆层加工方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆制造技术领域，特别涉及一种激光熔覆的送粉装置、激光熔覆设备及金属覆层加工方法。

背景技术

在金属工件表面覆上金属层的方式除了电镀以外，还有激光熔覆的方式。激光熔覆是在工件的上方送出金属粉末颗粒，用激光照射金属粉末和工件表面，使金属粉末成熔融状态，然后附着在工件的表面形成覆层。

现有的激光熔覆的送粉方式为用单个送粉管伸到工件的上方，用载气带着粉末从喷粉口喷出，这样喷出的粉末会随着载气的气流分散，粉末的汇聚能力较低，粉末流动的位置和浓度不稳定，有较多的粉末偏离激光照射的位置而没有受到激光的照射，降低粉末的利用量和导致覆层的质量下降。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种激光熔覆的送粉装置。

本发明还提出一种具有上述激光熔覆的送粉装置的激光熔覆设备。

本发明还提出一种应用上述激光熔覆设备的金属覆层加工方法。

根据本发明的第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，包括：粉末流动环形管道，其中轴线竖向设置，所述粉末流动环形管道上设有若干个进粉口；多个粉末分流管道，所述粉末分流管道的上端与所述粉末流动环形管道连通，多个所述粉末分流管道的上端沿所述粉末流动环形管道的中轴线周向设置，所述粉末分流管道从上到下向所述粉末流动环形管道的中轴线倾斜设置，所述粉末分流管道的下端设有喷粉口，多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线交汇于一点。

根据本发明实施例的激光熔覆的送粉装置，至少具有如下有益效果：金属粉末在外部的载气的带动下进入进粉口，然后在粉末流动环形管道内流动，再进入到多个粉末分流管道从喷粉口喷出，多个方向喷出的粉末汇聚形成粉斑。与现有的单个送粉管送粉相比，本技术中金属粉末从周向设置的多个喷粉口喷出，并汇聚形成粉斑，多个从外向内的载气气流在相汇后也减弱并向工件表面流动，使得粉斑较稳定，减少远离激光照射位置的粉末，提高了金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

根据本发明的一些实施例，多个所述粉末分流管道沿所述粉末流动环形管道的中轴线周向均布，多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线交汇于所述粉末流动环形管道的中轴线上。

根据本发明的一些实施例，本发明还包括进光孔和出光孔，所述粉末流动环形管道设于所述进光孔的外周，多个所述粉末分流管道的下端设于所述出光孔的外周，所述进光孔与所述出光孔之间设有通光通道。

根据本发明的一些实施例，所述进粉口设有两个，两个所述进粉口对称地分布于所述粉末流动环形管道上，两个所述进粉口的进料方向在所述粉末流动环形管道的周向方向上相同。

根据本发明的一些实施例，所述进粉口的旁侧设有可调节进粉量的粉量调节装置。

根据本发明的一些实施例，所述粉末分流管道设有八个。

根据本发明的一些实施例，所述进光孔内设有准直透镜和聚焦透镜，所述准直透镜设于所述聚焦透镜的上侧。

根据本发明的第二方面实施例的激光熔覆设备，包括根据本发明上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，还包括激光发射组件，所述激光发射组件与所述送粉装置相对固定，所述激光发射组件发射的激光照射在多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线的交汇点上。

根据本发明实施例的激光熔覆设备，至少具有如下有益效果：通过采用上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，可提高金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

根据本发明的第三方面实施例的金属覆层加工方法，应用根据本发明上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，包括：把所述送粉装置安装在待熔覆的工件的上方，所述送粉装置沿待熔覆的工件的表面相对运动，所述送粉装置通过载气喷出金属粉末，激光发射组件发射激光照射在金属粉末上，使得熔融状态的金属粉末熔覆在工件的表面上。

根据本发明实施例的金属覆层加工方法，至少具有如下有益效果：通过采用上述第二方面实施例的激光熔覆设备，可以提高金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

根据本发明的一些实施例，金属粉末的粒径为30um-90um，送粉量为10g/min-42g/min，载气量为8L/min-12L/min，所述喷粉口到工件的表面的距离为10.5mm-28.5mm。

本发明用于激光熔覆。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1为本发明实施例的送粉装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的送粉装置的正向剖视结构示意图及金属粉末的流动示意图；

图3为本发明实施例的送粉装置的俯视结构示意图及金属粉末的流动示意图。

附图中：101-进光孔、102-出光孔、201-粉末流动环形管道、202-进粉口、203-粉末分流管道、204-喷粉口、205-粉量调节装置、206-粉斑、301-激光。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设有、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参考图1至图3描述根据本发明第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置。

激光熔覆的送粉装置包括：

粉末流动环形管道201，其中轴线竖向设置，粉末流动环形管道201上设有若干个进粉口202；

多个粉末分流管道203，粉末分流管道203的上端与粉末流动环形管道201连通，多个粉末分流管道203的上端沿粉末流动环形管道201的中轴线周向设置，粉末分流管道203从上到下向粉末流动环形管道201的中轴线倾斜设置，粉末分流管道203的下端设有喷粉口204，多个喷粉口204的出粉方向的延伸线交汇于一点。

金属粉末在载气的带动下进入进粉口202，然后在粉末流动环形管道201内流动，金属粉末经过在粉末流动环形管道201内流动再分开进入到粉末分流管道203内，不需每个粉末分流管道203都分别进粉，使各个粉末分流管道203进粉更加均匀；金属粉末再分开进入到多个粉末分流管道203从喷粉口204喷出，多个方向喷出的粉末汇聚形成粉斑206；外部的激光301照射在粉斑206上成熔融状态熔覆在工件表面上。本技术中金属粉末周向设置的多个喷粉口204喷出，并汇聚形成粉斑206，多个从外向内的载气气流在相汇后也减弱并向工件表面流动，使在出光孔102的下方的粉斑206较稳定，减少远离激光301照射位置的粉末，提高了粉末的利用率，也使覆层更均匀，提高覆层的质量。

在本发明的一些具体实施例中，多个粉末分流管道203沿粉末流动环形管道201的中轴线周向均布，多个喷粉口204的出粉方向的延伸线交汇于粉末流动环形管道201的中轴线上。多个粉末分流管道203沿粉末流动环形管道201的中轴线周向均布，这样设置使金属粉末更均匀地进入各粉末分流管道203，多个方向载气喷出喷粉口204后相互均匀地减弱，使形成的粉斑206更加均匀和稳定。

在本发明的一些具体实施例中，本发明还包括进光孔101和出光孔102，粉末流动环形管道201设于进光孔101的外周，多个粉末分流管道203的下端设于出光孔102的外周，进光孔101与出光孔102之间设有通光通道。粉斑206汇聚在出光孔102的下侧，激光301从进光孔101进入，穿过通光通道从出光孔102射出，部分激光301照射并熔融在出光孔102的下方的粉斑206，部分激光301照射在工件表面并使工件表面成熔融状态。粉斑206直接形成在出光孔102的下方，使粉斑206受激光301照射更均匀。

在本发明的一些具体实施例中，如图3所示，进粉口202设有两个，两个进粉口202对称地分布于粉末流动环形管道201上，两个进粉口202的进料方向在粉末流动环形管道201的周向方向上相同。两个进粉口202的进料方向在粉末流动环形管道201的周向方向上相同，即金属粉末进入进粉口202后在粉末流动环形管道201内流动方向相同，使金属粉末在粉末流动环形管道201内形成整体的顺时针或逆时针方向流动，使进入各个粉末分流管道203中的金属粉末更加均匀，减少两股气流因流向相反而相撞时金属粉末沉积。

在本发明的一些具体实施例中，进粉口202的旁侧设有可调节进粉量的粉量调节装置205。粉量调节装置205用于调节进入粉末流动环形管道201的金属粉末的量，根据覆层的厚度要求和实际加工情况进行调节。粉量调节装置205可采用手动调节阀或电动调节阀，手动调节阀或电动调节阀包括在进粉口202设置的径向设置的转轴，转轴上固定连接有阀门，转动转轴带动阀门，阀门转动可以控制进粉口202的开口截面的大小，达到控制进粉量的目的。

在本发明的一些具体实施例中，粉末分流管道203设有八个。八个粉末分流管道203周向均布设置，可在出光孔102的外周均匀地送出金属粉末，得到较稳定的粉末汇聚区。

在本发明的一些具体实施例中，进光孔101内设有准直透镜和聚焦透镜，准直透镜设于聚焦透镜的上侧。实践中，设置一个筒状的壳体，壳体设置在粉末流动环形管道201的内侧，壳体围成的直筒即为进光孔101，准直透镜和聚焦透镜均安装在壳体内。准直透镜可以把射进进光孔101的激光301校直，经过校直的激光301再穿过聚焦透镜，穿过出光孔102，重新聚焦到工件的上方，调整激光301的聚焦点适应送粉装置的高度和工作距离。

根据本发明的第二方面实施例的激光熔覆设备，包括根据本发明上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，还包括激光发射组件，激光发射组件与送粉装置相对固定，激光发射组件发射的激光301照射在多个喷粉口204的出粉方向的延伸线的交汇点上。激光发射组件可通过激光传输光纤传输到进光孔101上。

根据本发明实施例的激光熔覆设备，通过采用上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，金属粉末喷出喷粉口204后形成粉斑206，激光发射组件发射的激光301照射在粉斑206上，可提高金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

根据本发明第三方面实施例的金属覆层加工方法，应用根据本发明上述第一方面实施例的激光熔覆的送粉装置，包括：把送粉装置安装在待熔覆的工件的上方，送粉装置沿待熔覆的工件的表面相对运动，送粉装置通过载气喷出金属粉末并发出激光301照射在金属粉末上，使得熔融状态的金属粉末熔覆在工件的表面上。送粉装置和待熔覆的工件相对运动，根据送粉装置的喷出形成的粉斑206大小而设置相对运动路径，送粉装置可以把金属粉末熔覆在工件的表面上。

根据本发明实施例的金属覆层加工方法，通过采用上述的激光熔覆的送粉装置，可以提高金属粉末的利用率，使覆层更均匀，提高覆层的质量。

在本发明的一些具体实施例中，金属粉末的粒径为30um-90um，送粉量为10g/min-42g/min，载气量为8L/min-16L/min，喷粉口204到工件的表面的距离为10.5mm-28.5mm。

当粉末颗粒直径为30um，送粉量均为21g/min时，超高速激光熔覆环形熔覆头在轴线的粉末浓度峰值达到500kg/m³以上，同时在熔覆头下方10.5mm～28.5mm的高度内可以保持较高的粉末浓度，送粉装置对金属粉末的汇聚效果更好。影响金属粉末颗粒飞行速度的因素为载气流速的大小，通过改变载气送气量的大小，可以改变送粉装置内气流速度，从而改变金属粉末的飞行速度。载气量为16L/min时，粉斑206半径达到0.9mm，粉末均汇聚于激光301光斑内，受到激光301辐射的粉末量增加。

由于送粉量会影响粉末对激光301能量的衰减效果，进而直接影响粉末的温度场，功率为4KW的激光301辐射下，送粉量分别为10g/min，21g/min，31g/min和42g/min的粉末温度场，送粉量的增加可以略微提升粉末的汇聚能力。经实验，当送粉量为10g/min时有约90％的粉末温度处于1400K以上，但当送粉量提高至42g/min时，处于1400K以上的粉末质量占比仍然可以达到79％，而且此时处于此温度线以上的粉末质量比10g/min时更多，提升送粉量，可以使更多激光301能量作用于粉末上，粉末中达到高温的粉末颗粒更多。随着送粉量的提高，激光301穿透粉末的能量衰减量也随之提高。但是，激光301衰减量随送粉量的变化并不是线性变化的，而是当超过一定送粉量之后，激光301的衰减量明显减少。例如，当送粉量从10g/min增加至20g/min的过程中，激光301功率衰减量迅速增大，说明此送粉量范围内粉末对激光301功率产生大幅度衰减，而当送粉量超过20g/min后，激光301能量的衰减量变化区域开始放缓，可以认为此时粉末汇聚区域内，粉末浓度区域吸收激光301的能力饱和，其对激光301产生能量衰减的效果降低。

当粉末粒径为30um时粉斑206半径约为1.2mm，当粉末粒径为90um时粉斑206半径达到了3.5mm。粉末粒径越大，载气流对粉末的加速度越小，同时粒径越大粉末质量越大，粉末的惯性力更强，所以气流对粉末的限制能力减弱。在相同送气量下，大颗粒粉末在气流中的无序性运动更强，因而导致粉末流汇聚区域的粉斑206半径增大。正是由于粉斑206半径远大于激光301光斑半径，因此粉斑206内处于激光301照射区外的粉末比例增加，粉斑206的整体温度下降。同时，通过测试粉末颗粒在径向的温度可以发现，粒径越小的粉末，在激光301辐射区域内处于高温处的粉末颗粒数越多，这是由于在相同送粉量下，由于粒径小的粉末颗粒具有更大的面积-体积比，因此粉末在激光301辐射区域内受到激光301辐射的面积更大，吸收激光301能量更多，获得的升温幅度更大。

在本发明的一些具体实施例中，载气为惰性保护气体。惰性保护气体可采用氩气、氦气等。

在本发明的一些具体实施例中，激光熔覆设备还包括机床，机床上设有：

旋转主轴，其旋转轴线横向设置；

横向直线运动装置，其运动端的运动方向与旋转主轴的旋转轴线平行设置，送粉装置设于横向直线运动装置的运动端上；

载气式送粉器，连接于横向直线运动装置的运动端上，载气式送粉器的出粉口与进粉口202之间连接有输粉管；载气式送粉器设有储粉腔和送粉轴，转动送粉轴可把储粉腔中的粉末均匀下落至送粉管，送粉管设有进气口，气体把进入送粉管中的粉末送出，进入输粉管。

激光熔覆设备的使用步骤如下：把待熔覆的工件安装在旋转主轴上；启动装有金属粉末的载气式送粉器，使金属粉末在载气的带动下从喷粉口204喷出；启动旋转主轴，使工件转动；启动横向直线运动装置，使送粉装置沿工件的轴向方向运动，送粉装置相对工件做螺旋运动，可使金属粉末均匀地熔覆在工件整个加工表面；启动激光301发生器，激光301发生器发出的激光301经过进光孔101并从出光孔102射出，使得从喷粉口204喷出的金属粉末受到激光301的照射下加热熔化并附着在工件的表面。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种激光熔覆的送粉装置，其特征在于，包括：

粉末流动环形管道，其中轴线竖向设置，所述粉末流动环形管道上设有若干个进粉口；

多个粉末分流管道，所述粉末分流管道的上端与所述粉末流动环形管道连通，多个所述粉末分流管道的上端沿所述粉末流动环形管道的中轴线周向设置，所述粉末分流管道从上到下向所述粉末流动环形管道的中轴线倾斜设置，所述粉末分流管道的下端设有喷粉口，多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线交汇于一点；

多个所述粉末分流管道沿所述粉末流动环形管道的中轴线周向均布，多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线交汇于所述粉末流动环形管道的中轴线上；

所述进粉口设有两个，两个所述进粉口对称地分布于所述粉末流动环形管道上，两个所述进粉口的进料方向在所述粉末流动环形管道的周向方向上相同。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆的送粉装置，其特征在于，还包括进光孔和出光孔，所述粉末流动环形管道设于所述进光孔的外周，多个所述粉末分流管道的下端设于所述出光孔的外周，所述进光孔与所述出光孔之间设有通光通道。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆的送粉装置，其特征在于，所述进粉口的旁侧设有可调节进粉量的粉量调节装置。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆的送粉装置，其特征在于，所述粉末分流管道设有八个。

5.根据权利要求2所述的激光熔覆的送粉装置，其特征在于，所述进光孔内设有准直透镜和聚焦透镜，所述准直透镜设于所述聚焦透镜的上侧。

6.一种激光熔覆设备，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的激光熔覆的送粉装置，还包括激光发射组件，所述激光发射组件与所述送粉装置相对固定，所述激光发射组件发射的激光照射在多个所述喷粉口的出粉方向的延伸线的交汇点上。

7.一种金属覆层加工方法，其特征在于，应用根据权利要求6中所述的激光熔覆设备，包括：把所述送粉装置安装在待熔覆的工件的上方，所述送粉装置沿待熔覆的工件的表面相对运动，所述送粉装置通过载气喷出金属粉末，激光发射组件发射激光照射在金属粉末上，使得熔融状态的金属粉末熔覆在工件的表面上。

8.根据权利要求7所述的金属覆层加工方法，其特征在于，金属粉末的粒径为30um-90um，送粉量为10g/min-42g/min，载气量为8L/min-12L/min，所述喷粉口到工件的表面的距离为10.5mm-28.5mm。

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