CN111809180A - 一种激光内孔熔覆头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光内孔熔覆头，包括顺次可拆卸连接的光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块；光纤插头和光纤接口，用于对激光发生器传输激光的光纤转接与固定，且激光经准直透镜模块中安装的准直透镜组后，准直成平行光传输到末端结构；末端结构内安装有聚焦透镜组，平行光通过聚焦透镜组整形聚焦后，可经反射镜模块中的反射镜反射到末端结构的出光孔，且通过出光孔照射到工件表面；出光孔的一侧还设有送粉嘴模块，送粉嘴模块可拆卸连接在末端结构一侧，且其上的送粉嘴可朝向出光孔发射激光方向上的工件表面送粉，本发明可实现长时间不间断连续作业，且性能稳定可靠，成本较低。

Description

一种激光内孔熔覆头
技术领域
本发明涉及一种激光加工设备，尤其是一种激光内孔熔覆头。
背景技术
激光熔覆(LaserCladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术；它是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，进而实现在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层；从而来显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气等特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素；与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
而目前在内孔熔覆时，孔内环境较为恶劣，其环境特点普遍为高温、高粉尘、高油污等，且空间较为狭小，激光熔覆时粉末飞溅大，很容易使熔覆头损坏，使其使用寿命大大缩短；严重影响了熔覆的效率，也限制了诸多高附加值轴类内孔的修复，限制了激光熔覆这种先进制造技术在石油石化钢铁等行业的发展。
发明内容
针对以上问题，根据激光内孔熔覆的工艺特点，且结合激光内孔熔覆的工况，本发明提出了一种激光内孔熔覆头，可适用于最小孔径90mm、最长深度2000mm的内孔激光熔覆，实现大功率(最大3kW)激光熔覆，使得能够适用较为恶劣环境下长时间不间断连续作业，提高熔覆效率，且性能稳定可靠，成本较低。
本发明提供了如下的技术方案：
一种激光内孔熔覆头，包括顺次可拆卸连接的光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块；所述光纤插头和光纤接口，用于对激光发生器传输激光的光纤转接与固定，且激光经准直透镜模块中安装的准直透镜组后，准直成平行光传输到末端结构；所述末端结构内安装有聚焦透镜组，所述平行光通过聚焦透镜组整形聚焦后，可经反射镜模块中的反射镜反射到末端结构的出光孔，且通过所述出光孔照射到工件表面；所述出光孔的一侧还设有送粉嘴模块，所述送粉嘴模块可拆卸连接在末端结构一侧，且其上的送粉嘴可朝向出光孔发射激光方向上的工件表面送粉。
进一步的，所述出光孔为可拆卸连接在所述末端结构上的锥形孔，所述锥形孔大端面端的一侧还设有保护镜，所述保护镜的外圆周通过保护镜扣套安装在所述末端结构内，且经反射镜模块的反射镜反射后的激光可通过保护镜从出光孔照射到工件表面上。
进一步的，所述保护镜和所述出光孔之间的末端结构上还连通有一保护气管。
进一步的，所述保护气管的两侧还设有两组水冷却管，所述末端结构设有两组可与两组水冷却管分别贯通的贯通孔，所述反射镜模块内还设有一可将两组贯通孔连通的连通孔。
优选的，所述末端结构与所述反射镜模块之间还设有用于密封连通孔和贯通孔的水冷密封O圈；所述末端结构的激光通道端口外与所述反射镜模块之间还设有粉尘密封O圈。
优选的，所述反射镜模块为铜质材料，且其迎光面经打磨抛光后设有镀金层。
优选的，所述聚焦透镜组的外周通过聚焦透镜锁紧环安装在所述末端结构的激光通道内。
优选的，所述导光管采用TC4钛管，且所述导光管外还螺纹连接有导光管锁紧环，所述导光管锁紧环抵靠在导光管的一端，且可将连接在导光管外的连接法兰锁紧。
优选的，所述光纤水冷模块和准直透镜模块的内部均设有环形的水冷腔室。
优选的，所述光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块顺次通过螺纹连接，所述光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰通过螺栓连接，所述连接法兰螺纹连接在导光管外，所述导光管螺纹连接在末端结构的激光通道内，且所述末端结构与反射镜模块之间通过螺钉相连，且所述光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块之间的连接部位还设有可用于隔离外界和激光通道的密封圈件。
本发明的有益效果是：
(1)由于光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块为模块化可拆卸连接，因此可为后续维护更换大大降低了维护成本，调试好；
(2)由于光纤水冷模块、准直透镜模块可基于各种光纤类型统一设计成标准模块，故而可通过更换光纤接口的类型，可以适配不同光纤插头，从而使该内孔熔覆头适用于不同光纤插头模式的激光器，如：QBH、LLK-D、LLK-B等；
(3)将光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块顺次组装调试好后，激光可由光纤插头传输进入准直透镜模块实现激光光学整形，进而形成平行光由导光管经末端结构内的聚焦透镜组再次进行整形，形成聚焦光斑经反射镜模块反射，从出光孔发射到需要加工的工件上；由此可知从光纤插头到出光孔完成了激光的整形功能，并在整形过程中完成水冷却，确保熔覆头装置满足各种高温工况的需求；同此装置可适用于内壁空间直径≥90mm的内壁激光熔覆，且性能较为稳定可靠。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中B部分的局部放大图；
图3是图2的爆炸示意图图；
图4是图2的剖视图；
图5是图3的剖视图；
图6是图1中D部分的局部放大图；
图7是末端结构部分连接的结构示意图；
图8是图7的爆炸示意图；
图9是图7的俯视图；
图10是沿图9中的线A-A方向的横截面剖视图；
图11是沿图9中的线C-C方向的横截面剖视图；
图12是末端结构、反射镜模块拆分后的结构示意图；
图13反射镜模块沿倾斜面的剖视图；
图中的标记：1为光纤插头，2为光纤接口，3为光纤水冷模块，4为准直透镜模块，5为连接法兰，6为导光管锁紧环，7为导光管，8为送粉管，9为水冷却管，10为保护气管，11为末端结构，12为反射镜模块，13为粉尘密封O圈，14为水冷密封O圈，15为保护镜，16为保护镜扣套，17为出光孔，18为送粉嘴模块，19为聚焦透镜组，20为聚焦透镜锁紧环，21为送粉嘴，23为连通孔。
具体实施方式
结合1至图13所示的一种激光内孔熔覆头，在本实施例中，包括顺次可拆卸连接的光纤插头1、光纤接口2、光纤水冷模块3、准直透镜模块4、连接法兰5、导光管7、末端结构11、反射镜模块12；光纤插头1和光纤接口2，用于对激光发生器传输激光的光纤转接与固定，且激光经准直透镜模块4中安装的准直透镜组后，准直成平行光传输到末端结构11，且在本实施方式中，准直透镜组采用双透镜准直方式将光纤输出的发散激光准直成平行光，平行光直径＜25mm，确保3m范围内平行光无发散现象；末端结构内安装有聚焦透镜组19，平行光通过聚焦透镜组19整形聚焦后，可经反射镜模块12中的45°反射镜反射到末端结构11的出光孔，且通过出光孔照射到工件表面；本实施方式中的聚焦透镜组中聚焦镜的聚焦焦距为150mm，同时可根据工艺需要更换成其他聚焦焦距的镜片；且反射镜模块采用铜质材料镀金，铜质材料导热性能好，其迎光面经打磨抛光之后镀金，可确保高能激光照射时不易损坏，同时具有高效的反射率；出光孔的一侧还设有送粉嘴模块18，送粉嘴模块18安装在末端结构11一侧，且其上的送粉嘴21可朝向出光孔17发射激光方向上的工件表面送粉；在此过程中激光熔覆粉末由粉末输送设备经送粉管8传送到送粉模块18，从送粉嘴模块18的送粉嘴21出来，粉末送到激光光束上熔化实现熔覆功能；送粉嘴模块18与末端结构11紧贴固定，可以很快将送粉嘴21上的热量传导到水冷部件上，从而使送粉嘴降温，降低其损坏概率；在本实施方式中，松紧送粉嘴模块18和末端结构11之间的固定螺钉，送粉嘴模块18可以上下移动、左右摆动，以便调节送粉方向与激光光束的角度，达到最佳位置，获得最佳熔覆效果；
出光孔为可拆卸连接在末端结构11上的锥形孔，锥形孔大端面端的一侧还设有保护镜15，保护镜15的外圆周通过保护镜扣套16安装在末端结构11内，且经反射镜模块12的反射镜反射后的激光可通过保护镜15从出光孔照射到工件表面上，锥形孔出光孔细小，可以减少飞溅到其内部保护镜15的残渣和反光，从而提升保护镜的使用寿命，降低更换频率，且出光孔亦可使用铜质材料制作，故而具有良好的导热性能，且使末端结构11的冷却水亦可以冷却到出光孔17，防止出光孔因激光熔覆时的反光及熔覆飞溅残渣过热损坏，且保护镜15可加保护镜扣套16密封，其功能是防止飞溅物、油污、粉尘和反光等进入到末端结构(11)中直接接触到反射镜面和聚焦镜面，从而提升其寿命；
保护镜15和出光孔之间的末端结构11上还连通有一保护气管10，故而送气管经由末端结构11向出光孔17内充入熔覆工艺保护气，可使出光孔17内形成正压，降低激光熔覆时的飞溅物飞溅到出光孔17内污染保护镜16，从而延长保护镜的使用寿命。同时根据熔覆工艺需要，保护气可选择各种惰性气体，对激光熔覆熔池起保护作用，达到更好的熔覆效果；
保护气管的两侧还设有两组水冷却管9，末端结构11设有两组可与两组水冷却管9分别贯通的贯通孔，反射镜模块12内还设有一可将两组贯通孔连通的连通孔23，且末端结构、反射镜模块均使用铜质材料制作，故而此串接通道的水冷方式，只需一进一出的冷却水管即可，减少了冷却水管的数量，同时确保水冷效果，且可使内孔熔覆头在内壁熔覆中更耐高温；
末端结构11与反射镜模块12之间还设有用于密封连通孔和贯通孔的水冷密封O圈14；末端结构11的激光通道端口外与反射镜模块12之间还设有粉尘密封O圈13；
聚焦透镜组的外周通过聚焦透镜锁紧环20安装在末端结构11的激光通道内；
导光管采用TC4钛管，且本实施方式中导光管直径＜40mm，内壁厚度＜3mm，同时采用的钛管质量轻，强度高，机械性能优越，不易变形，从而避免了在内孔熔覆过程中，因内孔狭小空间内高温积热及内孔熔覆头末端装置沉重引起的导光管变形现象，因如果导光管变形，将导致激光无法正确达到预定工件，且导光管7外还螺纹连接有导光管锁紧环6，导光管锁紧环6抵靠在导光管7的一端，且可将连接在导光管7外的连接法兰5锁紧；
光纤水冷模块3和准直透镜模块4的内部均设有环形的水冷腔室；从而确保了光纤及镜片的冷却效果，防止光纤和镜片过热受损；
光纤插头1、光纤接口2、光纤水冷模块3顺次通过螺纹连接，光纤水冷模块3、准直透镜模块4、连接法兰5通过螺栓连接，连接法兰5螺纹连接在导光管7外，导光管7螺纹连接在末端结构11的激光通道内，且末端结构11与反射镜模块12之间通过螺钉相连，且光纤插头1、光纤接口2、光纤水冷模块3、准直透镜模块4、连接法兰5、导光管7、末端结构11、反射镜模块12之间的连接部位还设有可用于隔离外界和激光通道的密封圈件，故而此密封措施，可防止粉尘、油污进入内壁污染镜片表面和光纤端面，也更能适应内孔熔覆高温、大粉尘、多油污的环境，从而大大提升了其使用寿命。
本发明的工作原理是：将光纤插头、光纤接口、光纤水冷模块、准直透镜模块、连接法兰、导光管、末端结构、反射镜模块顺次组装调试好后，激光可由光纤插头传输进入准直透镜模块实现激光光学整形，进而形成平行光由导光管经末端结构内的聚焦透镜组再次进行整形，形成聚焦光斑经反射镜模块反射，从出光孔发射到需要加工的工件上；由此可知从光纤插头到出光孔完成了激光的整形功能，并在整形过程中完成水冷却，确保熔覆头装置满足各种高温工况的需求；同此装置可适用于内壁空间直径≥90mm的内壁激光熔覆，且性能较为稳定可靠。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光内孔熔覆头，其特征在于，包括顺次可拆卸连接的光纤插头(1)、光纤接口(2)、光纤水冷模块(3)、准直透镜模块(4)、连接法兰(5)、导光管(7)、末端结构(11)、反射镜模块(12)；所述光纤插头(1)和光纤接口(2)，用于对激光发生器传输激光的光纤转接与固定，且激光经准直透镜模块(4)中安装的准直透镜组后，准直成平行光传输到末端结构(11)；所述末端结构内安装有聚焦透镜组(19)，所述平行光通过聚焦透镜组(19)整形聚焦后，可经反射镜模块(12)中的反射镜反射到末端结构(11)的出光孔，且通过所述出光孔照射到工件表面；所述出光孔的一侧还设有送粉嘴模块(18)，所述送粉嘴模块(18)可拆卸连接在末端结构(11)一侧，且其上的送粉嘴(21)可朝向出光孔(17)发射激光方向上的工件表面送粉。
2.根据权利要求1所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述出光孔为可拆卸连接在所述末端结构(11)上的锥形孔，所述锥形孔大端面端的一侧还设有保护镜(15)，所述保护镜(15)的外圆周通过保护镜扣套(16)安装在所述末端结构(11)内，且经反射镜模块(12)的反射镜反射后的激光可通过保护镜(15)从出光孔照射到工件表面上。
3.根据权利要求2所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述保护镜(15)和所述出光孔之间的末端结构(11)上还连通有一保护气管(10)。
4.根据权利要求3所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述保护气管的两侧还设有两组水冷却管(9)，所述末端结构(11)设有两组可与两组水冷却管(9)分别贯通的贯通孔，所述反射镜模块(12)内还设有一可将两组贯通孔连通的连通孔。
5.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述末端结构(11)与所述反射镜模块(12之间还设有用于密封连通孔和贯通孔的水冷密封O圈(14)；所述末端结构(11)的激光通道端口外与所述反射镜模块(12)之间还设有粉尘密封O圈(13)。
6.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述反射镜模块(12)为铜质材料，且其迎光面经打磨抛光后设有镀金层。
7.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述聚焦透镜组的外周通过聚焦透镜锁紧环(20)安装在所述末端结构(11)的激光通道内。
8.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述导光管采用TC4钛管，且所述导光管(7)外还螺纹连接有导光管锁紧环(6)，所述导光管锁紧环(6)抵靠在导光管(7)的一端，且可将连接在导光管(7)外的连接法兰(5)锁紧。
9.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述光纤水冷模块(3)和准直透镜模块(4)的内部均设有环形的水冷腔室。
10.根据权利要求4所述的一种激光内孔熔覆头，其特征在于，所述光纤插头(1)、光纤接口(2)、光纤水冷模块(3)顺次通过螺纹连接，所述光纤水冷模块(3)、准直透镜模块(4)、连接法兰(5)通过螺栓连接，所述连接法兰(5)螺纹连接在导光管(7)外，所述导光管(7)螺纹连接在末端结构(11)的激光通道内，且所述末端结构(11)与反射镜模块(12)之间通过螺钉相连，且所述光纤插头(1)、光纤接口(2)、光纤水冷模块(3)、准直透镜模块(4)、连接法兰(5)、导光管(7)、末端结构(11)、反射镜模块(12)之间的连接部位还设有可用于隔离外界和激光通道的密封圈件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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