CN112007777A - 一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置 - Google Patents

一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，包括手持式喷枪、管线和集成控制柜，所述手持式喷枪与集成控制柜通过管线连接；所述手持式喷枪包括枪体、手柄、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴、预热腔壳、热电偶、恒温腔壳、载气管和送粉管，所述激光光路系统包括分光镜、两组反射镜和两个聚光镜，所述集成控制柜包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器。本发明利用激光辐照作用能够软化粉末，降低临界速度，将激光与低压冷喷涂的同步耦合，从而提高可喷涂的材料范围、提高涂层的沉积效率。手持式喷枪和便携式集成控制柜，便于实现对失效工件表面的现场修复。

Description

一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置
技术领域
本发明涉及材料表面处理领域，更具体的说，尤其涉及一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置。
背景技术
随着工件的长期服役，工件表面磨损严重，而对这些失效部件的处理主要是新品替换旧品，容易造成资源浪费，而对失效部件进行修复，特别是对与那些不方便拆卸和搬运的大型关键部件，能够实现现场修复是非常有意义的，以修复失效部件来减少对新品的需求量，能够节约成本，具有很高的经济效应。
冷喷涂是一种新型固态涂层制备方法，利用超音速气流获得高速粒子，使其通过固态塑性变形沉积而形成涂层。这种技术可应用于金属涂层、复合涂层、非金属涂层的制备。冷喷涂又分为高压冷喷涂技术和低压冷喷涂技术，低压冷喷涂技术由于载气的预热温度较低，预热温度仅有25～500℃，压力低，压力值在0.5～1MPa之间，对基板与粉末材料的而具有以下优点：对基板与粉末材料的热影响小，可以避免喷涂粉末的氧化、分解、相变；由于低压冷喷涂设备的工作气压低，它对工况几乎无要求，整个设备噪音小于60分贝，可徒手操作，安全性高，且定向性及好，即其可操作性更好，特别适合用于现场修复。
粉末粒子的加速效果和可沉积的临界速度主要由喷涂气压和粉末温度、粉末粒径等因素决定，然而正是因为低压冷喷涂的低气压和低预热温度，导致其喷涂的材料限制于Cu、Al、Zn等较软易变形材料，且粉末粒径一般在5～20μm，此外低压冷喷涂所制备的涂层厚度薄，总而言之，传统的低压冷喷涂可喷涂的材料范围小，沉积效率低，这限制了其在工业中广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于解决传统低压冷喷涂技术存在材料范围小、沉积效率低的问题，提出了一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，通过激光辐射作用能够软化粉末，奖励临界速度，将激光与低压冷喷涂技术同步耦合，从而提高可喷涂材料的范围，提高涂层的沉积效率。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，包括手持式喷枪、管线和集成控制柜，所述手持式喷枪与集成控制柜通过管线连接；
所述手持式喷枪包括枪体、手柄、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统均通过枪体机架固定在枪体内部，所述手柄套在枪体外壁上且通过手柄上的螺钉固定在枪体外壁上；
所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴、预热腔壳、热电偶、恒温腔壳、载气管和送粉管，所述预热腔壳内部为预热腔，预热腔壳设置在恒温腔壳内部，预热腔壳和恒温腔壳之间为恒温腔，所述预热腔壳和恒温腔壳均通过枪体机架进行固定；所述恒温腔壳的前端设置有喷嘴固定座，拉瓦尔喷嘴固定在喷嘴固定座上，拉瓦尔喷嘴的入口连接所述预热腔的出口；所述预热腔壳的末端连接穿过恒温腔壳的载气管，载气管与预热腔相连通，送粉管的一端出口连接在载气管上且载气管与送粉管的连接处位于预热腔内，载气管与送粉管相连通，载气管上设置有载气管阀，送粉管上设置有送粉管阀，载气管阀和送粉阀固定在枪体尾部，所述载气管的另一端连接外接气瓶；所述热电偶为电热丝，热电偶紧密缠绕在所述预热腔壳上；
所述激光光路系统包括分光镜、两组反射镜和两个聚光镜，所述分光镜固定在枪体内的尾部，分光镜接收激光器发射出的激光光束并将其分成两束激光光束射出；所述反射镜固定在枪体内部，每组反射镜将分光镜分出的一条激光光束反射到对应一侧的聚光镜上；两个聚光镜对称设置在枪体头部，每个聚光镜将相应一侧的反射镜反射出的激光光线聚焦到拉瓦尔喷嘴前端的加工位置上；
所述控制系统包括固定在枪体尾部的控制器和位于手柄上的开关按钮，所述开关按钮通过外接信号电缆连接控制器，所述控制器通过线路连接送粉管阀、载气管阀和激光器；
所述集成控制柜包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器；送粉器通过送粉管连接低压冷喷涂系统的预热腔，激光器通过光纤与激光光路系统的分光镜连接，低压冷喷涂控制器通过信号电缆与冷低压喷涂系统的预热腔和热电偶连接；所述送粉管、光纤和信号电缆均集成在管线内。
进一步的，所述拉瓦尔喷嘴的入口处设置有外接螺纹，所述预热腔的出口处设置有内接螺纹，拉瓦尔喷嘴和预热腔通过外接螺纹与内接螺纹的配合进行螺纹连接。拉瓦尔喷嘴和预热腔通过螺纹连接便于拉瓦尔喷嘴的拆卸更换。
进一步的，所述拉瓦尔喷嘴的出口形状为矩形、椭圆形或圆形。
热电偶的电热丝紧密缠绕在预热腔壳的表面上，电热丝一圈一圈的缠绕在整个预热腔壳上，能够对预热腔进行均匀加热。
进一步的，所述恒温腔壳通过枪体机架固定在所述枪体的中心位置。预热腔连通热电偶一并防止在恒温腔壳内，可以使热电偶加热产生的热量不会像环境中扩散，降低了整体的能源消耗，提高加热的效率。
进一步的，所述恒温腔壳的前端与预热腔壳通过密封圈密封连接，所述恒温腔壳的后端与载气管通过密封圈密封连接。
进一步的，所述送粉管和载气管从枪体尾部进入，载气管进入枪体后分成两路，然后汇聚于恒温腔壳的尾部，载气管穿过恒温腔壳并与送粉管一起连接在预热腔壳尾部。
进一步的，所述载气管在进入枪体后分成的两路在汇聚前包覆在恒温腔壳外围并围绕在激光光路系统两侧。载气管分成两路包覆在恒温腔壳外围主要对枪体起到冷却作用。
进一步的，每组反射镜均设置有奇数个，相邻两个反射镜等间距设置，其中每第奇数个反射镜均设置在枪体内壁上，每偶数个反射镜设置在保温腔壳的外壁上，分光镜分出的激光光束依次经过每组反射镜的每个反射镜的反射后照射到对应侧的聚光镜上。反射镜的数量可以是1.3.5.7个或更多，实际选择数量根据枪体的长度和分光镜分出的激光光束的角度来确定，需要保证激光光束能够照射到聚光镜上；一般最优选择五个反射镜即可满足绝大部分的情况。通过调节多个反射镜之间的相互位置可以实现传输和控制从分光镜发出的激光光束。
进一步的，两个聚光镜均活动固定在枪体头部，每个聚光镜均连接一个设置在枪体外部的外部旋钮，通过调节外部旋钮调节聚光镜的位置，从而调节射出的激光光束与拉瓦尔喷嘴之间的夹角。最高可实现20°至50°范围的调整。
进一步的，所述开关按钮设置有0档、1档和2档三个档位，开关按钮未工作时默认0档，只要轻松按压开关按钮即可开启1档，此时控制器控制载气管阀开通；在1档情况下继续按压开关按钮即可开启2档，此时控制器控制送粉管阀和激光器开通，手持式喷枪开始工作；释放开关按钮即可回到0档，手持式喷枪停止工作，送粉管阀和激光器关闭，载气管阀在释放开关按钮后60s内关闭。载气管阀在喷枪停止工作后继续通气60s是为了对枪体进行冷却。
进一步的，所述激光器为500w的光纤激光器，激光功率范围可以在0-500w之间调整。
进一步的，所述线管内集成有送粉管、激光光纤和低压冷喷涂控制信号电缆。
进一步的，所述外接气瓶内载气类型为氮气、氦气或压缩空气。
本发明的有益效果在于：。
附图说明
图1是本发明一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置的整体结构示意图；
图2是本发明手持式喷枪内部结构剖视视图。
图3是本发明手持式喷枪工作时的激光光路示意图。
图4是本发明手持式喷枪局部剖视的正面视图。
图5是本发明在喷涂过程中开关按钮关闭状态示意图。
图6是本发明在喷涂过程中开关按钮轻压状态示意图。
图7是本发明在喷涂过程中开关按钮重压状态示意图。
图8是本发明一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置在喷涂水平表面时的喷涂过程示意图。
图9是本发明一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置在喷涂拐角位置时的喷涂过程示意图。
图10是本发明图4中A的局部放大图。
图中，1-手持式喷枪、2-管线、3-集成控制柜、4-拉瓦尔喷嘴、5-聚光镜、6-预热腔、7-预热腔壳、8-热电偶、9-反射镜、10-枪体、11-恒温腔、12-恒温腔壳、13-分光镜、14-控制器、15-载气管、16-送粉管、17-激光光束、18-外部旋钮、19-螺钉、20-开关按钮、21-手柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～10所示，一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，包括手持式喷枪1、管线2、和集成控制柜3；所述手持式喷枪1与集成控制柜3通过管线2连接。
所述手持式喷枪(1)包括枪体(10)、手柄(21)、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统均通过枪体机架固定在枪体(10)内部，所述手柄(21)套在枪体(10)外壁上且通过手柄(21)上的螺钉(19)固定在枪体(10)外壁上。
所述集成控制柜(3)包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器；送粉器通过送粉管(16)连接低压冷喷涂系统的预热腔(6)，激光器通过光纤与激光光路系统的分光镜(13)连接，低压冷喷涂控制器通过信号电缆与冷低压喷涂系统的预热腔(6)和热电偶(8)连接；所述送粉管(16)、光纤和信号电缆均集成在管线(2)内。
所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴(4)、预热腔壳(7)、热电偶(8)、恒温腔壳(12)、载气管(15)和送粉管(16)，所述预热腔壳(7)内部为预热腔(6)，预热腔壳(7)设置在恒温腔壳(12)内部，预热腔壳(7)和恒温腔壳(12)之间为恒温腔(11)，所述预热腔壳(7)和恒温腔壳(12)均通过枪体机架进行固定；所述恒温腔壳(12)的前端设置有喷嘴固定座，拉瓦尔喷嘴(4)固定在喷嘴固定座上，拉瓦尔喷嘴(4)的入口连接所述预热腔(6)的出口；所述预热腔壳(7)的末端连接穿过恒温腔壳(12)的载气管(15)，载气管(15)与预热腔(6)相连通，送粉管(16)的一端出口连接在载气管(15)上且载气管(15)与送粉管(16)的连接处位于预热腔(6)内，载气管(15)与送粉管(16)相连通，载气管(15)上设置有载气管阀，送粉管(16)上设置有送粉管阀，载气管阀和送粉阀固定在枪体(10)尾部，所述载气管(15)的另一端连接外接气瓶；所述载气管的外接气瓶的载气类型为氮气、氦气或压缩空气。所述所述热电偶(8)为电热丝，热电偶(8)紧密缠绕在所述预热腔壳(7)上。
所述激光光路系统包括分光镜(13)、两组反射镜(9)和两个聚光镜(5)，所述分光镜(13)固定在枪体(10)内的尾部，分光镜(13)接收激光器发射出的激光光束(17)并将其分成两束激光光束(17)射出；所述反射镜(9)固定在枪体(10)内部，每组反射镜(9)将分光镜(13)分出的一条激光光束(17)反射到对应一侧的聚光镜(5)上；两个聚光镜(5)对称设置在枪体(10)头部，每个聚光镜(5)将相应一侧的反射镜(9)反射出的激光光线聚焦到拉瓦尔喷嘴(4)前端的加工位置上。
所述控制系统包括固定在枪体(10)尾部的控制器(14)和位于手柄(21)上的开关按钮(20)，所述开关按钮(20)通过外接信号电缆连接控制器(14)，所述控制器(14)通过线路连接送粉管阀、载气管阀和激光器；
所述拉瓦尔喷嘴4用于实现粉末粒子加速，喷嘴的入口外接螺纹与预热腔6出口内接螺纹进行螺纹连接，便于拆卸更换，喷嘴出口形状可以为矩形、椭圆形、圆形。所述拉瓦尔喷嘴(4)的入口处设置有外接螺纹，所述预热腔(6)的出口处设置有内接螺纹，拉瓦尔喷嘴(4)和预热腔(6)通过外接螺纹与内接螺纹的配合进行螺纹连接。
所述恒温腔壳(12)通过枪体机架固定在所述枪体(10)的中心位置。所述恒温腔壳(12)的前端与预热腔壳(7)通过密封圈密封连接，所述恒温腔壳(12)的后端与载气管(15)通过密封圈密封连接。
所述送粉管(16)和载气管(15)从枪体(10)尾部进入，载气管(15)进入枪体(10)后分成两路，然后汇聚于恒温腔壳(12)的尾部，载气管(15)穿过恒温腔壳(12)并与送粉管(16)一起连接在预热腔壳(7)尾部。
所述载气管(15)在进入枪体(10)后分成的两路在汇聚前包覆在恒温腔壳(12)外围并围绕在激光光路系统两侧。每组反射镜(9)均设置有奇数个，相邻两个反射镜(9)等间距设置，其中每第奇数个反射镜(9)均设置在枪体(10)内壁上，每偶数个反射镜(9)设置在保温腔壳的外壁上，分光镜(13)分出的激光光束(17)依次经过每组反射镜(9)的每个反射镜(9)的反射后照射到对应侧的聚光镜(5)上。
两个聚光镜(5)均活动固定在枪体(10)头部，每个聚光镜(5)均连接一个设置在枪体(10)外部的外部旋钮(18)，通过调节外部旋钮(18)调节聚光镜(5)的位置，从而调节射出的激光光束(17)与拉瓦尔喷嘴(4)之间的夹角。
所述开关按钮(20)设置有0档、1档和2档三个档位，开关按钮(20)未工作时默认0档，只要轻松按压开关按钮(20)即可开启1档，此时控制器(14)控制载气管阀开通；在1档情况下继续按压开关按钮(20)即可开启2档，此时控制器(14)控制送粉管阀和激光器开通，手持式喷枪(1)开始工作；释放开关按钮(20)即可回到0档，手持式喷枪(1)停止工作，送粉管阀和激光器关闭，载气管阀在释放开关按钮(20)后60s内关闭。
所述激光器为500w的光纤激光器，激光功率范围可以在0-500w之间调整。
所述低压冷喷涂控制器用于设定预热腔6内预热温度，预热温度范围为25～500℃。
所述管线2包括送粉管，激光光纤和低压冷喷涂控制信号电缆。
在不包括手柄的情况下所述手持式喷枪枪体10部分的长款尺寸不超过450mm×80mm，重量不超过2kg。
运行时，具体包括如下步骤:(1)在集成控制柜3设置好喷涂预热温度、激光功率、送粉率；(2)将外接气瓶与载气管15连接，载气类型为氮气；(3)将手握喷枪将拉瓦尔喷嘴4中心线垂直对需要修复的工件表面，调整两束激光光束17，使其与拉瓦尔喷嘴4中心线成20°夹角。(4)如图5、图6和图7所示，将开关按钮20开到1档，载气管阀打开，喷枪开始通气，等预热腔6内温度稳定在500°左右，开关按钮20开到2档，喷枪送粉阀和激光器打开；(5)如图8、图9所示，手握喷枪移动能够在不同形状的工件表面形成涂层。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：包括手持式喷枪(1)、管线(2)和集成控制柜(3)，所述手持式喷枪(1)与集成控制柜(3)通过管线(2)连接；
所述手持式喷枪(1)包括枪体(10)、手柄(21)、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统均通过枪体机架固定在枪体(10)内部，所述手柄(21)套在枪体(10)外壁上且通过手柄(21)上的螺钉(19)固定在枪体(10)外壁上；
所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴(4)、预热腔壳(7)、热电偶(8)、恒温腔壳(12)、载气管(15)和送粉管(16)，所述预热腔壳(7)内部为预热腔(6)，预热腔壳(7)设置在恒温腔壳(12)内部，预热腔壳(7)和恒温腔壳(12)之间为恒温腔(11)，所述预热腔壳(7)和恒温腔壳(12)均通过枪体机架进行固定；所述恒温腔壳(12)的前端设置有喷嘴固定座，拉瓦尔喷嘴(4)固定在喷嘴固定座上，拉瓦尔喷嘴(4)的入口连接所述预热腔(6)的出口；所述预热腔壳(7)的末端连接穿过恒温腔壳(12)的载气管(15)，载气管(15)与预热腔(6)相连通，送粉管(16)的一端出口连接在载气管(15)上且载气管(15)与送粉管(16)的连接处位于预热腔(6)内，载气管(15)与送粉管(16)相连通，载气管(15)上设置有载气管阀，送粉管(16)上设置有送粉管阀，载气管阀和送粉阀固定在枪体(10)尾部，所述载气管(15)的另一端连接外接气瓶；所述热电偶(8)为电热丝，热电偶(8)紧密缠绕在所述预热腔壳(7)上；
所述激光光路系统包括分光镜(13)、两组反射镜(9)和两个聚光镜(5)，所述分光镜(13)固定在枪体(10)内的尾部，分光镜(13)接收激光器发射出的激光光束(17)并将其分成两束激光光束(17)射出；所述反射镜(9)固定在枪体(10)内部，每组反射镜(9)将分光镜(13)分出的一条激光光束(17)反射到对应一侧的聚光镜(5)上；两个聚光镜(5)对称设置在枪体(10)头部，每个聚光镜(5)将相应一侧的反射镜(9)反射出的激光光线聚焦到拉瓦尔喷嘴(4)前端的加工位置上；
所述控制系统包括固定在枪体(10)尾部的控制器(14)和位于手柄(21)上的开关按钮(20)，所述开关按钮(20)通过外接信号电缆连接控制器(14)，所述控制器(14)通过线路连接送粉管阀、载气管阀和激光器；
所述集成控制柜(3)包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器；送粉器通过送粉管(16)连接低压冷喷涂系统的预热腔(6)，激光器通过光纤与激光光路系统的分光镜(13)连接，低压冷喷涂控制器通过信号电缆与冷低压喷涂系统的预热腔(6)和热电偶(8)连接；所述送粉管(16)、光纤和信号电缆均集成在管线(2)内。
2.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(4)的入口处设置有外接螺纹，所述预热腔(6)的出口处设置有内接螺纹，拉瓦尔喷嘴(4)和预热腔(6)通过外接螺纹与内接螺纹的配合进行螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述恒温腔壳(12)通过枪体机架固定在所述枪体(10)的中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述恒温腔壳(12)的前端与预热腔壳(7)通过密封圈密封连接，所述恒温腔壳(12)的后端与载气管(15)通过密封圈密封连接。
5.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述送粉管(16)和载气管(15)从枪体(10)尾部进入，载气管(15)进入枪体(10)后分成两路，然后汇聚于恒温腔壳(12)的尾部，载气管(15)穿过恒温腔壳(12)并与送粉管(16)一起连接在预热腔壳(7)尾部。
6.根据权利要求5所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述载气管(15)在进入枪体(10)后分成的两路在汇聚前包覆在恒温腔壳(12)外围并围绕在激光光路系统两侧。
7.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：每组反射镜(9)均设置有奇数个，相邻两个反射镜(9)等间距设置，其中每第奇数个反射镜(9)均设置在枪体(10)内壁上，每偶数个反射镜(9)设置在保温腔壳的外壁上，分光镜(13)分出的激光光束(17)依次经过每组反射镜(9)的每个反射镜(9)的反射后照射到对应侧的聚光镜(5)上。
8.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：两个聚光镜(5)均活动固定在枪体(10)头部，每个聚光镜(5)均连接一个设置在枪体(10)外部的外部旋钮(18)，通过调节外部旋钮(18)调节聚光镜(5)的位置，从而调节射出的激光光束(17)与拉瓦尔喷嘴(4)之间的夹角。
9.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述开关按钮(20)设置有0档、1档和2档三个档位，开关按钮(20)未工作时默认0档，只要轻松按压开关按钮(20)即可开启1档，此时控制器(14)控制载气管阀开通；在1档情况下继续按压开关按钮(20)即可开启2档，此时控制器(14)控制送粉管阀和激光器开通，手持式喷枪(1)开始工作；释放开关按钮(20)即可回到0档，手持式喷枪(1)停止工作，送粉管阀和激光器关闭，载气管阀在释放开关按钮(20)后60s内关闭。
10.根据权利要求1所述的一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，其特征在于：所述激光器为500w的光纤激光器，激光功率范围可以在0-500w之间调整。
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