CN112064013B - 一种同步矩形光斑送粉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步矩形光斑送粉装置，该装置包括：第一部件、第二部件、第三部件以及第四部件；第一部件位于第二部件的上端，与激光发生器的延长段相连；第二部件用于形成矩形光斑激光，并将矩形光斑激光传送至基体表面的沉积位置；第三部件用于隔离第二部件和所述第四部件；第四部件用于将粉末从矩形光斑激光的两侧传送至沉积位置。通过本发明的装置，可使两束粉末流在基体之上形成良好汇聚，也可使得粉末交汇与激光形成良好耦合，促使激光的大部分能量被粉末吸收，减少激光向基体的热输入，进一步实现了高速熔覆。

Description

一种同步矩形光斑送粉装置

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种同步矩形光斑送粉装置。

背景技术

表面覆层是一种表面改性与修复的重要方法，该方法是指：在不改变基体性质的前提下，通过覆层材料对构件进行改性，使其耐磨性、耐蚀性得以增强。其中，实现表面覆层的常用手段，是采用激光对覆层材料进行熔覆。

目前，所使用的激光大多以圆光斑为主，其热量集中，所需要的激光器功率较小；但是，圆光斑的激光由于光斑面积较小，已经不适用于体积更大的构件制造或面积更大的表面修复的工程中。而矩形光斑由于其光斑面积也大于圆光斑的面积，较圆光斑激光而言，更适用于体积更大的构件制造或面积更大的表面修复的工程中；并且，其单向上的长度也远高于圆光斑，在表面覆层或基体增材上将大幅提高加工速度和生产效率。

但是，由于在矩形光斑激光的应用过程中，存在粉末与激光耦合难度大的问题，使得矩形光斑激光的适用范围受限。

发明内容

本发明提供一种同步矩形光斑送粉装置，以解决上述的在矩形光斑激光的应用过程中，存在粉末与激光耦合难度大的问题，扩大矩形光斑激光的使用范围。

本发明提供了一种同步矩形光斑送粉装置，所述同步矩形光斑送粉装置包括：第一部件、第二部件、第三部件以及第四部件；

所述第一部件位于所述第二部件的上端，与激光发生器的延长段相连，用于连接所述激光发生器；

所述第二部件包括第一斜侧面和第二斜侧面，用于形成矩形光斑激光，并将所述矩形光斑激光传送至基体表面的沉积位置；

所述第三部件包括第一子部件和第二子部件，用于隔离所述第二部件和所述第四部件；所述第一子部件覆盖所述第一斜侧面的外表面，所述第二子部件覆盖所述第二斜侧面的外表面；

所述第四部件包括第三子部件和第四子部件，用于将粉末从所述矩形光斑激光的两侧传送至所述沉积位置；所述第三子部件覆盖所述第一子部件的外表面，所述第四子部件覆盖所述第二子部件的外表面；

所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件均呈由上到下的收束结构；

所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件的收束角的角度相同；所述收束角的角度与所述矩形光斑的横向宽度相对应，以使所述矩形光斑激光与所述粉末同步到达所述沉积位置。

优选地，所述第一部件包括：第一连接体和第二连接体；所述第一连接体在所述第二连接体的上端；

所述第一连接体包括激光腔室、弧形曲面结构以及定位螺纹；所述激光腔室用于传送激光；所述弧形曲面结构用于减少激光在所述激光腔室内部的反射；所述定位螺纹用于将所述第一部件与所述激光发生器的延长段连接；

所述第二连接体包含冷却水流入通道和冷却水流出通道；所述冷却水流入通道用于导入冷却水；所述冷却水流出通道用于导出冷却水；

所述第二连接体包括第一定位沉孔、第二定位沉孔、第三定位沉孔以及第四定位沉孔；所述第一定位沉孔、第二定位沉孔、第三定位沉孔以及第四定位沉孔，用于将所述第一部件固定在所述第二部件上。

优选地，所述第二连接体包括第一倾斜侧面和第二倾斜侧面，所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面相对，所述冷却水流入通道位于所述第一倾斜侧面上，所述冷却水流出通道位于所述第二倾斜侧面上；

所述冷却水流入通道与水平方向的夹角的大小，与所述冷却水流出通道与水平方向形成的夹角的大小相同，均呈30°～45°。

优选地，所述第二部件包括：矩形激光腔室、冷却水流道、保护气通入孔道；

所述矩形激光腔室用于将所述激光收束成所述矩形光斑激光，并将所述矩形光斑激光传送至所述沉积位置；

所述冷却水流道用于降低所述同步矩形光斑送粉装置的温度；

所述保护气通入孔道与所述矩形激光腔室连通，用于将保护气通入所述矩形激光腔室。

优选地，所述冷却水流道包括：上表面冷却水流道、粉末腔室冷却水流道、第一连接性流道以及第二连接性流道；

所述上表面冷却水流道为围绕所述矩形激光腔室入口的闭合型流道，用于冷却所述第一部件和所述第二部件；

所述粉末腔室冷却水流道，分布于所述第一斜侧面和第二斜侧面；

所述第一连接性流道与所述冷却水流入通道连通，用于将所述冷却水从所述冷却水流入通道分别导入所述上表面冷却水流道和所述粉末腔室冷却水流道；

所述第二连接性流道与所述冷却水流出通道连通，用于将所述上表面冷却水流道和所述粉末腔室中的所述冷却水导进所述冷却水流出通道；

其中，所述第二部件还包括密封圈；

所述密封圈位于所述上表面冷却水流道周围，用于密封所述第一部件与所述第二部件的连接位置。

优选地，所述第二部件还包括定位螺孔，所述定位螺孔的位置，根据所述粉末腔室冷却水流道的分布位置和使所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件紧密相连的力学角度确定。

优选地，所述粉末腔室冷却水流道包含多个上下互相平行的横向流道，相邻两个所述横向流道之间的间距，由所述横向流道与所述矩形激光腔室的距离确定；所述相邻两个所述横向流道之间的间距，由上之下逐渐变大。

优选地，所述第三子部件和所述第四子部件包括相同结构的粉末流道；

所述粉末流道用于将粉末输送至所述沉积位置，和控制粉末的输出速度，使粉末与所述矩形光斑激光同步达到所述沉积位置。

优选地，所述粉末流道从粉末送入到粉末送出，依次包括：粉末送入流道、铲型流道、粉末送出流道；

所述粉末送入流道用于将粉末送入铲形流道中；所述粉末送入流道与所述铲形流道形成夹角，所述夹角的大小根据粉末的流出速度确定；

所述铲型流道用于传输粉末和防止粉末在输送过程中局部聚集；所述铲形流道与所述第三部件之间形成夹角，所述夹角的大小由粉末流入的速度和粉末流出的速度确定；

所述粉末送出流道用于收束由所述铲形流道输出的粉末的方向；所述粉末送出流道与所述第三部件平行，所述粉末送出流道的长度根据所述矩形光斑激光器的横向宽度确定；所述粉末送出流道与所述第三部件之间的间距，根据所述矩形光斑的横向宽度和所述收束角的大小确定。

优选地，所述同步矩形光斑送粉装置，还包括密封垫圈，所述密封垫圈位于所述第四部件与所述第三部件之间，用于增加所述同步矩形光斑送粉装置的气密性和防止所述粉末流道中的粉末发散。

本发明实施例所提供的同步矩形光斑送粉装置，包括：第一部件、第二部件、第三部件以及第四部件；第一部件位于第二部件的上端，与激光发生器的延长段相连；第二部件用于形成矩形光斑激光，并将矩形光斑激光传送至基体表面的沉积位置；第三部件用于隔离第二部件和所述第四部件；第四部件用于将粉末从矩形光斑激光的两侧传送至沉积位置。本发明的装置相对于现有技术，具有以下优点：

首先，由于第二部件、第三部件以及第四部件具有相同的收束角，使两束粉末流在基体之上形成良好汇聚；其次，由于本发明的装置的收束角与矩形光斑的横向宽度相对应，实现了粉末流与激光可以同步耦合，使得本发明的装置可用于多种尺度的构件制造，也可用于面积更大的表面改性与修复工作，同时，该同步耦合也促使了激光的大部分能量被粉末吸收，减少激光向基体的热输入，进一步实现了高速熔覆，更大幅度地提高了加工速度和生产效率。

附图说明

图1示出了本发明实施例中的同步矩形光斑送粉装置的整体结构的示意图；

图2示出了本发明实施例中的第一部件(1)的整体结构的示意图；

图3示出了本发明实施例中的具体实施中的第一部件(1)的剖面图；

图4示出了本发明实施例中的第二部件(2)的整体结构的示意图；

图5示出了本发明实施例中的具体实施中的第二部件(2)的剖面图；

图6示出了本发明实施例中的第三部件(3)的整体结构的示意图；

图7示出了本发明实施例中的第四部件(4)的整体结构的示意图；

图8示出了本发明实施例中的粉末送出流道(45)与第三部件(3)之间形成的平行流道的局部放大图；

图9示出了本发明的同步矩形光斑激光送粉装置的剖面图；

图10示出了本发明实施例1中的铁基合金粉末形貌；

图11示出的是实施例1中通过本发明的同步矩形光斑送粉装置进行表面覆层后的铁基覆层形貌图；

图12示出的是实施例1中通过现有技术中的单侧送粉头进行表面覆层后的铁基覆层形貌图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

增材制造是一种以粉末或者线材为原料的“自下而上”通过材料累加的制造方法，其采用激光作为一种高密度热源对原料和基体进行快速升温从而准确的按照计算机指定的路线制备构件。其中，表面覆层也属于增材制造中的一种。

目前在激光增材的领域中，主要采用圆光斑进行制备，但是由于圆光斑的面积较小，限制了加工效率与成型速度。本领域技术人员试图采用有效面积更大的矩形光斑，代替圆光斑，但是在实际应用过程中，发现同步矩形光斑送粉装置输出的矩形光斑激光与粉末流并不能很好地耦合，因而，在本领域中，主要采用铺粉的方式进行矩形光斑激光增材，这种方式既利用了矩形光斑激光热源面积大的特点同时避免了送粉带来的粉末与激光耦合难度大的问题，但这种方式受限于工艺方法，在表面覆层制备与修复上有着较大不足。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的技术构思为：基于本发明提供的同步矩形光斑送粉装置的结构，通过本发明的同步矩形光斑送粉装置中的对矩形光斑的横向宽度、粉末流的出口速度以及收束角的大小进行统一调控，实现粉末流与矩形光斑激光束的良好耦合。本发明中的耦合是指：粉末被气体输送形成粉末流，粉末流与激光光束会在几何上和热力学上形成相互作用，几何上的交叉会造成激光光束热量对粉末流产生加热至粒子熔化。粉末流与激光光束在几何上的交叉和热力学上的加热与熔化被认为是粉末流与激光光束两者的耦合。

基于本发明的技术构思，本发明提供一种同步矩形光斑送粉装置，如图1所示，该同步矩形光斑送粉装置包括：第一部件(1)、第二部件(2)、第三部件(3)以及第四部件(4)；第一部件(1)位于第二部件的上端，与激光发生器的延长段相连，用于连接所述激光发生器；第二部件(2)用于形成矩形光斑激光，并将所述矩形光斑激光传送至基体表面的沉积位置，其包括左右两个大小相同的斜侧面，分别为第一斜侧面和第二斜侧面；第三部件位于第二部件(2)和第四部件(4)之间，用于隔离第二部件(2)和第四部件(4)，第三部件(3)包括第一子部件和第二子部件，第一子部件覆盖第一斜侧面的外表面，第二子部件覆盖第二斜侧面的外表面；第四部件(4)用于将粉末从矩形光斑激光的两侧传送至沉积位置；第四部件(4)包括第三子部件和第四子部件，第三子部件覆盖第一子部件的外表面，第四子部件覆盖第二子部件的外表面。

如图1所示，第二部件(2)、第三部件(3)以及第四部件(4)均呈由上到下的收束结构，且第二部件(2)、第三部件(3)以及第四部件(4)的收束角的角度相同，该收束角的角度与矩形光斑的横向宽度相对应，以使矩形光斑激光与粉末同步到达沉积位置。

本发明的装置相对于现有技术，具有以下优点：首先，由于第二部件、第三部件以及第四部件具有相同的收束角，使两束粉末流在基体之上形成良好汇聚；其次，由于本发明的装置的收束角与矩形光斑的横向宽度相对应，实现了粉末流与激光可以同步耦合，使得本发明的装置可用于多种尺度的构件制造，也可用于面积更大的表面改性与修复工作，同时，该同步耦合也促使了激光的大部分能量被粉末吸收，减少激光向基体的热输入，进一步实现了高速熔覆，更大幅度地提高了加工速度和生产效率。

图2示出了本发明实施例中的第一部件(1)的整体结构的示意图，图3示出了本发明实施例中的具体实施中的第一部件(1)的剖面图。如图2和图3所示，第一部件(1)包括：第一连接体和第二连接体，第一连接体在第二连接体的上端。

第一连接体包括激光腔室(11)、弧形曲面结构(12)以及定位螺纹(13)。激光腔室(11)(使激光通过的腔室)用于传送激光，其位置由定位螺纹(13)调整。弧形曲面结构(12)用于减少激光在激光腔室内部的反射，进而降低因激光反射而造成的同步矩形光斑送粉装置的温度的升高速度。因为，激光在平面或镜面结构中会产生较严重的激光反射，反射较多会使同步矩形光斑送粉装置的温度升高；因而，本发明采用弧形曲面结构，通过弧形曲面结构，减少激光的反射，进而防止同步矩形光斑送粉装置的温度升高。定位螺纹(13)用于将第一部件(1)与激光发生器的延长段连接，本发明中的定位螺纹，采用细牙螺纹结构，以增加同步矩形光斑送粉装置的气密性。

第二连接体包含冷却水流入通道(16)、冷却水流出通道(15)、第一定位沉孔(14-1)、第二定位沉孔(14-2)、第三定位沉孔(14-3)以及第四定位沉孔(14-4)。冷却水流入通道(16)用于导入冷却水，冷却水流出通道(15)用于导出冷却水；冷却水流入通道(16)和冷却水流出通道(15)分别位于第一部件(1)的两侧。第一定位沉孔(14-1)、第二定位沉孔(14-2)、第三定位沉孔(14-3)以及第四定位沉孔(14-4)，用于将第一部件(1)固定在所述第二部件(2)上。

具体实施时，优选地，第二连接体包括第一倾斜侧面和第二倾斜侧面，第一倾斜侧面和第二倾斜侧面相对，冷却水流入通道(16)位于第一倾斜侧面上，冷却水流出通道(15)位于第二倾斜侧面上。并且，冷却水流入通道(16)与水平方向的夹角的大小，与冷却水流出通道(15)与水平方向形成的夹角的大小相同，均呈30°～45°。

本实施例中，将冷却水流入通道(16)和冷却水流出通道(15)置于倾斜侧面台上，是为了减小注水接头所占体积。其中，将冷却水流入通道(16)与水平方向的夹角的大小，与冷却水流出通道(15)与水平方向形成的夹角的大小，设置为30°～45°是为了使得冷却水在冷却水流道内部以最有利的形式进行流动以及循环。需要说明的是，在具体的实施过程中，该夹角的大小可以根据冷却水的注入流量确定。

图4示出了本发明实施例中的第二部件(2)的整体结构的示意图，图5示出了本发明实施例中的具体实施中的第二部件(2)的剖面图。如图4和图5所示，第二部件(2)包括：矩形激光腔室(21)、冷却水流道、保护气通入孔道(29)以及4个定位螺孔(23)。第二部件(2)通过4个定位螺孔(23)与第一部件(1)的4个定位沉孔(14-1、14-2、14-3、14-4)中的螺丝连接，使得第一部件(1)和第二部件(2)连接，实现矩形激光腔室(21)与(11)相通，且矩形光斑方向一致。

其中，矩形激光腔室用于将激光收束成矩形光斑激光，并将矩形光斑激光传送至沉积位置；冷却水流道用于降低同步矩形光斑送粉装置的温度；保护气通入孔道与矩形激光腔室连通，用于将保护气通入矩形激光腔室。

具体实施时，优选地，如图4和图5所示，冷却水流道包括：上表面冷却水流道(21)、粉末腔室冷却水流道(27)、第一连接性流道(24-1)以及第二连接性流道(24-2)。

上表面冷却水流道(21)为围绕矩形激光腔室入口的闭合型流道，用于冷却第一部件(1)和第二部件(2)。粉末腔室冷却水流道(27)用于冷却第二部件(2)和第三部件(3)，粉末腔室冷却水流道(27)分布于第一斜侧面和第二斜侧面，其中，由通孔(28)将第一斜侧面和第二斜侧面的粉末腔室冷却水流道(27)连通。

第一连接性流道(24-1)通过孔道(25)与冷却水流入通道(16)连通，用于将冷却水从冷却水流入通道(16)分别导入上表面冷却水流道(22)和粉末腔室冷却水流道(27)。第二连接性流道(24-2)通过孔道(25)与冷却水流出通道(15)连通，用于将上表面冷却水流道(22)和粉末腔室冷却水流道(27)中的冷却水导进冷却水流出通道(15)。

本实施例中，为了冷却水流动的连续性，第一连接性流道(24-1)和第二连接性流道(24-2)分别与水平方向形成45°～60°的夹角

具体实施时，第二部件(2)还包括密封圈，该密封圈位于上表面冷却水流道(22)周围，用于密封第一部件(1)与第二部件(2)的连接位置，其作用是保证第一部件(1)和第二部件(2)相连时密封。

具体实施时，第二部件(2)还包括8个定位螺孔(26)，定位螺孔(26)的位置，根据粉末腔室冷却水流道(27)的分布位置和使第二部件(2)、第三部件(3)以及第四部件(4)紧密相连的力学角度确定。

本实施例中，在第二部件(2)的第一倾斜侧面和第二倾斜侧面上，共分布由8个定位螺孔(26)，用于使第二部件(2)与第三部件(3)和第四部件(4)连接，这8个定位螺孔(26)的分布位置，需要在保证远离粉末腔室冷却水流道(27)的同时，保证力学上使第二部件(2)、第三部件(3)和第四部件(4)紧密相连。

具体实施时，如图4所示，粉末腔室冷却水流道(27)包含多个上下互相平行的横向流道，相邻两个横向流道之间的间距，由横向流道与矩形激光腔室的距离确定，根据本发明的同步矩形光斑送粉装置的结构特征(由上到下逐渐收束的结构)，相邻两个横向流道之间的间距，由上之下逐渐变大。

本实施例中，由于本发明的第四部件呈收束结构，基于有效冷却和经济的角度出发，本发明将粉末腔室冷却水流道(27)的排布设置成非均匀性排布，达到经济、高效的冷却的目的。具体实施时，由于本申请中，收束角的大小为25°～27°，因此，根据粉末腔室与矩形激光腔室(21)的距离以及第二部件在不同位置的厚度不同，粉末腔室冷却水流道(27)中相邻两个横向流道之间的间距的变化率可以为10％至15％。在本发明中，第二部件的截面呈梯形，底部粉末腔室与矩形激光腔室(21)之间距离较近，由于材料体积较小，在此处的激光热量积聚会小于上部距离较远材料体积较大的位置，所以冷却水流道距离可以较宽。

图6示出了本发明实施例中的第三部件(3)的整体结构的示意图，如图6所示，第三部件(3)由两个相同的子部件(第一子部件和第二子部件)组成，每个子部件上设有4个螺孔(31)。

由于第三部件(3)是隔离粉末腔室冷却水流道(27)与送粉流道(43)的部件，因而，本发明中，第三部件(3)通过8个螺孔(31)与分布于第二部件(2)两斜侧面的8个定位螺孔(26)进行固定，并且第二部件(2)与第三部件(3)的向内倾斜的角度(即本发明中所述的收束角)相同，具体的，该收束角的大小可以为25°～27°。

本实施例中，在第三部件(3)与第二部件(2)紧密接触的表面，设有密封圈(32)，该密封圈(32)的作用是防止冷却水渗漏。

图7示出了本发明实施例中的第四部件(4)的整体结构的示意图，如图7所示，第四部件(4)由两个结构相同的子部件组成(第三子部件和第四子部件)，以第三子部件为例，该子部件的具体结构进行说明。

如图7所示，第三子部件包括粉末流道40和定位螺孔(42)。粉末流道(40)用于将粉末输送至沉积位置和控制粉末的输出速度，使粉末流与矩形光斑激光同步达到基体的沉积位置。本发明的第四部件(4)，通过8个定位螺孔与第三部件(3)中的8个螺孔(31)以及第二部件(2)中的8个定位螺孔(26)，与第三部件(3)和第二部件(2)紧密相连。

具体实施时，如图7所示，粉末流道40从粉末送入到粉末送出，依次包括：粉末送入流道(41)、铲型流道(43)、粉末送出流道(45)。粉末送入流道(41)用于将粉末送入铲形流道(43)中；所述粉末送入流道(41)与铲形流道(43)形成夹角，为了使粉末流与矩形光斑激光耦合，该夹角的大小根据粉末流在粉末送出流道(45)出口的流出速度确定。铲型流道(43)为带有一定倾斜角度的平台，具体的，铲型流道(43)的倾斜角度可以在107°到110°之间；铲型流道(43)用于传输粉末和防止粉末在输送过程中局部聚集；铲形流道(43)与第三部件(3)之间形成夹角，夹角的大小由粉末流入的速度和粉末流出的速度确定。粉末送出流道(45)用于收束由铲形流道(43)输出的粉末流的方向；如图8所示，粉末送出流道(45)与第三部件(3)平行，形成了平行的流道，是为了使粉末流与矩形光斑激光耦合，粉末送出流道(45)的长度根据矩形光斑激光器的横向宽度确定，并且第三子部件的粉末送出流道(45)和第四子部件的粉末送出流道(45)，形成的收束角的大小与第四部件(4)的收束角大小相等。粉末送出流道(45)与第三部件(3)之间的间距，根据矩形光斑的横向宽度、收束角的大小确定。

本实施例中，粉末经过第四部件(4)的粉末流道(40)的内部时，基于粉末送入流道(41)、铲型流道(43)、粉末送出流道(45)的结构特点，粉末会在粉末流道(40)的内部发生碰撞，进行减速，通过对粉末送入流道(41)、铲型流道(43)、粉末送出流道(45)的结构的设置，使得在粉末送出流道(45)的出口速度，与本申请的同步矩形光斑送粉装置的收束角的大小相匹配，以实现粉末与矩形光斑激光束的良好耦合。

本实施例中，铲型流道(43)与粉末送出流道(45)相结合，实现粉末的减速和使粉末以同一方向和同一速度从粉末送出流道(45)的出口均匀离开同步矩形光斑送粉装置，并与矩形光斑激光束的耦合。

如图7所示，本发明的同步矩形光斑送粉装置，还包括密封垫圈(44)，密封垫圈(44)位于第四部件(4)与第三部件(3)之间，用于增加同步矩形光斑送粉装置的气密性和防止粉末流道中的粉末发散。

具体实施时，由于激光在离开送粉装置照射在基体与覆层之上时，会产生强烈的激光反射，对该送粉装置的产生二次加热，因而，为了减少激光在加工工件(即，基体与覆层)上的反射，本发明的同步矩形光斑激光送粉装置，在该装置头部的两边切削加工形成切角，以减轻因激光反射带来的二次加热。图9示出了本发明的同步矩形光斑激光送粉装置的剖面图，如图9所示，本发明提供的同步矩形光斑激光送粉装置，由第一部件(1)、第二部件(2)第三部件(3)以及第四部件(4)，这4个部件组成，通过定位螺栓与密封胶圈固定与密封，其中粉末流道与冷却水流道经过模拟计算与试验设计，以使粉末流与激光束很好地耦合；并且，如图9中两处标圆圈的部位所示，该送粉装置在第四部件(4)的外部几何结构经过切削加工，呈现出有一定切角的斜面，该斜面可减少激光在加工基体和覆层上的反射，降低对送粉头的温升效果。在具体实施时，第三部件(3)的外部几何结构也可以经过切削加工形成切角，以使进一步地减轻因激光反射带来的二次加热。

本发明提供的同步矩形光斑送粉装置，为闭合双向送粉装置，由于该装置中的水冷设计(冷却水流道的分布)，实现了对送粉装置整体结构的良好冷却，使得矩形激光送粉装置可以长时间工作，解决了现有技术中的矩形光斑激光送粉装置的几何构造，难以在受激光辐射最严重的和基体反射最严重的部位实现足够的冷却保护的问题。并且，在具体实施时，本发明的同步矩形光斑送粉装置，可以针对线速度高于200mm/s的表面加工，具有更广的应用范围。下面通过实施例1以说明本发明提供的同步矩形光斑送粉装置可以针对线速度高于200mm/s的表面加工，并且加工效果良好。

实施例1

采用自制铁基合金粉末进行防腐涂层制备，铁基合金粉末成分如下表1所示，铁基合金粉末形貌的SEM照片如图10所示。本实施例旨在修复液压杆表面损伤，所需覆层厚度为50-100μm，然后，分别采用单侧送粉头与本发明的同步矩形光斑送粉装置进行表面覆层制备，工艺参数如下表2所示，覆层后所得的覆层宏观图像分别如图11和图12所示，其中，图11示出的是通过本发明的同步矩形光斑送粉装置进行表面覆层后的铁基覆层形貌图，图12示出的是通过现有技术中的单侧送粉头进行表面覆层后的铁基覆层形貌图。

表1.铁基粉末成分

表2.工艺参数与效果

	激光功率	熔覆速度	送粉率	粉末利用率	覆层厚度
						单侧送粉头	4000W	17mm/s	46.5g/min	60％-65％	>500μm
本发明	4000W	200mm/s	16.5g/min	65％-79％	<200μm

通过表2、图11和图12可知，传统单侧送粉头熔覆覆层厚度大，需要二次精磨，且熔覆速率较低；而采用本发明的同步矩形光斑送粉装置可以针对线速度高于200mm/s的表面加工，在降低单次覆层厚度的同时提高熔覆速度。

实际中，常规圆光斑受制于光斑面积较小的原因，其熔化区域小、单道成型面积小，进而限制了成型速度与效率，因此，常规的圆光斑激光增材制造成型效率较低。本发明的矩形光斑激光，在保证能量密度的前提下拥有更大的横向宽度，增加了单道成型宽度，大幅提高了成型效率与速度；并且，本发明的同步矩形光斑送粉装置，通过第三部件(3)和第四部件(4)的外部切角结构，和第二部件(2)上的特殊冷却流道的设计，实现了同步矩形光斑激光器送粉装置的长时间高效工作的目的。

实际中，矩形光斑激光主要采用铺粉增材的方式，而该方式因受制于矩形光斑激光与粉末流的交汇难度问题，在实际中过程中，不仅存在工艺难度较大的问题，同时难以进行表面修复与再制造等工艺。本发明的同步矩形光斑激光器送粉装置，通过本发明提供的四个部件(部件(1)、(2)、(3)、(4))的组合，实现了粉末流与激光的同步耦合，可适用于多种尺度上的构件制备，和进行表面改性与修复工作。

其中，由于粉末被气体输送形成粉末流，粉末流与激光光束会在几何上和热力学上形成相互作用，几何上的交叉会造成激光光束热量对粉末流产生加热至粒子熔化，因而，本发明中的同步耦合是指：粉末流与激光光束在几何上的交叉和热力学上的加热与熔化，同时实现、共同约束，进而达到粉末流与激光光束两者之间同步耦合的目的。而现有技术中存在的几何交叉与热力学交互可以剥离、可以分别调整角度调整几何交叉或加热作用的情况，而本发明将几何交叉与热力学交互进行共同约束，避免了该情况的进行。

本发明提供的同步矩形光斑送粉装置，通过轴对称的部件(2)、(3)、(4)所构成的轴对称的粉末流道和冷却水流道，使两束粉末流形成良好汇聚，在基体之上形成交汇，使得粉末流交汇与激光形成良好耦合，并且使得大部分激光能量被粉末吸收，减少了基体上的热输入，进一步实现高速熔覆。并且，本发明提供的同步矩形光斑送粉装置，由部件(2)、(3)、(4)构成了闭合式同步送粉构造，通过在第二部件(2)中部加入保护气，对覆层表面质量的调控起到优化作用。

本发明提供的同步矩形光斑送粉装置，可以应用于激光增材制造和表面覆层的制备，其中，由于本发明的同步矩形光斑送粉装置，在充分利用了矩形光斑更大热源面积的优点的同时，由于粉末流与激光的同步耦合性，使本发明的同步矩形光斑送粉装置更适合薄覆层以及表面修复工艺的实施。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。

以上对本发明所提供的一种同步矩形光斑送粉装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述同步矩形光斑送粉装置包括：第一部件、第二部件、第三部件以及第四部件；

所述第一部件位于所述第二部件的上端，与激光发生器的延长段相连，用于连接所述激光发生器；

所述第二部件包括第一斜侧面和第二斜侧面，用于形成矩形光斑激光，并将所述矩形光斑激光传送至基体表面的沉积位置；

所述第三部件包括第一子部件和第二子部件，用于隔离所述第二部件和所述第四部件；所述第一子部件覆盖所述第一斜侧面的外表面，所述第二子部件覆盖所述第二斜侧面的外表面；

所述第四部件包括第三子部件和第四子部件，用于将粉末从所述矩形光斑激光的两侧传送至所述沉积位置；所述第三子部件覆盖所述第一子部件的外表面，所述第四子部件覆盖所述第二子部件的外表面；

所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件均呈由上到下的收束结构；

所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件的收束角的角度相同；所述收束角的角度与所述矩形光斑的横向宽度相对应，以使所述矩形光斑激光与所述粉末同步到达所述沉积位置；

其中，所述第一部件的两侧分别设有冷却水流入通道和冷却水流出通道；所述第二部件包括：矩形激光腔室、冷却水流道和保护气通入孔道，

所述冷却水流道包括：上表面冷却水流道、粉末腔室冷却水流道、第一连接性流道以及第二连接性流道；所述上表面冷却水流道为围绕所述矩形激光腔室入口的闭合型流道，用于冷却所述第一部件和所述第二部件；所述粉末腔室冷却水流道，分布于所述第一斜侧面和第二斜侧面；所述第一连接性流道与所述冷却水流入通道连通，用于将所述冷却水从所述冷却水流入通道分别导入所述上表面冷却水流道和所述粉末腔室冷却水流道；所述第二连接性流道与所述冷却水流出通道连通，用于将所述上表面冷却水流道和所述粉末腔室中的所述冷却水导进所述冷却水流出通道。

2.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述第一部件包括：第一连接体和第二连接体；所述第一连接体在所述第二连接体的上端；

所述第一连接体包括激光腔室、弧形曲面结构以及定位螺纹；所述激光腔室用于传送激光；所述弧形曲面结构用于减少激光在所述激光腔室内部的反射；所述定位螺纹用于将所述第一部件与所述激光发生器的延长段连接；

所述第二连接体包含所述冷却水流入通道和所述冷却水流出通道；所述冷却水流入通道用于导入冷却水；所述冷却水流出通道用于导出冷却水；

所述第二连接体包括第一定位沉孔、第二定位沉孔、第三定位沉孔以及第四定位沉孔；所述第一定位沉孔、第二定位沉孔、第三定位沉孔以及第四定位沉孔，用于将所述第一部件固定在所述第二部件上。

3.根据权利要求2所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述第二连接体包括第一倾斜侧面和第二倾斜侧面，所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面相对，所述冷却水流入通道位于所述第一倾斜侧面上，所述冷却水流出通道位于所述第二倾斜侧面上；

所述冷却水流入通道与水平方向的夹角的大小，与所述冷却水流出通道与水平方向形成的夹角的大小相同，均呈30°～45°。

4.根据权利要求2所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，

所述矩形激光腔室用于将所述激光收束成所述矩形光斑激光，并将所述矩形光斑激光传送至所述沉积位置；

所述冷却水流道用于降低所述同步矩形光斑送粉装置的温度；

所述保护气通入孔道与所述矩形激光腔室连通，用于将保护气通入所述矩形激光腔室。

5.根据权利要求4所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述第二部件还包括密封圈；

所述密封圈位于所述上表面冷却水流道周围，用于密封所述第一部件与所述第二部件的连接位置。

6.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述第二部件还包括定位螺孔，所述定位螺孔的位置，根据所述粉末腔室冷却水流道的分布位置和使所述第二部件、所述第三部件以及所述第四部件紧密相连的力学角度确定。

7.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述粉末腔室冷却水流道包含多个上下互相平行的横向流道，相邻两个所述横向流道之间的间距，由所述横向流道与所述矩形激光腔室的距离确定；所述相邻两个所述横向流道之间的间距，由上之下逐渐变大。

8.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述第三子部件和所述第四子部件包括相同结构的粉末流道；

所述粉末流道用于将粉末输送至所述沉积位置，和控制粉末的输出速度，使粉末与所述矩形光斑激光同步达到所述沉积位置。

9.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述粉末流道从粉末送入到粉末送出，依次包括：粉末送入流道、铲型流道、粉末送出流道；

所述粉末送入流道用于将粉末送入铲形流道中；所述粉末送入流道与所述铲形流道形成夹角，所述夹角的大小根据粉末的流出速度确定；

所述铲型流道用于传输粉末和防止粉末在输送过程中局部聚集；所述铲形流道与所述第三部件之间形成夹角，所述夹角的大小由粉末流入的速度和粉末流出的速度确定；

所述粉末送出流道用于收束由所述铲形流道输出的粉末的方向；所述粉末送出流道与所述第三部件平行，所述粉末送出流道的长度根据所述矩形光斑激光器的横向宽度确定；所述粉末送出流道与所述第三部件之间的间距，根据所述矩形光斑的横向宽度确定。

10.根据权利要求1所述的同步矩形光斑送粉装置，其特征在于，所述同步矩形光斑送粉装置，还包括密封垫圈，所述密封垫圈位于所述第四部件与所述第三部件之间，用于增加所述同步矩形光斑送粉装置的气密性和防止所述粉末流道中的粉末发散。

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