CN113481504B - 一种可旋转内孔激光熔覆装置 - Google Patents

一种可旋转内孔激光熔覆装置 Download PDF

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Abstract

一种可旋转内孔激光熔覆装置，包括激光整形系统，旋转密封系统，熔覆枪体系统，动力系统和安装固定系统；激光整形系统下端与旋转密封系统相连接，旋转密封系统实现在旋转状态下，枪体系统所需的水冷、保护气和粉末的供给。本发明解决了传统内孔激光熔覆枪头不能旋转的问题，提高内孔激光熔覆技术的适用性。

Description

一种可旋转内孔激光熔覆装置
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种可旋转内孔激光熔覆装置。
背景技术
激光熔覆技术是一种新兴的增材加工技术。激光熔覆是以聚焦激光束为热源，熔融预制的粉床或汇聚的粉末颗粒流后，使其在基体表面冷却凝固，形成与预期外形一致的堆积体的增材加工技术。激光熔覆可以实现工件表面耐磨、耐腐蚀等保护性覆层的制备，也可以进行金属、陶瓷材料的3D打印。内孔激光熔覆是区别于常规的平面激光熔覆加工的极具创新性的熔覆工艺，是针对于圆筒形零件、腔体类零件的一种新型的激光熔覆技术，具有广泛的应用前景。
现有的内孔激光熔覆设备的技术瓶颈在于，加工内孔工件时，必须使被加工工件回绕孔心轴旋转，限制了内孔熔覆工艺的灵活性与适用范围。中国专利CN204825050U公开了一种内孔用激光熔覆头，通过旋转夹持机构，使得带有内孔的工件回转运动，可以对内孔表面进行激光熔覆。然而，通过旋转工件进行内孔激光熔覆是有工程局限性的。首先，对于质量与体积巨大的大型复杂内孔构件，使其实现高速的回转运动是相当困难的，甚至无法准确、稳定地将其夹持在回转车床上；其次，由于多数内孔工件的质心与内孔中心不重合，高速旋转时有强烈的离心作用导致内孔偏心，使喷嘴与内表面距离产生波动，而为了避免偏心，则需要降低工件转速，这会限制加工效率；另外，通过内孔激光熔覆对大型管网的管道内部进行修复时，管道往往已被焊接，无法转动，因此不能通过传统的内孔激光熔覆工艺进行修复，这使得内孔激光熔覆技术的应用受限。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提出一种可旋转内孔激光熔覆装置，解决了传统内孔激光熔覆枪头不能旋转的问题，提高内孔激光熔覆技术的适用性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可旋转内孔激光熔覆装置，包括激光整形系统1，旋转密封系统2，熔覆枪体系统3，动力系统4和安装固定系统5；
激光整形系统1下端与旋转密封系统2相连接，旋转密封系统2实现在旋转状态下，枪体系统3所需的水冷、保护气和粉末的供给。
所述激光整形系统1包括激光光纤1.1，激光光纤1.1通过QBH接头1.2与镜片组1.3相连，镜片组1.3将光纤1.1发出的高斯光束整形为准直光束，并沿着枪体轴线方向传播。
所述旋转密封系统2包括旋转密封接头护罩2.7，旋转密封接头护罩2.7通过法兰连接镜片组1.3，旋转密封接头护罩2.7内部通过固定螺丝连接旋转密封接头2.1的定子2.1.1，定子2.1.1内部为转子2.1.2，所述转子2.1.2底部与过渡腔体模块2.4通过螺丝连接，过渡腔体模块2.4外侧均布的过渡腔体流道接口2.5与转子流道接口2.2相连接，而过渡腔体模块2.4的内部流道与延长筒节3.1的内部流道相通。
所述动力系统4使转子2.1.2与枪体系统3进行超过300rpm的高速旋转。
所述定子2.1.1与转子2.1.2之间有4个独立流道，分别为水冷入口、水冷出口、保护气入口和粉末入口；所有流道均在转子2.1.2外表面，在转子2.1.2内部设置一个内径大于准直激光外径的通孔，作为准直激光通路。
所述熔覆枪体系统3包括延长筒节3.1，延长筒节3.1通过螺丝以止扣的方式连接过渡腔体模块2.4，延长筒节3.1末端安装反射镜3.4，送粉喷嘴3.2设置于枪体系统3前端，保证激光束与粉末束流同轴，配重块3.3设置于送粉喷嘴3.2对侧，起到平衡旋转中心的作用。
所述熔覆枪体系统3包括聚焦光束3.5，聚焦光束3.5经过聚焦镜片3.9后发生汇聚，通过平面反射镜3.4反射后，其焦点汇聚在粉末流3.8的粉末焦点附近，使粉末束流3.8熔化，将粉末颗粒熔覆在所加工工件内表面上。
所述延长筒节3.1轴心与准直光束3.5轴心重合，确保枪体旋转过程中，激光焦点与粉末焦点的相对位置不变。
所述动力系统4包括伺服电机4.1，伺服电机4.1通过控制器控制，伺服电机4.1的输出扭矩通过减速器4.2调整，减速器4.2通过联轴器4.3与主动同步轮4.4相连，主动同步轮4.4通过同步皮带4.5将伺服电机4.1提供的转矩输出在通孔旋转密封接头2.1的转子2.1.2上，从而带动枪体系统3进行旋转。
所述安装固定系统5包括上支板5.1、中支板5.2、下支板5.3和背板5.4，上支板5.1、中支板5.2、下支板5.3由激光整形系统1一侧依次向枪体系统3分布，均通过螺丝安装在背板5.4上，通过销钉定位，背板5.4通过法兰与机械手等负载运动装置连接。
所述上支板5.1设置在皮带轮上方，与激光整形系统1、定子2.1.1、旋转接头保护外罩2.7、减速器4.2与联轴器4.3刚性连接，起到固定激光整形系统1、旋转密封系统2与动力系统4的作用，是安装固定系统5中主要的受力部件，中支板5.2与下支板5.3设置在皮带轮下方，分别固定有轴承a 2.3与轴承b 2.6，起到稳定旋转中心的作用。
所述通孔旋转密封接头2.1的定子2.1.1套在转子2.1.2外侧，定子2.1.1的外表面和转子2.1.2的内表面设有互相对齐的环形接收槽，通过动密封圈2.1.3保证各流道的旋转密封，定子2.1.1中的流动介质通过流道进入环形接收槽，并通过转子流道接口2.2流出。流道至少应包括水冷入水流道、水冷出水流道、粉末流道及保护气流道等四种。水冷流道所承受最高压力应大于4bar，粉末流与保护气流道所承受最高压力应大于10bar，以确保充分的水冷效果与送粉流畅性。动密封圈2.1.3应做耐磨处理，一方面可以避免转子2.1.2在高速旋转时对动密封圈2.1.3的磨损，另一方面可以避免硬质颗粒对送粉流道密封性的破坏。
本发明的有益效果：
1.实现了可旋转内孔激光熔覆技术，可以熔覆难以旋转的工件内壁，扩大内孔激光熔覆技术的适用范围，具有广阔的市场应用前景。原理样机已通过实验验证，在不锈钢、铝合金等筒节内壁上制备了耐磨、防腐等各种具有实际应用价值的激光熔覆层；
2.将旋转密封接头应用在流道密封设计上，实现了内孔枪体的可旋转。解决了传统内孔激光熔覆枪在强行旋转熔覆时的光纤扭转与流道缠绕问题。同时最大程度的简化了枪体结构，避免复杂的旋转流道设计带来的枪体尺寸过大问题；3.双轴承的设计可以准确固定旋转中心，配重块则可以保证枪体的质心与旋转中心重合，解决了枪体旋转时的抖动问题，从而避免了运行过程中由于激光焦点与粉末焦点的相对位置偏移导致的熔覆工艺不稳定。
附图说明
图1为本发明的可旋转内孔激光熔覆装置正面示意图。
图2为本发明的可旋转内孔激光熔覆装置背面示意图。
图3为本发明的通孔旋转接头纵截面示意图。
图4为本发明的枪体系统纵截面示意图。
附图标记为：
1激光整形系统包括：1.1-光纤，1.2-QBH接头，1.3-镜片组；
2旋转密封系统包括：2.1-通孔旋转密封接头，2.2-转子流道接口，2.3-轴承a，2.4-过渡腔体模块，2.5-过渡腔体流道接口，2.6-轴承b，2.7-旋转密封接头保护外罩。其中，2.1-通孔旋转密封接头包括2.1.1定子和2.1.2转子；
3熔覆枪体系统包括：3.1-延长筒节，3.2-送粉喷嘴，3.3-配重块，3.4-反射镜，3.5-准直光束，3.6-聚焦光束，3.7-反射光束，3.8-粉末流，3.9-聚焦镜片；
4动力系统包括：4.1-伺服电机，4.2-减速器，4.3-联轴器，4.4-主动同步轮，4.5-同步皮带，4.6-从动同步轮；
5安装固定系统包括：5.1-上支板，5.2-中支板，5.3-下支板，5.4-背板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示：一种可旋转的内孔激光熔覆装置和方法，包括激光整形系统1，旋转密封系统2，熔覆枪体系统3，动力系统4和安装固定系统5。
进一步的，如图1所示，激光光纤1.1通过QBH接头1.2与镜片组1.3相连，镜片组1.3可将光纤1.1发出的高斯光束整形为准直光束，并沿着枪体轴线方向传播。激光整形系统1下端与旋转密封系统2相连接，旋转密封系统2可以实现在旋转状态下，枪体系统3所需的水冷、保护气和粉末的供给。
进一步的，如图1所示，镜片组1.3与旋转密封接头护罩2.7通过法兰连接，旋转密封接头护罩2.7内部通过固定螺丝连接旋转密封接头定子2.1.1，旋转密封接头护罩2.7一方面起到保护通孔旋转密封接头2.1不受粉尘污染的作用，另一方面可以固定定子2.1.1。通孔旋转密封接头2.1中心有通光孔，可保证准直光束无障碍的向枪体系统3传播。旋转密封系统2的定子2.1.1与转子2.1.2之间有4个独立流道，分别为水冷入口、水冷出口、保护气入口和粉末入口，流道间有动密封圈阻隔。特别的，粉末流道密封圈采用耐磨处理，避免硬质颗粒对送粉流道密封性的破坏。转子2.1.2与过渡腔体模块2.4通过螺丝连接，过渡腔体模块2.4起到流道过渡的作用，过渡腔体模块2.4外侧均布的过渡腔体流道接口2.5与转子流道接口2.2相连接，而过渡腔体模块2.4的内部流道与延长筒节3.1的内部流道相通。
进一步的，如图1所示，过渡腔体模块2.4与枪体系统3的延长筒节3.1通过螺丝以止扣的方式连接。延长筒节3.1起到导光和增加工作距离的作用，可以按内孔工件的实际深度调整延长筒节3.1的实际长度。延长筒节3.1末端安装反射镜3.4，改变准直光束路径的同时，还可使激光光束聚焦在送粉喷嘴3.2中心的前端，以确保激光可以作用在粉末流上。送粉喷嘴3.2为同轴送粉的结构，可以实现粉末预熔化的超高速激光熔覆工艺。配重块3.3起到平衡旋转中心的作用，通过调整配重块3.3的位置与质量，避免枪体系统在高速旋转时，由于旋转中心与质心不重合导致的枪体弯曲与抖动。
进一步的，准直光束轴心与延长筒节3.1的轴心应重合，以保证准直光束准确射在反射镜中心，避免在枪体系统旋转时，聚焦光斑和粉末焦点的相对位置发生波动，影响熔覆效果。
进一步的，如图1所示，动力系统4使转子2.1.2与枪体系统3可以进行高速旋转。伺服电机4.1通过控制器控制，可以调整转速。减速器4.2可以提高伺服电机4.1的输出扭矩，减速器4.2通过联轴器4.3与主动同步轮4.4相连，主动同步轮4.4通过同步皮带4.5，将伺服电机4.1提供的转矩输出在通孔旋转密封接头2.1的转子2.1.2上，从而带动枪体系统3进行旋转。
进一步的，如图1所示，所述动力系统4中的伺服电机4.1在其他实施例中，也可替换为普通马达、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、无刷直流电机或旋转气缸，不限于伺服电机驱动的方式；在其他实施例中，也可使用摩擦带传动、齿轮传动、齿条传动或螺杆传动等传动方式，不限于同步皮带传动方式。
进一步的，如图1所示，所述反射镜3.4在其他实施例中，也可使用单一的抛物面反射镜，或者聚焦镜片与抛物面反射镜组合的方式，实现准直光束的反射与汇聚，不限于平面镜反射的光束整形方式。
进一步的，如图1所示，所述送粉喷嘴3.2在其他实施例中，也可使用单侧、双侧或多针式送粉方式，不限于同轴送粉方式。
进一步的，如图2所示，安装固定系统5包括上支板5.1，中支板5.2，下支板5.3和背板5.4。上支板5.1，中支板5.2，下支板5.3由激光整形系统1一侧依次向枪体系统3分布，均通过螺丝安装在背板5.4上，通过销钉定位，背板5.4通过法兰与机械手等负载运动装置连接。其中，中支板5.2与下支板5.3上配合有轴承a 2.3与轴承b2.6，需保证中支板5.2与下支板5.3的平行度及通孔的对中度，才可确保枪体系统3在旋转过程中的同轴度与稳定性。

Claims (9)

1.一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，包括激光整形系统(1)，旋转密封系统(2)，熔覆枪体系统(3)，动力系统(4)和安装固定系统(5)；
激光整形系统(1)下端与旋转密封系统(2)相连接，旋转密封系统(2)实现在旋转状态下，枪体系统(3)所需的水冷、保护气和粉末的供给，动力系统(4)为枪体系统(3)提供动力；
所述旋转密封系统(2)包括旋转密封接头护罩(2.7)，旋转密封接头护罩(2.7)通过法兰连接镜片组(1.3)，旋转密封接头护罩(2.7)内部通过固定螺丝连接旋转密封接头(2.1)的定子(2.1.1)，定子(2.1.1)内部为转子(2.1.2)，所述转子(2.1.2)底部与过渡腔体模块(2.4)通过螺丝连接，过渡腔体模块(2.4)外侧均布的过渡腔体流道接口(2.5)与转子流道接口(2.2)相连接，而过渡腔体模块(2.4)的内部流道与延长筒节(3.1)的内部流道相通。
2.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述激光整形系统(1)包括激光光纤(1.1)，激光光纤(1.1)通过QBH接头(1.2)与镜片组(1.3)相连，镜片组(1.3)将光纤(1.1)发出的高斯光束整形为准直光束，并沿着枪体轴线方向传播。
3.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述定子(2.1.1)与转子(2.1.2)之间有4个独立流道，分别为水冷入口、水冷出口、保护气入口和粉末入口；所有流道均在转子(2.1.2)外表面，在转子(2.1.2)内部设置一个内径大于准直激光外径的通孔，作为准直激光通路。
4.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述旋转密封接头(2.1)的定子(2.1.1)套在转子(2.1.2)外侧，定子(2.1.1)的外表面和转子(2.1.2)的内表面设有互相对齐的环形接收槽，通过动密封圈(2.1.3)保证各流道的旋转密封，定子(2.1.1)中的流动介质通过流道进入环形接收槽，并通过转子流道接口(2.2)流出，所述流道至少应包括水冷入水流道、水冷出水流道、粉末流道及保护气流道四种；水冷流道所承受最高压力应大于4bar，粉末流道与保护气流道所承受最高压力应大于10bar。
5.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述动力系统(4)使转子(2.1.2)与枪体系统(3)进行超过300rpm的高速旋转。
6.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述熔覆枪体系统(3)包括延长筒节(3.1)，延长筒节(3.1)通过螺丝以止扣的方式连接过渡腔体模块(2.4)，延长筒节(3.1)末端安装反射镜(3.4)，送粉喷嘴(3.2)设置于枪体系统(3)前端，保证激光束与粉末束流同轴，配重块(3.3)设置于送粉喷嘴(3.2)对侧，起到平衡旋转中心的作用；
所述熔覆枪体系统(3)包括准直光束(3.5)，准直光束(3.5)经过聚焦镜片(3.9)后发生汇聚，通过平面反射镜(3.4)反射后，其焦点汇聚在粉末流(3.8)的粉末焦点附近，使粉末束流(3.8)熔化，将粉末颗粒熔覆在所加工工件内表面上；
所述延长筒节(3.1)轴心与准直光束(3.5)轴心重合，确保枪体旋转过程中，激光焦点与粉末焦点的相对位置不变。
7.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述动力系统(4)包括伺服电机(4.1)，伺服电机(4.1)通过控制器控制，伺服电机(4.1)的输出扭矩通过减速器(4.2)调整，减速器(4.2)通过联轴器(4.3)与主动同步轮(4.4)相连，主动同步轮(4.4)通过同步皮带(4.5)将伺服电机(4.1)提供的转矩输出在旋转密封接头(2.1)的转子(2.1.2)上，从而带动枪体系统(3)进行旋转。
8.根据权利要求1所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述安装固定系统(5)包括上支板(5.1)、中支板(5.2)、下支板(5.3)和背板(5.4)，上支板(5.1)、中支板(5.2)、下支板(5.3)由激光整形系统(1)一侧依次向枪体系统(3)分布，均通过螺丝安装在背板(5.4)上，通过销钉定位，背板(5.4)通过法兰与机械手负载运动装置连接。
9.根据权利要求8所述的一种可旋转内孔激光熔覆装置，其特征在于，所述上支板(5.1)设置在皮带轮上方，与激光整形系统(1)、定子(2.1.1)、旋转密封接头护罩(2.7)、减速器(4.2)与联轴器(4.3)刚性连接，起到固定激光整形系统(1)、旋转密封系统(2)与动力系统(4)的作用，是安装固定系统(5)中主要的受力部件，中支板(5.2)与下支板(5.3)设置在皮带轮下方，分别固定有轴承a(2.3)与轴承b(2.6)，起到稳定旋转中心的作用。
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