CN113737173B - 一种激光熔覆头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光熔覆头装置，属于激光表面强化技术领域。该激光熔覆头装置包括送粉器和感应器，其中：送粉筒的上方开设有入粉口，导光筒设置在送粉筒的内部，该导光筒的顶部与顶筒连接；导光筒的侧壁开设有第一进气孔，顶筒的侧壁开设有第一出气孔；感应器设置在送粉器的下方，该感应器采用圆环形结构，熔池位于圆环形的中央。本发明能够在离心力作用下实现粉末与载气分离，并使得回旋后的载气顺利排出送粉器，从而削弱载气对粉末的作用力，增加粉末利用率；同时采用圆环形感应器，克服了传统条形感应器单向熔覆的缺陷，使用更加灵活方便，适应性更强，还能够同时对待熔覆工件进行预热和后热，提高熔覆效率，预防脆性相生成。
Description
技术领域
本发明属于激光表面强化技术领域，更具体地，涉及一种激光熔覆头装置。
背景技术
铁路轨道交通高密度、重载荷以及高速度的发展趋势对钢轨的可靠性提出了更高的要求，传统依靠鱼尾板连接的有缝钢轨已经无法满足铁路发展需求，无缝钢轨的出现不仅降低了轮轨在接头处的冲击噪声，而且提升了车辆的平稳性。钢轨的无缝连接源于闪光焊、气压焊、铝热焊等焊接工艺的发展和运用。上述钢轨接头焊接工艺虽然能够提升平稳性，但是由于焊接时大量热输入导致焊缝两侧的热影响区硬度低于钢轨母材，轮轨之间的多重复杂交变载荷导致热影响区磨损相较于钢轨母材更为严重，长时间服役后则出现低接头。
激光熔覆作为一种具备速热快冷、热影响区小优势的表面强化技术，也逐渐运用于轨道交通领域，可以对出现低塌的钢轨焊接接头实施修复。由于低接头外型类似“马鞍”，不规则的表面限制了激光熔覆技术的运用，常规感应器因体积大、熔覆方向固定，无法灵活贴近待修复钢轨表面，导致多层熔覆之后容易出现缺陷；另一方面，现有激光熔覆技术多用惰性气体携带粉末进入熔池，载气气压难以控制，而且进入熔池的粉末较为分散，导致粉末利用率低成型质量不佳。同时，常规环形送粉装置的粉末利用率低，粉末反弹到熔池周围造成冗余粉末多，若采用环形感应器进行激光熔覆，由于感应器对粉末的磁性吸附作用，会因粉末壅塞而造成短路，导致激光-感应熔覆无法正常进行。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光熔覆头装置，旨在解决现有的激光熔覆头装置粉末利用率低、不能采用环形感应器进行激光-感应复合熔覆的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光熔覆头装置，该激光熔覆头装置包括送粉器和感应器，其中：
所述送粉器包括同轴设置的送粉筒、导光筒和顶筒，所述送粉筒的上方开设有入粉口，并且该入粉口与送粉筒的外圆面相切，用于将携带粉末的载气切向引入所述送粉筒；所述导光筒设置在所述送粉筒的内部，该导光筒的顶部与所述顶筒连接，用于为激光束提供入射通道；所述导光筒的侧壁开设有第一进气孔，所述顶筒的侧壁开设有第一出气孔；工作时，携带粉末的载气在送粉筒内进行旋转运动，使得粉末与载气分离，然后粉末从送粉筒的底部落入熔池，载气通过所述第一进气孔进入导光筒，并通过所述第一出气孔排出；
所述感应器设置在所述送粉器的下方，该感应器采用圆环形结构，所述熔池位于圆环形的中央，工作时利用所述感应器加热待熔覆工件。
作为进一步优选的，所述第一进气孔为斜孔，该第一进气孔的轴线与导光筒的轴线之间的夹角为135°～175°。
作为进一步优选的，所述送粉筒包括由上至下依次连接的柱形筒和锥形筒，所述锥形筒和导光筒均为上大下小的锥形体，并且所述锥形筒的最小内径大于所述导光筒的最小外径。
作为进一步优选的，所述进气孔的外侧设置有遮粉帽，用于防止粉末进入所述第一进气孔，所述遮粉帽采用回转体结构，并且该遮粉帽的帽缘最大外径小于所述柱形筒的内径，从而保证粉末具有下落空间。
作为进一步优选的，所述感应器包括铜管、导磁体和绝缘隔热垫圈，所述铜管呈圆环形分布，其内部为水冷回路；所述导磁体安装在所述铜管的外侧，用于对待熔覆工件进行加热；所述绝缘隔热垫圈设置在所述导磁体的下方，用于避免所述导磁体因过热而消磁，同时防止所述感应器短路。
作为进一步优选的，所述绝缘隔热垫圈的侧面开设有第二进气孔，其底部均匀布置有第二出气孔，各个所述第二出气孔通过线型内风道和环型内风道相互连通，工作时保护气从所述第二进气孔进入，并通过所述第二出气孔垂直于所述绝缘隔热垫圈排出，从而形成围绕所述熔池的气帘。
作为进一步优选的，所述锥形筒的底面不高于导光筒的底面。
作为进一步优选的，所述锥形筒的底面与待熔覆工件表面的距离h采用下式进行计算：
式中，D为锥形筒底孔内径，d1为光斑直径，γ为锥形筒锥角。
作为进一步优选的，所述绝缘隔热垫圈与待熔覆工件表面的距离为1mm～3mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明提供的激光熔覆头装置中入粉口与送粉筒的外圆面相切，并在导光筒和顶筒上设置有第一进气孔和第一出气孔，能够使载气携带粉末切向进入送粉筒内腔做旋转运动，在离心力作用下实现粉末与载气分离，并使得回旋后的载气顺利排出送粉器，从而削弱载气对粉末的作用力，增加光粉耦合度，确保粉末依靠重力作用从送粉器底部落入熔池，有效预防积粉并避免粉末反弹出熔池，增加粉末利用率；同时本发明采用圆环形感应器，克服了传统条形感应器单向熔覆的缺陷，使用更加灵活方便，适应性更强，适用于各种复杂环境空间的激光熔覆，并且感应器环绕熔池能够同时对待熔覆工件进行预热和后热，提高熔覆效率，后热缓冷还能预防脆性相生成；
2.尤其是，本发明提供的激光熔覆头装置中激光与通送粉器同轴设置，激光束贯穿送粉器，具有较高的集成度，通过优化送粉器内部结构以及进气孔的角度进行优化，不仅能够防止激光束悬空烧蚀粉末而导致熔池能量衰减，同时还方便回旋的载气顺利进入顶筒；
3.同时，本发明还对感应器的结构进行优化，利用贴敷在导磁体下方的绝缘隔热垫圈防止感应器短路，确保导磁体不因过热而消磁，同时通过密布于绝缘隔热垫圈底部的出气口朝下排出保护气，形成围绕熔池的气帘，预防熔池高温氧化，还能阻止未熔粉末飞溅；
4.此外，本发明通过对激光熔覆工艺参数进行优化，使送入熔池的粉末基本完全熔化，保证没有冗余粉末影响感应器工作，避免感应器因壅塞堵粉造成短路。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光熔覆头装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的激光熔覆头装置中送粉器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的激光熔覆头装置中送粉器的局部剖视图；
图4是本发明实施例提供的激光熔覆头装置中感应器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的激光熔覆头装置中绝缘隔热垫圈的仰视图；
图6是本发明实施例提供的激光熔覆头装置中绝缘隔热垫圈的内部结构示意图；
图7是本发明实施例中送粉器与待熔覆工件表面的位置示意图；
图8是本发明实施例中激光熔覆头装置不同熔覆方向的示意图，其中(a)为水平向左，(b)为水平向右，(c)为水平向前；(d)为水平向后；
图9是将本发明实施例提供的激光熔覆头装置用于钢轨接头低塌区修复的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-送粉器，1.1-柱形筒，1.2-入粉口，1.3-顶筒，1.3.1-保护镜，1.3.2-第一出气孔，1.4-锥形筒，1.5-导光筒，1.5.1-第一进气孔，1.5.2-导光筒遮粉帽，1.6-锥形筒底孔，2-感应器，2.1-导磁体，2.2-绝缘隔热垫圈，2.2.1-第二进气孔，2.2.2-线型内风道，2.2.3-环型内风道，2.2.4-第二出气孔，2.3-铜管，3-激光束，4-待熔覆工件，5-熔池，6-钢轨，6.1-钢轨接头低塌区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-6所示，本发明优选实施例提供了一种激光熔覆头装置，该激光熔覆头装置包括送粉器1和感应器2，其中：
送粉器1包括同轴设置的送粉筒、导光筒1.5和顶筒1.3，送粉筒的上方开设有入粉口1.2，用于通入携带粉末的载气，同时该送粉筒的外圆面与入粉口1.2相切，使得粉末与载气通过离心作用分离，然后通过重力作用从送粉筒的底部落入熔池5，避免了飞粉和积粉问题的发生；导光筒1.5设置在送粉筒的内部，该导光筒1.5通过顶筒1.3与外置激光器封闭式连接，从而为激光束3提供入射通道，该顶筒1.3的上方设置有保护镜1.3.1，以防止粉末进入激光器；导光筒的侧壁开设有第一进气孔1.5.1，顶筒1.3的侧壁开设有第一出气孔1.3.2，工作时，分离后的载气通过第一进气孔1.5.1进入导光筒1.5，并从第一出气孔1.3.2排出；同时第一进气孔1.5.1的外侧设置有遮粉帽1.5.2，用于防止粉末进入第一进气孔1.5.1，遮粉帽1.5.2采用回转体结构，该遮粉帽1.5.2的帽缘最大外径小于送粉筒的内径，从而保证粉末具有下落空间；
感应器2设置在送粉器1的下方，该感应器2采用圆环形结构，熔池5位于圆环形的中央，工作时利用感应器2加热待熔覆工件4表面，该感应器2包括铜管2.3、导磁体2.1和绝缘隔热垫圈2.2，铜管2.3为有一定壁厚的中空管，并且呈圆环形分布，用于与外界感应电源和水冷机连接，其内部为水冷回路；导磁体2.1以骑跨式密排、紧贴安装在铜管2.3上，开口朝下，用于对待熔覆工件4进行加热；绝缘隔热垫圈2.2为环形，通过耐高温黏胶粘贴紧固在导磁体2.1下方，用于避免导磁体2.1因过热而消磁，同时防止感应器2短路。
本发明提供的性能优良的同轴送粉激光熔覆头装置的技术优势表现在三个方面：同轴重力送粉，粉末利用率较高；中心激光加热，满足三维激光熔覆要求，使用灵活方便，适应复杂形状工件的激光熔覆；环形感应器加热提高激光熔覆效率及避免熔覆层出现脆性相。
进一步，导光筒1.5上第一进气孔1.5.1为斜孔，第一进气孔1.5.1的轴线与导光筒1.5的轴线之间夹角β的取值范围为135°＜β＜175°，从而防止激光束3悬空烧蚀粉末而导致熔池5能量衰减，同时方便回旋的载气顺利进入顶筒。
进一步，送粉筒包括柱形筒1.1和锥形筒1.4，柱形筒1.1上部封闭式贯通连接顶筒1.3，下部封闭式贯通连接锥形筒1.4；锥形筒1.4为上大下小的回转锥形体，其底部预留有底孔；并且该锥形筒1.4的最小内径D大于导光筒1.5的最小外径d，确保粉末有足够宽的缝隙进入熔池5。
进一步，如图7所示，锥形筒1.4的底面不高于导光筒1.5的底面，锥形筒底孔1.6所在平面与待熔覆工件4表面的距离h采用下式进行计算：
式中，D为锥形筒底孔内径，d1为光斑直径，γ为锥形筒锥角。
同时，绝缘隔热垫圈2.2与待熔覆工件4表面的距离h1需满足1mm≤h1≤3mm。本发明通过对送粉器、感应器与待熔覆工件表面的距离进行优化，能够确保最佳的使用效果，一方面，优化参数h确保从锥形筒壁滑落后汇聚于工件表面的粉斑正好在光斑的范围内，增加粉末利用率，提升熔覆效率，并且避免感应器因壅塞堵粉造成短路；另一方面，优化参数h1能够兼顾适用性和感应加热效率，h1太小，适用性较低，加工难度大，h1太大，则感应加热效率太低。
进一步，绝缘隔热垫圈2.2由具有良好绝缘性能和隔热性能的材料制成，从而防止感应器2短路，并确保导磁体2.1不因过热而消磁。绝缘隔热垫圈2.2的外圆面设置有多个对称分布的第二进气孔2.2.1，其底部设置有多圈第二出气孔2.2.4，并且各个第二出气孔2.2.4通过线型内风道2.2.2和环型内风道2.2.3相互连接，由此实现第二出气孔2.2.4的内部连通，预防单个出气孔堵塞导致气路中断，工作时保护气从第二进气孔2.2.1进入，并通过第二出气孔2.2.4垂直于绝缘隔热垫圈2.2排出，从而形成围绕熔池5的气帘。
如图8所示，本发明提供的感应器采用圆环形结构，熔池位于环形中央，因此可以将环形划分为两部分，根据熔覆前进的方向将前后依次分为预热区和后热区。一方面对熔覆方向没有限制，克服了传统条形感应器单向熔覆的缺陷；另一方面熔池位于感应器2中间，熔覆过程中感应器2前一半起到预热作用，后一半起到缓冷作用，预热提高熔覆效率，缓冷预防形成马氏体。
如图9所示，在本发明的优选实施例中，激光熔覆头装置中柱形筒1.1、入粉口1.2、顶筒1.3、锥形筒1.4的壁厚分别为2mm、2mm、1.6mm、1.6mm，柱形筒1.1、顶筒1.3外径分别为40mm、16mm，锥形筒1.4顶部外径为40mm，底部外径9.6mm，底部内径6.4mm，导光筒底部内径为5mm，外径6mm。顶筒1.3上的第一出气孔1.3.2有两圈，每圈由10个直径4mm的孔组成；柱形筒1.1、顶筒1.3和锥形筒1.4的长度分别为64mm、16mm、88mm。遮粉帽1.5.2外径为29.5mm，第一进气孔是直径4mm的钻头，倾斜角β＝150°，在导光筒1.5上机加工形成，且上下等间距分为3圈，每圈等距分布10个斜孔。锥形筒底孔外径D1、内径D为9.6mm、6.4mm，锥形筒锥角γ为19.6°，根据导光筒的最小外径d(6mm)得出,当导光筒底面与锥形筒底面平齐时，熔覆粉末穿过的锥形筒与导光筒间隙最小为0.2mm；当导光筒底面与锥形筒底面上方距离3mm时，间隙为1.4mm修复钢轨常用的铁基合金粉末粒径通常为几十微米，因此该环形缝隙完全可以满足粉末通过。
绝缘隔热垫圈2.2内径、外径、厚度分别为16mm、40mm、1.5mm，材质优选为陶瓷，底面的第二出气孔2.2.4直径为0.5mm，径向单排等距分布17个孔，共计100排，环形等距分布，确保最内圈的第二出气孔2.2.4不交叉。为了确保每排第二出气孔2.2.4能够串联通气，每排的第二出气孔2.2.4由宽度0.2mm，深度0.2mm的线型内风道2.2.2串联(最内圈不打穿)；另外，最外圈、中间一圈(第8圈)、最内圈均采用环形内风道(宽度0.2mm、深度0.2mm)。绝缘隔热垫圈2.2外圆面等距分布4处第二进气孔2.2.1，均与最外圈第二出气孔2.2.4相连。
利用激光熔覆头装置修复钢轨接头低塌区6.1，钢轨接头为U75V闪光焊焊接接头，钢轨6型号为60kg/m，接头低塌区的纵向长度约为160mm，垂直最大深度为3mm。进行激光熔覆时，光斑直径d1为4mm，由此计算出锥形筒底孔所在平面距离工件表面高度h约为7mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光熔覆头装置，其特征在于，该激光熔覆头装置包括送粉器(1)和感应器(2)，其中：
所述送粉器(1)包括同轴设置的送粉筒、导光筒(1.5)和顶筒(1.3)，所述送粉筒的上方开设有入粉口(1.2)，并且该入粉口(1.2)与送粉筒的外圆面相切，用于将携带粉末的载气切向引入所述送粉筒；所述导光筒(1.5)设置在所述送粉筒的内部，该导光筒(1.5)的顶部与所述顶筒(1.3)连接，用于为激光束(3)提供入射通道；所述导光筒的侧壁开设有第一进气孔(1.5.1)，所述第一进气孔(1.5.1)为斜孔，所述顶筒(1.3)的侧壁开设有第一出气孔(1.3.2)；工作时，携带粉末的载气在送粉筒内进行旋转运动，使得粉末与载气分离，然后粉末从送粉筒的底部落入熔池(5)，载气通过所述第一进气孔(1.5.1)进入导光筒(1.5)，并通过所述第一出气孔(1.3.2)排出；
所述感应器(2)设置在所述送粉器(1)的下方，该感应器(2)采用圆环形结构，所述熔池(5)位于圆环形的中央，工作时利用所述感应器(2)加热待熔覆工件(4)。
2.如权利要求1所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述第一进气孔(1.5.1)的轴线与导光筒(1.5)的轴线之间的夹角为135°～175°。
3.如权利要求1或2所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述送粉筒包括由上至下依次连接的柱形筒(1.1)和锥形筒(1.4)，所述锥形筒(1.4)和导光筒(1.5)均为上大下小的锥形体，并且所述锥形筒(1.4)的最小内径大于所述导光筒(1.5)的最小外径。
4.如权利要求3所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述进气孔的外侧设置有遮粉帽(1.5.2)，用于防止粉末进入所述第一进气孔(1.5.1)，所述遮粉帽(1.5.2)采用回转体结构，并且该遮粉帽(1.5.2)的帽缘最大外径小于所述柱形筒(1.1)的内径，从而保证粉末具有下落空间。
5.如权利要求3所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述锥形筒(1.4)的底面不高于导光筒(1.5)的底面。
6.如权利要求3所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述锥形筒(1.4)的底面与待熔覆工件(4)表面的距离h采用下式进行计算：
式中，D为锥形筒底孔内径，d1为光斑直径，γ为锥形筒锥角。
7.如权利要求4～6任一项所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述感应器(2)包括铜管(2.3)、导磁体(2.1)和绝缘隔热垫圈(2.2)，所述铜管呈圆环形分布，其内部为水冷回路；所述导磁体(2.1)安装在所述铜管(2.3)的外侧，用于对待熔覆工件(4)进行加热；所述绝缘隔热垫圈(2.2)设置在所述导磁体(2.1)的下方，用于避免所述导磁体(2.1)因过热而消磁，同时防止所述感应器(2)短路。
8.如权利要求7所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述绝缘隔热垫圈(2.2)的侧面开设有第二进气孔(2.2.1)，其底部均匀布置有第二出气孔(2.2.4)，各个所述第二出气孔(2.2.4)通过线型内风道(2.2.2)和环型内风道(2.2.3)相互连通，工作时保护气从所述第二进气孔(2.2.1)进入，并通过所述第二出气孔(2.2.4)垂直于所述绝缘隔热垫圈(2.2)排出，从而形成围绕所述熔池(5)的气帘。
9.如权利要求7所述的激光熔覆头装置，其特征在于，所述绝缘隔热垫圈(2.2)与待熔覆工件表面的距离为1mm～3mm。
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