CN114107978A - 适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，包括：激光光学模块，用于获得聚焦的激光束；反射镜模块，安装在所述激光光学模块的出光端，用于改变激光束的光路方向；所述反射镜模块的沿着改变后的光路方向设置有抽屉式保护镜组件，所述抽屉式保护镜组件设置有可插入/抽拉更换的保护镜；喷嘴转接模块，安装在所述抽屉式保护镜组件的下方；以及同轴送粉喷嘴，与所述喷嘴转接模块固定；延长板，一端固定安装在转接模块的外部，另一端的方向上设置有用于与机器人连接法兰适配连接的多组安装孔。本发明可有效避免烟尘对光学系统的损害，以及快速便利地更换受损的保护镜。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言涉及一种适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头。
背景技术
在石油及化工领域，管道类零件在内部流体的腐蚀冲刷下，内壁很容易损坏。随着增材制造技术的兴起，从传统的报废到修复方向发展，现有技术中开始尝试通过激光熔覆的方式对管道零件的内壁表面进行修复或者增强强化，利用高能密度的激光束，将金属粉末与基体表面一起熔凝，从而在基材表面形成高性能的合金涂层，改善基体表面的耐磨、耐蚀性。
在管道零件做激光熔覆时，四周的产生的烟尘由于零件结构限制，积聚在熔覆头四周，从而会对光学系统造成污染，造成激光熔覆头的损坏。而且，通常对管道内孔进行激光熔覆的激光熔覆头在零件长度改变时，不能灵活调整熔覆头长度。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够实现管道类零件及狭小空间的内壁激光熔覆，并具有良好的密封结构，可以有效避免烟尘对光学系统的损害的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头。
在一些实施中，还提供一种可根据零件长度的不同，灵活调整熔覆头长度，以适应不同的熔覆深度的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，适用于管道零件内表面激光熔覆加工，包括激光制造与再造，在加工不同熔覆深度的零件内壁时，不需要反复拆装熔覆头和送粉喷嘴。
根据本发明的第一方面，提出一种同轴送粉激光熔覆头，包括：
激光光学模块，用于获得聚焦的激光束；
反射镜模块，安装在所述激光光学模块的出光端，所述反射镜模块内设置有成45°安装的反射镜，反射镜的反射镜面朝向激光束，用于改变激光束的光路方向；所述反射镜模块的沿着改变后的光路方向设置有抽屉式保护镜组件，所述抽屉式保护镜组件设置有可插入/抽拉更换的保护镜；
喷嘴转接模块，安装在所述抽屉式保护镜组件的下方；以及
同轴送粉喷嘴，与所述喷嘴转接模块固定。
优选地，所述同轴送粉喷嘴的上方设置有防飞溅板，在一些实施例中，防飞溅板通过其中间的孔套在同轴送粉喷嘴的上部。
优选地，所述喷嘴转接模块的上端设置有密封槽，对所述抽屉式保护镜组件的下端进行密封。
优选地，所述喷嘴转接模块的内部设置有水冷通道，并设有进出水孔。
优选地，所述反射镜模块的入光端和出光端均安装有固定式保护镜片。
优选地，所述反射镜模块内部带有进气孔及排气孔，保护气由进气孔进入内腔，再由排气孔进入到喷嘴转接模块上的排气孔排出，使反射镜模块内部保持微正压状态。
优选地，所述反射镜模块设置有用于检测反射镜的温度的温度传感器。
优选地，所述激光光学模块包括沿着光路方向依次装配的光纤接口、准直镜模块、保护镜模块、转接模块、导光筒以及聚焦透镜模块，聚焦透镜模块与反射镜模块的入光端连接。
优选地，所述转接模块上设置有进水孔、出水孔、进气孔及排气孔，冷却水及保护气均通过转接模块进入至熔覆头内部，经过循环后再由出水孔及排气孔排出。
优选地，所述同轴送粉激光熔覆头还包括一延长板，所述延长板的一端固定安装在所述转接模块的外部，所述延长板的本体以及朝向另一端的方向上设置有用于与机器人连接法兰适配连接的多组安装孔。
在一些实施例中，所述延长杆使用铝合金板或铝型材焊接而成，带有一组熔覆头安装孔(用于与熔覆头的转接模块连接固定)和多组组机器人连接法兰安装孔，可根据使用情况调整机器人连接法兰安装的位置，以适应不同的熔覆深度。
与现有技术相比，本发明的同轴送粉熔覆头的显著优点在于：
1.本发明的同轴送粉熔覆头可以实现对管道等狭窄零件内壁的激光熔覆，相较于侧向送粉内孔激光熔覆头，可以在熔覆过程中有更好的气氛保护，实现更好的熔覆效果；
2.本发明的同轴送粉熔覆头在使用过程，通过内部冷却设置以及反射镜的防护，可避免在使用过程中的烟尘和高温的损坏，能够长时间稳定使用。；
3.本发明的同轴送粉熔覆头在使用过程，通过保护气使得位于烟气聚集区域的反射镜内部保持微正压，避免烟气进入而损坏；同时，位于烟气聚集区域的保护镜，采用抽屉式的快速可更换设计，可在受损时实现快速方便的更换；
4.本发明的同轴送粉熔覆头可以根据需要灵活调节长度，以适用于不同深度的零件内壁熔覆。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的整体结构示意图。
图2是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的侧视图。
图3是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的激光光路示意图。
图4是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的反射镜模块的结构示意图。
图5是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的抽屉式保护镜组件的示意图。
图6是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的同轴送粉喷嘴的整体结构示意图。
图7是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的同轴送粉喷嘴的爆炸结构示意图。
图8是本发明示例性实施例的同轴送粉熔覆头的同轴送粉喷嘴的剖视图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明示例性实施例的同轴送粉激光熔覆头，可用于管道零件内表面等狭窄内孔的激光熔覆加工，例如激光制造与再制造，结合图1-3所示的同轴送粉激光熔覆头包括激光光学模块、反射镜模块8、喷嘴转接模块10以及同轴送粉喷嘴11。
结合图1、3所示，激光光学模块，用于获得聚焦的激光束。
反射镜模块8，安装在激光光学模块的出光端。反射镜模块内设置有成45°安装的反射镜，尤其是铜反射镜，反射镜的反射镜面朝向激光束，用于改变激光束的光路方向，结合图1、3所示，从水平方向改变至垂直的方向，朝向同轴送粉喷嘴11，并穿过同轴送粉喷嘴11，将激光束投射到零件上，与对送入零件内壁的粉末进行激光熔覆加工。
其中反射镜模块8的沿着改变后的光路方向设置有抽屉式保护镜组件9，结合图1、4、5所示，抽屉式保护镜组件设置有可插入/抽拉更换的保护镜92。
如图1，喷嘴转接模块10，安装在所述抽屉式保护镜组件的下方。
同轴送粉喷嘴11，与喷嘴转接模块11固定，即同轴送粉喷嘴11通过喷嘴转接模块10安装在激光熔覆头上。
结合图1、2，作为可选的实施例，激光光学模块包括沿着光路方向依次装配的光纤接口1、光纤水冷模块2、准直镜模块3、保护镜模块4、转接模块5、导光筒6以及聚焦透镜模块7，聚焦透镜模块7与反射镜模块8的入光端连接。光纤接头通过螺纹与光纤水冷模块相连接。
优选地，激光光学模块的各模块均由止口结构定位。
结合图3，光纤插入光纤接口，光纤接头1发射带有一定发散角的激光，经过准直镜模块3后变为平行光束，平行光束依次经过保护镜模块4、转接模块5、导光筒6，经过聚焦透镜模块7后再次聚焦，由反射镜模块8改变光路方向将激光束15反射到零件的内壁表面上进行激光熔覆加工。其中，保护镜模块4、窗口式保护镜9可以防止使用中光学系统受到烟尘的污染，保护镜片污染后可以方便更换。
如图1、6，同轴送粉喷嘴11上配置有防飞溅板12，防飞溅板通过中间的方形孔套在喷嘴上部。同轴送粉喷嘴11上方的防飞溅板12上带有可供送粉管及冷却水管穿过的孔洞。
在可选的实施例中，防飞溅板上可加装水冷装置。
准直镜模块3、聚焦透镜模块7内均设有水冷腔体以及冷却水进出孔。
结合图1、2所示，在装配时，将防飞溅板12套入到同轴送粉喷嘴11上部，并与喷嘴转接模块10组装，并接入进出水管，再整体安装到反射镜模块8下方，插入窗口式保护镜9-2。
结合图4所示，反射镜模块的入光端和出光端均安装有固定式保护镜片，对铜反射镜起到防护作用。
结合图5所示，抽屉式保护镜组件9包括设置在反射镜模块的下方并位于相对两侧的支撑部9-1，支撑部设置有供窗口式保护镜9-2插入和导向的轨道，所述抽屉式保护镜组件设置有可插入/抽拉更换的窗口式保护镜9-2。
优选的实施例中，转接模块5上设置有进水孔、出水孔、进气孔及排气孔，冷却水及保护气均通过转接模块进入至熔覆头内部，经过循环后再由出水孔及排气孔排出。
结合图示，在具体实现过程中，转接模块5的进气孔及进水孔分别通入保护气及冷却水，保护气进入熔覆头内部后，分别通入反射镜模块8及喷嘴转接模块10中。其中，通入反射镜模块8的保护气经由内部的气孔循环回转接模块5，由转接模块5上的排气孔排出，使反射镜模块8中保持微正压状态，进一步防止烟尘进入内腔，污染反射镜。
可选地，转接模块上的进气孔分为两组，分别为同轴送粉喷嘴和反射镜模块提供保护气。通入喷嘴转接模块10中的保护气，进入到同轴送粉喷嘴11中心，为熔覆过程中提供气氛保护。
冷却水由内部水冷结构，分别流入到反射镜模块8及喷嘴转接模块10中，喷嘴转接模块10中的冷却水经由外部水管，流入到同轴送粉喷嘴11。循环后的冷却水均由转接模块5排出。
结合图1、6-8所示，金属粉末由载气式送粉器送出后，通过同轴送粉喷嘴11上的送粉管11b进入，形成粉末束，并与激光束15汇聚为一点，激光束15将粉末束熔化，并在零件表面形成熔覆层。在熔覆过程中，防飞溅板12为熔覆头外部管路提供防护。
图6-8中，标号11a表示同轴送粉喷嘴11的本体，同轴送粉喷嘴采用多个送粉管11b(例如石英管)进行送粉，同轴送粉喷嘴11的本体内设置水冷腔体以及冷却水进出孔，通过水管与喷嘴转接模块上的进出水孔相连接，达到给喷嘴冷却的目的。
标号11c表示中间连接装置，用于将同轴送粉喷嘴11固定到喷嘴转接模块10。喷嘴转接模块10可选地，设置Z轴调节及对中调节结构，可以对同轴送粉喷嘴进行位置调节。
优选地，喷嘴转接模块内部带有水冷结构，并设有进出水孔。
结合图1、2所示，同轴送粉激光熔覆头还包括一延长板13，延长板的一端固定安装在所述转接模块的外部，延长板的本体以及朝向另一端的方向上设置有用于与机器人连接法兰适配连接的多组安装孔。
在装配使用时，转接模块5与延长杆13一端相连，延长杆13另一端连接在机器人连接法兰14上，根据所熔覆零件深度的不同，可以调整机器人连接法兰14安装在延长杆13上的位置。机器人连接法兰14与机器人第六轴相连。由此，可根据使用情况调整机器人连接法兰安装的位置，以适应不同的熔覆深度。
在可选的实施例中，反射镜模块设置有用于检测反射镜的温度的温度传感器，在激光熔覆加工过程中，可对对铜反射镜进行温度监测。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，包括：
激光光学模块，用于获得聚焦的激光束；
反射镜模块，安装在所述激光光学模块的出光端，所述反射镜模块内设置有成45°安装的反射镜，反射镜的反射镜面朝向激光束，用于改变激光束的光路方向；所述反射镜模块的沿着改变后的光路方向设置有抽屉式保护镜组件，所述抽屉式保护镜组件设置有可插入/抽拉更换的保护镜；
喷嘴转接模块，安装在所述抽屉式保护镜组件的下方；以及
同轴送粉喷嘴，与所述喷嘴转接模块固定。
2.根据权利要求1所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述同轴送粉喷嘴的上方设置有防飞溅板。
3.根据权利要求1所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述喷嘴转接模块的上端设置有密封槽，对所述抽屉式保护镜组件的下端进行密封。
4.根据权利要求1所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述喷嘴转接模块的内部设置有水冷通道，并设有进出水孔。
5.根据权利要求1所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述反射镜模块的入光端和出光端均安装有固定式保护镜片。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述反射镜模块内部带有进气孔及排气孔，保护气由进气孔进入内腔，再由排气孔进入到喷嘴转接模块上的排气孔排出，使反射镜模块内部保持微正压状态。
7.根据权利要求1所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述反射镜模块设置有用于检测反射镜的温度的温度传感器。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述激光光学模块包括沿着光路方向依次装配的光纤接口、准直镜模块、保护镜模块、转接模块、导光筒以及聚焦透镜模块，聚焦透镜模块与反射镜模块的入光端连接。
9.根据权利要求8所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述转接模块上设置有进水孔、出水孔、进气孔及排气孔，冷却水及保护气均通过转接模块进入至熔覆头内部，经过循环后再由出水孔及排气孔排出。
10.根据权利要求8所述的适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述适用于内孔激光熔覆增材制造的同轴送粉激光熔覆头还包括一延长板，所述延长板的一端固定安装在所述转接模块的外部，所述延长板的本体以及朝向另一端的方向上设置有用于与机器人连接法兰适配连接的多组安装孔。
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