CN114457331A - 一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，包括：激光熔覆加工头；高度检测装置，其用于检测所述激光熔覆加工头的工作高度；以及电动升降装置，其分别连接所述激光熔覆加工头和所述高度检测装置，所述电动升降装置用以驱动所述激光熔覆加工头由当前工作高度运动至设定工作高度。本发明的有益效果：保障粉末材料汇聚的粉末锥或粉团能更好的送入熔池内充分熔化，可以更大程度提高粉末材料的利用率，并保障粉末材料与待加工面能在激光熔覆作业时形成冶金结合良好的熔覆层；使激光熔覆加工头保持最佳工作焦距，降低了负载激光熔覆头的运动机构在进行自动化激光熔覆加工时示教、编程的难度。

Description

一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统。
背景技术
在激光熔覆加工时由激光熔覆加工头传导、准直和聚焦从激光发生器所发出的激光束并辐照到待加工工件表面形成熔池，同步由激光熔覆加工头的送粉装置将熔覆用的粉末材料与载运输送粉末的惰性保护气体一同送入到熔池内与待加工工件表面发生冶金反应并快速凝固形成一定厚度的呈冶金结合状态的熔覆层，而激光熔覆相比于电弧堆焊和等离子喷焊的热输入低、能量密度高、速热速冷等优势使得激光熔覆加工在再制造领域应用前景十分广阔。
激光熔覆加工头在应对不同加工应用中根据送粉方式不同可分为：旁轴管路送粉式激光熔覆加工头、同轴环形送粉式激光熔覆加工头、同轴多管路送粉式激光熔覆加工头，以及光内同轴管路送粉式激光熔覆加工头。激光熔覆加工头在应对不同加工应用中除了不同送粉方式外，对熔覆效果、熔覆效率以及粉末材料利用率外，最为重要的是激光工作焦距下粉末材料汇聚性的影响，在激光工作焦距时激光光斑尺寸与能量密度为一定值，粉末材料汇聚性的好坏决定了激光光斑辐照形成的熔池内充分熔化的粉末材料多少，直接影响到熔覆层厚度、熔覆效果、粉末利用率。因此在激光熔覆加工应用时，根据激光工作焦距的动态变化自适应调整粉末材料汇聚的粉焦至关重要。
发明内容
有鉴于此，为了解决激光熔覆加工头熔覆加工时激光工作焦距的调整问题，本发明的实施例提供了一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统。
本发明的实施例提供一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，包括：
激光熔覆加工头；
高度检测装置，其用于检测所述激光熔覆加工头的工作高度；
以及电动升降装置，其分别连接所述激光熔覆加工头和所述高度检测装置，所述电动升降装置用以驱动所述激光熔覆加工头由当前工作高度运动至设定工作高度。
进一步地，所述激光熔覆加工头包括依次连接的光纤接头、光学准直组件、光学聚焦组件、保护镜组件和喷头。
进一步地，所述光学准直组件为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。
进一步地，所述光学聚焦组件为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。
进一步地，所述光纤接头连接激光发射器。
进一步地，所述光纤接头为QBH接头、QD接头和LLK-D接头中的一种。
进一步地，所述喷头上部设有送粉接口和保护气接口，以对所述喷头内输入粉末和惰性气体。
进一步地，所述喷头外壁内部设有循环水通道。
进一步地，所述高度检测装置为视觉检测装置、激光测距装置和机械检测装置中的一种。
进一步地，所述高度检测装置为视觉检测装置，并且所述高度检测装置设置于所述激光熔覆加工头的一侧并朝向所述激光熔覆加工头的工作端。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，通过高度检测装置检测激光熔覆加工头距离待加工平面的高度并实时通过电动升降装置调整激光熔覆加工头，在任何加工位置状态均能保证激光熔覆头保持在合适的工作焦距，更好的保障粉末材料汇聚的粉末锥或粉团能更好的送入熔池内充分熔化，可以更大程度提高粉末材料的利用率，并保障粉末材料与待加工面能在激光熔覆作业时形成冶金结合良好的熔覆层。
2、在针对起伏平面的待加工工件表面进行激光熔覆作业时，通过高度检测装置与电动升降装置实时联动调整激光熔覆加工头最佳工作焦距，降低了负载激光熔覆头的运动机构在进行自动化激光熔覆加工时示教、编程的难度。
附图说明
图1是一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统的示意图；
图2是图1中喷头8的剖视图。
图中：1-光纤接头、2-电动升降装置、3-光学准直组件、4-光学聚焦组件、5-高度检测装置、6-悬挂支架、7-保护镜组件、8-喷头、9-激光束、10-待加工件、11-送粉接口、12-保护气接口、13-循环水接口、14-喷头外套、15-喷头内套、16-环形缝隙。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，应用于熔覆加工，尤其适用于非水平面、复杂曲面的激光熔覆加工。该随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统主要包括激光熔覆加工头、高度检测装置5和电动升降装置2。
其中本实施例中所述激光熔覆加工头为同轴环形送粉式激光熔覆加工头头，可以理解的是所述述激光熔覆加工头还可以为旁轴管路送粉式激光熔覆加工、同轴多管路送粉式激光熔覆加工头、光内同轴管路送粉式激光熔覆加工头。
所述激光熔覆加工头具体包括依次连接的光纤接头1、光学准直组件3、光学聚焦组件4、保护镜组件7和喷头8。所述光纤接头1设置于所述激光熔覆加工头的末端，用于连接激光发射器。所述光纤接头1可以选择多种不同型号的接头，包括但不限于QBH接头、QD接头和LLK-D接头等类型的接头。
所述光学准直组件3和光学聚焦组件4用于对所述光纤接头1输入的激光束9进行光学调整，经过光学调整后的激光束9经过保护镜组件7聚焦。所述光学准直组件3为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。类似的，所述光学聚焦组件4也可以为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。所述保护镜组件7为快换式保护镜组件，以可拆卸的方式安装，可以快速更换。
如图1和2所示，所述喷头8设置于所述激光熔覆加工头前端，所述喷头8上部设有送粉接口11和保护气接口12，所述喷头8外壁内部设有循环水通道。具体而言，所述喷头8包括喷头外套14和喷头内套15，所述喷头外套14和所述喷头内套15均为套紫铜材质的锥形尖端开口式结构，所述喷头外套14套设于所述喷头内套15外围并且两者锥内壁面之间形成的环形缝隙16，所述送粉接口11连接该环形缝隙16，所述保护气接口12延伸入所述喷头内套15内，对所述喷头8内输入粉末和惰性气体，输入的粉末材料后形成空心粉末锥汇聚于激光光斑辐照待加工面产生的熔池里实现激光熔覆作业。所述循环水通道设置于所述喷头外套14内且设有多个循环水接口13，以对所述喷头外套14内输入冷却水，在激光熔覆作业过程中冷却降温。
所述送粉接口11、所述保护气接口12和所述循环水接口13的数量均可以设置多个，具体数量可以根据所述喷头8的规格尺寸灵活设置。优选的，多个所述送粉接口11、多个所述保护气接口12和多个所述循环水接口13均环绕所述喷头8外壁均匀设置。
所述高度检测装置5用于检测所述激光熔覆加工头的工作高度，所述高度检测装置5为视觉检测装置、激光测距装置和机械检测装置中的一种。如本实施例中所述高度检测装置5为视觉检测装置，并且所述高度检测装置5设置于所述激光熔覆加工头的一侧并朝向所述激光熔覆加工头的工作端。本实施例中所述高度检测装置5通过悬挂支架6安装于所述激光熔覆加工头的一侧。
所述电动升降装置2连接所述激光熔覆加工头，这里所述激光熔覆加工头通过安装板安装于所述电动升降装置2上，进而以驱动所述激光熔覆加工头沿着竖直方向升降对所述激光熔覆加工头的工作高度进行调节。所述电动升降装置2为直线升降机构，如直线模组或齿条滑块机构、丝杠等。
所述电动升降装置2还通讯连接所述高度检测装置5，以获取所述激光熔覆加工头当前工作高度，同时所述电动升降装置2还将与设定的工作高度进行比对，工作高度有差别时，通过所述电动升降装置2实时调整所述激光熔覆加工头工作高度到与设定的工作高度一致，以保证熔覆材料能进入聚焦光斑辐照区域的熔池内充分熔化并与待加工区域表面形成冶金结合良好的熔覆层。
上述随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统进行激光熔覆加工时，从激光发射器发出的激光束9由光纤传输至光纤接头1后经过光学准直组件3和光学聚焦组件4进行光学调整后通过保护镜组件7聚焦辐照待加工件10表面形成熔池，同步由熔覆材料输送装置经惰性气体载运送出的熔覆材料经过激光熔覆加工头的送粉接口11、喷嘴8输送到熔池内实现熔化并与待加工件10表面形成冶金结合良好的熔覆层，同时激光熔覆加工头通过将惰性气体接入保护气接口12后使得在激光熔覆加工作业时激光熔覆加工头喷嘴出来的正压气体能有效避免产生的烟尘、飞溅、颗粒物污染激光熔覆加工头；激光熔覆加工头在进行激光熔覆加工作业时会通过高度检测装置5检测激光熔覆加工头实时的工作高度并与设定的工作高度进行比对，工作高度有差别时，通过电动升降装置2实时调整激光熔覆加工头工作高度到与设定的工作高度一致，以保证熔覆材料能进入聚焦光斑辐照区域的熔池内充分熔化并与待加工区域表面形成冶金结合良好的熔覆层。
上述随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，通过所述高度检测装置5与所述电动升降装置2实时联动控制的特点，提高了激光熔覆加工头对非水平面、复杂曲面的激光熔覆加工的动态适应能力，提高了激光熔覆加工头的熔覆效率和熔覆效果，更好的解决了现有技术条件下激光熔覆加工头在非水平面、复杂曲面等加工应用中的局限性。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于，包括：
激光熔覆加工头；
高度检测装置，其用于检测所述激光熔覆加工头的工作高度；
以及电动升降装置，其分别连接所述激光熔覆加工头和所述高度检测装置，所述电动升降装置用以驱动所述激光熔覆加工头由当前工作高度运动至设定工作高度。
2.如权利要求1所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述激光熔覆加工头包括依次连接的光纤接头、光学准直组件、光学聚焦组件、保护镜组件和喷头。
3.如权利要求2所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述光学准直组件为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。
4.如权利要求2所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述光学聚焦组件为透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜、透射积分式的熔融石英镀膜光学镜、反射聚焦式的镜面铜光学镜和反射积分式的镜面铜光学镜中的一种。
5.如权利要求2所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述光纤接头连接激光发射器。
6.如权利要求2所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述光纤接头为QBH接头、QD接头和LLK-D接头中的一种。
7.如权利要求2所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述喷头上部设有送粉接口和保护气接口，以对所述喷头内输入粉末和惰性气体。
8.如权利要求7所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述喷头外壁内部设有循环水通道。
9.如权利要求1所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述高度检测装置为视觉检测装置、激光测距装置和机械检测装置中的一种。
10.如权利要求9所述的一种随运动自适应调节工作焦距的激光熔覆加工头系统，其特征在于：所述高度检测装置为视觉检测装置，并且所述高度检测装置设置于所述激光熔覆加工头的一侧并朝向所述激光熔覆加工头的工作端。
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