CN117867492A - 用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴、装置和方法。所述喷嘴，包括支架、喷头管、光束出口壳以及光通道，支架呈扁方体，中央开有第一通孔，用于供光束出口壳的下部插入；在支架上，位于第一通孔的两侧，开有两个喷头管固定斜孔，所述喷头管固定斜孔能够使两个喷头管按照与光通道的中心轴线呈固定倾斜角度的方向插入，并且使两个喷头管与光通道三者的中心轴线在同一个平面上，且所述平面为支架的纵向切面；喷头、喷头管与送粉管同轴连接，送粉管的直径小于喷头管的直径；激光熔覆装置应用前述激光熔覆喷嘴，对环形活塞窄槽进行加工，所述加工包括制造和修复。本公开给出的实施例，能够解决现有激光熔覆喷嘴无法深入狭窄活塞窄槽内完成激光熔覆作业的问题。

Description

用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴、装置和方法

技术领域

本公开涉及一种应用于船舶修复领域中的装置和方法，具体地说，涉及一种能够对船舶上发动机活塞的环形窄槽进行制造或修复的装置和加工方法。

背景技术

活塞在船舶上主要应用于发动机中，活塞是发动机的一个关键组件，负责在气缸内执行往复运动，将高压燃气推送到曲轴上，从而驱动船舶前进。活塞上主要被磨损的部位就是活塞上的环形窄槽，因为活塞环形窄槽中有活塞环紧密配合窄槽运动，随着发动机高爆压推送活塞进行往复运动时，窄槽会受到活塞环冲击而被快速磨损，导致窄槽损坏，目前在用的活塞上环形窄槽，尺寸较小：如槽距在8mm-15mm之间，槽深在17mm-30mm之间。

由于发动机活塞在使用过程中会受到高温、高压以及高速等多重因素的影响，会产生磨损、疲劳裂纹以及腐蚀的现象，因此为了延长活塞寿命、提高发动机性能、减少能源消耗以及降低维护成本，就需要对发动机活塞进行修复。修复好的发动机活塞表面应具有良好的耐磨性，以抵抗高温高压下的磨损，应具备耐腐蚀性，以应对燃料燃烧产生的腐蚀性气体，以及确保活塞在高温环境下需要具有的强度和稳定性。

现有技术中，对于发动机活塞的修复，通常采用电镀技术进行，即，通过电镀将镀铬层结合在窄槽表面。但是这种方法存在如下技术问题：1.镀铬是重污染技术，国家环评机构已经在沿海岸城市公开禁止使用镀铬，目前很多修理船用活塞窄槽要从沿海将货品拉至内陆来进行镀铬，随时间推移，环评机构必定将陆续在国内非沿海各省禁止镀铬技术。2.镀铬只能悬浮在窄槽表面，很容易导致往复运动时片状剥落、甚至龟裂等问题发生。3.剥落的镀铬层会掉进发动机舱里，导致发动机其他重要部件如缸套、活塞裙、活塞杆被镀铬划伤甚至损坏，甚至会导致这些重要部件报废。

激光熔覆(Laser Cladding)是一种熔覆堆焊技术，在基材表面添加熔覆材料，使用高能密度/高功率的激光光束将材料熔化/焊接到基材上，从而在基材表面形成具有真正冶金结合的覆盖层，可为基材增加局部价值，是工件加工、修理、翻新等领域的重要应手段。如CN 108193204A所示，提供一种激光熔覆用送粉喷头及送粉量控制方法，CN 111850547A所示，提供了一种多轴超高速激光熔覆喷头，CN 113215562 A所示，提供了一种三光束丝粉混合激光熔覆喷头，CN 113463085 A所示提供了一种激光熔覆修复用喷头，包括激光发生器和电机，CN 116555753 A所示提供了一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置和方法。

但是现有技术中的这些激光熔覆喷嘴，都无法适用在对船舶上活塞的环形窄槽进行制造或修复中，因为存在如下的技术问题：1、现有激光熔覆喷嘴通常结构为环形结构，无法进入发动机活塞上环形窄槽进行或修复。2、如将环形结构的激光熔覆喷嘴等比例缩小以适应窄槽尺寸，会导致熔覆过程中热应力集中、喷嘴过热以及粘粉甚至喷嘴材料烧结。3、即使勉强进入发动机活塞上的窄槽，也不能将槽壁堆叠出平整光滑的熔覆层，会导致熔覆层偏差、开裂、孔洞发生。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本公开提出了一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴、装置和方法，本公开给出的方案能够解决在狭小的环形槽空间内进行激光熔覆的问题。

首先，本公开的第一个方面给出了一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴，包括喷头1、喷头管2、送粉管3、接头4、冷却管路5、支架6以及光束出口壳7，光束出口壳7的中心沿轴向设置有贯穿所述光束出口壳上下两端的光通道11，用于供激光光束通过，其独特之处在于：

支架6呈扁方体，所述扁方体的中央开有第一通孔，用于供光束出口壳7的下部插入；光束出口壳7插入支架6后，二者做固定连接；

在支架6上，位于所述第一通孔的两侧，开有两个喷头管固定斜孔601，所述喷头管固定斜孔能够使两个喷头管2按照与光通道11的中心轴线呈固定倾斜角度的方向插入，并且使两个喷头管2与光通道11三者的中心轴线在同一个平面上，且所述平面为支架6的纵向切面；

两个喷头管2与光通道11的中心轴线相交，相交点为光束汇聚点，所述光束汇聚点位于喷嘴下方且位于光通道11轴线的延长线上；

喷头1、喷头管2与送粉管3同轴连接，送粉管3的直径小于喷头管2的直径。

进一步地，支架6上开有冷却管路固定孔602，用于固定冷却管路5；

冷却管路5呈弯曲状，以减小所占空间且提高循环冷却液的接触面积，实现降低喷嘴温度。

进一步地，喷头1是一个锥形管，细口端直径范围在1.2mm-1.3mm之间，喷头1的轴心距离光通道11的垂直距离范围在31mm至33mm之间。

进一步地，两个喷头管2与光通道11的中心轴线所呈的固定倾斜角度范围在20°-30°之间。

进一步地，喷头管2的直径为3mm，送粉管3的直径为2.8mm。

进一步地，所述冷却管路5的数量为4或6个，直径为3mm，所述冷却管路5顶端固定有冷却密封件10，用于密封。

进一步地，所述喷嘴还包括光粉同轴交汇点校正器8；

在支架6上，开有矫正孔604，所述矫正孔沿支架6的横切面贯穿支架6直至穿出所述第一通孔的侧壁；

所述光粉同轴交汇点校正器8与矫正孔604螺纹连接，并可穿出所述矫正孔抵于同轴光束壳7上，用于使得支架6和同轴光束壳7的中心轴线一致。

本公开的第二方面，给出了一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆装置，包括激光产生器、激光头、送粉器、机械臂、机械臂控制器以及旋转台，所述激光熔覆装置应用前述激光熔覆喷嘴中的任一种。

所述激光头与所述激光熔覆喷嘴固定连接，连接后，两者中轴线重合，所述激光头发射的激光光束聚能后能够精准传输到所述激光熔覆喷嘴中，沿光通道11射向工件表面；

所述送粉器与送粉管3连接；

所述激光熔覆装置的熔覆功率通过比能量公式P＝E/(D×V×H)确定；

其中P为熔覆功率，D是激光直径，V是熔覆速率，H为熔覆层厚度，E为比能量；

E值范围在26.0～30.0J/mm³之间。

本公开的第三方面，给出了一种加工环形活塞窄槽的方法，应用前述激光熔覆装置，所述方法应用的活塞窄槽的槽距在8mm-15mm之间，槽深在17mm-30mm之间，包括如下步骤：

步骤S1:将待加工基件通过四爪卡盘校正于旋转台上，将待加工基件垂直夹装后，调整待加工基件，使其置于旋转台的正中心处；

步骤S2:手动操作控制器，确定所述激光熔覆喷嘴加工的初始点，使激光熔覆装置内的机器人模拟工作位置；

所述初始点位于待加工基件正上方，与待加工基件窄槽横截面的垂直直线距离大于机械臂摆动喷嘴时的安全距离；

步骤S3:按照式1和式2控制旋转台以转速N_台(r/min)连带待加工基件进行旋转，其中

N_台＝((60V_熔)/π)/R_外 式1

V_熔＝A+B/(1+e^(-c*(-D))) 式2

其中，N_台为旋转台的转速，V_熔为熔覆速率；

公式2为sigmoid函数，A、B、C和D是调整函数形状的参数，A是速率的基本值，B控制sigmoid函数的纵向幅度，C控制sigmoid函数的横向变化速度，D是sigmoid函数在外径上的中心位置，通过调整这些参数，能够形成一个光滑的函数，以外径为变量来计算熔覆速率，R_外为待加工基件的外径，π取值3.14159，常数e是自然对数的底，它的数值约2.71828。在数学中，自然对数是以e为底的对数，通常写作In(x)。在这里，e用作sigmoid函数中的基数，使得函数在计算待加工件的外径变化具有激光熔覆所需的平滑变化；

步骤S4:控制所述激光熔覆喷嘴以速度V_移自所述初始点处沿待加工基件轴向平移，其中

V_移＝D_单×((0.5V_熔)/π)/R_外

D_单为单道熔覆宽度，根据测量光束出光后在工件表面成型的圆形光束值作为单到熔覆宽度，V_移为熔覆速率；

步骤S5:向机械臂控制器输入指令，控制所述激光熔覆喷嘴从所述初始点移动到第一起始点，移动过程中所述激光熔覆喷嘴的纵切面与窄槽内壁面夹角为α_1，使用机械臂控制器上教学程序确定此处为第一起始点，所述第一起始点位于基件的窄槽内，是激光束聚焦后与窄槽内壁首次接触到的位置；

设定好第一起始点后，将所述激光熔覆喷嘴平移到窄槽最上方末端处，此时，所述激光熔覆喷嘴的纵切面与窄槽内壁面夹角为α_2，确定此处为第一结束点；

步骤S6:将经由步骤2-5确定出的旋转台转速N_台、激光熔覆喷嘴轴向平移速度V_移、初始点、第一起始点、第一结束点输入至机械臂控制器，完成对激光熔覆预设轨迹的设定；

步骤S7:启动送粉，采用直线送粉方式，开始熔覆。

进一步地，所述激光熔覆装置的熔覆功率≦1700W；步骤S2中，安全距离设定为90mm；

步骤S5中，所述第一起始点距离待加工基件窄槽底面15mm，5°≤α_1≤9°，所述第一结束点位于窄槽外侧倒角处，位于窄槽外侧倒角17mm，9°≤α_2≤14°；步骤S8中，送粉速度为16g/min时，对应设置的激光熔覆功率为1500W。

本说明书一个或多个实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

首先，本公开给出的喷嘴，两个喷头管与光通道三者的中心轴线在同一个平面上，特别是在支架的纵向切面上。这使得喷嘴能够在机械臂的控制下，倾斜插入环形窄槽中，从而在较大的空间范围内实施激光熔覆操作。这解决了现有激光熔覆喷嘴无法深入狭窄活塞窄槽内完成作业的问题。另外喷头管的倾斜插入设计增加了插入的灵活性，使得在有限的空间内也能够进行激光熔覆操作。这为活塞窄槽的加工提供了更广泛的操作范围。平面为支架的纵向切面，这提供了一个稳定的参考平面，有助于确保喷头管和光通道的准确对齐。这对于精确的激光熔覆操作至关重要。喷嘴的设计允许在机械臂的控制下对窄槽进行全方位的激光熔覆操作，这提高了加工的灵活性和全面性。

其次，本公开给出的喷嘴，不再采用传统的冷却方式，引入了一种新的冷却机制。通过这种机制，成功地解决了激光熔覆过程中常见的热应力集中、喷嘴过热以及粘粉的问题，能在激光熔覆操作中更有效地散热，从而提高了喷嘴的稳定性和寿命。传统冷却方式可能导致热应力在喷嘴特定区域集中，而新的冷却机制成功地解决了这一问题，有助于减轻热应力对喷嘴结构的不利影响，提高了其使用寿命。通过改进的冷却机制，成功解决了粘粉问题，有效降低表面温度，防止粉末在表面粘附和积聚，从而确保激光熔覆操作的顺利进行。

此外，本公开给出的控制方法，能够适应对尺寸在一定范围内的窄槽进行加工，这种控制方法在激光熔覆操作中具有显著的优势，能够将槽壁堆叠出平整光滑的熔覆层，成功解决了直接利用现有激光熔覆操作方法易导致的熔覆层偏差、开裂和孔洞发生的问题，实现对激光熔覆喷嘴、机械臂运动规划或者激光束的精确控制。能够将槽壁堆叠出平整光滑的熔覆层，解决了直接利用现有激光熔覆操作方法易导致的熔覆层偏差、开裂和孔洞发生的问题。

综上所述，本公开提出的用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴、装置和方法具有结构简单、适应性高的优点，通过双喷头的结构能够满足深入窄槽进行熔覆的尺寸和性能要求，实现对环形活塞窄槽的修复。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。

图1是本公开所述激光熔覆喷嘴的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的剖视图。

图4是喷头的结构示意图。

图5是喷头管的结构示意图。

图6是送粉管的结构示意图。

图7是接头的结构示意图。

图8是冷却管路的结构示意图。

图9是支架的结构示意图。

图10是光束出口壳的结构示意图。

图11是光粉同轴交汇点校正器的结构示意图。

图12是螺丝的结构示意图。

图13是冷却密封件的结构示意图。

图14是所述激光熔覆喷嘴以角α1进入环形窄槽的示意图。

图15是所述激光熔覆喷嘴以角α2进入环形窄槽的示意图。

图中1-喷头，101-螺纹，2-喷头管，3-送粉管，4-接头，5-冷却管路，6-支架，601-喷头管固定斜孔，602-冷却管路固定孔，603-工艺孔，604-矫正孔，605-螺丝孔，7-光束出口壳，8-光粉同轴交汇点矫正器，9-螺丝，10-冷却密封件。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

实施例1：如图1至图13所示，给出了一种激光熔覆喷嘴，包括喷头1、喷头管2、送粉管3、接头4、冷却管路5、支架6、光束出口壳7、光粉同轴交汇点校正器8，螺丝9、冷却密封件10。在支架6中心沿轴向有贯穿上下两端的光通道11，用于激光光束通过；支架6两侧对称固定有两个贯穿上下端的喷头管2，喷头管2上端由接头4固定连接于送粉管3的下端，与送粉管3同轴，送粉管3用于输送粉末，且下端为出粉口；喷头管2下端通过螺丝201与喷头1的101耦合；支架6上相邻喷头管2的两侧设置有多个冷却管路5，冷却管路5用于循环冷却液，以降低喷嘴温度；支架6上固定有螺丝9，以对喷头管2进行限位；光粉同轴交汇点校正器8固定于支架6上，用于校正支架6和同轴光束壳7的中心，光束出口壳7固定连接于支架6正下端，用于控制与校正光束于支架正中心射入。

本公开所给出的方案适用于对窄槽槽距在8mm-15mm之间，槽深在17mm-30mm的槽。

如图4所示，喷头3是一个锥形管，为保证在一定的时间内具有足够的粉末量进入，使不发生送粉通道的堵塞现象的同时保证送粉管能够在窄槽中灵活运行，喷头细口端直径设置为1.2-1.3mm。

如图5-6所示，喷头管一端强密封于喷头的粗口端，直径为3mm，送粉管3的一端通过接头4强连接于喷头管的一端，送粉管3的直径为2.8mm。喷头管2与送粉管3的材质在此不作限制，一般选择奥氏体金属管。

为防止熔覆过程中，飞溅的未熔化粉末或反射的激光直接撞击在熔覆头底部送粉出口位置，造成送粉通道堵塞，所述喷头3的轴心距离光通道11直线距离33mm；

如图1所示，喷头1、喷头管2与送粉管3同轴连接，为了保证即使激光准确定位到窄槽待加工位置，射入的光束也不会对喷嘴造成任何干涉和影响，且流动的粉末在喷嘴底部的空间位置上具有较好的汇聚性，喷头轴心延长线与光通道11的夹角∠γ。在本实施例中，∠γ优选为20°-30°。本实施例中，熔覆操作时，激光光束相对于喷头喷粉入射角γ为20°-30°，激光光束不会对喷嘴造成任何干涉和影响，有效保证了激光熔覆操作的安全性和可靠性，延长了喷嘴的整体使用寿命。

为保证冷却腔室对送粉通道的良好冷却，冷却管路5离散分布，直径为3mm，冷却管路5顶端与外部其他管线连接处固定有冷却密封件10用于密封。如图8所示，冷却管路的数量在此不做限制，但是一般设置为4或6个，冷却液在此不做限制，一般选择水做冷却液。

如图9所示，喷头管2通过通孔601与支架6强密封连接，螺丝9贯穿通孔605对所连接的喷头管进行限位，冷却管路5通过密封圈槽602与支架6强密封连接，光粉同轴交汇点校正器8插入通孔604用于校正支架6和同轴光束壳7的位置的中心。

实施例2

一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆装置，包括激光产生器、激光头、送粉器、稳压电源器、机械臂、机械臂控制器、旋转台、光纤，所述激光头与实施例1中的激光熔覆喷嘴连接，用于将激光光束整合并聚焦，沿对应的光通道11射出，用于对沿送粉管3、喷头管2、喷头1射出的粉流进行熔覆。

机械臂为自动化多关节六轴手臂，其在手臂末端有专用工装连接激光头，并用专用螺丝与螺帽固定住使两者(机械臂、激光头)在机械臂摆动时不会产生振动或是错位并且没有静电发生；激光头为多镜片与冷却系统结合而成的设备，通过多镜片(特殊涂层镜片，使光聚集能量时保持无静电发生)将激光束聚焦而放大能量传输到喷嘴，在放大能量的多镜片周围有冷却水循环(冷却水为去离子水)与感测装置保证激光头工作状态处于常温(约16～24摄氏度)；激光头与喷嘴使用激光头厂家指定固定装置(激光头工装、专用螺丝、专用配合偶件)将两者固定在一起，使其两者中轴线与水平保持一至，使激光束聚能后顺利且精准的传输到喷嘴上，从喷嘴射向工件表面。

具体的，电源启动后，由机械臂控制器控制机械臂上连接的激光头进行运动，激光产生器产生激光光束及固定波长的激光，由光纤将激光产生器的激光束运输到激光头，并由激光头将激光光束整合并聚焦送至喷嘴，由实施例1中的喷嘴将激光光束射向基件表面，伴随着激光头的运动，由送粉器将粉末按照特定送粉量送入基件表面进行熔覆。

优选的，激光熔覆装置的熔覆功率≤1700W，这是通过比能量公式E＝P/(DVH)获得的。P为功率、D是激光直径、V是熔覆速率、H为熔覆层厚度；该激光熔覆窄槽耐磨材料需要大约比能量26.0～30.0J/mm³才能将其良好熔覆在工件表面，而我们的D&V&H参数皆固定为2.8mm&20mm/s&1mm，所以从得出熔覆功率约≦1700W。

实施例3

本发明还提供了一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆方法，具体是按照以下步骤进行的：

将基件进行焊前处理使基件变成待加工基件，将待加工基件通过四爪卡盘校正于旋转台上，将待加工基件垂直夹装后，使用千分表调整待修复基件至于旋转台的正中心处，同轴度误差小于0.02mm。

确定待加工基件路径的初始点，初始点位于待加工基件正上方，与待加工基件窄槽底面的直线距离为30mm；

控制旋转台以转速N_台(r/min)连带待加工基件进行旋转，其中

N_台＝((60V_熔)/π)/R_外 (式1)

公式2-V_熔＝A+B/(1+e^(-c*(-D)))

其中，N_台为旋转台的转速，V_熔为熔覆速率:通过公式2为sigmoid函数，(A),(B),(C),(D)是调整函数形状的参数。(A)是速率的基本值，(B)控制sigmoid函数的纵向幅度，(C)控制sigmoid函数的横向变化速度，(D)是sigmoid函数在外径上的中心位置。通过调整这些参数，可以形成一个光滑的函数，以外径为变量来计算熔覆速率，R_外为待加工基件的外径。

控制所述激光熔覆喷嘴从所述初始点移动到第一起始点，与窄槽内壁面夹角为α_1，再从第一起始点移动到第一结束点，与窄槽内壁面夹角为α_2；所述第一起始点按照如下模式限定：在喷嘴设定好初始点位置后，通过控制机械臂控制器控制机械臂将喷嘴根据窄槽情况先将喷嘴与窄槽内壁夹角α_1，再移动喷嘴到窄槽内壁底部与内壁垂直处，并调整喷嘴在与之垂直处直线位移距离30mm(此距离是激光束的焦距点，如同放大镜焦距太阳光形成一个炙热能灼烧的点)后，使用机械臂控制器上教学程序此处为第一起始点；第二起始点按照如下模式限定：在喷嘴设定好第一起始点后，通过控制机械臂控制器控制机械臂将喷嘴根据窄槽情况先将喷嘴平移到窄槽最上方末端处，调整其与内壁夹角α_2，并调整喷嘴在与之直线位移距离30mm，使用机械臂控制器上教学程序此处为第一结束点。

先进行行驶轨迹模拟如下：控制激光熔覆喷嘴从初始点移动到第一起始点，第一起始点距离待加工基件窄槽底面15mm，与窄槽内壁面夹角为α_1，取值在5°≤α_1≤9°，再从第一起始点移动到第一结束点，第一结束点位于窄槽外侧倒角处，位于窄槽外侧倒角17mm，与窄槽内壁面夹角为α_2，取值在9°≤α_2≤14°；

然后进行程序校点：将旋转台转速N_台、激光熔覆喷嘴轴向平移速度V_移、初始点、第一起始点、第一结束点输入至激光熔覆机器人控制器。

启动送粉，将粉末输出头的出口连接激光熔覆喷嘴的送粉管3入口，通过喷头管的导向作用，采用直线送粉的方式将合金粉末输送到喷头1，再从喷头1处发射至待加工基件表面与光通道11发射的光束相交于焦点处，开始熔覆；

当激光熔覆喷嘴沿所述预设轨迹到达第一结束点，第一环槽的熔覆程序执行完毕，完成激光熔覆。

对于下一环槽的熔覆程序如下：机械臂控制器等待激光熔覆喷嘴沿预设轨迹到达第一结束点。使用机械臂控制器将喷嘴从当前环槽熔覆第一结束点手动移动到初始点，平移喷嘴至第二环槽与第二环槽底部垂直的直线位移距离30mm，建立第二环曹的初始点，并向下移动到第二起始点。后续步骤与实施例3一样。

为了保证熔覆过程中的粉末流动汇聚性，具体粉末材料不做限制。本发明使用的合金粉末在此不做限制，为不影响空中形成的熔池材料性能，载粉气流一般选择氩气，氦气等惰性气体。

利用本装置采用上述方法实际操作时的实验数据如下：

采用送粉速度为16g/min时，对应设置的激光熔覆功率为1500W，得到的熔覆效果优。送粉速度为17g/min时，对应设置的激光熔覆功率为1600w，得到的熔覆效果为优。送粉速度为18g/min时，对应设置的激光熔覆功率为1700w，得到的熔覆效果优。

所述熔覆效果优，是指：通过实际激光熔覆反复实验验证，要满足窄槽标准规范施工要求每层熔覆层要1.0mm厚度，必须要调整送粉速度为16g/min，才能有效达到1.0mm厚，如果设定例如14-15或者更低g/min，有效熔覆层厚度将小于1.0mm厚；如果调整超过16g/min，将送粉过多导致不必要的成本浪费以及可能导致熔覆层厚度偏厚，使其龟裂或者剥落风险。满足上述条件后得到的熔覆修复后的基件，测量其涂覆的厚度和硬度合格，由此证明上述条件限定。

Claims (10)

1.一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴，包括喷头(1)、喷头管(2)、送粉管(3)、接头(4)、冷却管路(5)、支架(6)以及光束出口壳(7)，光束出口壳(7)的中心沿轴向设置有贯穿所述光束出口壳上下两端的光通道(11)，用于供激光光束通过，其特征在于：

支架(6)呈扁方体，所述扁方体的中央开有第一通孔，用于供光束出口壳(7)的下部插入；光束出口壳(7)插入支架(6)后，二者做固定连接；

在支架(6)上，位于所述第一通孔的两侧，开有两个喷头管固定斜孔(601)，所述喷头管固定斜孔能够使两个喷头管(2)按照与光通道(11)的中心轴线呈固定倾斜角度的方向插入，并且使两个喷头管(2)与光通道(11)三者的中心轴线在同一个平面上，且所述平面为支架(6)的纵向切面；

两个喷头管(2)与光通道(11)的中心轴线相交，相交点为光束汇聚点，所述光束汇聚点位于喷嘴下方且位于光通道(11)轴线的延长线上；

喷头(1)、喷头管(2)与送粉管(3)同轴连接，送粉管(3)的直径小于喷头管(2)的直径。

2.根据权利要求1所述的一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆喷嘴，其特征在于：

支架(6)上开有冷却管路固定孔(602)，用于固定冷却管路(5)；

冷却管路(5)呈弯曲状，以减小所占空间且提高循环冷却液的接触面积，实现降低喷嘴温度。

3.根据权利要求2所述的一种用于加工活塞窄槽修复的激光熔覆喷嘴，其特征在于，喷头(1)是一个锥形管，细口端直径范围在1.2mm-1.3mm之间，喷头(1)的轴心距离光通道(11)的垂直距离范围在31mm至33mm之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于加工活塞窄槽修复的激光熔覆喷嘴，其特征在于，两个喷头管(2)与光通道(11)的中心轴线所呈的固定倾斜角度范围在20°-30°之间。

5.根据权利要求4所述的一种用于加工活塞窄槽修复的激光熔覆喷嘴，其特征在于，喷头管(2)的直径为3mm，送粉管(3)的直径为2.8mm。

6.根据权利要求5所述的一种用于加工活塞窄槽修复的激光熔覆喷嘴，其特征在于，所述冷却管路(5)的数量为4或6个，直径为3mm，所述冷却管路(5)顶端固定有冷却密封件(10)，用于密封。

7.根据权利要求6所述的一种用于加工活塞窄槽修复的激光熔覆喷嘴，其特征在于，

所述喷嘴还包括光粉同轴交汇点校正器(8)；

在支架(6)上，开有矫正孔(604)，所述矫正孔沿支架(6)的横切面贯穿支架(6)直至穿出所述第一通孔的侧壁；

所述光粉同轴交汇点校正器(8)与矫正孔(604)螺纹连接，并可穿出所述矫正孔抵于同轴光束壳(7)上，用于使得支架(6)和同轴光束壳(7)的中心轴线一致。

8.一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆装置，包括激光产生器、激光头、送粉器、机械臂、机械臂控制器以及旋转台，其特征在于：

应用权利要求1-7中所述激光熔覆喷嘴中的任一种；

所述激光头与所述激光熔覆喷嘴固定连接，连接后，两者中轴线重合，所述激光头发射的激光光束聚能后能够传输到所述激光熔覆喷嘴中，沿光通道(11)射向工件表面；

所述送粉器与送粉管(3)连接；

所述激光熔覆装置的熔覆功率通过比能量公式P＝E/(D×V×H)确定；

其中P为熔覆功率，D是激光直径，V是熔覆速率，H为熔覆层厚度，E为比能量；

E值范围在26.0～30.0J/mm³之间。

9.一种加工环形活塞窄槽的方法，所述活塞窄槽的槽距在8mm-15mm之间，槽深在17mm-30mm之间，应用权利要求8所述激光熔覆装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1:将待加工基件通过四爪卡盘校正于旋转台上，将待加工基件垂直夹装后，调整待加工基件，使其置于旋转台的正中心处；

步骤S2:手动操作控制器，确定所述激光熔覆喷嘴加工的初始点，使激光熔覆装置内的机器人模拟工作位置；

所述初始点位于待加工基件正上方，与待加工基件窄槽横截面的垂直直线距离大于机械臂摆动喷嘴时的安全距离；

步骤S3:按照式1和式2控制旋转台以转速N_台(r/min)连带待加工基件进行旋转，

N_台＝((60V_熔)/π)/R_外 式1

V_熔＝A+B/(1+e^(-c*(-D))) 式2

其中，N_台为旋转台的转速，V_熔为熔覆速率；

公式2为sigmoid函数，A、B、C和D是调整函数形状的参数，A是速率的基本值，B控制sigmoid函数的纵向幅度，C控制sigmoid函数的横向变化速度，D是sigmoid函数在外径上的中心位置，通过调整这些参数，能够形成一个光滑的函数，以外径为变量来计算熔覆速率，R_外为待加工基件的外径，π取值3.14159，常数e是自然对数的底；

步骤S4:控制所述激光熔覆喷嘴以速度V_移自所述初始点处沿待加工基件轴向平移，其中

V_移＝D_单×((0.5V_熔)/π)/R_外

D_单为单道熔覆宽度，根据测量光束出光后在工件表面成型的圆形光束值作为单道熔覆宽度，V_移为熔覆速率；

步骤S5:向机械臂控制器输入指令，控制所述激光熔覆喷嘴从所述初始点移动到第一起始点，移动过程中所述激光熔覆喷嘴的纵切面与窄槽内壁面夹角为α_1，使用机械臂控制器上教学程序确定此处为第一起始点，所述第一起始点位于基件的窄槽内，是激光束聚焦后与窄槽内壁首次接触到的位置；

设定好第一起始点后，将所述激光熔覆喷嘴平移到窄槽最上方末端处，此时，所述激光熔覆喷嘴的纵切面与窄槽内壁面夹角为α_2，确定此处为第一结束点；

步骤S6:将经由步骤S2-S5确定出的旋转台转速N_台、激光熔覆喷嘴轴向平移速度V_移、初始点、第一起始点、第一结束点输入至机械臂控制器，完成对激光熔覆预设轨迹的设定；

步骤S7:启动送粉，采用直线送粉方式，开始熔覆。

10.根据权利要求9所述的一种用于加工环形活塞窄槽的激光熔覆方法，其特征在于：

所述激光熔覆装置的熔覆功率≦1700W；

步骤S2中，安全距离设定为90mm；

步骤S5中，所述第一起始点距离待加工基件窄槽底面15mm，5°m≤α_1≤9°，所述第一结束点位于窄槽外侧倒角处，位于窄槽外侧倒角17mm，9°≤α_2≤14°；

步骤S8中，送粉速度为16g/min时，对应设置的激光熔覆功率为1500W。