CN117867495A - 一种激光-等离子复合熔覆头及复合熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光‑等离子复合熔覆头及复合熔覆方法，属于金属材料表面加工领域，本发明的复合熔覆头通过屋脊镜片上把环形光分裂成两个半环光，从而避开钨极，经过45度反射镜片左后两个半环光和钨极同轴，然后再通过屋脊镜片下将两个半环光整合成一个完整的环形，实现了环形激光束和等离子束同轴输出；本发明综合了激光熔覆和等离子熔覆的优点，同轴复合、同步送粉，通过调节激光焦点调节“束包光”、“光包束”两种形式，能够形成激光与等离子复合的高能束，将激光熔覆的高精度与等离子熔覆的高效率结合，提高粉体的熔合性和表面质量，在铜、铝、镁、钛等有色金属表面高效率、高质量地进行熔覆强化，获得冶金结合的、大厚度的熔覆层。

Description

一种激光-等离子复合熔覆头及复合熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种激光-等离子复合熔覆头及复合熔覆方法，属于金属材料表面加工技术领域。

背景技术

海洋装备、航空航天、轨道交通、能源及军工等领域，大量装备及关键部件工作在腐蚀、磨损、烧蚀、重载、高速等极端工况下，特别是铜、铝、镁、钛等等有色金属件，随着在结构轻量化和多功能性要求等领域的广泛应用，对提高其硬度低、耐磨性、耐高温损伤性能提出了更高的要求。但是采用激光熔覆强化，因激光吸收率低，使得加热和制备效率低，而采用等离子熔覆强化，因为熔深浅、变形大等问题，限制其应用。

目前围绕提高熔覆层的制备效率，有效减少变形，已有不少报道。中国专利申请号202210274501.3公布了一种等离子与激光复合的增材制造方法，在工件表面利用先等离子熔覆后激光熔覆的循环次序，获得波浪形耐磨带与不锈钢软质粘结带的强韧结合、软硬交错相间的表面层，有效地消减了耐磨带和粘结带之间的残余应力，实现了强有力的结合，进而提高了关键件表面的耐磨性、抗冲击性、耐蚀性以及抵抗腐蚀磨损力-电耦合损伤性能。中国专利申请号2020114724061，公布了一种等离子激光复合熔覆系统，包括：工作台、等离子熔覆机床、等离子发生器、激光头等，尽管激光和等离子束是分离的，但是两种束流同时输入熔池，也降低了热应力，提高了涂层成型精度和效率。专利申请号2017100669851，公布了一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，具有激光束穿过的空腔，焊炬空腔下端有压缩喷嘴，等离子电极在焊炬的压缩喷嘴上方组成一狭缝，部分激光束入射在电极的狭缝边缘，部分激光束则穿过狭缝后聚焦到工件。被激光束辐射加热的电极造成气体电离化，在电极和压缩喷嘴之间首先形成等离子弧，该等离子弧被压缩喷嘴压缩后与工件之间建立起等离子弧，穿过喷嘴的激光束聚焦并与该等离子弧相互作用，所造成的等离子弧与激光束相互作用形成等离子-激光放电，使等离子弧进一步收缩，在与激光束共同作用下，在工件上形成了高能量密度的焊接点。该装置消除了激光束焊接和等离子焊接的缺陷，具有比常规的激光束与电弧复合焊接更高的复合热源耦合效率，但因为是焊接结构，无法实现熔覆需要的送粉功能。专利申请号2022105544088公布了一种激光等离子复合制造喷嘴，包括喷嘴主体，具有贯穿喷嘴主体的光-粉同路通道，光-粉同路通道的一端与光路系统相连；光-粉同路主通道和光-粉同路扩大通道均沿喷嘴主体轴向设置；光-粉同路扩大通道的一端与光路系统的出光口连通，另一端与光-粉同路主通道的一端相连通，形成一条同轴且上下贯通的光-粉同路通道；送粉通道，设置在喷嘴主体的两侧，进口与送粉系统相连，出口连通光-粉同路扩大通道，电极两端分别连接直流电源的正、负极。利用等离子体熔覆产生的平整沉积层弥补激光熔覆沉积层表面起伏大的缺点；同时利用激光熔覆的金属粉末和工件结合好的优点弥补了等离子体熔覆成形温度低导致的结合差的缺点。专利申请号201811361922X公布了一种激光+等离子弧+TIG弧联合焊接方法，其组成包括独立的激光束、等离子弧、TIG电弧，采用联合的焊接方式对不锈钢中薄板不开坡口进行对接，焊接时三者运动速度相同，相对位置不发生变化；所述的激光束在前，所述的等离子弧在中间，所述的TIG电弧在后；焊接过程中所述的激光束与所述的等离子弧作用于同一个熔池，目的是提高焊接速度的同时保证接头背面良好熔透；TIG电弧在后，在保证焊缝纯净度的同时得到成形美观焊缝。该发明用于激光+等离子弧+TIG弧联合焊接方法。专利申请号2019104306288公布了一种冶金辊表面复合耐磨合金涂层方法，采用激光等离子复合热源喷涂技术分别将内涂层和外涂层的原料喷涂在基体表面，制得的涂层具有优异的抗磨损耐腐蚀性能，硬度大，并且该涂层与基体的结合强度大，孔隙率低，使用寿命长。专利申请号2020103897527公布了一种钴基梯度高温耐磨减摩涂层的激光-等离子复合能场沉积方法，复合沉积涂层由三层梯度材料构成，分为底层、中间过渡层和表层功能层。采用激光-等离子复合能场沉积涂层，先进行等离子喷涂，再进行激光扫描熔覆、搭接，制备的涂层致密度及耐磨耐腐蚀性能与等离子喷涂技术制备的涂层相比有较大的提高。

上述专利文献分别集成了等离子体与激光各自的优点，获得高质量高效率的熔覆层或者焊接与切割结构，但是或者因为存在激光与等离子复合喷嘴结构复杂，或者因为激光与等离子联合焊接/切割、等离子喷涂与激光重熔结合等过程复杂，限制其实际应用。

发明内容

针对铜、铝、镁、钛等等有色金属件在结构轻量化和多功能性要求等领域的应用，其本身硬度低、耐磨性差，采用激光熔覆强化，光吸收率低，效率低，而采用等离子熔覆强化的熔深浅、变形大等难题，本发明提供一种激光-等离子复合熔覆头及复合熔覆方法，能够形成激光与等离子复合的高能束，将激光熔覆的高精度与等离子熔覆的高效率结合，提高粉体的熔合性和表面质量，在铜、铝、镁、钛等有色金属表面高效率、高质量地进行熔覆强化，获得冶金结合的、大厚度的熔覆层。

并且通过调控激光、等离子熔覆头的结构，既可以形成激光束包覆等离子束的“光包束”，使得环状激光围绕在等离子束的周围，减少复合束中心至边缘的温度梯度，控制熔深的均匀性，又可以形成等离子包覆激光的“束包光”，使得等离子束围绕在激光束的周围，形成大的束斑，外围的等离子束起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能。通过调控激光的功率和光斑直径，等离子束流的电流、电压和束斑直径，熔覆速度、送粉率、搭接率，同时根据具体需要熔金属粉体、陶瓷相粉体，可以获得所需耐蚀、耐磨、抗冲击、抗烧蚀的厚度可控、表面质量好、缺陷少的熔覆层，解决大量极端环境使用的有色金属件的表面防护难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种激光-等离子复合熔覆头，包括光纤接口、水冷接口、准直镜片、锥面镜片上、锥面镜片下、屋脊镜片上、45度反射镜片左、送粉接口、阳极保护嘴、法兰安装板、钨极保护帽、钨极、钨极对中块、阴极水电缆接口、阴极绝缘块、45度反射镜片右、屋脊镜片下、聚集镜片、保护镜片、阳极绝缘块、中心离子气、送丝接口、阳极水电缆接口、阳极喷嘴和保护气，保护气一般采用惰性气体；

激光器通过光纤传出的发散光束从光纤接口进入，经过准直镜片变为平行光，然后经过锥面镜片上和锥面镜片下后发散成环形光；环形光先经过45度反射镜片左，光路发生90度改变，之后经过屋脊镜片上将环形光斑分裂成两个半环光，从而留有避开钨极的间隙，两个半环光在经过45度反射镜片右后光路再次发生90度改变，此时光路方向和钨极方向同轴线；两个半环光再次经过屋脊镜片下后收缩成一个完整的环形光束，实现了环形激光束和等离子束的同轴输出，最后经过聚集镜片和保护镜片将光束向阳极喷嘴出口处聚集；保护镜片的作用是防止熔覆过程的烟尘和飞溅向上返，污染和损坏上端的聚集镜片和准直镜片等镜片。

中心离子气在阳极喷嘴和钨极之间电离产生维弧，之后转移到钨极和工件之间形成等离子弧，等离子弧通过阳极喷嘴的中心孔进行机械压缩，成为能量密度高的等离子束；

等离子弧在经过在阳极喷嘴中心孔时，因为中心孔的长度L与直径D之比L/D大于4，经过这个有水冷阳极喷嘴的通道(中心孔)时，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展，并且在一定压力和流量的氩气作用下，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流(离子和电子)往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。同时还有弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体。阳极喷嘴的中心孔的直径决定了等离子束的直径和能量密度，中心孔的直径越大，等离子束的直径越大，熔覆越宽，相应地能量密度降低。

优选的，所述钨极对中块通过阴极水电缆接口供电和冷却，作为产生等离子体的阴极，钨极保护帽实现保护钨极和密封中心离子气的作用，防止离子气从顶端泄露；阳极喷嘴通过阳极水电缆接口供电和冷却，作为产生等离子体的阳极，阳极喷嘴外部设置有阳极保护嘴。

阴极水电缆接口和阳极水电缆接口作为激光-等离子复合熔覆头的连接件，发挥两个作用，一是实现正负极电的导入(正极电对应阳极水电缆接头，负极电对应阴极水电缆接头)，二是实现冷却水路的循环(进水和回水)。

优选的，阴极和复合熔覆头主体之间通过阴极绝缘块进行绝缘；

阳极和复合熔覆头主体之间通过阳极绝缘块进行绝缘。

优选的，所述法兰安装板安装于复合熔覆头主体上，钨极保护帽、钨极对中块均与法兰安装板连接；

45度反射镜片右、屋脊镜片下、聚集镜片和保护镜片上均开有允许钨极穿过的中心孔。

优选的，所述送粉接口和送丝接口的数量均为多个，由多个送粉接口和多个送丝接口送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层。

本发明中水冷接口的数量也为多个。

优选的，所述光纤接口能够调整激光焦点的上下位置，其调节量程为正负15mm。

另一方面，本发明提供一种上述激光-等离子复合熔覆头的复合熔覆方法，在阳极喷嘴出口处环形光束和等离子束相互作用，通常单纯激光束辐照在金属粉体及基体表面上时，因为金属瞬间汽化蒸发在熔池上方，当金属蒸汽被激光击穿即产生激光等离子体，称作光致等离子体，而对激光束产生吸收、折射以及散射，降低了激光束能量的在熔化粉体及金属基体的方面的利用率。而当本发明的激光与等离子束共同作用于同一区域时，等离子束中密度较低的等离子体会稀释光致等离子体，减少光致等离子体对激光的阻碍作用，提高激光能量利用率。另外，在等离子束电磁收缩力的作用下，束柱中带电粒子倾向于朝束柱轴线方向移动，而激光作用在母材表面产生的热斑点会吸引束柱，使等离子束柱的方向性增强并提高其挺度。相对于单一激光热源熔覆区域较小，其与等离子束复合还扩大了热作用范围，能够熔化更多的金属，实现大的送粉量熔覆，获得更大的熔覆厚度和熔深，提高效率并减小变形；

熔化由多个送粉接口和多个送丝接口同步送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层，通过光纤接口调整激光焦点的上下位置，以调节等离子束和激光环形光束之间的包覆关系；

当激光焦点靠上时，在阳极喷嘴出口处的环形光束较小，此时呈现在工件的加工面上的情况为“束包光”，即等离子束包覆环形光束；当激光焦点靠下时，在阳极喷嘴出口处的环形光束较大，此时呈现在工件的加工面上的情况为“光包束”，即环形光束包覆等离子束。

优选的，复合熔覆头形成的激光与等离子复合的高能束，在熔覆时复合束流时具有等离子束包覆激光束的“束包光”、环形激光束包覆等离子的“光包束”两种形式，通过激光焦点位置调节“束包光”或“光包束”，通过阳极喷嘴的中心孔的直径调控等离子束的直径和能量密度，既可以形成激光束包覆等离子束的“光包束”，使得环状激光围绕在等离子束的周围，减少复合束中心至边缘的温度梯度，控制熔深的均匀性，又可以形成等离子包覆激光的“束包光”，使得等离子束围绕在激光束的周围，形成大的束斑，外围的等离子束起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能。其中，等离子束包覆激光束的“束包光”形式在实际熔覆过程中，一方面激光束在等离子束流作用下不断搅动熔池，打碎熔池的枝晶结构细化组织、均匀成分，又使气体上浮，减少气孔率；另一方面提高粉体的熔合性和表面质量，同时复合束流中外围的等离子束又起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能。

本发明未详尽之处均可参考现有技术。

本发明的有益效果为：

与现有的激光熔覆、等离子熔覆相比，本发明设计了激光束与等离子束同轴复合的束流进行熔覆，可以综合激光熔覆和等离子熔覆的优点，克服各自的局限。与现有的激光+等离子熔覆相比，不仅是同轴复合的，而且是同步送粉，通过调节激光焦点调节“束包光”、“光包束”两种形式。

本发明的高效率、高质量地熔覆强化是由于激光与等离子束复合，扩大了热作用范围，第一、能够熔化更多的金属粉体，实现大的送粉量熔覆，获得更大的熔覆厚度和熔深，提高效率；第二、能够形成的激光束包覆等离子束的“光包束”，使得环状激光围绕在等离子束的周围，减少复合束中心至边缘的温度梯度，控制熔深的均匀性，又可以形成等离子包覆激光的“束包光”，使得等离子束围绕在激光束的周围，形成大的束斑，外围的等离子束起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能。并且等离子束包覆激光束的“束包光”形式在实际熔覆过程中，一方面激光束在等离子束流作用下不断搅动熔池，打碎熔池的枝晶结构细化组织、均匀成分，又使气体上浮，减少气孔率，另一方面提高粉体的熔合性和表面质量，同时复合束流中外围的等离子束又起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，进一步降低了熔覆层的残余应力，有利于获得低应力、低缺陷、表面质量好的熔覆层。

本发明将激光熔覆的高精度与等离子熔覆的高效率相结合，在铜、铝、镁、钛等有色金属表面高效率、高质量地进行熔覆强化，获得冶金结合的、厚度为0.5-5mm的熔覆层。激光-等离子复合熔覆层的硬度为50～65HRC，可以根据需要获得耐蚀、耐磨、抗冲击、抗烧蚀等厚度可控、表面质量好、缺陷少的熔覆层，解决大量极端环境使用的有色金属件的表面防护难题。

本发明特备适合于大送粉量、大厚度熔覆时，提高粉体熔合性和表面质量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的激光-等离子复合熔覆头及“束包光”“光包束”示意图；

图2为等离子包覆激光的“束包光”复合束流熔池实时观测图；

图3为激光-等离子复合熔覆层剖面结构图；

图4为环形光经过屋脊镜片后分裂成两个半环光示意图；

图中，1、光纤接口，2、水冷接口，3、准直镜片，4、锥面镜片上，5、锥面镜片下，6、屋脊镜片上，7、45度反射镜片左，8、环形光束，9、送粉接口，10、阳极保护嘴，11、法兰安装板，12、钨极保护帽，13、钨极，14、钨极对中块，15、阴极水电缆接口，16、阴极绝缘块，17、45度反射镜片右，18、屋脊镜片下，19、聚集镜片，20、保护镜片，21、阳极绝缘块，22、中心离子气，23、送丝接口，24、阳极水电缆接口，25、阳极喷嘴，26、保护气，27、激光-等离子复合束，28、工件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1

一种激光-等离子复合熔覆头，如图1所示，光纤接口1、水冷接口2、准直镜片3、锥面镜片上4、锥面镜片下5、屋脊镜片上6、45度反射镜片左7、送粉接口9、阳极保护嘴10、法兰安装板11、钨极保护帽12、钨极13、钨极对中块14、阴极水电缆接口15、阴极绝缘块16、45度反射镜片右17、屋脊镜片下18、聚集镜片19、保护镜片20、阳极绝缘块21、中心离子气22、送丝接口23、阳极水电缆接口24、阳极喷嘴25和保护气26，保护气26一般采用惰性气体；

激光器通过光纤传出的发散光束从光纤接口1进入，经过准直镜片3变为平行光，然后经过锥面镜片上4和锥面镜片下5后发散成环形光；环形光先经过45度反射镜片左7，光路发生90度改变，之后经过屋脊镜片上6将环形光斑分裂成两个半环光，从而留有避开钨极13的间隙，两个半环光在经过45度反射镜片右17后光路再次发生90度改变，此时光路方向和钨极方向同轴线；两个半环光再次经过屋脊镜片下18后收缩成一个完整的环形光束8，实现了环形激光束和等离子束的同轴输出，最后经过聚集镜片19和保护镜片20将光束向阳极喷嘴出口处聚集；保护镜片的作用是防止熔覆过程的烟尘和飞溅向上返，污染和损坏上端的聚集镜片和准直镜片等镜片。

中心离子气22在阳极喷嘴25和钨极13之间电离产生维弧，之后转移到钨极和工件之间形成等离子弧，等离子弧通过阳极喷嘴的中心孔进行机械压缩，成为能量密度高的等离子束；

等离子弧在经过在阳极喷嘴中心孔时，因为中心孔的长度L与直径D之比L/D大于4，经过这个有水冷阳极喷嘴的通道(中心孔)时，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展，并且在一定压力和流量的氩气作用下，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流(离子和电子)往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。同时还有弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体。阳极喷嘴的中心孔的直径决定了等离子束的直径和能量密度，中心孔的直径越大，等离子束的直径越大，熔覆越宽，相应地能量密度降低。

钨极对中块14通过阴极水电缆接口15供电和冷却，作为产生等离子体的阴极，钨极保护帽12实现保护钨极和密封中心离子气的作用，防止离子气从顶端泄露；阳极喷嘴25通过阳极水电缆接口供电和冷却，作为产生等离子体的阳极，阳极喷嘴外部设置有阳极保护嘴10。

阴极水电缆接口和阳极水电缆接口作为激光-等离子复合熔覆头的连接件，发挥两个作用，一是实现正负极电的导入(正极电对应阳极水电缆接头，负极电对应阴极水电缆接头)，二是实现冷却水路的循环(进水和回水)。

阴极和复合熔覆头主体之间通过阴极绝缘块16进行绝缘；

阳极和复合熔覆头主体之间通过阳极绝缘块21进行绝缘。

法兰安装板11安装于复合熔覆头主体上，钨极保护帽12、钨极对中块14均与法兰安装板11连接；

45度反射镜片右17、屋脊镜片下18、聚集镜片19和保护镜片20上均开有允许钨极穿过的中心孔。

送粉接口9和送丝接口23的数量均为多个，由多个送粉接口和多个送丝接口送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层。

水冷接口的数量也为多个。

光纤接口1能够调整激光焦点的上下位置，其调节量程为正负15mm。

实施例2

一种激光-等离子复合熔覆头的复合熔覆方法，在阳极喷嘴25出口处环形光束和等离子束相互作用，形式激光-等离子复合束27，通常单纯激光束辐照在金属粉体及基体表面上时，因为金属瞬间汽化蒸发在熔池上方，当金属蒸汽被激光击穿即产生激光等离子体，称作光致等离子体，而对激光束产生吸收、折射以及散射，降低了激光束能量的在熔化粉体及金属基体的方面的利用率。而当本发明的激光与等离子束共同作用于同一区域时，等离子束中密度较低的等离子体会稀释光致等离子体，减少光致等离子体对激光的阻碍作用，提高激光能量利用率。另外，在等离子束电磁收缩力的作用下，束柱中带电粒子倾向于朝束柱轴线方向移动，而激光作用在母材表面产生的热斑点会吸引束柱，使等离子束柱的方向性增强并提高其挺度。相对于单一激光热源熔覆区域较小，其与等离子束复合还扩大了热作用范围，能够熔化更多的金属，实现大的送粉量熔覆，获得更大的熔覆厚度和熔深，提高效率并减小变形；

熔化由多个送粉接口和多个送丝接口同步送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层，通过光纤接口调整激光焦点的上下位置，以调节等离子束和激光环形光束之间的包覆关系；

当激光焦点靠上时，在阳极喷嘴出口处的环形光束较小，此时呈现在工件28的加工面上的情况为“束包光”，即等离子束包覆环形光束；当激光焦点靠下时，在阳极喷嘴25出口处的环形光束较大，此时呈现在工件28的加工面上的情况为“光包束”，即环形光束包覆等离子束。

复合熔覆头形成的激光与等离子复合的高能束，在熔覆时复合束流时具有等离子束包覆激光束的“束包光”、环形激光束包覆等离子的“光包束”两种形式，通过激光焦点位置调节“束包光”或“光包束”，通过阳极喷嘴的中心孔的直径调控等离子束的直径和能量密度，既可以形成激光束包覆等离子束的“光包束”，使得环状激光围绕在等离子束的周围，减少复合束中心至边缘的温度梯度，控制熔深的均匀性，又可以形成等离子包覆激光的“束包光”，使得等离子束围绕在激光束的周围，形成大的束斑，外围的等离子束起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能。其中，等离子束包覆激光束的“束包光”形式在实际熔覆过程中，如图2所示，一方面激光束在等离子束流作用下不断搅动熔池，打碎熔池的枝晶结构细化组织、均匀成分，又使气体上浮，减少气孔率；另一方面提高粉体的熔合性和表面质量，同时复合束流中外围的等离子束又起到了为激光束预热的作用，扩展了熔覆宽度，同时降低了熔覆层的残余应力，有利于提高熔覆层抗应力腐蚀性能，熔覆层剖面结构如图3所示，由图3可以看出，熔覆层底部宽度＞10mm，厚度＞2mm，比传统激光熔覆更宽，更厚，而熔覆深比单纯等离子熔覆更深。且上部轮廓连续光滑，说明粉体融合性好、表面质量好。本发明充分利用这两种热源的优点与两者间的交互作用，完美地解决了激光和等离子熔覆各自的局限性。

通过调控激光的功率和光斑直径(光斑直径通过调节焦点位置调控，当焦点处于工件表面时光斑直径最小，正负离焦时光斑发散变大)，等离子束流的电流、电压和束斑直径，熔覆速度、送粉率、搭接率(搭接率指两条熔覆带之间的重叠部分)，同时根据具体需要熔金属粉体、陶瓷相粉体，可以获得冶金结合的、厚度为0.5-5mm的熔覆层，硬度为50～65HRC的具有耐蚀、耐磨、抗冲击、抗烧蚀的厚度可控、表面质量好、缺陷少的熔覆层，解决大量极端环境使用的有色金属件的表面防护难题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，包括光纤接口、水冷接口、准直镜片、锥面镜片上、锥面镜片下、屋脊镜片上、45度反射镜片左、送粉接口、阳极保护嘴、法兰安装板、钨极保护帽、钨极、钨极对中块、阴极水电缆接口、阴极绝缘块、45度反射镜片右、屋脊镜片下、聚集镜片、保护镜片、阳极绝缘块、中心离子气、送丝接口、阳极水电缆接口、阳极喷嘴和保护气；

激光器通过光纤传出的发散光束从光纤接口进入，经过准直镜片变为平行光，然后经过锥面镜片上和锥面镜片下后发散成环形光；环形光先经过45度反射镜片左，光路发生90度改变，之后经过屋脊镜片上将环形光斑分裂成两个半环光，从而留有避开钨极的间隙，两个半环光在经过45度反射镜片右后光路再次发生90度改变，此时光路方向和钨极方向同轴线；两个半环光再次经过屋脊镜片下后收缩成一个完整的环形光束，最后经过聚集镜片和保护镜片将光束向阳极喷嘴出口处聚集；

中心离子气在阳极喷嘴和钨极之间电离产生维弧，之后转移到钨极和工件之间形成等离子弧，等离子弧通过阳极喷嘴的中心孔进行机械压缩，成为能量密度高的等离子束。

2.根据权利要求1所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，所述钨极对中块通过阴极水电缆接口供电和冷却，作为产生等离子体的阴极，钨极保护帽实现保护钨极和密封中心离子气的作用，防止离子气从顶端泄露；阳极喷嘴通过阳极水电缆接口供电和冷却，作为产生等离子体的阳极，阳极喷嘴外部设置有阳极保护嘴。

3.根据权利要求2所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，阴极和复合熔覆头主体之间通过阴极绝缘块进行绝缘；

阳极和复合熔覆头主体之间通过阳极绝缘块进行绝缘。

4.根据权利要求3所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，所述法兰安装板安装于复合熔覆头主体上，钨极保护帽、钨极对中块均与法兰安装板连接；

45度反射镜片右、屋脊镜片下、聚集镜片和保护镜片上均开有允许钨极穿过的中心孔。

5.根据权利要求4所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，阳极喷嘴的中心孔长度L与直径D之比L/D大于4。

6.根据权利要求5所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，所述送粉接口和送丝接口的数量均为多个，由多个送粉接口和多个送丝接口送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层。

7.根据权利要求6所述的激光-等离子复合熔覆头，其特征在于，所述光纤接口能够调整激光焦点的上下位置，其调节量程为正负15mm。

8.一种权利要求7所述的激光-等离子复合熔覆头的复合熔覆方法，其特征在于，在阳极喷嘴出口处环形光束和等离子束相互作用，熔化由多个送粉接口和多个送丝接口同步送出的粉末，形成光滑致密的熔覆层，通过光纤接口调整激光焦点的上下位置，以调节等离子束和激光环形光束之间的包覆关系；

当激光焦点靠上时，在阳极喷嘴出口处的环形光束较小，此时呈现在工件的加工面上的情况为“束包光”，即等离子束包覆环形光束；当激光焦点靠下时，在阳极喷嘴出口处的环形光束较大，此时呈现在工件的加工面上的情况为“光包束”，即环形光束包覆等离子束。

9.根据权利要求8所述的激光-等离子复合熔覆头的复合熔覆方法，其特征在于，复合熔覆头形成的激光与等离子复合的高能束，在熔覆时复合束流时具有等离子束包覆激光束的“束包光”、环形激光束包覆等离子的“光包束”两种形式，通过激光焦点位置调节“束包光”或“光包束”，通过阳极喷嘴的中心孔的直径调控等离子束的直径和能量密度。