CN205839130U - 一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头 - Google Patents

Abstract

一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，其激光反射镜安装架顶部设有激光入射口，棱锥形激光反射镜位于激光入射口正下方，弧面激光反射镜设置在棱锥形激光反射镜斜上方，喷嘴位于激光反射镜安装架正下方；喷嘴底部中心为喷粉口，喷粉口依次通过降压腔及喷粉通道连通有载气粉末输送管；喷粉口周向的喷嘴上依次开设有圆环形凹槽喷气口和环锥形凹槽喷气口，两者通过保护气进气通道与惰性气体气源相连通，通过两喷气口喷出惰性气体分别形成圆柱形保护气气柱和锥柱形保护气气柱；激光光束过激光入射口射向棱锥形激光反射镜，经棱锥形激光反射镜反射至弧面激光反射镜，再经弧面激光反射镜进行反射聚焦，且激光焦点位于喷粉口正下方。

Description

一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头

技术领域

本实用新型属于激光沉积修复技术领域，特别是涉及一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头。

背景技术

激光沉积修复技术(Laser Deposition Repair，简称LDR)，利用激光使熔覆材料与待修复零件基体形成冶金结合，以实现零件几何尺寸的修复以及零件组织性能的优化。

激光沉积修复技术的原理为：首先将待修复零件的损伤部位设为待修复区域，再在待修复区域逐层堆积合金粉末，通过高功率激光对合金粉末进行原位熔化，并使熔融状态的合金粉末快速凝固并逐层沉积成三维实体，在不破坏零件本体性能的前提下，恢复零件的几何性能和力学性能，使零件重新达到使用要求。

对于具有复杂形状的零件来说，当零件出现服役损伤、加工失误损伤或制造缺陷时，为了挽救零件防止其报废，可以通过激光沉积修复技术实现零件的修复，而在航空航天领域内，被越来越频繁的用于钛合金零件的快速修复。

对于钛合金，其具有比强度高、耐腐蚀性号、耐热性高及生物活性良好等特点，近年来已被广泛应用与航空航天领域，特别是利用激光沉积修复技术来修复钛合金零件。在钛合金零件修复过程中，由于钛合金粉末在熔融状态下具有高氧化和氮化倾向，因此必须进行有效的防氧化保护，而防氧化保护又是保证钛合金零件性能的关键。

为了改善钛合金零件在修复过程中的沉积效果，以提高沉积质量，所采用的防氧化保护手段通常体现为一个密闭气氛保护箱体，在密闭气氛保护箱体内充满有惰性气体，而钛合金零件被放置于密闭气氛保护箱体内。

为了满足钛合金零件修复过程中的气氛保护环境要求，首先利用真空泵对密闭气氛保护箱体内部进行抽真空操作，然后再向密闭气氛保护箱体内充入惰性气体，且抽真空过程和充入惰性气体过程需要往复进行多次，直到密闭气氛保护箱体内的气氛保护环境达到要求，之后方可开始钛合金零件的修复过程。

但是，采用现有的密闭气氛保护箱体后，仅单次抽真空过程就需要花费大量的抽气时间，而且在之后的抽真空过程中，更需要将整箱的惰性气体完全抽排掉，在经过了多次的抽气和充气过程后，惰性气体的消耗量是非常之高的，这显著了增加钛合金零件的修复成本。再有，现有的密闭气氛保护箱体受到自身尺寸的限制，对于已经超过其适用尺寸范围的钛合金零件将无能为力，只能被迫更换具有更大尺寸的密闭气氛保护箱体，这直接导致了设备成本的增加。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，能够通过激光头自主提供气氛保护环境，无需额外准备密闭气氛保护箱体，有效节省了设备成本；通过省去密闭气氛保护箱体，使抽气和充气过程也被完全省去，极大节省了零件整体修复时间，有效提高了单位时间内的工作效率；通过省去密闭气氛保护箱体，使箱体自身结构尺寸带来的限制得以完全消除，能够完全不受零件尺寸及形状的限制，有效扩大了零件尺寸的适用范围。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，包括激光反射镜安装架、喷嘴、棱锥形激光反射镜及弧面激光反射镜；所述激光反射镜安装架顶部设有激光入射口，所述棱锥形激光反射镜设置在激光入射口正下方的激光反射镜安装架上，所述弧面激光反射镜设置在棱锥形激光反射镜斜上方的激光反射镜安装架上，且棱锥形激光反射镜的反射面与弧面激光反射镜的反射面相对应；所述喷嘴固定设置在激光反射镜安装架正下方；

在所述喷嘴内部分别设置有喷粉通道和第一保护气进气通道，喷嘴的底部中心为喷粉口，喷粉口通过喷粉通道连通有载气粉末输送管；在所述喷粉口周向的喷嘴上开设有圆环形凹槽喷气口，圆环形凹槽喷气口通过第一保护气进气通道与惰性气体气源相连通，通过圆环形凹槽喷气口喷出惰性气体形成圆柱形保护气气柱；

激光光束通过激光入射口射向棱锥形激光反射镜，经棱锥形激光反射镜反射至弧面激光反射镜，再经弧面激光反射镜进行反射聚焦，且激光焦点位于喷粉口正下方。

在所述圆环形凹槽喷气口周向的喷嘴上开设有环锥形凹槽喷气口，在喷嘴内部设置有第二保护气进气通道，所述环锥形凹槽喷气口通过第二保护气进气通道与惰性气体气源相连通，通过环锥形凹槽喷气口喷出惰性气体形成锥柱形保护气气柱。

在所述喷粉口与喷粉通道之间增设有降压腔。

所述棱锥形激光反射镜的反射面数量与弧面激光反射镜数量相同。

本实用新型的有益效果：

本实用新型与传统激光头相比，能够通过激光头自主提供气氛保护环境，在零件修复过程中，无需额外准备密闭气氛保护箱体，有效节省了设备成本。

当应用了本实用新型的气氛自保护激光头后，由于省去了密闭气氛保护箱体，使原来的抽气和充气过程也被完全省去了，极大节省了零件整体修复时间，有效提高了单位时间内的工作效率。

当应用了本实用新型的气氛自保护激光头后，由于省去了密闭气氛保护箱体，使原本的箱体自身结构尺寸带来的限制得以完全消除，在零件修复过程中，能够完全不受零件尺寸及形状的限制，有效扩大了零件尺寸的适用范围。

附图说明

图1为本实用新型的一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头结构示意图；

图中，1—激光反射镜安装架，2—喷嘴，3—棱锥形激光反射镜，4—弧面激光反射镜，5—激光入射口，6—喷粉口，7—喷粉通道，8—第一保护气进气通道，9—载气粉末输送管，10—圆环形凹槽喷气口，11—圆柱形保护气气柱，12—激光光束，13—激光焦点，14—环锥形凹槽喷气口，15—锥柱形保护气气柱，16—降压腔，17—第二保护气进气通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，包括激光反射镜安装架1、喷嘴2、棱锥形激光反射镜3及弧面激光反射镜4；所述激光反射镜安装架1顶部设有激光入射口5，所述棱锥形激光反射镜3设置在激光入射口5正下方的激光反射镜安装架1上，所述弧面激光反射镜4设置在棱锥形激光反射镜3斜上方的激光反射镜安装架1上，且棱锥形激光反射镜3的反射面与弧面激光反射镜4的反射面相对应；所述喷嘴2固定设置在激光反射镜安装架1正下方；

在所述喷嘴2内部分别设置有喷粉通道7和第一保护气进气通道8，喷嘴2的底部中心为喷粉口6，喷粉口6通过喷粉通道7连通有载气粉末输送管9；在所述喷粉口6周向的喷嘴2上开设有圆环形凹槽喷气口10，圆环形凹槽喷气口10通过第一保护气进气通道8与惰性气体气源相连通，通过圆环形凹槽喷气口10喷出惰性气体形成圆柱形保护气气柱11；

激光光束12通过激光入射口5射向棱锥形激光反射镜3，经棱锥形激光反射镜3反射至弧面激光反射镜4，再经弧面激光反射镜4进行反射聚焦，且激光焦点13位于喷粉口6正下方。

在所述圆环形凹槽喷气口10周向的喷嘴2上开设有环锥形凹槽喷气口14，在喷嘴2内部设置有第二保护气进气通道17，所述环锥形凹槽喷气口14通过第二保护气进气通道17与惰性气体气源相连通，通过环锥形凹槽喷气口14喷出惰性气体形成锥柱形保护气气柱15。

在所述喷粉口6与喷粉通道7之间增设有降压腔16。

所述棱锥形激光反射镜3的反射面数量与弧面激光反射镜4数量相同。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

本实施例中应用的激光沉积修复设备由激光器、送粉器、三维运动平台及控制系统组成，激光器安装在三维运动平台的横梁上，本实用新型的气氛自保护激光头安装在激光器正下方，激光器发出的激光光束能够直接通过激光入射口5射向棱锥形激光反射镜3。

本实施例中的棱锥形激光反射镜3采用四棱锥结构，即棱锥形激光反射镜3具有四个反射面，同时弧面激光反射镜4也设置有四个，可产生四条独立的激光光束12，四条激光光束12在激光焦点13处汇集。

在钛合金零件修复前，首先启动送粉器，送粉器将混合了惰性气体的钛合金粉末通过载气粉末输送管9送至喷嘴2内部的降压腔16中，钛合金粉末在自身重力以及降压后的惰性气体推力下从喷粉口6喷出，惰性气体在喷出的同时将钛合金粉末周围空气吹散并形成第一道气氛保护。

开启惰性气体气源，首先控制惰性气体进入第一保护气进气通道8中，直到惰性气体通过圆环形凹槽喷气口10喷出而形成圆柱形保护气气柱11，通过圆柱形保护气气柱11对零件待修复处进行气氛保护，同时形成了第二道气氛保护，在圆柱形保护气气柱11的气氛保护作用下还可以对钛合金粉末喷流产生一定的约束，同时改善钛合金粉末喷流的汇聚性。

然后控制惰性气体进入第二保护气进气通道17中，直到惰性气体通过环锥形凹槽喷气口14喷出而形成锥柱形保护气气柱15，通过锥柱形保护气气柱15进一步加强对零件待修复处的气氛保护，同时形成了第三道气氛保护，而锥柱形保护气气柱15与零件基体表面接触时会形成一个向外的扩散气流，当修复过程中激光头移动时，通过锥柱形保护气气柱15可以对其周围空气产生驱赶作用。

开始钛合金零件的修复过程，首先启动激光器，由激光器发出一束激光，初始激光光束首先通过激光入射口5射向棱锥形激光反射镜3，经棱锥形激光反射镜3反射出条四条激光光束12，四条激光光束12分别射向四个弧面激光反射镜4，再经弧面激光反射镜4进行反射聚焦，并最终使四条激光光束12在激光焦点13处汇集，通过汇集后的激光光束12熔化钛合金粉末，并使熔融状态的钛合金粉末快速凝固并逐层沉积成三维实体。

当钛合金零件修复处完成最后一层沉积时，首先关闭激光器，然后关闭送粉器，并使惰性气体气源持续供气一段时间，直到零件修复处冷却后，先关掉內侧的圆柱形保护气气柱11，再关掉外侧的锥柱形保护气气柱15，此时钛合金零件的修复工作全部完成。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，其特征在于：包括激光反射镜安装架、喷嘴、棱锥形激光反射镜及弧面激光反射镜；所述激光反射镜安装架顶部设有激光入射口，所述棱锥形激光反射镜设置在激光入射口正下方的激光反射镜安装架上，所述弧面激光反射镜设置在棱锥形激光反射镜斜上方的激光反射镜安装架上，且棱锥形激光反射镜的反射面与弧面激光反射镜的反射面相对应；所述喷嘴固定设置在激光反射镜安装架正下方；

在所述喷嘴内部分别设置有喷粉通道和第一保护气进气通道，喷嘴的底部中心为喷粉口，喷粉口通过喷粉通道连通有载气粉末输送管；在所述喷粉口周向的喷嘴上开设有圆环形凹槽喷气口，圆环形凹槽喷气口通过第一保护气进气通道与惰性气体气源相连通，通过圆环形凹槽喷气口喷出惰性气体形成圆柱形保护气气柱；

激光光束通过激光入射口射向棱锥形激光反射镜，经棱锥形激光反射镜反射至弧面激光反射镜，再经弧面激光反射镜进行反射聚焦，且激光焦点位于喷粉口正下方。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，其特征在于：在所述圆环形凹槽喷气口周向的喷嘴上开设有环锥形凹槽喷气口，在喷嘴内部设置有第二保护气进气通道，所述环锥形凹槽喷气口通过第二保护气进气通道与惰性气体气源相连通，通过环锥形凹槽喷气口喷出惰性气体形成锥柱形保护气气柱。

3.根据权利要求1所述的一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，其特征在于：在所述喷粉口与喷粉通道之间增设有降压腔。

4.根据权利要求1所述的一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头，其特征在于：所述棱锥形激光反射镜的反射面数量与弧面激光反射镜数量相同。