CN207362334U - 一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于同轴送粉激光喷涂装置，尤其涉及一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置。主要包括激光腔管、喷嘴、活动挡料圈、至少一个送粉管以及至少一个高压气管；高压气体通过高压气管进入激光腔管内，以超高速度经过喷嘴与激光光束同轴输出，喷涂粉通过送粉管及空隙流出与激光同轴同向高速运动至基体表面。通过该送粉装置可实现喷涂粉以超高速度与激光同轴同向运动，有效解决传统送粉装置成本高、激光能量损耗大、设备使用工序繁琐等问题，进一步的解决了喷涂粉利用不充分，污染环境等问题，该装置也可应用在激光熔覆、金属3D打印。

Description

一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于同轴送粉激光喷涂装置，尤其涉及一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置。通过调整相关参数，该装置可用于激光喷涂、激光熔覆及金属3D打印。

背景技术

激光喷涂技术是利用激光将喷涂粉加热至融化或半融化状态，并以一定速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。激光热喷涂技术可在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到防腐、耐磨、抗高温、抗氧化、导电等一系列功能。超音速激光喷涂是在激光喷涂技术基础上，以压缩气体为加速介质，喷涂粉在压缩气体作用下以超高速度碰撞基体表面，基体表面与喷涂粉同时发生塑性变形，与此同时喷涂粉和基体在激光辐射作用下发生热软化，快速形成冶金结合的表面涂层。相较传统激光喷涂技术，高速激光喷涂冶金结合效率高、涂层致密度高以及喷涂粉与基体结合度强。

高速激光喷涂装备主要包括激光器、机械数控设备、送粉装置、水冷机、高压气体发生器五个部分，其中送粉装置控制喷涂粉流量、运动路径及速度，是整套装备的核心部件。传统送粉装置采用拉瓦尔喷嘴进行气体粉末混合加速，加速后的喷涂粉飞出喷嘴至基体表面。传统送粉装置与激光头采用分离式或一体式两种结构。图1为传统分离式送粉装置，包括拉瓦尔喷嘴11，基体12及激光头13。图2为传统一体式送粉装置，包括激光头21，基体22，拉瓦尔喷嘴23，其中1个或多个喷嘴可周向均匀或不均匀围绕激光头排布。传统送粉装置在实际应用中，存在以下问题：(1)喷嘴内部高速流动的喷涂粉与喷嘴内壁发生摩擦，长期使用造成喷嘴内部磨损严重，需定期更换喷嘴，成本较高；(2)出光前需调整确认激光头与拉瓦尔喷嘴的相对位置，确保激光光斑完全覆盖喷涂粉在基体表面的粉斑，调试流程繁琐，时间成本高，不适宜工业加工中应用；(3)喷涂粉以一定角度碰撞基材表面，碰撞瞬间部分金属粉溢出粉斑区，造成喷涂粉利用率低且对加工周边环境造成污染，严重时影响设备操作人员健康；(4)激光与多束金属粉交汇在基体表面，受金属粉厚度影响，激光能量不能完全充分吸收，激光能量损失较多，整机效率偏低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，通过该送粉装置可实现喷涂粉以超高速度与激光同轴同向运动，有效解决传统送粉装置成本高、激光能量损耗大、设备使用工序繁琐等问题，进一步的解决了喷涂粉利用不充分，污染环境等问题，该装置也可应用在激光熔覆、金属3D打印。

本实用新型的技术解决方案是提供一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特殊之处在于：包括激光腔管1、喷嘴2、活动挡料圈4、至少一个送粉管3以及至少一个高压气管5；

上述激光腔管1分为三段，沿激光入射方向依次分别为激光入射段、中间段及激光出射段；

上述高压气管5与激光腔管1内腔连通；

上述喷嘴2为拉瓦尔喷嘴或类拉瓦尔喷嘴，喷嘴2内嵌于激光腔管1的内壁；

上述送粉管3设置于激光腔管1的管壁上，送粉管3与激光腔管1轴向中心轴之间的夹角大于0小于90度；

上述活动挡料圈4可拆卸连接在激光腔管1中间段的端面，活动挡料圈4与激光腔管1激光出射段的外壁之间具有第一环形类锥状或锥状空隙8，上述第一环形类锥状或锥状空隙8的大小能够通过调节活动挡料圈4的位置进行调节，从而控制喷涂粉流量；上述第一环形类锥状或锥状空隙8与送粉管3相通；

激光腔管1、喷嘴2以及活动挡料圈4三者同轴；

高压气体通过高压气管5进入激光腔管1内，以超高速度经过喷嘴2与激光光束同轴输出，喷涂粉通过送粉管3及空隙流出与激光同轴同向高速运动至基体表面。

优选地，上述类拉瓦尔喷嘴分为三部分，依次分别为入口段、喉部及出口段，入口段的尺寸从入口端逐渐减小至喉部与喉部连接；出口段与喉部连接，出口段的尺寸从与喉部的连接部至出口端尺寸逐渐增大。即本实用新型的喷嘴不限于常规的拉瓦尔喷嘴。

优选地，上述喷嘴的喉部的面积大于该处激光光束的横截面；第一环形类锥状空隙靠近锥底的间隙大于靠近锥顶的间隙，送粉管3的出口端与锥底间隙连通。

优选地，上述送粉管3沿激光腔管1中间段周向均匀分布。

优选地，本实用新型装置还包括保护气嘴6，上述保护气嘴6可拆卸连接在激光腔管1管壁上，使得活动挡料圈4位于保护气嘴6与激光腔管1之间；保护气嘴6上设置有保护气管7，保护气嘴6与活动挡料圈4之间具有第二环形锥状空隙9，上述第二环形锥状空隙9与保护气管7相通，上述第二环形锥状空隙9的大小能够通过调节保护气嘴6与激光腔管及活动挡料圈4的位置进行调节，从而控制保护气体气压流经时气压。

优选地，上述保护气嘴6与激光腔管1同轴。

优选地，激光腔管1中间段的端面为阶梯状，上述活动挡料圈4与低阶平面配合，且与低阶平面螺纹连接；保护气嘴6与高阶平面螺纹连接。

优选地，上述保护气管7沿保护气嘴6周向均匀分布。

优选地，激光腔管1的中间段的内径与激光入射段的内径相同，中间段的外径大于激光入射段的外径；激光腔管1激光出射段的外径小于中间段的外径大于中间段的内径，且激光输出段的外径逐渐减小至与其内径相等；

上述送粉管3位于激光腔管1中间段的管壁中；

上述喷嘴2内嵌于激光腔管1中间段及激光出射段的内壁。

本实用新型还提供一种上述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置在激光熔覆、激光喷涂及金属3D打印中的应用。

本实用新型的有益效果是：

1、高压气体通过喷嘴加速喷出后，在送粉器外部加速喷涂粉，避免高速流动的喷涂粉对送粉器部件造成磨损；

2、喷涂粉经送粉通道流出，受高速气流作用，实现激光同轴同向运动，操作人员在使用设备时无需对设备进行校正调节，操作省时便捷；

3、喷涂粉在碰撞基体前受激光辐射，吸收光能量软化或者熔融，激光能量利用充分，效率高；

4、受高压气流与保护气作用，喷涂粉在软化状态以垂直角度撞击基体表面并与基体表面快速结合，无粉末溢溅，利用率高，对周边环境无污染；

5、本实用新型通过部件之间螺纹紧合度的调节可控制喷涂粉流量及保护气气压，灵活便捷，实用性强，可在工业应用中推广；

6、通过调整气压和送粉量，该装置可用于激光熔覆和金属3D打印。

附图说明

图1为传统分离式送粉装置结构示意图，图中，11-拉瓦尔喷嘴，12-基体，13-激光头；

图2为传统一体式送粉装置结构示意图，图中，21-激光头，22-基体，23-拉瓦尔喷嘴或类拉瓦尔喷嘴；

图3为实施例的结构示意图，图中，1-激光腔管，2-喷嘴，3-送粉管，4-活动挡料圈，5-高压气管，6-保护气嘴，7-保护气管，8-第一环形类锥状或锥状空隙，9-第二环形锥状空隙；

图4为本实用新型工作原理示意图，图中，101-高压气流，102-激光光束，201-喷涂粉，301-保护气流，4-基体，5-喷涂层。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的描述。

从图3可以看出，本实施例多功能高速激光喷涂同轴送粉装置包括激光腔管1、喷嘴2、送粉管3、活动挡料圈4、高压气管5、保护气嘴6及保护气管7；其中激光腔管1、喷嘴2、活动挡料圈4及保护气嘴6同轴。

可以将激光腔管1划分为三段，沿激光出射方向依次为激光入射段、中间段及激光出射段，其中中间段的内径与激光入射段的内径相同，中间段的外径大于激光入射段的外径；激光出射段的外径小于中间段的外径大于中间段的内径，且其外径逐渐减小至与其内径相等；

高压气管5位于激光腔管上部位置，在该实例中高压气管5为2个，周向间隔180°位于激光腔管1上部位置并与激光腔管1的内腔连通；

喷嘴2为拉瓦尔喷嘴或类拉瓦尔喷嘴，本实例中喷嘴2为拉瓦尔喷嘴，内嵌于激光腔管1激光出射端的内壁；此处出射端可以理解为中间段与激光出射段；喷嘴2收缩段的喉部位置形状为圆形且喉部面积大于该处激光光束横截面；在其他实施例中喉部形状可以为方向或其他任意形状；喷嘴2的实际内孔壁是一定形状的曲面，如喇叭状，而非图3所示的直线段；高压气体通过高压气管5进入到激光腔管1内，以较高速度经过喷嘴2加速喷出；

送粉管3位于激光腔管1管壁上，在该实施例中送粉管3为2个，周向间隔180°位于激光腔管1中间段的管壁的两侧位置上，且与激光腔管1轴向中心轴之间的夹角大于0小于90°；在其他实施例中送粉管3可以为多个；

激光腔管1中间段的端面(该端面是指靠近激光出射段的端面)为阶梯状，活动挡料圈4与低阶平面配合，且与低阶平面螺纹连接；保护气嘴6与高阶平面螺纹连接。在其他实施例中也可以是其他任意的可拆卸连接方式，如卡接等；活动挡料圈4位于保护气嘴6与激光腔管1之间；保护气管7设置于保护气嘴6上，该实施例中保护气管7为2个，且周向间隔180°位于保护气嘴6上；活动挡料圈4与激光腔管1激光出射段之间存在第一环形类锥状或锥状空隙8，类锥状空隙靠近锥底的间隙大于靠近锥顶的间隙(在其他实施例中也可以是环形锥状空隙)，送粉管3的出口端与锥底间隙连通。通过调节活动挡料圈4与激光腔管1的螺纹紧合度，调节第一环形类锥状或锥状空隙8的大小，从而控制喷涂粉流量；保护气嘴6与活动挡料圈4之间具有第二环形锥状空隙9，该空隙与保护气管7相通；通过调节保护气嘴6与活动挡料圈4及激光腔管1的螺纹紧合度，调节第二环形锥状空隙9的大小，从而控制保护气体气压；

高压气体通过高压气管5进入到激光腔管1内，以超音速经过拉瓦尔喷嘴2加速与激光光束同轴输出，喷涂粉通过送粉管3及空隙流出与激光同轴同向高速运动至基体表面。

结合附图4对本实用新型工作原理进一步阐述，高压气流101经激光腔管1内的拉瓦尔喷嘴2与激光光束102同轴输出。喷涂粉201通过送粉管3及空隙流出，受高压气流101的影响和加速，喷涂粉201与激光同轴同向高速运动至基体4表面，喷涂粉在碰撞基体前经激光辐射吸收能量，喷涂颗粒发生软化，与同样受激光辐射的基体表面快速结合，在基体表面沉积，形成紧密的喷涂层5。保护气体301在喷涂喷运动路径外侧形成一圈保护气帘，进一步防止喷涂粉末发生外溅。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：包括激光腔管(1)、喷嘴(2)、活动挡料圈(4)、至少一个送粉管(3)以及至少一个高压气管(5)；

所述激光腔管(1)分为三段，沿激光入射方向依次分别为激光入射段、中间段及激光出射段；

所述高压气管(5)与激光腔管(1)内腔连通；

所述喷嘴(2)为拉瓦尔喷嘴或类拉瓦尔喷嘴，喷嘴(2)内嵌于激光腔管(1)的内壁；

所述送粉管(3)设置于激光腔管(1)的管壁上，送粉管(3)与激光腔管(1)轴向中心轴之间的夹角大于0小于90度；

所述活动挡料圈(4)可拆卸连接在激光腔管(1)中间段的端面，活动挡料圈(4)与激光腔管(1)激光出射段的外壁之间具有第一环形类锥状或锥状空隙(8)，所述第一环形类锥状或锥状空隙(8)的大小能够通过调节活动挡料圈(4)的位置进行调节；所述第一环形类锥状或锥状空隙(8)与送粉管(3)相通；

激光腔管(1)、喷嘴(2)以及活动挡料圈(4)三者同轴；

高压气体通过高压气管(5)进入激光腔管(1)内，以超高速度经过喷嘴(2)与激光光束同轴输出，喷涂粉通过送粉管(3)及空隙流出与激光同轴同向高速运动至基体表面。

2.根据权利要求1所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：所述类拉瓦尔喷嘴分为三部分，依次分别为入口段、喉部及出口段，入口段的尺寸从入口端逐渐减小至喉部与喉部连接；出口段与喉部连接，出口段的尺寸从连接部至出口端尺寸逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：所述喷嘴的喉部的面积大于该处激光光束的横截面；第一环形类锥状空隙靠近锥底的间隙大于靠近锥顶的间隙，送粉管(3)的出口端与锥底间隙连通。

4.根据权利要求1-3任一所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：所述送粉管(3)沿激光腔管(1)中间段周向均匀分布。

5.根据权利要求4所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：还包括保护气嘴(6)，所述保护气嘴(6)可拆卸连接在激光腔管(1)管壁上，使得活动挡料圈(4)位于保护气嘴(6)与激光腔管(1)之间；保护气嘴(6)上设置有保护气管(7)，保护气嘴(6)与活动挡料圈(4)之间具有第二环形锥状空隙(9)，所述第二环形锥状空隙(9)与保护气管(7)相通，所述第二环形锥状空隙(9)的大小能够通过调节保护气嘴(6)与激光腔管及活动挡料圈(4)的位置进行调节。

6.根据权利要求5所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：所述保护气嘴(6)与激光腔管(1)同轴。

7.根据权利要求6所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：激光腔管(1)中间段的端面为阶梯状，所述活动挡料圈(4)与低阶平面配合，且与低阶平面螺纹连接；保护气嘴(6)与高阶平面螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：所述保护气管(7)沿保护气嘴(6)周向均匀分布。

9.根据权利要求4所述的多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特征在于：激光腔管(1)的中间段的内径与激光入射段的内径相同，中间段的外径大于激光入射段的外径；激光腔管(1)激光出射段的外径小于中间段的外径大于中间段的内径，且激光输出段的外径逐渐减小至与其内径相等；

所述送粉管(3)位于激光腔管(1)中间段的管壁中；

所述喷嘴(2)内嵌于激光腔管(1)中间段及激光出射段的内壁。