CN211445900U - 圆筒内壁激光熔覆头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种圆筒内壁激光熔覆头，包括用于接收激光束射入的光纤激光光缆以及沿着激光束传输方向依次设置的准直透镜模块、传输模块、聚焦透镜模块、窗口保护镜模块、转接模块以及反射镜模块。所述反射镜模块的下部还设置有一横向气帘模块，所述横向气帘模块的一侧设置有导风筒；所述横向气帘模块一侧还配置有旁轴送粉模块，经过该旁轴送粉模块使粉末形成粉末束，该粉末束与经反射镜模块反射的激光束共同汇聚于圆筒形零件的内壁的一点，对零件内壁表面进行激光熔覆加工。本实用新型能够实现小直径、长筒类结构件的内壁激光熔覆，适合于石油、冶金行业的管道类零件的内壁表面熔覆工艺加工强化。

Description

圆筒内壁激光熔覆头

技术领域

本实用新型涉及增材制造装备技术领域，尤其是激光熔覆头，具体而言涉及一种圆筒内壁激光熔覆头。

背景技术

激光熔覆是一种新型的表面强化技术，它通过在基材表面添加熔覆粉末，并利用高能密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的熔覆层。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆成型工艺具有热输入小、稀释率小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，广泛的应用于石油、冶金、电力等工业领域。目前，激光熔覆主要应用在轴类转动件、冶金轧辊、叶片等表面修复，例如熔覆成型耐腐蚀、耐冲击、耐磨涂层等，当前的商用激光熔覆加工头也是基于上述应用而设计的。而管道类结构件在强腐蚀性流体的作用下，管道的使用寿命大大缩短，需要对对管道类结构件的内表面进行涂层处理，而现有的商用激光熔覆加工头无法实现小直径圆通内壁的激光熔覆。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种圆筒内壁激光熔覆头，能够实现小直径、长筒类结构件的内壁激光熔覆，特别适合于石油、冶金行业的管道类零件的内壁加工强化。

为实现上述目的，本实用新型提出一种圆筒内壁激光熔覆头，包括用于接收激光束射入的光纤激光光缆，以及沿着激光束传输方向依次设置的准直透镜模块、传输模块、聚焦透镜模块、窗口保护镜模块、转接模块以及反射镜模块，其中：

准直透镜模块的外部固定到一连接法兰上，通过连接法兰将激光熔覆头安装到机器人上，通过机器人的旋转改变激光熔覆头角度；

所述入射的激光束依次经过准直透镜模块、传输模块、聚焦透镜模块、窗口保护镜模块、转接模块和反射镜模块，由反射镜模块改变光路将激光束反转90度反射到圆筒形零件的内壁；

所述反射镜模块的下部还设置有一横向气帘模块，所述横向气帘模块的一侧设置有导风筒，导风筒与所述传输模块横向固定连接并通过其狭窄缝隙出口喷出高压压缩空气，形成一道高速、高压的横向气帘，通过导风筒将横向气帘所喷出的压缩空气导出；

所述横向气帘模块一侧还配置有旁轴送粉模块，经过该旁轴送粉模块使粉末形成粉末束，该粉末束与经反射镜模块反射的激光束共同汇聚于圆筒形零件的内壁的一点，对零件内壁表面进行激光熔覆加工。

进一步地，由激光器发射的带有一定发散角的激光束经过准直透镜模块变为平行光，平行光通过传输模块传输到聚焦透镜模块，传输模块的长度L决定熔覆头能够熔覆的管道类零件的最深距离；聚焦透镜模块将平行光束重新汇聚，经过窗口保护镜模块到达转接模块，其中转接模块的长度 D决定光路偏折后焦点的位置，从而决定熔覆头所能够进行熔覆的最小内壁直径，最后经过反射镜模块改变光路，反射到零件内壁表面进行熔覆加工。

进一步地，所述反射镜模块采用铜反射镜片。

进一步地，所述准直透镜模块包括弯月透镜和双凸透镜，激光器发射的激光束依次经过弯月透镜和双凸透镜使激光束为平行光。

进一步地，所述聚焦透镜模块包括平凸透镜。

进一步地，所述光纤激光光缆的一端插接到激光器上，另一端通过螺纹连接到一光纤水冷模块上，光纤水冷模块设置在光纤激光光缆与准直透镜模块之间。

进一步地，所述准直透镜模块与所述光纤水冷模块之间、所述传输模块与所述准直透镜模块之间、所述聚焦透镜模块与所述传输模块之间以及所述窗口保护镜模块与所述聚焦透镜模块之间均通过直口结构连接。

进一步地，所述准直透镜模块、聚焦透镜模块以及反射镜模块内均设有水冷腔体。

采用以上技术方案，通过将连接法兰连接到机器人的法兰盘上，通过机器人的旋转来改变激光头发射激光的角度，激光头发射带有一定发散角的激光经过准直透镜模块形成平行光，平行光再经过聚焦透镜模块重新聚焦，然后通过一块反射镜模块来改变光路，形成垂直光路，整体采用模块化设计。

所述反射镜模块下部设置有与高压压缩空气连接的横向气帘模块，横向气帘模块与高压压缩空气相连接，通过其狭窄缝隙出口喷出，形成一道高速、高压横向气帘，吹走在激光熔覆过程中产生的大量烟雾、飞溅。由于圆筒管道结构内部空间狭小，如果压缩空气自由喷出会严重的影响激光熔覆过程的工艺稳定性，本实用新型通过导风筒将横向气帘模块所喷出的压缩空气导出，这样既可保护保护镜片的安全，又可以保证熔覆工艺的稳定性。

为实现内壁的熔覆过程，配置旁轴送粉模块，粉末由载气式送粉器送出，通过该旁轴送粉模块，经过送粉喷嘴形成粉末束，粉末束与激光束共同汇聚于一点，实现激光熔覆过程。

进一步地，所述准直透镜模块与所述光纤水冷模块通过螺钉连接，所述传输模块与所述准直透镜模块通过螺钉连接，所述聚焦透镜模块与所述传输模块通过螺钉连接，所述窗口保护镜模块与所述聚焦透镜模块通过螺钉连接，所述转接模块与所述聚焦透镜模块通过螺钉连接，所述反射模块与所述转接模块通过螺钉连接。

作为优选，所述激光头发射的激光光源为CO2激光、光纤激光、YAG 激光或半导体激光。

作为优选，所述聚焦透镜模块为平凸透镜。

综上，本实用新型的圆筒内壁激光熔覆头的有益效果在于：

1、可实现小直径、长筒类结构件的内壁激光熔覆，提高管道类零部件的使用寿命；

2、可以改变管道类部件的制造工艺，采用廉价材料制作基体，然后在其内壁表面熔覆一层耐腐蚀合金成，从而大大降低制造成本。

应当理解，前述构思及下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型的圆筒内壁激光熔覆头主视图；

图2是图1的圆筒内壁激光熔覆头的左视图；

图3是本实用新型的圆筒内壁激光熔覆头的光路图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-3所示，根据本实用新型示例的一种圆筒内壁激光熔覆头，包括用于接收激光束射入的光纤激光光缆2，以及沿着激光束传输方向依次设置的准直透镜模块4、传输模块5、聚焦透镜模块6、窗口保护镜模块7、转接模块8以及反射镜模块9。

准直透镜模块4的外部固定到一连接法兰1上，通过连接法兰1将激光熔覆头安装到机器人上，通过机器人的旋转改变激光熔覆头角度。

结合图1、3，入射的激光束依次经过准直透镜模块4、传输模块5、聚焦透镜模块6、窗口保护镜模块7、转接模块8和反射镜模块9，由反射镜模块9改变光路将激光束反转90度反射到圆筒形零件的内壁上。

结合图1，反射镜模块9的下部还设置有一横向气帘模块11，横向气帘模块11的一侧设置有导风筒10，导风筒10与传输模块横向固定连接并通过其狭窄缝隙出口喷出高压压缩空气，形成一道高速、高压的横向气帘，由于圆筒管道结构内部空间狭小，如果压缩空气自由喷出会严重的影响激光熔覆过程的工艺稳定性，本实用新型通过导风筒将横向气帘所喷出的压缩空气导出，吹走在激光熔覆过程中产生的大量烟雾、飞溅。如此，既可保护保护镜片的安全，又可以保证熔覆工艺的稳定性。

横向气帘模块11一侧还配置有旁轴送粉模块12，经过该旁轴送粉模块12使粉末形成粉末束，该粉末束与经反射镜模块反射的激光束共同汇聚于圆筒形零件的内壁的一点，对零件内壁表面进行激光熔覆加工。

结合图3，由激光器发射的带有一定发散角的激光束经过准直透镜模块变为平行光，平行光通过传输模块传输到聚焦透镜模块，传输模块的长度L决定熔覆头能够熔覆的管道类零件的最深距离(可根据实际情况确定)；聚焦透镜模块将平行光束重新汇聚，经过窗口保护镜模块到达转接模块，其中转接模块的长度D决定光路偏折后焦点的位置，从而决定熔覆头所能够进行熔覆的最小内壁直径，最后经过反射镜模块改变光路，形成垂直光路，反射到零件内壁表面进行熔覆加工。整体采用模块化设计。

优选地，反射镜模块9采用铜反射镜片。

如图3，准直透镜模块4包括弯月透镜和双凸透镜，激光器发射的激光束依次经过弯月透镜和双凸透镜使激光束为平行光。

聚焦透镜模块6采用平凸透镜，对传输的激光束再次进行汇聚。

横向气帘模块11与高压压缩空气发生模块(存储装置+可控释放装置) 相连接。

如图1、2所示，为实现圆筒内壁的熔覆过程，配置旁轴送粉模块12，粉末由载气式送粉器送出，通过该旁轴送粉模块12，经过送粉喷嘴13形成粉末束14，粉末束14与激光束15共同汇聚于一点，实现激光熔覆过程。

如图1，光纤激光光缆2的一端插接到激光器上，另一端通过螺纹连接到一光纤水冷模块3上，光纤水冷模块设置在光纤激光光缆与准直透镜模块之间。

为方便连接，激光熔覆头采用模块化设计，且该所述准直透镜模块4 与所述光纤水冷模块3通过螺钉连接，所述传输模块5与所述准直透镜模块4通过螺钉连接，所述聚焦透镜模块6与所述传输模块5通过螺钉连接，所述窗口保护镜模块7与所述聚焦透镜模块通过螺钉连接，所述转接模块 8与所述聚焦透镜模块通过螺钉连接，所述反射模块与所述转接模块8通过螺钉连接。

可选地，准直透镜模块4与光纤水冷模块3之间、传输模块5与准直透镜模块4之间、聚焦透镜模块6与传输模块5之间以及窗口保护镜模块 7与聚焦透镜模块6之间均通过直口结构连接，从而实现并保障同轴连接。

优选地，准直透镜模块、聚焦透镜模块以及反射镜模块内均设有水冷腔体。准直透镜模块4内置水冷腔可以保证在大功率输出的情况下，保持透镜温度恒定，从而保证透镜曲率不发生变化，聚焦透镜模块6将平行光束重新汇聚，其内置水冷腔体，可以保证大功率长时间出光的光路稳定性，反射镜模块9用来改变光路，反射镜片内置水冷腔体，可将熔覆过程中镜片吸收的激光热量带走，保证铜镜片的长期使用，在反射镜片下部，内置保护镜片，使得铜反射镜片免受焊接烟雾的污染。

采用以上技术方案，通过将连接法兰连接到机器人的法兰盘上，通过机器人的旋转来改变激光头发射激光的角度，激光头发射带有一定发散角的激光经过准直透镜模块形成平行光，平行光再经过聚焦透镜模块重新聚焦，然后通过反射镜模块来改变光路，形成垂直光路，整体采用模块化设计。

作为优选，激光头发射的激光光源为CO2激光、光纤激光、YAG激光或半导体激光。

进一步说明的是，本实用新型的熔覆头在进行圆筒内壁熔覆加工时，根据待熔覆的管道类部件尺寸，进行加工头装配，例如：管道的内壁直径为150mm，长度为600mm，聚焦透镜模块焦距为300mm，确定传输模块5长度为400mm，转接模块8长度为80mm，根据以上参数组装激光熔覆头。然后，确定熔覆层宽度4mm、高度1.5mm，选择光纤直径为1000μm，确定离焦量为+10mm，送粉喷嘴13直径为2mm。先在平板上进行工艺测试，打开送粉器并将粉末送出，调整送粉喷嘴13的位置，将粉末束送至指示红光斑点处，待调整结束后进行单道平板熔覆实验，观察熔覆层宽度与高度是否合适，通过微调送粉量、离焦量数值直到满足要求为止。然后将内壁熔覆头经过执行机构送入待加工的内壁结构件内，内壁结构件在旋转轴的作用下开始旋转，内壁熔覆头沿着平行于内壁家构件轴线的方向进行直线运动，直至加工过程结束。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，包括用于接收激光束射入的光纤激光光缆，以及沿着激光束传输方向依次设置的准直透镜模块、传输模块、聚焦透镜模块、窗口保护镜模块、转接模块以及反射镜模块，其中：

准直透镜模块的外部固定到一连接法兰上，通过连接法兰将激光熔覆头安装到机器人上，通过机器人的旋转改变激光熔覆头角度；

入射的激光束依次经过准直透镜模块、传输模块、聚焦透镜模块、窗口保护镜模块、转接模块和反射镜模块，由反射镜模块改变光路将激光束反转90度反射到圆筒形零件的内壁；

所述反射镜模块的下部还设置有一横向气帘模块，所述横向气帘模块的一侧设置有导风筒，导风筒与所述传输模块横向固定连接并通过其狭窄缝隙出口喷出高压压缩空气，形成一道高速、高压的横向气帘，通过导风筒将横向气帘所喷出的压缩空气导出；

所述横向气帘模块一侧还配置有旁轴送粉模块，经过该旁轴送粉模块使粉末形成粉末束，该粉末束与经反射镜模块反射的激光束共同汇聚于圆筒形零件的内壁的一点，对零件内壁表面进行激光熔覆加工。

2.根据权利要求1所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述反射镜模块采用铜反射镜片。

3.根据权利要求1所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述准直透镜模块包括弯月透镜和双凸透镜，激光器发射的激光束依次经过弯月透镜和双凸透镜使激光束为平行光。

4.根据权利要求1所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述聚焦透镜模块包括平凸透镜。

5.根据权利要求1所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述光纤激光光缆的一端插接到激光器上，另一端通过螺纹连接到一光纤水冷模块上，光纤水冷模块设置在光纤激光光缆与准直透镜模块之间。

6.根据权利要求5所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述准直透镜模块与所述光纤水冷模块之间、所述传输模块与所述准直透镜模块之间、所述聚焦透镜模块与所述传输模块之间以及所述窗口保护镜模块与所述聚焦透镜模块之间均通过直口结构连接。

7.根据权利要求1所述的圆筒内壁激光熔覆头，其特征在于，所述准直透镜模块、聚焦透镜模块以及反射镜模块内均设有水冷腔体。

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