CN212247215U - 一种激光熔注系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了激光熔注系统，包括送粉单元、激光器和激光头，激光头包括激光熔注喷嘴结构，送粉单元包括低压送粉器和高压送粉器；激光熔注喷嘴结构包括喷嘴芯和连接在所述喷嘴芯上方的连接头，喷嘴芯内设有激光束通道，激光器与激光束通道入光口相连通、激光束通道的外周分置有冷却通道、熔覆送粉通道和熔注送粉通道；高压送粉器与所述熔注送粉通道的熔注入粉口的输入端相连；所述低压送粉器与熔覆送粉通道的熔覆入粉口的输入端相连。本系统保证激光熔注的产品硬质材料嵌入深度的同时，又能减少现有激光熔注的涂层与基体结合产生的碳化易开裂现象，大幅提高激光熔注效率，增加硬质材料嵌入深度，提高了涂层的综合性能。

Description

一种激光熔注系统

技术领域

本实用新型属于激光表面改性技术领域，具体地，涉及一种激光熔注系统。

背景技术

传统的硬质涂层技术主要包括热喷涂、气相沉积等，工艺稳定性控制较难，且涂层结合强度有限。

激光熔覆技术因为采用高能光束可形成高致密性的熔覆层，且激光热能由计算机高精度控制，工艺稳定性好，冶金结合熔覆层结合强度高。但对于高硬度材质涂层，如WC、SiC、金刚石等，激光熔覆技术存在一定局限性，通常采用镍基等软性材料包合的方式进行熔覆，才能在不破坏硬质相的情况实现涂层熔覆，但即便如此，硬质相仍有被碳化风险，另外，包合粉体制备成本也相对较高。

激光熔注技术是利用激光高能光束在基材上产生熔池，同时利用压力气体将硬质粉体注射到基材熔池内，从而实现嵌入的目的，溅射深度比喷涂技术要深，因此结合强度更高，同时激光功率只要满足基材形成熔池即可，对硬质相造成破坏或者碳化的可能性较低。但一般来讲，为实现更好的嵌入，在熔注之前需要在基材表面提前熔覆一层软性材料如镍等，即先以激光熔覆工艺进行镍基打底，再以激光熔注工艺实现硬质材料嵌入，从而影响了工艺效率。另外，由于传统激光熔注所采用的送粉器和激光熔覆一样的低压送粉器，压气强度有限，嵌入深度还有较大的提升空间。

现有技术中，暂未发现一种满足规模化、批量化、工程化应用的激光熔注系统，能针对实际工程项目，以成本可控的方式得到高性能的硬质涂层。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种激光熔注系统，该结构将激光熔覆和激光熔注技术集成在同一个系统上，并通过送粉器的高压与低压不同输入保证激光熔注的产品硬质材料嵌入深度的同时，又能减少现有激光熔注的涂层与基体结合产生的碳化易开裂现象，将激光熔覆打底过渡工序与激光熔注工序合二为一，大幅提高激光熔注效率，增加硬质材料嵌入深度，从而节省了产品的激光熔覆时间，保障了激光熔注涂层的硬度，提高了涂层的综合性能。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

公开一种激光熔注系统，包括送粉单元、激光器和激光头，所述激光头包括激光熔注喷嘴结构，所述送粉单元包括低压送粉器和高压送粉器；所述激光熔注喷嘴结构包括喷嘴芯和连接在所述喷嘴芯上方的连接头，所述喷嘴芯内设有激光束通道，所述激光器与激光束通道入光口相连通、所述激光束通道的外周分置有冷却通道、熔覆送粉通道和熔注送粉通道；

所述熔覆送粉通道和熔注送粉通道为沿着喷嘴芯内壁由上而下的通孔结构所述高压送粉器与所述熔注送粉通道的熔注入粉口的输入端相连；所述低压送粉器与熔覆送粉通道的熔覆入粉口的输入端相连。

本激光熔注系统根据激光熔注与激光熔覆技术的特点，巧妙地将两种技术相结合，通过送粉单元的配置，使用时将低压送粉器供给给激光熔覆送粉通道，将Ni/Al等镍基等软性材料进行打底熔覆，然后再采用高压送粉器供给给激光熔注送粉通道，将WC/SiC/金刚石等高硬度粉体注射到打底基材，考虑到熔覆和熔注的先后顺序，本结构将熔注出粉口和熔覆出粉口的位置进行科学设计，不但保证了硬质粉体的嵌入深度，由于激光熔覆和激光熔注时间间隔较短，也可有效防止硬质相炭化的风险，熔注效率高，熔注后涂层的综合性能良好。

进一步地，所述熔注送粉通道的熔注出粉口的中心至喷嘴芯的中心距离大于所述熔覆出粉口的中心至喷嘴芯的中心距离为0.5～1.5mm。

这样可以有效保证激光熔覆的粉末先接触待熔覆产品的基体表面，用来作熔注材料的打底层，熔注出粉口与熔覆出粉口的位置设定可以使同时供给熔注和熔覆粉末时，熔覆粉末先于熔注粉末至少0.1S时间到达基体，使整个涂层的综合性能得以保障。

所述熔覆送粉通道为多个，均匀设置在激光束通道的外周。一般熔覆送粉通道可设置三个或多个，具体按照产品需求而定。

进一步地，所述低压送粉器工作气压区间为2～6bar，高压送粉器工作气压区间为4～20bar。

进一步地，所述低压送粉器与熔覆送粉通道间设有分粉器。可以按照熔覆送粉通道的个数不同，实现对熔覆粉末的供给。

更具体地，所述喷嘴芯为锥体结构，所述激光束通道为安装在所述锥体结构中心的用于外接激光系统的通孔。

进一步地，所述连接头与喷嘴芯为同轴设置，所述连接头为与喷嘴芯一体成型的圆环形凸体。连接头的连接端与激光器相连，为本激光熔注喷嘴结构提供激光源。

进一步地，所述喷嘴芯靠近连接头周向凸出有大端平面，所述冷却通道的入水口和出水口均设置在喷嘴芯的大端平面壁上。

更进一步地，所述入水口与出水口通过喷嘴芯内壁里的等截面水冷内流道导通，所述入水口和出水口都分别外接冷却系统。

根据送粉器的送粉量的大小调整激光熔覆速度，配合冷却液循环速度，使激光熔覆的工艺参数与冷却液的冷却循环速度相配合，有效控制激光熔覆涂层的质量，使激光束将粉末与待熔覆产品表面产生牢固、良好的冶金结合，变形量小，提高产品合格率。

进一步地，所述激光头可以通过机械手夹持。更加灵活精准地进行熔覆操作。

另外，本激光熔注系统还包括激光熔注系统控制装置，所述控制装置与送粉单元、激光器和激光头通讯连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本激光熔注系统根据激光熔注技术与激光熔覆技术的特点，巧妙地将两种技术相结合，通过送粉单元的配置，使用时将低压送粉器供给给激光熔覆送粉通道，将Ni/Al等镍基等软性材料包合进行熔覆，然后再采用高压送粉器供给给激光熔注送粉通道，将WC/SiC/金刚石等高硬度粉体注射到基材，考虑到熔覆和熔注的先后顺序，本结构将熔注出粉口和熔覆出粉口的位置进行科学设计，不但保证了硬质粉体的嵌入深度，由于激光熔覆和激光熔注时间间隔较短，也可有效防止硬质相炭化的风险，熔注效率高，熔注后涂层的综合性能良好。

本激光熔注系统通过冷却液循环和送粉量的参数的控制，使激光熔覆的工艺参数与冷却液的冷却循环速度相配合，有效控制激光熔覆涂层的质量，使激光束将粉末与待熔覆产品表面产生牢固、良好的冶金结合，变形量小，提高产品合格率。

另外，本激光熔注系统设置有控制装置，更加智能、方便可控。

附图说明

图1为本实用新型所述激光熔注系统的结构示意图。

图2为本实用新型所述激光熔注喷嘴结构的结构示意图。

图3为本实用新型所述激光熔注喷嘴结构的剖视示意图。

图4为本实用新型所述激光熔注喷嘴结构的仰视示意图。

图5为本实用新型所述激光熔注喷嘴结构的俯视示意图。

其中，100-送粉单元，101-高压送粉器，102-低压送粉器，200-激光器，300- 激光头，400-分粉器，500-机械手，600-控制装置，700-工件回转台；1-喷嘴芯， 2-连接头，10-熔覆入粉口，11-熔覆出粉口，20-熔注入粉口，21-熔注出粉口， 30-激光束通道入光口，31-激光束通道出光口，41-入水口，42-出水口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1～图5所示。本实施例的激光熔注系统，包括送粉单元100、激光器 200、激光头300、其送粉单元100与激光头300间设有分粉器400，本实施例中设置在低压送粉器102与熔覆送粉通道的熔覆入粉口10间。

本系统还包括用于抓取激光头300的机械手500、控制装置600和工件回转台700；其控制装置600与送粉单元100、激光器200和激光头300通讯连接。

具体地，激光头300包括激光熔注喷嘴结构；送粉单元100包括低压送粉器102和高压送粉器101；其激光熔注喷嘴结构，包括喷嘴芯1和连接在该喷嘴芯1上方的连接头2，喷嘴芯1为锥体结构，连接头2与喷嘴芯1为同轴设置，且连接头2为与喷嘴芯1一体成型的圆环形凸体。喷嘴芯1内设有激光束通道、激光束通道的外周分置有冷却通道、熔覆送粉通道和熔注送粉通道，激光束通道为安装在锥体结构中心的用于外接激光器200的通孔；具体地，激光束通道为在连接头2上设置激光束通道入光口30，在喷嘴芯1底部设置光束通道出光口31。

本实施中的激光器200采用创鑫MFMC-4000，分粉器400采用辉锐一分三分粉器，低压送粉器102采用辉锐HR-LAMPF-TD03，高压送粉器101采用辉锐HR-HP-TD01，机械手500采用发那科M-20iA。

更具体地，熔覆送粉通道和熔注送粉通道为沿着喷嘴芯1内壁由上而下的通孔结构；熔覆通道的两端各设置熔覆入粉口10和熔覆出粉口11，熔注送粉通道的两端各设置熔注入粉口20和熔注出粉口21；熔注入粉口20的输入端与高压送粉器101相连；熔覆入粉口10的输入端与低压送粉器102相连。

熔注出粉口21的中心至喷嘴芯1的中心距离比熔覆出粉口的中心至喷嘴芯 1的中心距离大0.5～1.5mm。也可以说，熔注出粉口21的偏心距大于熔覆出粉口11的偏心距，二者相差0.5～1.5mm，本实施例中，相差0.5mm。这样可以有效保证激光熔覆的粉末先接触待熔覆产品的基体表面，用来作熔注材料的打底层，熔注出粉口与熔覆出粉口的位置设定可以使同时供给熔注和熔覆粉末时，熔覆粉末先于熔注粉末至少0.1S时间到达基体，使整个涂层的综合性能得以保障。

为了保证工作效率，熔覆送粉通道设置三个，均匀设置在激光束通道的外周。

此外，喷嘴芯1靠近连接头2周向凸出有大端平面，冷却通道的入水口41 和出水口42均设置在喷嘴芯1的大端平面壁上。入水口41与出水口42通过喷嘴芯内壁里的等截面水冷内流道导通。冷却通道的横截面可以为V型结构或者为U型结构，入水口41和出水口42都分别外接冷却系统。在工作时，外部的冷却系统将冷却水由位于喷嘴芯1上的入水口41送入喷嘴芯1的冷却腔体，冷却喷嘴后，冷却系统再将冷却水由位于喷嘴芯1上端的出水口42抽出，并通过外部的冷却系统回收。

本激光熔注系统根据激光熔注与激光熔覆技术的特点，巧妙地将两种技术相结合，通过送粉单元的配置，使用时将低压送粉器供给给激光熔覆送粉通道，将Ni/Al等镍基等软性材料包合进行熔覆，然后再采用高压送粉器供给给激光熔注送粉通道，将WC/SiC/金刚石等高硬度粉体注射到基材，考虑到熔覆和熔注的先后顺序，本结构将熔注出粉口和熔覆出粉口的位置进行科学设计，不但保证了硬质粉体的嵌入深度，由于激光熔覆和激光熔注时间间隔较短，也可有效防止硬质相炭化的风险，熔注效率高，熔注后涂层的综合性能良好。

本激光熔注系统的工作原理为：在控制装置600的联动控制下，机械手500 夹持的激光头300及喷嘴芯1与工件回转台700所夹持的工件面产生2～20mm/s 的位移速度，与此同时，低压送粉器102通过送粉管并经过送粉器400将镍基等软性粉体输送至喷嘴芯1的熔覆入粉口10，从熔覆出粉口11出来后形成粉焦聚于工件表面的熔池中，高压送粉器101通过送粉管将碳化钨、金刚石等硬质粉材输送至喷嘴芯1的熔注入粉口20，从熔注出粉口21出来后喷射在熔池边缘，激光器200输出连续激光通过光纤至激光头300聚焦经喷嘴芯1中心孔30后作用于工件表面产生熔池，冷却水由入水口41进入喷嘴芯1并从出水口42回流至水冷系统，实现对喷嘴芯1的实时冷却。激光头300及喷嘴芯1相对工件的运动方向与熔注出粉口21相对激光束通道出光口31圆心的偏向方向正好相反，以保证在工艺上的工件表面先完成镍基等材料的打底熔覆、再完成碳化钨等硬质材料的熔注工艺顺序，从而实现控制最终熔注性能的目的。

激光熔注系统使用在石油件表面熔注碳化钨、砂轮表面熔注金刚石等应用上，效率比现有的先进行粉体熔覆打底再进行激光熔注加工的产品提高了超过 50％，并且熔覆后的涂层使用寿命性能比现有的先进行粉体熔覆打底再进行激光熔注加工的产品的涂层层性能具有显著提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光熔注系统，包括送粉单元、激光器和激光头，其特征在于，所述激光头包括激光熔注喷嘴结构，所述送粉单元包括低压送粉器和高压送粉器；所述激光熔注喷嘴结构包括喷嘴芯和连接在所述喷嘴芯上方的连接头，所述喷嘴芯内设有激光束通道，所述激光器与激光束通道入光口相连通、所述激光束通道的外周分置有冷却通道、熔覆送粉通道和熔注送粉通道；

所述熔覆送粉通道和熔注送粉通道为沿着喷嘴芯内壁由上而下的通孔结构，所述高压送粉器与所述熔注送粉通道的熔注入粉口的输入端相连；所述低压送粉器与熔覆送粉通道的熔覆入粉口的输入端相连。

2.根据权利要求1所述激光熔注系统，其特征在于，所述熔注送粉通道的熔注出粉口的中心至喷嘴芯的中心距离大于所述熔覆送粉通道的熔覆出粉口的中心至喷嘴芯的中心距离为0.5～1.5mm。

3.根据权利要求1所述激光熔注系统，其特征在于，所述熔覆送粉通道为多个，均匀设置在激光束通道的外周。

4.据权利要求1所述激光熔注系统，其特征在于，所述低压送粉器工作气压区间为2～6bar，高压送粉器工作气压区间为4～20bar。

5.根据权利要求3所述激光熔注系统，其特征在于，所述低压送粉器与熔覆送粉通道间设有分粉器。

6.根据权利要求1所述激光熔注系统，其特征在于，所述连接头与喷嘴芯为同轴设置，所述连接头为与喷嘴芯一体成型的圆环形凸体；所述喷嘴芯为锥体结构，所述激光束通道为安装在所述锥体结构中心。

7.根据权利要求6所述激光熔注系统，其特征在于，所述喷嘴芯靠近连接头周向凸出有大端平面，所述冷却通道的入水口和出水口均设置在喷嘴芯的大端平面壁上。

8.根据权利要求7所述激光熔注系统，其特征在于，所述入水口与出水口通过喷嘴芯内壁里的等截面水冷内流道导通，所述入水口和出水口都分别外接冷却系统。

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