本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置及其送粉方法。

背景技術(shù)：

激光熔覆是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，其原理是利用激光對合金粉末與基體表面進(jìn)行輻照使之熔化，并快速凝固后形成冶金結(jié)合良好的涂層，以提高基體材料表面的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性能，與傳統(tǒng)表面處理工藝如熱噴涂、電弧堆焊、等離子噴涂等相比，激光熔覆具有熱影響區(qū)小、變形小、稀釋率低和區(qū)域可控等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片、曲軸、機(jī)床主軸等零部件的再制造修復(fù)。

隨著大型軸類件(如船用曲軸、液壓缸立柱等)對表面修復(fù)的需求越來越高，傳統(tǒng)小光斑的激光熔覆設(shè)備由于熔覆效率低，已不能滿足大型軸類件對修復(fù)效率的迫切需求，大光斑寬帶激光熔覆設(shè)備應(yīng)運而生，由此帶來的問題是激光熔覆過程中合金粉末如何準(zhǔn)確均勻地輸送到激光熔覆產(chǎn)生的熔池中，現(xiàn)有的同軸送粉噴嘴大都適用于圓形或方形光斑，對于大寬帶矩形光斑，則不適用。

國內(nèi)許多學(xué)者對寬帶激光熔覆用送粉裝置進(jìn)行了一系列設(shè)計，授權(quán)號為CN103132072B的發(fā)明專利“一種激光熔覆用側(cè)向送粉噴嘴裝置”提出了一種適用于矩形光斑的側(cè)向送粉噴嘴，這種側(cè)向送粉噴嘴裝置對激光熔覆方向較敏感，無法解決正反向送粉產(chǎn)生的方向性問題，粉末匯聚性較差；申請?zhí)枮?01510808637.8的發(fā)明專利“一種寬帶激光熔覆系統(tǒng)及其送粉噴嘴”公開了一套適用于寬帶激光熔覆的系統(tǒng)及送粉噴嘴，這種可調(diào)寬帶送粉系統(tǒng)復(fù)雜，控制困難，粉末均勻性較差，粉束并未直接進(jìn)入熔池；公開號為CN1319459A的發(fā)明專利“可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴”提出了一種同軸的寬帶激光熔覆用送粉噴嘴，該噴嘴的主要特點是在光束兩側(cè)安裝矩形通道的送粉頭，以實現(xiàn)矩形粉束的同軸輸送，這種同軸送粉噴嘴加工困難，并且粉束鋪放不均勻、加工質(zhì)量差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置及其送粉方法，該裝置能防止熔化金屬液體飛濺堵塞送粉裝置出口，能對粉斑整形使得粉斑鋪放更加均勻，結(jié)構(gòu)簡單、易于加工。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置，包括高度可調(diào)且設(shè)有中心通孔的套筒組件，套筒組件頂端設(shè)有用于與激光器連接的外接件，套筒組件底端軸心處設(shè)有光束隔罩，套筒組件底端設(shè)有從內(nèi)到外依次套在光束隔罩上的內(nèi)層氣罩、外層氣罩和冷卻水罩，套筒組件底端內(nèi)層氣罩和外層氣罩之間設(shè)有兩個關(guān)于光束隔罩對稱的送粉管，送粉管為矩形管、下部向光束隔罩一側(cè)折彎、出口為與光斑形狀相匹配的矩形，光束隔罩、內(nèi)層氣罩、外層氣罩和冷卻水罩的上部均為矩形、下部均為向下收縮的楔形、位于底部的出口均為矩形，冷卻水罩與套筒組件和外層氣罩配合圍成密封腔，套筒組件上設(shè)有與密封腔連通的注水口和出水口、與內(nèi)層氣罩和外層氣罩的環(huán)空連通的外層保護(hù)氣入口、與內(nèi)層氣罩和光束隔罩的環(huán)空連通的內(nèi)層保護(hù)氣入口、與送粉管進(jìn)口連通的送粉入口。

進(jìn)一步地，套筒組件底端設(shè)有連接盤，套筒組件底端軸心處設(shè)有穿過連接盤的隔罩連接套，光束隔罩設(shè)在隔罩連接套軸心處的方形通孔內(nèi)，內(nèi)層氣罩、外層氣罩和冷卻水罩的頂部分別定位安裝在連接盤的矩形槽內(nèi)，注水口、出水口和外層保護(hù)氣入口分別設(shè)在連接盤上，送粉管進(jìn)口位于套筒組件底端和連接盤的配合面上，送粉入口設(shè)在套筒組件底端，套筒組件上設(shè)有一圈環(huán)槽，環(huán)槽通過套筒組件的中心通孔與內(nèi)層氣罩和光束隔罩的環(huán)空連通，內(nèi)層保護(hù)氣入口設(shè)在套筒組件底端并與環(huán)槽連通。

進(jìn)一步地，在垂直于軸心的投影面上，以軸心投影點為基準(zhǔn)，注水口和出水口呈180度排布，兩個送粉入口呈180度排布，內(nèi)層保護(hù)氣入口與兩個送粉入口分別呈90度排布，外層保護(hù)氣入口與兩個送粉入口分別呈90度排布。

進(jìn)一步地，套筒組件包括通過螺紋連接套在一起的頂部套筒和底部套筒，外接件設(shè)在頂部套筒上。

一種基于上述寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置的送粉方法，包括外源設(shè)備的連接、送粉裝置參數(shù)調(diào)節(jié)及同軸寬帶送粉激光熔覆三個步驟：

外源設(shè)備的連接包括——外接件與激光器末端圓形鏡頭相連，注水口和出水口分別與冷卻水循環(huán)裝置連接，送粉入口與送粉裝置)連接，內(nèi)層保護(hù)氣入口和外層保護(hù)氣入口分別與惰性氣體發(fā)生裝置連接，其中，激光器是指能產(chǎn)生寬帶型光斑的激光器；

送粉裝置參數(shù)調(diào)節(jié)是指保護(hù)氣壓與送粉流量的調(diào)節(jié)和送粉距離h的調(diào)節(jié)，其中，送粉距離h是指送粉裝置出粉口下端距工件平面的距離，保護(hù)氣壓、送粉流量及送粉距離h調(diào)節(jié)應(yīng)限定在一定范圍，參數(shù)調(diào)節(jié)的要求是粉末不發(fā)散、粉末匯聚點位于激光器產(chǎn)生于工件表面的激光光斑內(nèi)；

同軸寬帶送粉激光熔覆是指根據(jù)工件表面情況選取合理的熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行寬帶激光熔覆，要求熔覆層表面質(zhì)量良好、送粉裝置不堵粉、不漏水。

本發(fā)明的有益效果是：

該裝置采用同軸送粉方式實現(xiàn)對寬帶激光熔覆的送粉，有效解決了側(cè)向送粉方式時激光熔覆的方向性問題，并且粉末匯聚特性優(yōu)于側(cè)向送粉；內(nèi)層保護(hù)氣入口向內(nèi)層氣罩和光束隔罩的環(huán)空通入內(nèi)層保護(hù)氣，內(nèi)層保護(hù)氣包裹在光束隔罩形成的光斑上，不僅防止熔覆層表面氧化，還防止熔化金屬液體飛濺堵塞送粉裝置出口；外層保護(hù)氣入口向內(nèi)層氣罩和外層氣罩的環(huán)空通入外層保護(hù)氣，外層保護(hù)氣和內(nèi)層保護(hù)氣雙重作用在送粉管噴出的粉斑上，約束了粉斑向內(nèi)側(cè)和外側(cè)的擴(kuò)散，對粉斑起到了整形的作用，使得粉斑鋪放更加均勻；該裝置采用多層罩體結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)了外層保護(hù)氣、內(nèi)層保護(hù)氣和冷卻水的相互隔離，通過罩體與套筒組件的安裝即可實現(xiàn)了光斑、粉斑、外層保護(hù)氣和內(nèi)層保護(hù)氣的定位，調(diào)節(jié)套筒組件高度即可調(diào)節(jié)送粉距離，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，特別適用于大型軸類件、大平面件的大面積激光熔覆應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的主視圖(包含冷卻水循環(huán)裝置和粉末輸送裝置)。

圖2是圖1中A-A的剖視圖。

圖3是本發(fā)明實施例的左視圖(包含惰性氣體發(fā)生裝置)。

圖4是圖3中B-B的剖視圖。

圖中：1-冷卻水罩；2-外層氣罩；3-光束隔罩；4-送粉管；5-內(nèi)層氣罩；6-連接盤；7-套筒組件；8-連接箍；9-隔罩連接套；10-送粉入口；11-注水口(出水口)；12-冷卻水循環(huán)裝置；13-粉末輸送裝置；14-內(nèi)層保護(hù)氣入口；15-外層保護(hù)氣入口；16-惰性氣體發(fā)生裝置。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖3所示，一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置，包括高度可調(diào)且設(shè)有中心通孔的套筒組件7，套筒組件7頂端設(shè)有用于與激光器(末端鏡頭)連接的外接件(連接箍8)，套筒組件7底端軸心處設(shè)有光束隔罩3，套筒組件7底端設(shè)有從內(nèi)到外依次套在光束隔罩3上的內(nèi)層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1，套筒組件7底端內(nèi)層氣罩5和外層氣罩2之間設(shè)有兩個關(guān)于光束隔罩3對稱的送粉管4，送粉管4為矩形管、下部向光束隔罩3一側(cè)折彎、出口為與光斑形狀相匹配的矩形(在本實施例中，送粉管4出口尺寸為14mm×2.5mm，與光束形狀相匹配，下部折彎成150°)，光束隔罩3、內(nèi)層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1的上部均為矩形、下部均為向下收縮的楔形、位于底部的出口均為矩形(在本實施例中，光束隔罩3出口尺寸為1６mm×4mm，與光束形狀相匹配，光束隔罩3出口高于內(nèi)層氣罩5出口5-8mm)，冷卻水罩1與套筒組件7和外層氣罩2配合圍成密封腔(本實施例中，冷卻水罩1出口高于外層氣罩2出口5-8mm，保證冷卻水罩1出口封閉時不會將外層氣罩2出口堵住，冷卻水罩1與套筒組件7和外層氣罩2之間通過方形密封圈密封)，套筒組件7上設(shè)有與密封腔連通的注水口11和出水口11、與內(nèi)層氣罩5和外層氣罩2的環(huán)空連通的外層保護(hù)氣入口15、與內(nèi)層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空連通的內(nèi)層保護(hù)氣入口14、與送粉管4進(jìn)口連通的送粉入口10。

該裝置采用同軸送粉方式實現(xiàn)對寬帶激光熔覆的送粉，有效解決了側(cè)向送粉方式時激光熔覆的方向性問題，并且粉末匯聚特性優(yōu)于側(cè)向送粉；內(nèi)層保護(hù)氣入口14向內(nèi)層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空通入內(nèi)層保護(hù)氣，內(nèi)層保護(hù)氣包裹在光束隔罩3形成的光斑上，不僅防止熔覆層表面氧化，還防止熔化金屬液體飛濺堵塞送粉裝置出口；外層保護(hù)氣入口15向內(nèi)層氣罩5和外層氣罩2的環(huán)空通入外層保護(hù)氣，外層保護(hù)氣和內(nèi)層保護(hù)氣雙重作用在送粉管4噴出的粉斑上，約束了粉斑向內(nèi)側(cè)和外側(cè)的擴(kuò)散，對粉斑起到了整形的作用，使得粉斑鋪放更加均勻；該裝置采用多層罩體結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)了外層保護(hù)氣、內(nèi)層保護(hù)氣和冷卻水的相互隔離，通過罩體與套筒組件7的安裝即可實現(xiàn)了光斑、粉斑、外層保護(hù)氣和內(nèi)層保護(hù)氣的定位，調(diào)節(jié)套筒組件7高度即可調(diào)節(jié)送粉距離，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，特別適用于大型軸類件、大平面件的大面積激光熔覆應(yīng)用領(lǐng)域。

如圖1和圖3所示，在本實施例中，套筒組件7底端設(shè)有連接盤6，套筒組件7底端軸心處設(shè)有穿過連接盤6的隔罩連接套9，光束隔罩3設(shè)在隔罩連接套9軸心處的方形通孔內(nèi)，內(nèi)層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1的頂部分別定位安裝在連接盤6的矩形槽內(nèi)，注水口11、出水口11和外層保護(hù)氣入口15分別設(shè)在連接盤6上，送粉管4進(jìn)口位于套筒組件7底端和連接盤6的配合面上，送粉入口10設(shè)在套筒組件7底端，套筒組件7上設(shè)有一圈環(huán)槽，環(huán)槽通過套筒組件7的中心通孔與內(nèi)層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空連通，內(nèi)層保護(hù)氣入口14設(shè)在套筒組件7底端并與環(huán)槽連通。

由于光束隔罩3外套有三層罩體(內(nèi)層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1)，內(nèi)層氣罩5和外層氣罩2之間還設(shè)有兩個送粉管4，如何將外部的物質(zhì)輸入兩層罩體之間的環(huán)空和送粉管4內(nèi)成為了一個難題，對于外層的外層氣罩2和冷卻水罩1，可以將注水口11、出水口11和外層保護(hù)氣入口15直接開設(shè)在連接盤6上，但是對于內(nèi)層的內(nèi)層氣罩5和光束隔罩3，由于位置較深，不好在連接盤6上直接加工，因此，將送粉入口10和內(nèi)層保護(hù)氣入口14開設(shè)在套筒組件7底端，通過環(huán)槽以及套筒組件7底端和連接盤6的配合面將物質(zhì)輸入，制作簡單；連接盤6通過矩形槽分別將內(nèi)層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1安裝定位，保證了位置精度。

如圖1至圖4所示，在本實施例中，在垂直于軸心的投影面上，以軸心投影點為基準(zhǔn)，注水口11和出水口11呈180度排布，兩個送粉入口10呈180度排布，內(nèi)層保護(hù)氣入口14與兩個送粉入口10分別呈90度排布，外層保護(hù)氣入口15與兩個送粉入口10分別呈90度排布。內(nèi)層保護(hù)氣入口14與兩個送粉入口10距離的角度相同，保證了內(nèi)層保護(hù)氣均衡作用在粉斑上，外層保護(hù)氣入口15與兩個送粉入口10距離的角度相同，保證了外層保護(hù)氣均衡作用在粉斑上。

如圖1和圖3所示，套筒組件7包括通過螺紋連接套在一起的頂部套筒和底部套筒，外接件設(shè)在頂部套筒上。通過螺紋副實現(xiàn)頂部套筒和底部套筒的上下相對移動，進(jìn)而實現(xiàn)對送粉距離的調(diào)節(jié)，以使粉斑與光斑完全匹配。

一種基于上述寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置的送粉方法，包括外源設(shè)備的連接、送粉裝置參數(shù)調(diào)節(jié)及同軸寬帶送粉激光熔覆三個步驟。

外源設(shè)備的連接包括——外接件(連接箍8)與激光器末端圓形鏡頭相連，注水口11和出水口11分別與冷卻水循環(huán)裝置12連接，送粉入口10與送粉裝置)連接，內(nèi)層保護(hù)氣入口14和外層保護(hù)氣入口15分別與惰性氣體發(fā)生裝置16連接，其中，激光器是指能產(chǎn)生寬帶型光斑的激光器。

送粉裝置參數(shù)調(diào)節(jié)是指保護(hù)氣壓與送粉流量的調(diào)節(jié)和送粉距離h的調(diào)節(jié)，其中，送粉距離h是指送粉裝置出粉口下端距工件平面的距離，保護(hù)氣壓、送粉流量及送粉距離h調(diào)節(jié)應(yīng)限定在一定范圍(在本實施例中，送粉距離h的調(diào)節(jié)范圍為5-10mm，保護(hù)氣壓的調(diào)節(jié)范圍為0.5-1.5MPa，送粉流量的調(diào)節(jié)范圍為5-15g/min)，參數(shù)調(diào)節(jié)的要求是粉末不發(fā)散、粉末匯聚點位于激光器產(chǎn)生于工件表面的激光光斑內(nèi)。

同軸寬帶送粉激光熔覆是指根據(jù)工件表面情況選取合理的熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行寬帶激光熔覆(在本實施例中，激光功率選取1500W，送粉流量選取8g/min，掃描速度選取5mm/s)，要求熔覆層表面質(zhì)量良好、送粉裝置不堵粉、不漏水。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。