一种激光熔覆装置及方法

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种激光熔覆装置及方法。


背景技术：

2.激光熔覆技术是通过高能量激光将金属粉末或者线材融化后在基材上结合形成一种金属表面涂层,从而达到增强基材表面性能的一种工艺，该工艺可以提高基材的耐磨性和硬度，从而提高基材的寿命。激光束的形状通常包括矩形和圆形。当加工需要高度定向和控制的时候，矩形光斑通常是更好的选择；当加工需要更均匀的加热效果时，圆形光斑通常是更好的选择。当前的激光熔覆装置往往只能发射一种形状的激光，同时，由于激光束能量强，在对激光束光路转换时，导致装置发热严重，影响了装置的使用寿命。因此当前的激光熔覆装置存在使用场景受限、无法应对不同工件的加工、不能灵活调整激光形状以及发热严重的问题。因此，针对上述问题提出一种激光熔覆装置以及基于该装置的熔覆方法。


技术实现要素：

3.为了解决现有激光熔覆装置使用场景受限、无法应对不同工件的加工、不能灵活调整激光形状以及发热严重的问题，本发明专利提供了一种激光熔覆装置以及基于该装置的熔覆方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光熔覆装置，其特征在于，包括：激光发射器(1)、熔覆喷头系统(2)、输粉系统(3)、镜片光路系统(4)和冷却系统(5)，所述熔覆喷头系统(2)包括喷头主体(201)、盖板(202)、密封圈(203)、聚焦反射镜(204)、保护镜筒(205)、保护镜片(206)、喷头(207)、垫圈(208)、内六角螺母(209)和冷却水循环管路(210)；所述输粉系统(3)包括输粉管(301)、输粉入口(302)、输粉出口(303)和固定槽(304)；所述镜片光路系统(4)包括腔室(401)、矩形整形镜筒(402)、圆形整形镜筒(403)、矩形整形镜筒(404)、平顶光束整形镜(405)、圆形整形镜(406)、三角转换镜(407)、大垫圈(408)、小垫圈(409)、密封圈(410)、轴承a(411)、轴承b(412)、轴承c(413)、轮盘(414)、内六角螺柱(415)和连接镜筒(416)；所述冷却系统(5)包括短输水管(501)和长输水管(502)。
5.进一步的，所述激光发射器(1)为co2激光发射器，发射的激光为高斯光束，波长通常为10.6μm，有效功率在20kw到50kw之间。
6.进一步的，所述喷头主体(201)上半部分为空腔结构，下半部分沿着下壁面的法线方向设有保护镜筒孔(2012)，保护镜筒孔(2012)内壁带有螺纹线，左侧外壁面设有冷却水循环管路(210)和密封圈槽(211)，左侧内壁面设有镜片槽(2011)，右侧壁面沿法线方向设有连接筒孔a(2013)，连接筒孔a(2013)圆周方向均布设有2个螺纹孔；所述镜片槽(2011)内通过耐高温胶粘接有聚焦反射镜(204)；所述盖板(202)紧贴在喷头主体的左侧外壁面上，盖板(202)与壁面之间的密封圈槽(211)内夹紧有密封圈(203)。
7.进一步的，所述输粉系统(3)中输粉管(301)呈双叉戟形状，输粉管(301)上端管口有两个输粉入口(302)，输粉管(301)末端管口有一个输粉出口(303)，在输粉管(301)中心
对称位置设置了圆柱开口形的固定槽(304)，用于输粉管(301)的定位安装。
8.进一步的，所述镜片光路系统(4)为对称结构，前后同条线上为矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)前后侧壁面上，左右同条线上为圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)左右侧壁面上；所述腔室(401)为长方体空腔结构，腔室(401)上表面为圆环柱状的连接镜筒(416)，通过连接镜筒(416)上表面的凹槽(403)和内壁的螺纹与激光发射器(1)相连接，腔室(401)前后左右四个侧面设有台阶式的连接筒孔b(4011)，在连接筒孔b(4011)的圆周方向上均布设有4个沉头螺纹孔(4012)；所述腔室(401)左后棱线和右前棱线分别设有扇形圆槽(4014)；所述扇形圆槽(4014)通过耐高温胶粘接有输粉管(301)；所述整形镜筒(402)为圆环柱状，柱面设有台阶圆环a(4021)和台阶圆环b(4022)，整形镜筒(402)左端面台阶圆环a(4021)和喷头主体(201)右侧面连接筒孔a(2013)相配合并设有密封圈(417)，通过锁紧螺柱(418)配合连接，整形镜筒(402)右端面台阶圆环b(4022)和腔室侧面连接筒孔b(4011)相配合并设有密封圈(417)，通过内六角螺柱(415)和沉头螺纹孔(4012)锁紧配合连接；所述矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)左端面内壁台阶槽用耐高温胶粘接有矩形整形镜(404)，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、平顶光束整形镜(405)和大垫圈(408)；所述圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、圆形整形镜(406)和大垫圈(408)。
9.进一步的，所述腔室(401)下表面设有圆环短柱(4013)，圆环短柱设有90
°
扇形槽(40131)；所述三角转换镜(407)下端设有凸块(4071)，三角转换镜(407)安装在圆环短柱(4013)中，凸块(4071)恰好处于90
°
扇形槽(40131)中，三角转换镜(407)可在0-90
°
范围内转动，从上到下依次为轴承a(411)、轴承b(412)、轮盘(414)和轴承c(413)三角转换镜(407)。
10.进一步的，所述冷却系统(5)包括8根短输水管(501)和3根长输水管(502)；所述短输水管(501)一端与冷却水循环管路(210)配合连接，另一端与长输水管(502)连接。
11.进一步的，一种基于以上激光熔覆装置的激光熔覆方法，包括以下步骤：
12.步骤1：工件表面处理，对待加工工件表面进行清洁，清洗吹干后利用砂纸对粗糙表面进行简单处理，然后对工件预加热一段时间；
13.步骤2：调整检查装置，根据待加工工件的形状、材料和加工需求确定使用的激光形状，转动转盘从而调整三角转换镜的角度为0
°
或者90
°
，检查圆形整形镜、矩形整形镜、平顶光束整形镜和聚焦反射镜的安装精度，接通冷却系统的进水口和出水口，观察管路是否正常，接通输粉系统入口，观察出口是否正常出粉，检查各个部位密封圈，确保装置密封良好；
14.步骤3：设置工艺参数，根据待加工工件的形状、材料和加工需求设置工艺参数，包括激光功率、扫描速率、搭接率和光斑直径，同时，夹持待加工工件，设置装置的熔覆轨迹；
15.步骤4：开启装置熔覆，检查设置完成后，开启装置，按照预定轨迹进行熔覆并对表面熔池和熔覆层实时监测，根据需要调整工艺参数。
16.进一步的，所述合金粉末的性能参数如下：
17.碳含量：50-60ppm；
18.氧含量：100-120ppm；
19.平均粒径：40.0-45.0μm；
20.球形度：≥95％；
21.流动性：30-35s/50g；
22.松装密度：4.30-4.50g/cm3。
23.相对于现有技术，本发明的优点在于：
24.(1)在装置腔室内设置平顶光整形镜和可转动调整的转换镜，实现了圆形光斑到矩形光斑的转换，有利于应对不同工件的加工，避免了使用的单一性。
25.(2)在装置上设置循环冷却系统可以降低因激光导致的装置发热严重问题，提高了装置使用寿命。
26.(3)该装置共设置四个激光喷头，在输出圆形激光或者矩形激光时均有两个喷头同时工作，并且采用了同轴送粉的方式，提高了熔覆的工作效率和实际效果。
附图说明
27.图1是激光熔覆装置三维模型图。
28.图2是熔覆喷头系统剖面图。
29.图3是喷头主体三维剖切图。
30.图4是熔覆喷头系统三维模型图。
31.图5是输粉系统三维剖切图。
32.图6是镜片光路系统剖切图a。
33.图7是镜片光路系统剖切图b。
34.图8是腔室与三角转换镜连接图。
35.图9是整形镜筒两端连接剖面图。
36.图中：1.激光发射器，2.熔覆喷头系统，3.输粉系统，4.镜片光路系统，5.冷却系统，201.喷头主题，202.盖板，203.密封圈，204.聚焦反射镜，205.保护镜筒，206.保护镜片，207.喷头，208.垫圈，209.内六角螺母，210.冷却水循环管路，211.密封圈槽，2011.镜片槽，2012.保护镜筒孔，2013.连接筒孔a，301.输粉管，302.输粉入口，303.输粉出口，401.腔室，402.整形镜筒，403.台阶槽口，404.矩形整形镜，405.平顶光束整形镜，406.圆形整形镜，407.三角转换镜，408.大垫圈，409.小垫圈，410.密封圈，411.轴承a，412.轴承b，413.轴承c，414.轮盘，415.内六角螺柱，416.连接镜筒，417.密封圈，418.锁紧螺柱，4011.连接筒孔b，4012.沉头螺纹孔，4013.圆环短柱，4014.扇形圆槽，40131.扇形槽，4021.台阶圆环a，4022.台阶圆环b，4071.凸块，501.短输水管，502.长输水管。
具体实施方式
37.为使本技术领域人士更好的理解本说明书的技术方案，下面将结合具体实例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例，需要说明的是，本说明所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供专业人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，都应当属于本发明保护的范围。
38.实施例
39.如图1-9所示，本发明一种激光熔覆装置，主要由激光发射器(1)、熔覆喷头系统(2)、输粉系统(3)、镜片光路系统(4)和冷却系统(5)，所述熔覆喷头系统(2)包括喷头主体(201)、盖板(202)、密封圈(203)、聚焦反射镜(204)、保护镜筒(205)、保护镜片(206)、喷头(207)、垫圈(208)、内六角螺母(209)和冷却水循环管路(210)；所述输粉系统(3)包括输粉管(301)、输粉入口(302)、输粉出口(303)和固定槽(304)；所述镜片光路系统(4)包括腔室(401)、矩形整形镜筒(402)、圆形整形镜筒(403)、矩形整形镜筒(404)、平顶光束整形镜(405)、圆形整形镜(406)、三角转换镜(407)、大垫圈(408)、小垫圈(409)、密封圈(410)、轴承a(411)、轴承b(412)、轴承c(413)、轮盘(414)、内六角螺柱(415)和连接镜筒(416)；所述冷却系统(5)包括短输水管(501)和长输水管(502)。
40.如图1所示，所述激光发射器(1)为co2激光发射器，发射的激光为高斯光束，波长通常为10.6μm，有效功率在20kw到50kw之间。
41.如图2、3和4所示，所述喷头主体(201)上半部分为空腔结构，下半部分沿着下壁面的法线方向设有保护镜筒孔(2012)，保护镜筒孔(2012)内壁带有螺纹线，左侧外壁面设有冷却水循环管路(210)和密封圈槽(211)，左侧内壁面设有镜片槽(2011)，右侧壁面沿法线方向设有连接筒孔a(2013)，连接筒孔a(2013)圆周方向均布设有2个螺纹孔；所述镜片槽(2011)内通过耐高温胶粘接有聚焦反射镜(204)；所述盖板(202)紧贴在喷头主体的左侧外壁面上，盖板(202)与壁面之间的密封圈槽(211)内夹紧有密封圈(203)。
42.如图5所示，所述输粉系统(3)中输粉管(301)呈双叉戟形状，输粉管(301)上端管口有两个输粉入口(302)，输粉管(301)末端管口有一个输粉出口(303)，在输粉管(301)中心对称位置设置了圆柱开口形的固定槽(304)，用于输粉管(301)的定位安装。
43.如图6、7、8和9所示，所述镜片光路系统(4)为对称结构，前后同条线上为矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)前后侧壁面上，左右同条线上为圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)左右侧壁面上；所述腔室(401)为长方体空腔结构，腔室(401)上表面为圆环柱状的连接镜筒(416)，通过连接镜筒(416)上表面的凹槽(403)和内壁的螺纹与激光发射器(1)相连接，腔室(401)前后左右四个侧面设有台阶式的连接筒孔b(4011)，在连接筒孔b(4011)的圆周方向上均布设有4个沉头螺纹孔(4012)；所述腔室(401)左后棱线和右前棱线分别设有扇形圆槽(4014)；所述扇形圆槽(4014)通过耐高温胶粘接有输粉管(301)；所述整形镜筒(402)为圆环柱状，柱面设有台阶圆环a(4021)和台阶圆环b(4022)，整形镜筒(402)左端面台阶圆环a(4021)和喷头主体(201)右侧面连接筒孔a(2013)相配合并设有密封圈(417)，通过锁紧螺柱(418)配合连接，整形镜筒(402)右端面台阶圆环b(4022)和腔室侧面连接筒孔b(4011)相配合并设有密封圈(417)，通过内六角螺柱(415)和沉头螺纹孔(4012)锁紧配合连接；所述矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)左端面内壁台阶槽用耐高温胶粘接有矩形整形镜(404)，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、平顶光束整形镜(405)和大垫圈(408)；所述圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、圆形整形镜(406)和大垫圈(408)。
44.如图6、7、8和9所示，所述腔室(401)下表面设有圆环短柱(4013)，圆环短柱设有
90
°
扇形槽(40131)；所述三角转换镜(407)下端设有凸块(4071)，三角转换镜(407)安装在圆环短柱(4013)中，凸块(4071)恰好处于90
°
扇形槽(40131)中，三角转换镜(407)可在0-90
°
范围内转动，从上到下依次为轴承a(411)、轴承b(412)、轮盘(414)和轴承c(413)三角转换镜(407)。
45.如图1所示，所述冷却系统(5)包括8根短输水管(501)和3根长输水管(502)；所述短输水管(501)一端与冷却水循环管路(210)配合连接，另一端与长输水管(502)连接。
46.进一步的，一种基于上述激光熔覆装置的熔覆方法，包括以下步骤：
47.步骤1：工件表面处理，对待加工工件表面进行清洁，清洗吹干后利用砂纸对粗糙表面进行简单处理，然后对工件预加热一段时间；
48.步骤2：调整检查装置，根据待加工工件的形状、材料和加工需求确定使用的激光形状，转动转盘从而调整三角转换镜的角度为0
°
或者90
°
，检查圆形整形镜、矩形整形镜、平顶光束整形镜和聚焦反射镜的安装精度，接通冷却系统的进水口和出水口，观察管路是否正常，接通输粉系统入口，观察出口是否正常出粉，检查各个部位密封圈，确保装置密封良好；
49.步骤3：设置工艺参数，根据待加工工件的形状、材料和加工需求设置工艺参数，包括激光功率、扫描速率、搭接率和光斑直径，同时，夹持待加工工件，设置装置的熔覆轨迹；
50.步骤4：开启装置熔覆，检查设置完成后，开启装置，按照预定轨迹进行熔覆并对表面熔池和熔覆层实时监测，根据需要调整工艺参数。

技术特征：
1.一种激光熔覆装置，其特征在于，包括：激光发射器(1)、熔覆喷头系统(2)、输粉系统(3)、镜片光路系统(4)和冷却系统(5)，所述熔覆喷头系统(2)包括喷头主体(201)、盖板(202)、密封圈(203)、聚焦反射镜(204)、保护镜筒(205)、保护镜片(206)、喷头(207)、垫圈(208)、内六角螺母(209)和冷却水循环管路(210)；所述输粉系统(3)包括输粉管(301)、输粉入口(302)、输粉出口(303)和固定槽(304)；所述镜片光路系统(4)包括腔室(401)、矩形整形镜筒(402)、圆形整形镜筒(403)、矩形整形镜筒(404)、平顶光束整形镜(405)、圆形整形镜(406)、三角转换镜(407)、大垫圈(408)、小垫圈(409)、密封圈(410)、轴承a(411)、轴承b(412)、轴承c(413)、轮盘(414)、内六角螺柱(415)和连接镜筒(416)；所述冷却系统(5)包括短输水管(501)和长输水管(502)。2.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述激光发射器(1)为co2激光发射器，发射的激光为高斯光束，波长通常为10.6μm，有效功率在20kw到50kw之间。3.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述喷头主体(201)上半部分为空腔结构，下半部分沿着下壁面的法线方向设有保护镜筒孔(2012)，保护镜筒孔(2012)内壁带有螺纹线，左侧外壁面设有冷却水循环管路(210)和密封圈槽(211)，左侧内壁面设有镜片槽(2011)，右侧壁面沿法线方向设有连接筒孔a(2013)，连接筒孔a(2013)圆周方向均布设有2个螺纹孔；所述镜片槽(2011)内通过耐高温胶粘接有聚焦反射镜(204)；所述盖板(202)紧贴在喷头主体的左侧外壁面上，盖板(202)与壁面之间的密封圈槽(211)内夹紧有密封圈(203)。4.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述输粉系统(3)中输粉管(301)呈双叉戟形状，输粉管(301)上端管口有两个输粉入口(302)，输粉管(301)末端管口有一个输粉出口(303)，在输粉管(301)中心对称位置设置了圆柱开口形的固定槽(304)，用于输粉管(301)的定位安装。5.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述镜片光路系统(4)为对称结构，前后同条线上为矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)前后侧壁面上，左右同条线上为圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)通过内六角螺柱(415)安装在腔室(401)左右侧壁面上；所述腔室(401)为长方体空腔结构，腔室(401)上表面为圆环柱状的连接镜筒(416)，通过连接镜筒(416)上表面的凹槽(403)和内壁的螺纹与激光发射器(1)相连接，腔室(401)前后左右四个侧面设有台阶式的连接筒孔b(4011)，在连接筒孔b(4011)的圆周方向上均布设有4个沉头螺纹孔(4012)；所述腔室(401)左后棱线和右前棱线分别设有扇形圆槽(4014)；所述扇形圆槽(4014)通过耐高温胶粘接有输粉管(301)；所述整形镜筒(402)为圆环柱状，柱面设有台阶圆环a(4021)和台阶圆环b(4022)，整形镜筒(402)左端面台阶圆环a(4021)和喷头主体(201)右侧面连接筒孔a(2013)相配合并设有密封圈(417)，通过锁紧螺柱(418)配合连接，整形镜筒(402)右端面台阶圆环b(4022)和腔室侧面连接筒孔b(4011)相配合并设有密封圈(417)，通过内六角螺柱(415)和沉头螺纹孔(4012)锁紧配合连接；所述矩形整形镜筒部分，整形镜筒(402)左端面内壁台阶槽用耐高温胶粘接有矩形整形镜(404)，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、平顶光束整形镜(405)和大垫圈(408)；所述圆形整形镜筒部分，整形镜筒(402)右端面内壁台阶槽与腔室侧面连接筒孔b(4011)之间依次设有小垫圈(409)、圆形整形镜(406)和大垫圈(408)。
6.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述腔室(401)下表面设有圆环短柱(4013)，圆环短柱设有90
°
扇形槽(40131)；所述三角转换镜(407)下端设有凸块(4071)，三角转换镜(407)安装在圆环短柱(4013)中，凸块(4071)恰好处于90
°
扇形槽(40131)中，三角转换镜(407)可在0-90
°
范围内转动，从上到下依次为轴承a(411)、轴承b(412)、轮盘(414)和轴承c(413)三角转换镜(407)，所述轴承c(413)安装在输粉系统的固定槽(304)中。7.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述冷却系统(5)包括8根短输水管(501)和3根长输水管(502)；所述短输水管(501)一端与冷却水循环管路(210)配合连接，另一端与长输水管(502)连接。8.一种激光熔覆方法步骤，基于权利要求1所述的一种激光熔覆装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：工件表面处，对待加工工件表面进行清洁，清洗吹干后利用砂纸对粗糙表面进行简单处理，然后对工件预加热一段时间；步骤2：调整检查装置，根据待加工工件的形状、材料和加工需求确定使用的激光形状，转动转盘从而调整三角转换镜的角度为0
°
或者90
°
，检查圆形整形镜、矩形整形镜、平顶光束整形镜和聚焦反射镜的安装精度，接通冷却系统的进水口和出水口，观察管路是否正常，接通输粉系统入口，观察出口是否正常出粉，检查各个部位密封圈，确保装置密封良好；步骤3：设置工艺参数，根据待加工工件的形状、材料和加工需求设置工艺参数，包括激光功率、扫描速率、搭接率和光斑直径，同时，夹持待加工工件，设置装置的熔覆轨迹；步骤4：开启装置熔覆，检查设置完成后，开启装置，按照预定轨迹进行熔覆并对表面熔池和熔覆层实时监测，根据需要调整工艺参数。9.根据权利要求8所述的一种激光熔覆方法步骤,其特征在于,所述合金粉末的性能参数如下：碳含量：50-60ppm；氧含量：100-120ppm；平均粒径：40.0-45.0μm；球形度：≥95％；流动性：30-35s/50g；松装密度：4.30-4.50g/cm3。

技术总结
本发明涉及一种激光熔覆装置及方法。其中激光熔覆装置包括激光发射器、熔覆喷头系统、输粉系统和镜片光路系统。所述激光发射器为CO2激光发射器，发射激光类型为高斯光束；所述熔覆喷头系统包括冷却水循环管路、聚焦反射镜、喷头主体、保护镜和喷头；所述输粉系统为双叉戟形状，包括两个输粉管入口和一个输粉管出口，送粉采用气体载送方式；所述镜片光路系统包括支架、准直镜、三角转换镜、平顶光束整形镜、圆形光斑整形镜和矩形光斑整形镜。本发明通过三角转换镜和整形镜实现光束类型和光斑形状的转换，从而适应不同的工件，提高工作效率；通过熔覆喷头系统内的冷却水循环管路对聚焦反射镜降温，提高装置使用寿命。提高装置使用寿命。提高装置使用寿命。


技术研发人员：曾德智 罗建成 郑春焰 陈雪珂 王勤英 王熙 喻智明 余成秀 董立谨
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/23