一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置和方法与流程

1.本发明涉及一种激光熔覆喷嘴，具体涉及一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置和方法。


背景技术：

2.近年来，激光熔覆技术已在煤矿机械、冶金等领域得到了广泛的应用。从送粉方式看，激光熔覆技术可分为“光外送粉”和“光内送粉”两大类。“光外送粉”的特点是粉流在光的外围。“光内送粉”的特点是粉流通过一个小孔径细管从环状激光束或多束激光的中心送出(例如专利cn100436031c、cn101148760a及专利cn207713821u)。
3.近年来，“光内送粉”技术与“光外送粉”相比发展较快，在许多方面显示出了较大的优势，特别是在熔覆功率大小方面，目前“光外送粉”比较成熟的工业级高速激光熔覆设备是在6000w水平，而“光内送粉”技术，10000w高速激光熔覆设备已经得到普遍应用。但随着熔覆功率的进一步提高，“光内送粉”技术也遇到了很大问题：随着功率的进一步提高，送粉量必须加大，而加大送粉量，粉流从小孔径细管流出时，粉流中心粉粒密度太高，粉粒不发散，形成浓浓的一股，周围的激光束不能将粉流充分熔化，导致熔覆失败。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有光内送粉技术通过单孔送粉，功率过高时，送粉量大导致粉末流密度过高，无法充分熔化的技术问题，而提供一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置和方法。多孔出粉的设计可有效匀化粉粒密度，使粉流中的粉粒彼此相对分开，使得周围的激光束能照射到各个粉粒，从而解决了大功率和大粉末流量的激光熔覆问题。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特殊之处在于：
7.包括喷嘴主体和多孔粉流匀化器；
8.所述喷嘴主体中心沿轴向设置有贯穿上下端的第一粉通道，第一粉通道用于输送粉末，且下端为出粉口；
9.所述喷嘴主体上设置有多个贯穿上下端的第一光通道，用于激光光束通过；
10.多个所述第一光通道以第一粉通道为中心沿周向均匀排布，且多个第一光通道的轴线相交，交点为光束汇聚点，光束汇聚点位于喷嘴主体下方且位于第一粉通道轴线的延长线上，多个第一光通道出光口出射的光束以及第一粉通道的粉束在汇聚点汇聚之前形成光包粉结构；
11.所述多孔粉流匀化器设置在第一粉通道内且位于下端位置，其外壁与第一粉通道的内壁贴合；
12.所述多孔粉流匀化器上沿轴向设置有多个贯穿上下端面的第二粉通道，多个第二粉通道沿多孔粉流匀化器的轴线周向均匀排布，用于出射粉流，多孔粉流匀化器的下端面与喷嘴主体的下端面齐平。
13.进一步地，所述多孔粉流匀化器的轴向长度为3-15mm，第二粉通道的数量为3-6个，第二粉通道的直径为1-3mm。
14.进一步地，所述光束汇聚点与喷嘴主体下端面的距离为10-30mm。
15.进一步地，所述第一粉通道的直径为3-8mm。
16.进一步地，所述第二粉通道的直径为1.3mm，所述第一粉通道的直径为4mm。
17.同时，本发明还提供了一种多孔光内出粉激光熔覆装置，其特殊之处在于：包括熔覆头主体、与熔覆头主体下端可拆卸连接且与熔覆头主体同轴的激光熔覆喷嘴，以及设置在熔覆头主体上端用于激光光束输出的多个激光输出头；所述激光熔覆喷嘴采用上述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴；所述激光输出头的数量与第一光通道的数量相同；
18.所述熔覆头主体上设置有与第一粉通道对应且互相连通的第三粉通道，第三粉通道用于输送粉末；
19.所述熔覆头主体上设置有分别与喷嘴主体的多个第一光通道对应的第二光通道；
20.多个激光输出头分别设置在多个第二光通道的上端，每个激光输出头发射的激光光束依次沿对应的第二光通道和第一光通道射出，用于对多孔粉流匀化器出射的粉流进行熔覆。
21.进一步地，所述激光熔覆装置的熔覆功率≥10000w。
22.本发明还提供了一种多孔光内出粉激光熔覆方法，采用上述的一种多孔光内出粉激光熔覆装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
23.1)将送粉装置的出口连接熔覆头主体的第三粉通道入口，采用气动送粉的方式将粉末输送至第三粉通道内；
24.2)设置粉末输送速度≥160g/min；
25.3)根据粉末输送速度设置送粉气流速度，粉末输送速度为送粉气流的40倍；
26.4)根据粉末输送速度、第二粉通道数量以及粉末成分设置所需的激光熔覆装置功率；
27.5)启动送粉，待粉流稳定时启动激光输出头，开始熔覆。
28.进一步地，步骤1)中，所述粉末采用铁基粉；
29.步骤4)中，第二粉通道数量为3或4个时，粉末输送速度160g/min时对应设置激光熔覆装置功率为10000w，按此粉末输送速度与激光熔覆装置功率的比例进行等比例设置。
30.本发明的有益效果：
31.1、本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置，采用多孔粉流匀化器进行多粉孔输出，将输出的多束发散粉流，相较于光内单孔输出，粉流密度低，使激光束能够照射到各个粉粒，粉末熔化更充分，粉末利用率更高。
32.2、一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，首次解决了万瓦级以上激光熔覆情况下传统光内单孔送粉因粉末流密度过高导致的熔覆失败的问题，成功推动了万瓦级激光熔覆设备的产业化。
33.3、本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，采用中心送粉的方式，粉末利用率高。
34.4、本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，采用多束光空间合束的方式，耐受功率高，安全性高。
35.5、一种多孔光内出粉激光熔覆装置，喷嘴和熔覆头主体为分离式结构，便于更换
维护。
36.6、一种多孔光内出粉激光熔覆方法，所述参数设置的优点包括：1)气流设置在保证粉末被充分送出的同时将气流对粉束分布的影响降到最低；2)光粉比例设置可以将粉末充分熔化且不会有过多多余能量损伤基体；3)采用气动送粉方式具有送粉稳定性高、精度高、效率高的特点。
附图说明
37.图1为本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴实施例的结构示意图；
38.图2为图1的剖视图；
39.图3为本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴实施例在工作时的状态展示图；
40.图4为本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴实施例中多孔粉流匀化器的横截面示意图；
41.图5为本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴实施例中多孔粉流匀化器的纵向截面示意图；
42.图6为本发明一种多孔光内出粉激光熔覆装置实施例的结构示意图。
43.附图标记：1-第一光通道，2-第一粉通道，3-多孔粉流匀化器，31-第二粉通道，4-光束汇聚点，5-粉流，6-喷嘴主体，7-熔覆头主体，8-激光输出头，9-第三粉通道，10-第二光通道。
具体实施方式
44.下面通过附图和实施例对本发明进行详细的说明。
45.本发明一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，包括喷嘴主体6和多孔粉流匀化器3。
46.喷嘴主体6中心沿轴向设置有贯穿上下端的第一粉通道2，第一粉通道2的中心轴线和喷嘴主体6的中心轴线重合，第一粉通道2用于输送粉末，且下端为出粉口，第一粉通道2的直径通常为3-8mm，本实施例中第一粉通道2的直径为4mm。喷嘴主体6上设置有四个贯穿上下端的第一光通道1，用于激光光束通过。四个第一光通道1以第一粉通道2为中心轴沿周向均匀排布，第一光通道1与第一粉通道2成一定夹角，且四个第一光通道1的轴线有且仅有一个交点，交点为光束汇聚点4，光束汇聚点4位于喷嘴主体下方且位于第一粉通道2轴线的延长线上。所有第一光通道1出光口出射的光束，在光束汇聚点4处汇合于同一点，四个第一光通道1出光口出射的光束以及第一粉通道2的粉束在汇聚点4汇聚之前形成光包粉结构。光束汇聚点4与喷嘴主体6下端面的距离为10-30mm，优选的距离为15-20mm，本实施例中为20mm。
47.多孔粉流匀化器3安装在第一粉通道2内且位于下端位置，多孔粉流匀化器3的外壁与第一粉通道2的内壁贴合。多孔粉流匀化器3上沿轴向设置有三个贯穿上下端面的第二粉通道31，其他实施例也可以根据需要设置所需数量的第二粉通道31，数量通常为3-6个。本实施例中三个第二粉通道31沿轴线周向均匀排布，用于出射粉流5，多孔粉流匀化器3的下端面与喷嘴主体6的下端面齐平。多孔粉流匀化器3的轴向长度通常为3-15mm，第二粉通道31的直径通常为1-3mm。为保证粉末利用率以及熔覆效果，粉流5与激光光束相遇时，粉斑应略小于光斑，一般的，粉末从喷嘴输出后会有一定的发散，考虑粉末的发散，经测试，多孔
粉流匀化器3的三个第二粉通道31的直径设计为1.3mm左右，第一粉通道2直径设计为4mm左右时，粉末利用率最高，且在需要大粉量熔覆的情况下成功避免了单孔出粉时粉末熔不透的现象，进一步提高了熔覆功率和粉量。
48.本发明还提供了一种多孔光内出粉激光熔覆装置，包括熔覆头主体7、与熔覆头主体7下端可拆卸连接且与熔覆头主体7同轴的激光熔覆喷嘴，以及设置在熔覆头主体7上端用于激光光束输出的四个激光输出头8，激光熔覆喷嘴采用上述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，激光输出头8的数量与第一光通道1的数量相同。熔覆头主体7上设置有与第一粉通道2对应且互相连通的第三粉通道9，第三粉通道9用于输送粉末。熔覆头主体7上设置有分别与喷嘴主体6的四个第一光通道1对应的四个第二光通道10，四个第一光通道1与四个第二光通道10一一对应，且互相连通，形成一体的光束通道，用于对多孔粉流匀化器3出射的粉流5进行熔覆。四个激光输出头8分别设置在四个第二光通道10的上端，每个激光输出头8发射的激光光束依次沿对应的第二光通道10和第一光通道1射出，粉末从第三粉通道9入口送入，并依次通过第三粉通道9和第一粉通道2，再从多孔粉流匀化器3出粉口喷出，从多孔粉流匀化器3喷出的粉流与四束激光光束在光束汇聚点4重合，进行熔覆，重合处的光斑直径为5-6mm。本发明激光熔覆装置既可以进行低功率熔覆，也可以进行高功率熔覆，且对高功率大粉量工况的熔覆更有优势，比如，熔覆功率≥10000w的工况。
49.本发明装置的优势是：在没有多孔粉流匀化器3时，从第一粉通道2流出的粉流，在粉量较大时，常为中心粉末密度较浓的一股粉流，熔覆时无法得到周围激光的均匀照射，导致熔覆失败。在添加多孔粉流匀化器3后，从第一粉通道2流出的1股粉流被平均分为3股细粉流。由于每束细粉流粉粒是相对均匀分开的，3束细粉流合成的总粉流粉粒也是均匀分开的，有效提高了熔覆质量。
50.本发明还提供了一种多孔光内出粉激光熔覆方法，采用上述的一种多孔光内出粉激光熔覆装置，包括以下步骤：
51.1)将送粉装置的出口连接熔覆头主体的第三粉通道9入口，采用气动送粉的方式将粉末输送至第三粉通道9内，本实施例中粉末采用铁基粉。
52.2)设置粉末输送速度≥160g/min，本实施例中设置粉末输送速度为160g/min。
53.3)根据粉末输送速度数值设置送粉气流速度数值，粉末输送速度数值为送粉气流数值的40倍，本实施例中送粉气流为4l/min。
54.4)根据粉末输送速度、第二粉通道31数量以及粉末成分设置所需的激光熔覆装置功率。
55.当第二粉通道31数量为3或4个时，粉末输送速度160g/min时对应设置激光熔覆装置功率为10000w，其他实施例若需更大的粉末输送速度，则激光熔覆装置功率按此粉末输送速度与激光熔覆装置功率的比例(即160g/min对应10000w)进行等比例设置。
56.5)启动送粉，待粉流5稳定时启动激光输出头，开始熔覆。
57.以上所述为本发明的具体实施案例，并不限于本发明，凡在本发明的原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特征在于：包括喷嘴主体(6)和多孔粉流匀化器(3)；所述喷嘴主体(6)中心沿轴向设置有贯穿上下端的第一粉通道(2)，第一粉通道(2)用于输送粉末，且下端为出粉口；所述喷嘴主体(6)上设置有多个贯穿上下端的第一光通道(1)，用于激光光束通过；多个所述第一光通道(1)以第一粉通道(2)为中心沿周向均匀排布，且多个第一光通道(1)的轴线相交，交点为光束汇聚点(4)，光束汇聚点(4)位于喷嘴主体下方且位于第一粉通道(2)轴线的延长线上，多个第一光通道(1)出光口出射的光束以及第一粉通道(2)的粉束在汇聚点(4)汇聚之前形成光包粉结构；所述多孔粉流匀化器(3)设置在第一粉通道(2)内且位于下端位置，其外壁与第一粉通道(2)的内壁贴合；所述多孔粉流匀化器(3)上沿轴向设置有多个贯穿上下端面的第二粉通道(31)，多个第二粉通道(31)沿多孔粉流匀化器(3)的轴线周向均匀排布，用于出射粉流(5)，多孔粉流匀化器(3)的下端面与喷嘴主体(6)的下端面齐平。2.根据权利要求1所述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述多孔粉流匀化器(3)的轴向长度为3-15mm，第二粉通道(31)的数量为3-6个，第二粉通道(31)的直径为1-3mm。3.根据权利要求1或2所述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述光束汇聚点(4)与喷嘴主体(6)下端面的距离为10-30mm。4.根据权利要求3所述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述第一粉通道(2)的直径为3-8mm。5.根据权利要求4所述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述第二粉通道(31)的直径为1.3mm，所述第一粉通道(2)的直径为4mm。6.一种多孔光内出粉激光熔覆装置，其特征在于：包括熔覆头主体(7)、与熔覆头主体(7)下端可拆卸连接且与熔覆头主体(7)同轴的激光熔覆喷嘴，以及设置在熔覆头主体(7)上端用于激光光束输出的多个激光输出头(8)；所述激光熔覆喷嘴采用权利要求1-5任一所述的一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴；所述激光输出头(8)的数量与第一光通道(1)的数量相同；所述熔覆头主体(7)上设置有与第一粉通道(2)对应且互相连通的第三粉通道(9)，第三粉通道(9)用于输送粉末；所述熔覆头主体(7)上设置有分别与喷嘴主体(6)的多个第一光通道(1)对应的第二光通道(10)；多个激光输出头(8)分别设置在多个第二光通道(10)的上端，每个激光输出头(8)发射的激光光束依次沿对应的第二光通道(10)和第一光通道(1)射出，用于对多孔粉流匀化器(3)出射的粉流(5)进行熔覆。7.根据权利要求6所述的一种多孔光内出粉激光熔覆装置，其特征在于：所述激光熔覆装置的熔覆功率≥10000w。8.一种多孔光内出粉激光熔覆方法，采用权利要求6-7任一所述的一种多孔光内出粉激光熔覆装置，其特征在于，包括以下步骤：
1)将送粉装置的出口连接熔覆头主体的第三粉通道(9)入口，采用气动送粉的方式将粉末输送至第三粉通道(9)内；2)设置粉末输送速度≥160g/min；3)根据粉末输送速度设置送粉气流速度，粉末输送速度为送粉气流的40倍；4)根据粉末输送速度、第二粉通道(31)数量以及粉末成分设置所需的激光熔覆装置功率；5)启动送粉，待粉流(5)稳定时启动激光输出头，开始熔覆。9.根据权利要求8所述的一种多孔光内出粉激光熔覆方法，其特征在于：步骤1)中，所述粉末采用铁基粉；步骤4)中，第二粉通道(31)数量为3或4个时，粉末输送速度160g/min时对应设置激光熔覆装置功率为10000w，按此粉末输送速度与激光熔覆装置功率的比例进行等比例设置。

技术总结
本发明涉及一种激光熔覆喷嘴，具体涉及一种多孔光内出粉激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置和方法。解决现有光内送粉技术通过单孔送粉，功率过高时，送粉量大易导致粉末流密度过高无法充分熔化的技术问题。本发明激光熔覆喷嘴，包括喷嘴主体和多孔粉流匀化器；喷嘴主体设置有第一粉通道和多个第一光通道；多个第一光通道的轴线有一个交点，交点位于喷嘴主体下方且位于第一粉通道出粉口延长轴线上，多个第一光通道出光口出射的光束以及第一粉通道的粉束在汇聚点汇聚之前为光包粉结构；多孔粉流匀化器设置在第一粉通道内，其内均匀设置多个第二粉通道，粉末分别从多个第二粉通道喷出。同时，本发明还提供了激光熔覆装置和激光熔覆方法。发明还提供了激光熔覆装置和激光熔覆方法。发明还提供了激光熔覆装置和激光熔覆方法。


技术研发人员：段开椋 马宝田 邵红敏
受保护的技术使用者：陕西中科中美激光科技有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9