本發(fā)明屬于表面工程技術領域，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：

激光熔覆是一種先進的表面處理技術，其原理是利用激光對合金粉末與基體表面進行輻照使之熔化，并快速凝固后形成冶金結合良好的涂層，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，廣泛應用于汽輪機葉片、曲軸、機床主軸等零部件的再制造修復。

隨著大型軸類件(如船用曲軸、液壓缸立柱等)對表面修復的需求越來越高，傳統小光斑的激光熔覆設備由于熔覆效率低，已不能滿足大型軸類件對修復效率的迫切需求，大光斑寬帶激光熔覆設備應運而生，由此帶來的問題是激光熔覆過程中合金粉末如何準確均勻地輸送到激光熔覆產生的熔池中，現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。

國內許多學者對寬帶激光熔覆用送粉裝置進行了一系列設計，授權號為CN103132072B的發(fā)明專利“一種激光熔覆用側向送粉噴嘴裝置”提出了一種適用于矩形光斑的側向送粉噴嘴，這種側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及其送粉噴嘴”公開了一套適用于寬帶激光熔覆的系統及送粉噴嘴，這種可調寬帶送粉系統復雜，控制困難，粉末均勻性較差，粉束并未直接進入熔池；公開號為CN1319459A的發(fā)明專利“可調寬帶雙向對稱送粉激光熔覆噴嘴”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安裝矩形通道的送粉頭，以實現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、加工質量差。

技術實現要素：

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，結構簡單、易于加工。

本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置，包括高度可調且設有中心通孔的套筒組件，套筒組件頂端設有用于與激光器連接的外接件，套筒組件底端軸心處設有光束隔罩，套筒組件底端設有從內到外依次套在光束隔罩上的內層氣罩、外層氣罩和冷卻水罩，套筒組件底端內層氣罩和外層氣罩之間設有兩個關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折彎、出口為與光斑形狀相匹配的矩形，光束隔罩、內層氣罩、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，套筒組件上設有與密封腔連通的注水口和出水口、與內層氣罩和外層氣罩的環(huán)空連通的外層保護氣入口、與內層氣罩和光束隔罩的環(huán)空連通的內層保護氣入口、與送粉管進口連通的送粉入口。

進一步地，套筒組件底端設有連接盤，套筒組件底端軸心處設有穿過連接盤的隔罩連接套，光束隔罩設在隔罩連接套軸心處的方形通孔內，內層氣罩、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，注水口、出水口和外層保護氣入口分別設在連接盤上，送粉管進口位于套筒組件底端和連接盤的配合面上，送粉入口設在套筒組件底端，套筒組件上設有一圈環(huán)槽，環(huán)槽通過套筒組件的中心通孔與內層氣罩和光束隔罩的環(huán)空連通，內層保護氣入口設在套筒組件底端并與環(huán)槽連通。

進一步地，在垂直于軸心的投影面上，以軸心投影點為基準，注水口和出水口呈180度排布，兩個送粉入口呈180度排布，內層保護氣入口與兩個送粉入口分別呈90度排布，外層保護氣入口與兩個送粉入口分別呈90度排布。

進一步地，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，包括外源設備的連接、送粉裝置參數調節(jié)及同軸寬帶送粉激光熔覆三個步驟：

外源設備的連接包括——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，內層保護氣入口和外層保護氣入口分別與惰性氣體發(fā)生裝置連接，其中，激光器是指能產生寬帶型光斑的激光器；

送粉裝置參數調節(jié)是指保護氣壓與送粉流量的調節(jié)和送粉距離h的調節(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，保護氣壓、送粉流量及送粉距離h調節(jié)應限定在一定范圍，參數調節(jié)的要求是粉末不發(fā)散、粉末匯聚點位于激光器產生于工件表面的激光光斑內；

同軸寬帶送粉激光熔覆是指根據工件表面情況選取合理的熔覆工藝參數進行寬帶激光熔覆，要求熔覆層表面質量良好、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對寬帶激光熔覆的送粉，有效解決了側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)于側向送粉；內層保護氣入口向內層氣罩和光束隔罩的環(huán)空通入內層保護氣，內層保護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；外層保護氣入口向內層氣罩和外層氣罩的環(huán)空通入外層保護氣，外層保護氣和內層保護氣雙重作用在送粉管噴出的粉斑上，約束了粉斑向內側和外側的擴散，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構，即可實現了外層保護氣、內層保護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了光斑、粉斑、外層保護氣和內層保護氣的定位，調節(jié)套筒組件高度即可調節(jié)送粉距離，整個裝置結構簡單、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用領域。

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-內層保護氣入口；15-外層保護氣入口；16-惰性氣體發(fā)生裝置。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1和圖3所示，一種寬帶激光熔覆用同軸送粉裝置，包括高度可調且設有中心通孔的套筒組件7，套筒組件7頂端設有用于與激光器(末端鏡頭)連接的外接件(連接箍8)，套筒組件7底端軸心處設有光束隔罩3，套筒組件7底端設有從內到外依次套在光束隔罩3上的內層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1，套筒組件7底端內層氣罩5和外層氣罩2之間設有兩個關于光束隔罩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上設有與密封腔連通的注水口11和出水口11、與內層氣罩5和外層氣罩2的環(huán)空連通的外層保護氣入口15、與內層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空連通的內層保護氣入口14、與送粉管4進口連通的送粉入口10。

該裝置采用同軸送粉方式實現對寬帶激光熔覆的送粉，有效解決了側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)于側向送粉；內層保護氣入口14向內層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空通入內層保護氣，內層保護氣包裹在光束隔罩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；外層保護氣入口15向內層氣罩5和外層氣罩2的環(huán)空通入外層保護氣，外層保護氣和內層保護氣雙重作用在送粉管4噴出的粉斑上，約束了粉斑向內側和外側的擴散，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構，即可實現了外層保護氣、內層保護氣和冷卻水的相互隔離，通過罩體與套筒組件7的安裝即可實現了光斑、粉斑、外層保護氣和內層保護氣的定位，調節(jié)套筒組件7高度即可調節(jié)送粉距離，整個裝置結構簡單、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用領域。

如圖1和圖3所示，在本實施例中，套筒組件7底端設有連接盤6，套筒組件7底端軸心處設有穿過連接盤6的隔罩連接套9，光束隔罩3設在隔罩連接套9軸心處的方形通孔內，內層氣罩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，注水口11、出水口11和外層保護氣入口15分別設在連接盤6上，送粉管4進口位于套筒組件7底端和連接盤6的配合面上，送粉入口10設在套筒組件7底端，套筒組件7上設有一圈環(huán)槽，環(huán)槽通過套筒組件7的中心通孔與內層氣罩5和光束隔罩3的環(huán)空連通，內層保護氣入口14設在套筒組件7底端并與環(huán)槽連通。

由于光束隔罩3外套有三層罩體(內層氣罩5、外層氣罩2和冷卻水罩1)，內層氣罩5和外層氣罩2之間還設有兩個送粉管4，如何將外部的物質輸入兩層罩體之間的環(huán)空和送粉管4內成為了一個難題，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和外層保護氣入口15直接開設在連接盤6上，但是對于內層的內層氣罩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和內層保護氣入口14開設在套筒組件7底端，通過環(huán)槽以及套筒組件7底端和連接盤6的配合面將物質輸入，制作簡單；連接盤6通過矩形槽分別將內層氣罩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，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，內層保護氣入口14與兩個送粉入口10分別呈90度排布，外層保護氣入口15與兩個送粉入口10分別呈90度排布。內層保護氣入口14與兩個送粉入口10距離的角度相同，保證了內層保護氣均衡作用在粉斑上，外層保護氣入口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，外接件設在頂部套筒上。通過螺紋副實現頂部套筒和底部套筒的上下相對移動，進而實現對送粉距離的調節(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，包括外源設備的連接、送粉裝置參數調節(jié)及同軸寬帶送粉激光熔覆三個步驟。

外源設備的連接包括——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，內層保護氣入口14和外層保護氣入口15分別與惰性氣體發(fā)生裝置16連接，其中，激光器是指能產生寬帶型光斑的激光器。

送粉裝置參數調節(jié)是指保護氣壓與送粉流量的調節(jié)和送粉距離h的調節(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，保護氣壓、送粉流量及送粉距離h調節(jié)應限定在一定范圍(在本實施例中，送粉距離h的調節(jié)范圍為5-10mm，保護氣壓的調節(jié)范圍為0.5-1.5MPa，送粉流量的調節(jié)范圍為5-15g/min)，參數調節(jié)的要求是粉末不發(fā)散、粉末匯聚點位于激光器產生于工件表面的激光光斑內。

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

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。