[發明專利]一種多功能同軸送粉高速激光噴涂裝置及應用

在審

• 申請號: 201710996639.3
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107587132A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 段開椋;韓媛
• 申請（專利權）人: 西安中科中美激光科技有限公司
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B22F3/105;B33Y30/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 汪海艷

技術領域

本發明涉及一種用于同軸送粉激光噴涂裝置，尤其涉及一種多功能同軸送粉高速激光噴涂裝置。通過調整相關參數，該裝置可用于激光噴涂、激光熔覆及金屬3D打印。

背景技術

激光噴涂技術是利用激光將噴涂粉加熱至融化或半融化狀態，并以一定速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。激光熱噴涂技術可在普通材料的表面上，制造一個特殊的工作表面，使其達到防腐、耐磨、抗高溫、抗氧化、導電等一系列功能。超音速激光噴涂是在激光噴涂技術基礎上，以壓縮氣體為加速介質，噴涂粉在壓縮氣體作用下以超高速度碰撞基體表面，基體表面與噴涂粉同時發生塑性變形，與此同時噴涂粉和基體在激光輻射作用下發生熱軟化，快速形成冶金結合的表面涂層。相較傳統激光噴涂技術，高速激光噴涂冶金結合效率高、涂層致密度高以及噴涂粉與基體結合度強。

高速激光噴涂裝備主要包括激光器、機械數控設備、送粉裝置、水冷機、高壓氣體發生器五個部分，其中送粉裝置控制噴涂粉流量、運動路徑及速度，是整套裝備的核心部件。傳統送粉裝置采用拉瓦爾噴嘴進行氣體粉末混合加速，加速后的噴涂粉飛出噴嘴至基體表面。傳統送粉裝置與激光頭采用分離式或一體式兩種結構。圖1為傳統分離式送粉裝置，包括拉瓦爾噴嘴11，基體12及激光頭13。圖2為傳統一體式送粉裝置，包括激光頭21，基體22，拉瓦爾噴嘴23，其中1個或多個噴嘴可周向均勻或不均勻圍繞激光頭排布。傳統送粉裝置在實際應用中，存在以下問題：(1)噴嘴內部高速流動的噴涂粉與噴嘴內壁發生摩擦，長期使用造成噴嘴內部磨損嚴重，需定期更換噴嘴，成本較高；(2)出光前需調整確認激光頭與拉瓦爾噴嘴的相對位置，確保激光光斑完全覆蓋噴涂粉在基體表面的粉斑，調試流程繁瑣，時間成本高，不適宜工業加工中應用；(3)噴涂粉以一定角度碰撞基材表面，碰撞瞬間部分金屬粉溢出粉斑區，造成噴涂粉利用率低且對加工周邊環境造成污染，嚴重時影響設備操作人員健康；(4)激光與多束金屬粉交匯在基體表面，受金屬粉厚度影響，激光能量不能完全充分吸收，激光能量損失較多，整機效率偏低。

發明內容

本發明的目的是提供一種多功能同軸送粉高速激光噴涂裝置，通過該送粉裝置可實現噴涂粉以超高速度與激光同軸同向運動，有效解決傳統送粉裝置成本高、激光能量損耗大、設備使用工序繁瑣等問題，進一步的解決了噴涂粉利用不充分，污染環境等問題，該裝置也可應用在激光熔覆、金屬3D打印。

本發明的技術解決方案是提供一種多功能同軸送粉高速激光噴涂裝置，其特殊之處在于：包括激光腔管1、噴嘴2、活動擋料圈4、至少一個送粉管3以及至少一個高壓氣管5；

上述激光腔管1分為三段，沿激光入射方向依次分別為激光入射段、中間段及激光出射段；

上述高壓氣管5與激光腔管1內腔連通；

上述噴嘴2為拉瓦爾噴嘴或類拉瓦爾噴嘴，噴嘴2內嵌于激光腔管1的內壁；

上述送粉管3設置于激光腔管1的管壁上，送粉管3與激光腔管1軸向中心軸之間的夾角大于0小于90度；

上述活動擋料圈4可拆卸連接在激光腔管1中間段的端面，活動擋料圈4與激光腔管1激光出射段的外壁之間具有第一環形類錐狀或錐狀空隙8，上述第一環形類錐狀或錐狀空隙8的大小能夠通過調節活動擋料圈4的位置進行調節，從而控制噴涂粉流量；上述第一環形類錐狀或錐狀空隙8與送粉管3相通；

激光腔管1、噴嘴2以及活動擋料圈4三者同軸；

高壓氣體通過高壓氣管5進入激光腔管1內，以超高速度經過噴嘴2與激光光束同軸輸出，噴涂粉通過送粉管3及空隙流出與激光同軸同向高速運動至基體表面。

優選地，上述類拉瓦爾噴嘴分為三部分，依次分別為入口段、喉部及出口段，入口段的尺寸從入口端逐漸減小至喉部與喉部連接；出口段與喉部連接，出口段的尺寸從與喉部的連接部至出口端尺寸逐漸增大。即本發明的噴嘴不限于常規的拉瓦爾噴嘴。

優選地，上述噴嘴的喉部的面積大于該處激光光束的橫截面；第一環形類錐狀空隙靠近錐底的間隙大于靠近錐頂的間隙，送粉管3的出口端與錐底間隙連通。

優選地，上述送粉管3沿激光腔管1中間段周向均勻分布。

優選地，本發明裝置還包括保護氣嘴6，上述保護氣嘴6可拆卸連接在激光腔管1管壁上，使得活動擋料圈4位于保護氣嘴6與激光腔管1之間；保護氣嘴6上設置有保護氣管7，保護氣嘴6與活動擋料圈4之間具有第二環形錐狀空隙9，上述第二環形錐狀空隙9與保護氣管7相通，上述第二環形錐狀空隙9的大小能夠通過調節保護氣嘴6與激光腔管及活動擋料圈4的位置進行調節，從而控制保護氣體氣壓流經時氣壓。