[發明專利]一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法

有效

• 申請號: 202011204168.6
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112410779B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 陳小明;張凱;劉德有;趙堅;劉偉;毛鵬展;伏利;張磊;霍嘉翔
• 申請（專利權）人: 水利部杭州機械設計研究所
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明提供一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法，所述激光熔覆頭包括由內而外依次同軸設置的激光腔室、保護氣腔室和水冷腔室；激光腔室內設有混粉腔室和飛行光路系統；混粉腔室內設有傘形隔粉器和送粉噴嘴，傘形隔粉器通過根部固定于激光熔覆頭后蓋中心處，激光熔覆頭后蓋上還設有送粉針，送粉針沿傘形隔粉器環向設置；飛行光路系統沿混粉腔室環向設置，激光腔室的出光口在送粉噴嘴外圍，呈環形。本發明的激光熔覆頭具有激光光斑面積大，光斑能量梯度分布可設計調節功能，能同步實現基材預熱，熔覆層重熔的功能，從而達到高速激光熔覆的要求，并且相比較采用高功率激光器，還有成本更低的特點。

技術領域

本發明涉及表面工程與再制造涂層領域，尤其涉及一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法。

背景技術

激光熔覆技術因其制備的涂層與堆焊相比，具有稀釋度低、適用粉末材料廣等優點；與氣相沉積和電鍍等相比，具有結合強度高、適用材料廣以及可制備厚涂層等優點；與熱噴涂相比，具有涂層結合力高、與基體呈冶金結合等優點。因此，其在表面改性和修復領域的應用前景非常廣泛。但是因為我國高功率激光器技術的限制，激光熔覆的加工速度不高，所以無法適用于大面積表面快速處理和修復工程項目，在很大程度上限制了該技術大范圍推廣應用。雖然國外激光器龍頭企業，如美國的Coherent、IPG、Nlight，德國的Trumpf、DILAS目前已經研制出高功率激光器，但是存在造價昂貴、維護費用高、質量還不穩定、無法長時間工作的缺點，仍然無法適用于大面積表面快速處理和修復工程項目。另外，在送粉方式方面，預置式送粉雖然粉末利用率高，但是存在工序繁瑣、花費時間多、影響熔覆層質量的因素多、難以控制的問題，并且也不符合行業智能化、自動化等的發展趨勢，所以預置式送粉方式在高速激光熔覆工藝中并不適用；同步式送粉不管是旁軸送粉還是同軸送粉都涉及粉末匯聚和粉末利用率的問題，粉末匯聚必然會影響粉末流的均勻性，從而降低熔覆層的均勻性；并且粉末流出了熔覆頭，呈發散狀，難以控制，又因為粉末流在激光束的外圍并且與基體表面傾斜，所以粉末會有很大一部分飛逸到空氣中，從而造成粉末利用率低的問題。

近年來對于大面積表面激光高速熔覆的需求日益強烈，市場迫切需要成本低、效率高、質量好的激光熔覆裝備和工藝。為了滿足高速激光熔覆的要求，需要能夠同時提高激光光斑能量、改善激光光斑大小、提高粉末利用率、提高熔覆層質量的裝置和工藝，而這方面還處于空缺狀態。

發明內容

本發明是為了解決激光光斑在高速移動時，熔融粉末所需能量不夠、送粉方式粉末利用率低、以及傳統激光光斑面積小熔覆效率低的問題，提供了一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭及其熔覆方法。該激光熔覆頭具有激光光斑面積大，光斑能量梯度分布可設計調節功能，能同步實現基材預熱，熔覆層重熔的功能，從而達到高速激光熔覆的要求，并且相比較采用高功率激光器，還有成本更低的特點。

本發明采用以下技術方案實現：

一種同軸多束激光合成軸心送粉超高速激光熔覆頭，所述的激光熔覆頭包括由內而外依次同軸設置的激光腔室、保護氣腔室和水冷腔室；所述的激光腔室與保護氣腔室之間設有激光室外套，所述的保護氣腔室和水冷腔室之間設有保護氣外套，所述的水冷腔室外設有水冷套；

所述的激光腔室內設有混粉腔室和飛行光路系統；所述的混粉腔室內設有傘形隔粉器和送粉噴嘴，所述的傘形隔粉器通過根部固定于激光熔覆頭后蓋中心處，激光熔覆頭后蓋上還設有送粉針；所述的送粉針沿傘形隔粉器環向設置；所述的送粉噴嘴設于混粉腔室下端、其另一端與激光熔覆頭的頭部固定連接，混勻之后的粉從混粉腔室進入送粉噴嘴，最后到達基體；所述的送粉噴嘴位于激光熔覆頭的頭部中心處；所述的飛行光路系統沿混粉腔室環向設置，激光腔室的出光口在送粉噴嘴外圍，呈環形；所述的飛行光路系統包括傳輸光纖、激光準直器、45度平面反射鏡和離軸拋物面鏡，所述的離軸拋物面鏡通過拋物面鏡固定裝置固定于微型滑軌上，所述的微型滑軌固定于激光熔覆頭后蓋上；

所述的保護氣腔室的進氣口、水冷腔室的進水口和出水口均設于激光熔覆頭后蓋上；所述的保護氣腔室的出氣口在出光口外圍，呈環形。