[发明专利]一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于同轴送粉激光喷涂装置，尤其涉及一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置。通过调整相关参数，该装置可用于激光喷涂、激光熔覆及金属3D打印。

背景技术

激光喷涂技术是利用激光将喷涂粉加热至融化或半融化状态，并以一定速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。激光热喷涂技术可在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到防腐、耐磨、抗高温、抗氧化、导电等一系列功能。超音速激光喷涂是在激光喷涂技术基础上，以压缩气体为加速介质，喷涂粉在压缩气体作用下以超高速度碰撞基体表面，基体表面与喷涂粉同时发生塑性变形，与此同时喷涂粉和基体在激光辐射作用下发生热软化，快速形成冶金结合的表面涂层。相较传统激光喷涂技术，高速激光喷涂冶金结合效率高、涂层致密度高以及喷涂粉与基体结合度强。

高速激光喷涂装备主要包括激光器、机械数控设备、送粉装置、水冷机、高压气体发生器五个部分，其中送粉装置控制喷涂粉流量、运动路径及速度，是整套装备的核心部件。传统送粉装置采用拉瓦尔喷嘴进行气体粉末混合加速，加速后的喷涂粉飞出喷嘴至基体表面。传统送粉装置与激光头采用分离式或一体式两种结构。图1为传统分离式送粉装置，包括拉瓦尔喷嘴11，基体12及激光头13。图2为传统一体式送粉装置，包括激光头21，基体22，拉瓦尔喷嘴23，其中1个或多个喷嘴可周向均匀或不均匀围绕激光头排布。传统送粉装置在实际应用中，存在以下问题：(1)喷嘴内部高速流动的喷涂粉与喷嘴内壁发生摩擦，长期使用造成喷嘴内部磨损严重，需定期更换喷嘴，成本较高；(2)出光前需调整确认激光头与拉瓦尔喷嘴的相对位置，确保激光光斑完全覆盖喷涂粉在基体表面的粉斑，调试流程繁琐，时间成本高，不适宜工业加工中应用；(3)喷涂粉以一定角度碰撞基材表面，碰撞瞬间部分金属粉溢出粉斑区，造成喷涂粉利用率低且对加工周边环境造成污染，严重时影响设备操作人员健康；(4)激光与多束金属粉交汇在基体表面，受金属粉厚度影响，激光能量不能完全充分吸收，激光能量损失较多，整机效率偏低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，通过该送粉装置可实现喷涂粉以超高速度与激光同轴同向运动，有效解决传统送粉装置成本高、激光能量损耗大、设备使用工序繁琐等问题，进一步的解决了喷涂粉利用不充分，污染环境等问题，该装置也可应用在激光熔覆、金属3D打印。

本发明的技术解决方案是提供一种多功能同轴送粉高速激光喷涂装置，其特殊之处在于：包括激光腔管1、喷嘴2、活动挡料圈4、至少一个送粉管3以及至少一个高压气管5；

上述激光腔管1分为三段，沿激光入射方向依次分别为激光入射段、中间段及激光出射段；

上述高压气管5与激光腔管1内腔连通；

上述喷嘴2为拉瓦尔喷嘴或类拉瓦尔喷嘴，喷嘴2内嵌于激光腔管1的内壁；

上述送粉管3设置于激光腔管1的管壁上，送粉管3与激光腔管1轴向中心轴之间的夹角大于0小于90度；

上述活动挡料圈4可拆卸连接在激光腔管1中间段的端面，活动挡料圈4与激光腔管1激光出射段的外壁之间具有第一环形类锥状或锥状空隙8，上述第一环形类锥状或锥状空隙8的大小能够通过调节活动挡料圈4的位置进行调节，从而控制喷涂粉流量；上述第一环形类锥状或锥状空隙8与送粉管3相通；

激光腔管1、喷嘴2以及活动挡料圈4三者同轴；

高压气体通过高压气管5进入激光腔管1内，以超高速度经过喷嘴2与激光光束同轴输出，喷涂粉通过送粉管3及空隙流出与激光同轴同向高速运动至基体表面。

优选地，上述类拉瓦尔喷嘴分为三部分，依次分别为入口段、喉部及出口段，入口段的尺寸从入口端逐渐减小至喉部与喉部连接；出口段与喉部连接，出口段的尺寸从与喉部的连接部至出口端尺寸逐渐增大。即本发明的喷嘴不限于常规的拉瓦尔喷嘴。

优选地，上述喷嘴的喉部的面积大于该处激光光束的横截面；第一环形类锥状空隙靠近锥底的间隙大于靠近锥顶的间隙，送粉管3的出口端与锥底间隙连通。

优选地，上述送粉管3沿激光腔管1中间段周向均匀分布。

优选地，本发明装置还包括保护气嘴6，上述保护气嘴6可拆卸连接在激光腔管1管壁上，使得活动挡料圈4位于保护气嘴6与激光腔管1之间；保护气嘴6上设置有保护气管7，保护气嘴6与活动挡料圈4之间具有第二环形锥状空隙9，上述第二环形锥状空隙9与保护气管7相通，上述第二环形锥状空隙9的大小能够通过调节保护气嘴6与激光腔管及活动挡料圈4的位置进行调节，从而控制保护气体气压流经时气压。