[发明专利]一种同轴多束激光合成轴心送粉超高速激光熔覆头及其熔覆方法

说明书

本发明提供一种同轴多束激光合成轴心送粉超高速激光熔覆头及其熔覆方法，所述激光熔覆头包括由内而外依次同轴设置的激光腔室、保护气腔室和水冷腔室；激光腔室内设有混粉腔室和飞行光路系统；混粉腔室内设有伞形隔粉器和送粉喷嘴，伞形隔粉器通过根部固定于激光熔覆头后盖中心处，激光熔覆头后盖上还设有送粉针，送粉针沿伞形隔粉器环向设置；飞行光路系统沿混粉腔室环向设置，激光腔室的出光口在送粉喷嘴外围，呈环形。本发明的激光熔覆头具有激光光斑面积大，光斑能量梯度分布可设计调节功能，能同步实现基材预热，熔覆层重熔的功能，从而达到高速激光熔覆的要求，并且相比较采用高功率激光器，还有成本更低的特点。

技术领域

本发明涉及表面工程与再制造涂层领域，尤其涉及一种同轴多束激光合成轴心送粉超高速激光熔覆头及其熔覆方法。

背景技术

激光熔覆技术因其制备的涂层与堆焊相比，具有稀释度低、适用粉末材料广等优点；与气相沉积和电镀等相比，具有结合强度高、适用材料广以及可制备厚涂层等优点；与热喷涂相比，具有涂层结合力高、与基体呈冶金结合等优点。因此，其在表面改性和修复领域的应用前景非常广泛。但是因为我国高功率激光器技术的限制，激光熔覆的加工速度不高，所以无法适用于大面积表面快速处理和修复工程项目，在很大程度上限制了该技术大范围推广应用。虽然国外激光器龙头企业，如美国的Coherent、IPG、Nlight，德国的Trumpf、DILAS目前已经研制出高功率激光器，但是存在造价昂贵、维护费用高、质量还不稳定、无法长时间工作的缺点，仍然无法适用于大面积表面快速处理和修复工程项目。另外，在送粉方式方面，预置式送粉虽然粉末利用率高，但是存在工序繁琐、花费时间多、影响熔覆层质量的因素多、难以控制的问题，并且也不符合行业智能化、自动化等的发展趋势，所以预置式送粉方式在高速激光熔覆工艺中并不适用；同步式送粉不管是旁轴送粉还是同轴送粉都涉及粉末汇聚和粉末利用率的问题，粉末汇聚必然会影响粉末流的均匀性，从而降低熔覆层的均匀性；并且粉末流出了熔覆头，呈发散状，难以控制，又因为粉末流在激光束的外围并且与基体表面倾斜，所以粉末会有很大一部分飞逸到空气中，从而造成粉末利用率低的问题。

近年来对于大面积表面激光高速熔覆的需求日益强烈，市场迫切需要成本低、效率高、质量好的激光熔覆装备和工艺。为了满足高速激光熔覆的要求，需要能够同时提高激光光斑能量、改善激光光斑大小、提高粉末利用率、提高熔覆层质量的装置和工艺，而这方面还处于空缺状态。

发明内容

本发明是为了解决激光光斑在高速移动时，熔融粉末所需能量不够、送粉方式粉末利用率低、以及传统激光光斑面积小熔覆效率低的问题，提供了一种同轴多束激光合成轴心送粉超高速激光熔覆头及其熔覆方法。该激光熔覆头具有激光光斑面积大，光斑能量梯度分布可设计调节功能，能同步实现基材预热，熔覆层重熔的功能，从而达到高速激光熔覆的要求，并且相比较采用高功率激光器，还有成本更低的特点。

本发明采用以下技术方案实现：

一种同轴多束激光合成轴心送粉超高速激光熔覆头，所述的激光熔覆头包括由内而外依次同轴设置的激光腔室、保护气腔室和水冷腔室；所述的激光腔室与保护气腔室之间设有激光室外套，所述的保护气腔室和水冷腔室之间设有保护气外套，所述的水冷腔室外设有水冷套；

所述的激光腔室内设有混粉腔室和飞行光路系统；所述的混粉腔室内设有伞形隔粉器和送粉喷嘴，所述的伞形隔粉器通过根部固定于激光熔覆头后盖中心处，激光熔覆头后盖上还设有送粉针；所述的送粉针沿伞形隔粉器环向设置；所述的送粉喷嘴设于混粉腔室下端、其另一端与激光熔覆头的头部固定连接，混匀之后的粉从混粉腔室进入送粉喷嘴，最后到达基体；所述的送粉喷嘴位于激光熔覆头的头部中心处；所述的飞行光路系统沿混粉腔室环向设置，激光腔室的出光口在送粉喷嘴外围，呈环形；所述的飞行光路系统包括传输光纤、激光准直器、45度平面反射镜和离轴抛物面镜，所述的离轴抛物面镜通过抛物面镜固定装置固定于微型滑轨上，所述的微型滑轨固定于激光熔覆头后盖上；

所述的保护气腔室的进气口、水冷腔室的进水口和出水口均设于激光熔覆头后盖上；所述的保护气腔室的出气口在出光口外围，呈环形。