多角度可预热回火式激光熔覆头的制作方法

本发明涉及一种激光熔覆前对基材进行预热、熔覆后对熔覆层进行回火的激光熔覆头。

背景技术：

目前，激光熔覆是一种先进的表面改性技术，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与基材薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的熔覆层。既能够制造出复杂结构的零件，又能对破损零件进行修复，已被广泛应用于制造业的各领域。

激光束直接辐照在材料表面使其熔化，然后通过热传导使其快速冷却凝固，从而在材料表面形成与基体互熔。快速加热和快速冷却的特点造成过大的温度梯度，容易导致熔覆层中存在较大的残余应力，具有较高的开裂敏感性。另外，组织均匀性也较差，且存在一定数量的气孔。这是激光熔覆在工业应用中受到限制的原因之一。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种多角度可预热回火式激光熔覆头，能够安装在工业机器人A6轴上，或安装在改造数控机床的主轴上，用于制造或修复机械零件，用于解决现有的激光熔覆，快速加热和快速冷却的特点造成过大的温度梯度，容易导致熔覆层中存在较大的残余应力，具有较高的开裂敏感性，以及组织均匀性也较差，且存在一定数量的气孔的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种多角度可预热回火式激光熔覆头，包括：分束机构、分束变焦机构、激光扫描跟踪机构和激光熔覆机构。

所述分束机构包括：分束腔体、分光镜、分光镜玻璃支撑板、三角支撑块、曲面镜和旋转支撑法兰；所述分束机构中的分束腔体上部设置有旋转支撑法兰，所述旋转支撑法兰的下圆环面上设置有六个用于安装曲面镜的圆孔；所述分束腔体包括上部的锥形部和下部的筒形部；所述分束腔体锥形部的外壁倾斜面圆周方向均布有六个圆环凸台；所述的分光镜玻璃支撑板设置于分束腔体筒形部的顶端；所述分光镜玻璃支撑板上表面通过三角支撑块设置有分光镜。

所述激光扫描跟踪机构包括：大齿轮、小齿轮、步进电机、旋转支撑法兰、光束连接套筒、圆锥滚子轴承、轴承支撑板和电机支架；所述激光扫描跟踪机构中的光束连接套筒上部通过电机支架安装有步进电机，所述旋转支撑法兰上端外壁设置有大齿轮，所述大齿轮通过小齿轮同步进电机传动连接；所述光束连接套筒下部外壁同旋转支撑法兰的轴承孔之间设置有圆锥滚子轴承，所述光束连接套筒底部设置有用于承载限位圆锥滚子轴承的轴承支撑板。

所述的分束变焦机构设置于分束腔体的圆环凸台末端；所述的激光熔覆机构设置于所述分束腔体筒形部底端；当步进电机驱动旋转支撑法兰，以及分束腔体转动，能够调整分光镜的分光角度，进而调节通过曲面镜折射入分束变焦机构的角度。

作为优选所述分束变焦机构包括：分束凹透镜、镜头连接环、镜头调焦环、分束镜头和分束凸透镜；所述分束变焦机构中的分束凹透镜设置于分束腔体的圆环凸台内孔，所述分束腔体圆环凸台末端通过镜头连接环设置有镜头调焦环，所述镜头调焦环同镜头连接环螺纹连接；所述镜头调焦环末端设置有分束镜头，所述分束镜头内孔设置有分束凸透镜。

作为优选所述激光熔覆机构包括：熔覆喷嘴、冷却水连接头、进水口、出水口、粉末导向套、锥形激光套、连接盘、挡光环、保护气通入口和粉末进入口；所述激光熔覆机构的熔覆喷嘴同分束腔体筒形部的底端连接固定。

作为优选六个所述曲面镜的圆心至旋转支撑法兰的圆心的距离d不相同。

作为优选分束腔体锥形部的圆环凸台在径向横截面均匀分布，且两两形成一组，纵截面圆环凸台轴线与水平方向角度θ₂各不相同。

作为优选所述三角支撑块角度θ₁各不相同。

与现有技术相比较，本发明所述的多角度可预热回火式激光熔覆头，具有以下优点：

1、本发明所述的多角度可预热回火式激光熔覆头，当步进电机驱动旋转支撑法兰，以及分束腔体转动，能够调整分光镜的分光角度，进而调节通过曲面镜折射入分束变焦机构的角度，使通过分光镜、曲面镜射入分束变焦机构，分束腔体中的平行光束大部分经主光束凸透镜用于激光熔覆，其余部分通过分光镜、曲面镜射入分束变焦机构，并于激光熔覆头的前进方向进行预热，后退方向进行回火，有效降低因单激光束快热快冷所造成的残余应力、裂纹敏感、组织不均的影响；能够多方位对基材进行预热，对熔覆层进行回火，大大地减小了温度梯度。

2、本发明所述的多角度可预热回火式激光熔覆头，分光镜、曲面镜以及分束变焦机构设置有六个，分成三对，设置有三对预热、回火激光头供不同工艺参数下进行选择，同时还能够调节镜头调焦环来改变激光光斑大小，调节方便，可行性高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明分束激光头布置主视图。

图3是本发明分束激光头布置俯视图。

图4是本发明激光分束光路图。

图5是本发明θ₁、θ₂、d、D四者关系示意图。

图6是本发明激光扫描跟踪机构示意图。

图7是本发明轨迹流程图。

图8是本发明的使用效果图。

其中：1、光束连接套筒，2、大齿轮，3、圆锥滚子轴承，4、旋转支撑法兰，5、分束腔体，6、分束凹透镜，7、镜头连接环，8、镜头调焦环，9、分束凸透镜，10、分束镜头，11、熔覆喷嘴，12、冷却水连接头，12-1、进水口，12-2、出水口，13、粉末导向套，14、锥形激光套，15、连接盘，16、挡光环，17、主光束凸透镜，18、分光镜支撑玻璃板，19、三角支撑块，20、分光镜，21、轴承支撑板，22、曲面镜，23、小齿轮，24、步进电机，25、电机支架，26、保护气通入口，27、粉末进入口；

a、主光束熔覆头，b、预热激光头，c、回火激光头，d、光束接头，e、主光束，f、预热光束，g、回火光束。

具体实施方式

如图1到图8所示，一种多角度可预热回火式激光熔覆头，包括：分束机构、分束变焦机构、激光扫描跟踪机构和激光熔覆机构。

所述分束机构包括：分束腔体5、分光镜20、分光镜玻璃支撑板18、三角支撑块19、曲面镜22和旋转支撑法兰4；所述分束机构中的分束腔体5上部设置有旋转支撑法兰4，所述的分束腔体5与旋转支撑法兰4以螺钉连接固定，且连接角度唯一，旋转支撑法兰4下圆环面的圆孔与分束腔体5锥形部的圆环凸台一一对应，即d与θ₂一一对应，所述旋转支撑法兰4的下圆环面上设置有六个用于安装曲面镜22的圆孔；下圆环面上平均设有6个直径相同、距旋转支撑法兰圆心距离d各不相同的圆孔，以便嵌入曲面镜22。旋转支撑法兰4下端面上的6个圆孔与曲面镜22过盈配合。

所述分束腔体5包括上部的锥形部和下部的筒形部；所述分束腔体5锥形部的外壁倾斜面圆周方向均布有六个圆环凸台；所述的分光镜玻璃支撑板18设置于分束腔体5筒形部的顶端；所述的分光镜支撑玻璃板18与分束腔体5采用键定位、过盈配合。

所述分光镜玻璃支撑板18上表面通过三角支撑块19设置有分光镜20；所述分光镜支撑板18、三角支撑块19、分光镜20三者之间通过专用胶水按一定位置粘接。

所述激光扫描跟踪机构包括：大齿轮2、小齿轮23、步进电机24、旋转支撑法兰4、光束连接套筒1、圆锥滚子轴承3、轴承支撑板21和电机支架25；所述的光束连接套筒1与激光系统的输入接头螺钉相连接，所述激光扫描跟踪机构中的光束连接套筒1上部通过电机支架25安装有步进电机24，所述的光束连接套筒1上方下圆，所述的电机支架25与光束连接套筒1上端一平面上用螺钉连接；所述的电机支架25与步进电机24采用螺栓连接；所述旋转支撑法兰4上端外壁设置有大齿轮2，所述大齿轮2通过小齿轮23同步进电机24传动连接。

所述的小齿轮23与步进电机24通过键传递转矩，所述的小齿轮23一端面与步进电机24轴肩接触，另一端面用螺母轴向拧紧；所述的小齿轮23与大齿轮2通过齿轮传动；所述的大齿轮2与旋转支撑法兰4外圆面过盈配合，通过键连接实现传动，大齿轮2一端面与旋转支撑法兰4轴肩接触；所述光束连接套筒1下部外壁同旋转支撑法兰4的轴承孔之间设置有圆锥滚子轴承3，所述光束连接套筒1底部设置有用于承载限位圆锥滚子轴承3的轴承支撑板21。

所述的旋转支撑法兰4的下轴承孔有圆锥滚子轴承3外圈过盈配合，旋转支撑法兰4的轴承孔端面与圆锥滚子轴承3外圈端面接触；所述的圆锥滚子轴承3内孔与光束连接套筒1下外圆柱面过盈配合；所述的圆锥滚子轴承3内圈下端面与轴承支撑板21上端面靠重力紧密接触；所述的轴承支撑板21与光束连接套筒1下圆环面采用螺钉连接。

所述的分束变焦机构作为分束腔体5安装的分束激光头，如图2和图3所示，所述的分束变焦机构设置于分束腔体5的圆环凸台末端；所述分束变焦机构包括：分束凹透镜6、镜头连接环7、镜头调焦环8、分束镜头10和分束凸透镜9；所述分束变焦机构用于对各分激光束进行调焦，改变焦点光斑大小。

所述激光扫描跟踪机构通过步进电机24驱动实时跟踪，实现三焦点(预热激光束、主光束、回火激光束)所在平面与扫描方向重合，保证在扫描方向上有效减小温度梯度，如图6所示。

所述分束变焦机构中的分束凹透镜6设置于分束腔体5的圆环凸台内孔，所述的分束凹透镜6与分束腔体5的各圆环凸台内孔过盈配合；所述分束腔体5圆环凸台末端通过镜头连接环7设置有镜头调焦环8，所述的镜头连接环7与分束腔体5的各圆环凸台内孔采用螺纹紧密连接。

所述镜头调焦环8同镜头连接环7螺纹连接；镜头调焦环8与镜头连接环7内孔采用螺纹连接，螺纹长度较长，能够进行调节；旋转镜头调焦环8能够改变分束变焦机构中分束凸透镜9与分束凹透镜6之间的距离，达到改变焦点光斑的大小的目的，从而改变预热、回火光束的影响区域和能量密度。

所述镜头调焦环8末端设置有分束镜头10，所述的分束镜头10与镜头调焦环8内孔采用螺纹紧密连接；所述分束镜头10内孔设置有分束凸透镜9，所述的分束凸透镜9与分束镜头10内孔采用过盈配合。

所述分束变焦机构通过旋转镜头调焦环8来改变分束凸透镜9与分束凹透镜6之间的距离，对各分激光束进行调焦，改变光束在基材和熔覆层上的光斑直径大小，从而改变预热和回火光束的影响区域及能量密度。

所述的激光熔覆机构设置于所述分束腔体5筒形部底端；所述激光熔覆机构包括：熔覆喷嘴11、冷却水连接头12、进水口12-1、出水口12-2、粉末导向套13、锥形激光套14、连接盘15、挡光环16、保护气通入口26和粉末进入口27；所述激光熔覆机构的熔覆喷嘴11同分束腔体5筒形部的底端连接固定，所述的分束腔体5下端与熔覆喷嘴11采用螺钉相连。

当步进电机24根据扫描轨迹驱动旋转支撑法兰4、分束腔体5转动，调整分光镜的分光角度，进而调节通过曲面镜折射入分束变焦机构的角度，确保扫描轨迹上预热、回火角度的一致性。

六个所述曲面镜22的圆心至旋转支撑法兰4的圆心的距离d相同。六个所述分束腔体5锥形部的圆环凸台在径向横截面均匀分布，且两两组成一组，纵截面圆环凸台轴线与水平方向角度θ₂各不相同，以便与分束变焦机构相连接，形成3对预热、回火分束镜头。所述三角支撑块19角度θ₁各不相同。

三角支撑块19倾斜角θ₁、分束腔体5纵截面圆环凸台轴线与水平方向角度θ₂、旋转支撑法兰4下端面圆形距离曲面镜22圆心d三者一一对应，最终形成不同的D(D为预热和回火激光束焦点与主光束焦点在水平面上距离)从而影响预热和回火与熔覆之间的时间间隔，故设置三对供用户根据不同工艺参数来选择，能够设置成成一组、两组或三组，如图5示。

根据目标轨迹由机器人(机床)编程软件生成熔覆轨迹程序，载入机器人(机床)控制系统，并产生指令给各轴伺服电机，从而实现熔覆。同时，根据目标轨迹由算法生成跟踪轨迹程序，载入步进电机控制系统，并产生脉冲信号给步进电机24，从而实现扫描跟踪，实现扫描轨迹上预热、回火角度的一致性，轨迹流程图如图7所示。

工作时，如图2和图3所示，分光腔体5与6个分束镜头10组合使用，分束机构对平行光束分成一主两副光束，激光光束接头d的平行光束多数垂直透过分光镜玻璃支撑板18，再经主光束凸透镜17聚焦形成主光束熔覆粉末，少数平行光射入分光镜20经曲面镜22形成两副光束，两副光束包括预热基材光束的预热光束f和对熔覆层回火处理的回火光束g，副光束设置有3对预热和回火激光光束，能够实现组成3对，或根据需要选择使用一对、两对或三对。

主光束e从主光束熔覆头a射出，预热光束f从预热激光头b射出，回火光束从回火激光头c射出。

本发明所述的多角度可预热回火式激光熔覆头，分束腔体内嵌有6个小分光镜，对平行光束中的一小部分进行不同角度分束，分束机构上端通过圆锥滚子轴承连接着激光扫描跟踪机构，激光扫描跟踪机构能够在步进电机驱动下实时跟踪扫描方向。分束腔体的6个圆环凸台连接着6个分束变焦机构，能够通过旋转调焦环改变分束凹透镜与分束凸透镜之间的距离，从而改变分激光束在基材和熔覆层上的光斑大小。在不增加整套激光器设备的情况下实现多方位对基材进行预热，对熔覆层进行回火，大大地减小了温度梯度，有效降低因单激光束快热快冷所造成的残余应力、裂纹敏感、组织不均的影响，解决了通过多个激光头来实现预热和回火成本太高，空间也有限的缺点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。