一种多束金属粉流与多束激光精准匹配的高速激光熔覆头的制作方法

本发明属于高速激光熔覆及激光增材制造领域，涉及一种高速激光熔覆头，具体涉及一种多束金属粉流与多束激光精准匹配的高速激光熔覆头。

背景技术：

高速激光熔覆属于一种新型绿色的金属表面处理工艺。该工艺是通过激光在基体之上作用于金属粉，将熔化或半熔化的粉流送入熔池，经快速凝固形成冶金结合的表面涂层。激光熔覆头属于激光熔覆设备中的重要部件，其作用是将激光、金属粉以及保护气体沿设定路径进行整合输出。

根据金属粉流和激光光束的相对空间位置，传统的激光熔覆头可分为中心为激光束(i类结构)和中心为粉流(ii类结构)两种结构。

i类结构激光熔覆头工作时，激光束沿熔覆头中心轴线贯穿熔覆头，粉流以激光束为中心，环状或等间距束状分布在激光束周围，贯穿熔覆头。

ii类结构中心送粉环形光束结构熔覆头，粉流沿熔覆头中心轴线贯穿熔覆头，激光光束环状分布在粉流周围。ii类结构熔覆头内部需要将单束激光整形为内部中空环形光束，工艺实现难度大，技术要求高，市场应用较少。

相较于ii类结构激光熔覆头，i类结构激光熔覆头的市场应用较为普遍。但是，现有i类结构的熔覆头决定了金属粉流与激光束的夹角无法进一步减小，进而激光束与粉流的重合面积无法进一步增大，导致金属粉利用率难以提高；且在使用现有i类结构熔覆头时，经常发生金属粉过烧和严重氧化现象。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有i类结构的熔覆头导致金属粉流与激光束的夹角无法进一步减小，导致金属粉利用率难以提高；以及在使用现有i类结构熔覆头的过程中，经常发生金属粉过烧和严重氧化现象的不足，而提供一种多束金属粉流与多束激光精准匹配的高速激光熔覆头。本发明将原i类结构熔覆头单束激光、多束粉流的结构形式改造为多束粉流与多束激光精确匹配的结构形式，使金属粉流与激光束一一对应，可以有效避免背景技术中提到的i类结构熔覆头所存在的技术问题，具有金属粉対激光的能量吸收率高且金属粉不易过烧的优点。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种多束金属粉流与多束激光精准匹配的高速激光熔覆头，其特殊之处在于，包括同轴上下依次设置的柱状固定座、过渡连接套和锥形送粉头；过渡连接套的两端分别与柱状固定座和锥形送粉头固连；过渡连接套连接柱状固定座一端的圆周设置至少两个用于通入保护气体的保护气孔；在柱状固定座上绕柱状固定座轴线设置至少两个用于激光通过的输光通孔，输光通孔的轴线与柱状固定座轴线夹角呈锐角；每个输光通孔的轴线均与柱状固定座轴线相交于同一点a；锥形送粉头的大端位于小端上方，其中部设有贯通的锥形孔；在锥形送粉头上绕锥形送粉头轴线设置至少两个用于输送金属粉料的输料通孔，输料通孔的轴线与锥形送粉头轴线夹角呈锐角；每个输料通孔的轴线均与锥形送粉头轴线相交于同一点b；交点a和交点b均位于锥形送粉头之外，且交点b位于交点a上方；输料通孔与输光通孔一一对应，两者轴线与柱状固定座的轴线三线共面。

进一步地，上述交点a和交点b之间的距离为1cm～10cm。

进一步地，为充分利用空间结构，同时使激光束与金属粉进行充分作用，上述输光通孔绕柱状固定座轴线均匀分布；所述输料通孔绕锥形送粉头轴线均匀分布。

进一步地，为保证熔覆头内保护气体平稳均匀输出，上述保护气孔均匀分布在过渡连接套的圆周。

进一步地，上述柱状固定座的上表面对应每个输光通孔设置一个便于安装激光输出头的斜面或凹槽。

进一步地，为了节省安装空间及过渡连接套的材料，上述过渡连接套的横截面从上到下线性减小。

进一步地，上述柱状固定座与过渡连接套一体成型，或者所述过渡连接套与锥形送粉头一体成型。

进一步地，上述过渡连接套与柱状固定座通过法兰固连。

进一步地，为便于安装进粉管，上述锥形送粉头的上端为空心圆台状。

进一步地，上述锥形送粉头与过渡连接套通过螺纹连接。

与现有i类结构熔覆头相比，本发明的优点是：

1、本发明提供的熔覆头可实现多束激光、多束金属粉流一一对应，实现多束激光和多束金属粉流精确匹配；使用该结构的高速激光熔覆头，熔覆工作效率高，金属粉利用率高。

2、本发明熔覆头的每个输光通孔向各自对应的输料通孔倾斜，可实现金属粉流与激光束的较小夹角，增大激光束与粉流的重合面积，便于金属粉吸收激光能量，提高了粉末利用率。

3、本发明熔覆头由于采用多个输光通孔，分散了激光能量；因而有效避免了采用单束大功率密度激光束进行熔覆易造成金属粉过烧和严重氧化的现象发生。

4、本发明熔覆头设置的多个输光通孔将能量分散，使得安装在熔覆头上的激光器总功率可以更高。使用现有i类结构熔覆头的激光器功率一般为2000-3000瓦，而采用本发明高速熔覆头的激光器总功率可提升为4000-6000瓦，因而大幅提高了熔覆加工效率。

附图说明

图1是本发明熔覆头一个实施例的结构示意图；.

图2是图1的俯视图；

图3是图1中局部ⅰ的放大示意图；

图4是沿图1中a-a线的剖视图；

图5是本发明熔覆头安装激光输出头的工作示意图。

图中各标号的说明如下：

01—激光束，02—金属粉；

1—柱状固定座、11—输光通孔、12—斜面；

2—过渡连接套、21—保护气孔、22—法兰、23—连接套套筒；

3—锥形送粉头、31—输料通孔、32—送粉头套筒；

4—激光输出头；5—基体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种多束金属粉流与多束激光精准匹配的高速激光熔覆头，包括同轴上下依次设置的柱状固定座1、过渡连接套2和锥形送粉头3。

过渡连接套2的横截面从上到下线性减小，其上端设有法兰22，通过螺栓穿设在法兰22上将过渡连接套2与柱状固定座1连接；且过渡连接套2的上端沿圆周设置两个用于通入保护气体的保护气孔21；通过在保护气孔21通入保护气体，对粉料施加正压，起到引流的作用。保护气体通常采用氮气、氩气等惰性气体，在激光粉末作用区形成惰性气体保护区，防止粉末发生氧化。

锥形送粉头3的上端为空心圆台状，其上端端面向上延伸形成送粉头套筒32，送粉头套筒32设有内螺纹；过渡连接套2的下端端面向下延伸形成连接套套筒23，连接套套筒23设有外螺纹；锥形送粉头3的送粉头套筒32通过螺纹套装在过渡连接套2的连接套套筒23上。

如图1、图2所示，在柱状固定座1上绕柱状固定座1轴线均匀设置三个用于激光通过的输光通孔11，输光通孔11的轴线与柱状固定座1轴线夹角呈锐角；每个输光通孔11的轴线均与柱状固定座1轴线相交于同一点a(参见图3)。柱状固定座1的上表面对应每个输光通孔11设置一个便于安装激光输出头的斜面12(参见图2)。

锥形送粉头3的大端位于小端上方，其中部设有贯通的锥形孔。在锥形送粉头3上绕锥形送粉头3轴线均匀设置三个用于输送金属粉料的输料通孔31(参见图1、图4)，输料通孔31的轴线与锥形送粉头3轴线夹角呈锐角；每个输料通孔31的轴线均与锥形送粉头3轴线相交于同一点b(参见图3)。

如图1、图3所示，输料通孔31与输光通孔11一一对应，相对应的输料通孔31及输光通孔11的轴线与柱状固定座1的轴线三线共面。交点a和交点b均位于锥形送粉头3之外，且交点b位于交点a上方，交点a和交点b之间的距离为3cm。

本实施例熔覆头的具体工作过程如下：

参见图5，固定在熔覆头柱状固定座1上的3个激光输出头4分别与输光通孔11一一对应(图中只示出一个激光输出头4)。

激光束01分别沿输光通孔11的中心轴线方向传输，金属粉02沿输料通孔31中心轴线方向输出。

金属粉02与对应的激光束01在熔池之上相遇，三束金属粉02充分吸收激光能量并熔化或半熔化，熔化或半熔化的金属粉流在自重、惯性及保护气孔21通入的保护气作用下送入基体5表面熔池，经快速凝固形成冶金结合的表面涂层。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。