一种三维空间任意方向熔覆喷头的制作方法

本发明涉及一种三维空间任意方向熔覆喷头，属于激光加工领域。

背景技术：

同步送料激光熔覆是金属合金增材制造的一种主要方法。激光熔覆一般将激光束聚焦并投射到基体的加工基面上形成工作光斑，同时将熔覆材料同步投送到工作光斑中，随着熔覆喷头作扫描运动，投入到加工基面上移动的工作光斑中的熔覆材料不断熔化、凝固并形成连续的熔道。

在激光熔覆过程中，熔覆喷头一般要求始终向下垂直于基体的加工基面，当基面的倾斜角越大，熔覆喷头的倾斜角也就越大，熔覆喷头在空间喷射出的熔覆材料与聚焦光束的耦合效果会变差，倾斜的高温熔池也越容易流淌甚至滴落，另外，同步喷射的熔覆材料一般只有一部分进入熔池熔化，一部分被熔池表面反弹，还有一部分喷射在熔池以外的熔覆材料在加工基面上被反弹，一般熔覆喷头的工作倾斜角越大，反弹飞溅的熔覆材料就越容易进入位于熔覆喷头下方的支撑架的内腔中，特别对于处在大倾斜角加工位和仰面位置进行熔覆作业的熔覆喷头，飞溅的熔覆材料将直接进入支撑架的内腔中，当熔覆材料接触到聚焦镜或者粘附到聚焦镜上后，会使聚焦镜被污染并发热，使聚焦性能降低或丧失，造成严重的后果。

由于激光熔覆熔池内的高温熔体当加工基面倾斜角太大时会流淌或滴落以及熔覆材料溅落会损坏支撑架的内腔中的聚焦镜，故至今激光熔覆的加工基面通常都只能处于水平面或小角度倾斜面。然而，在实际应用中，复杂零构件的成形，大悬垂、扭曲、封闭件的3d成形，不便搬移和拆卸的大型装备零构件在线原位修复等，都会出现不同的空间倾斜面甚至立仰面，需要熔覆喷头有更大的倾斜角和空间自由度，实现±180°任意方位无死角熔覆、3d成形或修复作业。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三维空间任意方向熔覆喷头，当该三维空间任意方向熔覆喷头连续变换方位时,位于喷头主体外围的熔覆材料被吹散/隔离，从而使熔覆材料不会落到支撑架的内腔中的聚焦镜上而损坏聚焦镜，保障了熔覆的稳定与可靠性，实现了±180°立体空间全方位任意方向熔覆。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维空间任意方向熔覆喷头，所述三维空间任意方向熔覆喷头包括喷头主体和形成在所述喷头主体端部上的喷嘴口，所述喷头主体内设置有供熔覆材料通过的熔覆通道，所述熔覆通道与喷嘴口连通以通过喷嘴口将所述熔覆材料送出，所述三维空间任意方向熔覆喷头上还包括设置在所述喷头主体上以在所述喷头主体外围形成防护气帘并通过防护气帘将位于所述喷头主体外围的熔覆材料吹散/隔离的防护气帘形成组件。

进一步地，所述防护气帘形成组件具有用以喷射形成防护气帘的喷射口，所形成的防护气帘与所述喷嘴口的中心轴线之间的夹角大于零。

进一步地，所述防护气帘形成组件所形成的防护气帘与所述喷嘴口的中心轴线趋向于垂直或垂直。

进一步地，所述防护气帘形成组件包括设置在所述喷头主体上的筒体和设置在所述筒体上的罩体，所述筒体与罩体之间设置有间隙以形成防护气帘的气流通道，所述喷射口位于所述气流通道的端部。

进一步地，所述筒体包括套设在所述喷头主体上的第一环形部和自所述第一环形部的外圆面向外突伸形成的第二环形部，所述罩体与第一环形部的外圆面、第二环形部的上端面之间围设形成所述气流通道，所述第二环形部的上端面与罩体的下表面之间具有间隙以形成所述喷射口。

进一步地，所述第一环形部包括与所述罩体配合的连接部，所述罩体通过所述连接部可相对所述筒体沿筒体的中轴线方向移动以调节喷射口的开口大小。

进一步地，所述罩体与连接部之间为螺纹连接。

进一步地，所述第一环形部还包括自所述第一环形部的外圆面向外突伸形成的限位凸板，所述限位凸板位于所述连接部的下方以限制所述罩体的移动位置。

进一步地，所述连接部与罩体之间设置有密封件。

进一步地，所述筒体内设置有将外部气体引入至气流通道的送气通道。

进一步地，所述喷射口的开口大小为0.3-5mm。

本发明的有益效果在于：通过在喷头主体上设置在喷头主体的外围形成防护气帘的防护气帘形成组件，将喷头主体外围的熔覆材料吹散/隔离，从而使三维空间任意方向熔覆喷头在空间任意方向熔覆或连续变换方位时，熔覆材料不会溅落到和粘附在支撑架的内腔中的聚焦镜上而损坏聚焦镜，实现了±180°立体空间全方位任意方向熔覆，进而在实际应用中带来了较大的方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的三维空间任意方向熔覆喷头及支撑架的剖面示意图；

图2为图1中的三维空间任意方向熔覆喷头及支撑架的整体示意图；

图3为图1中的三维空间任意方向熔覆喷头及支撑架的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1-3，本发明一较佳实施例所示的三维空间任意方向熔覆喷头100，包括喷头主体200、位于喷头主体200端部的喷嘴口300和设置于喷头主体200上的防护气帘形成组件400，喷头主体200中设置有供熔覆材料通过的熔覆通道201，熔覆材料从熔覆通道201经由喷嘴口300将熔覆材料送出至基体的加工基面上，防护气帘形成组件400在喷头主体200的外围形成防护气帘，在本实施方式中，熔覆材料为金属或合金的粉末，另外，在其它实施方式中，熔覆材料也可以为金属或合金的丝状物。三维空间任意方向熔覆喷头100的下方设置有支撑架500，支撑架500上一侧设置有熔覆材料入口503和与熔覆材料入口503相连通的熔覆材料入口通道(未图示)，熔覆材料入口通道与熔覆通道201相连通，支撑架500中设置有分光镜(未图示)和聚焦镜507，分光镜接收入射光束并将入射光束反射形成反射光束，聚焦镜507接收反射光束并将反射光束转化为聚焦光束，支撑架500中设置有以通过聚焦光束的光束通道506，聚焦光束穿过支撑架500中的光束通道506在基体的加工基面上形成熔覆焦点，以熔化位于熔覆焦点的熔覆材料，在基体的加工基面上形成熔池，由喷嘴口300喷射出的熔覆材料与聚焦光束同轴，聚焦光束中空，熔覆材料居中，且喷射方向一致，防护气帘形成组件400通过形成的防护气帘将位于喷头主体200外围的熔覆材料吹散/隔离，防止熔覆材料通过光束通道506落入支撑架500的内腔中的聚焦镜上而损坏聚焦镜，因此，该三维空间任意方向熔覆喷头100可实现±180°立体空间全方位任意方向熔覆，进而在实际应用中带来了较大的方便。

本实施例中，防护气帘形成组件400所形成的防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零，当防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零时，防护气帘可将溅落在喷头主体200外围的熔覆材料吹散/隔离，防止熔覆材料对支撑架500的内腔中的聚焦镜507造成损坏。

优选的，当防护气帘形成组件400所形成的防护气帘与喷嘴口300的中心轴线趋向于垂直或垂直时，可使防护气帘最大范围的将溅落在喷头主体200外围的熔覆材料吹散/隔离，使防护气帘对支撑架500的内腔中的聚焦镜507的保护效果最优。

本实施例中，防护气帘形成组件400包括设置在喷头主体200上的筒体和套设在筒体上的罩体401，筒体和罩体401以及喷头主体200的中心轴线重合，筒体包括套设在喷头主体200上的第一环形部402和自第一环形部402的外圆面向外突伸形成的第二环形部403，第二环形部403与第一环形部402的中心轴线重合，罩体401与第一环形部402的外圆面、第二环形部403的上端面之间具有间隙以形成防护气帘的气流通道404，第二环形部403的上端面与罩体401的下表面之间具有间隙以形成喷射口405，喷射口405位于气流通道404的端部，在第一环形部402中设置有将外部气体引入至气流通道404中的送气通道406，支撑架500上设置有防护气帘气体入口501和与防护气帘气体入口501相连通的防护气帘气体入口通道502，防护气帘气体入口通道502与送气通道406相连通，在激光熔覆过程中，气体由防护气帘气体入口501进入防护气帘气体入口通道502，再经由防护气帘气体入口通道502进入送气通道406，然后进入气流通道404，再由位于气流通道404的端部的喷射口405喷射形成防护气帘，以将溅落在喷头主体200外围的熔覆材料吹散/隔离。

优选的，罩体401与第一环形部402通过螺纹连接，第一环形部402上设置有与罩体401配合连接的连接部407，连接部407位于气流通道404的上方，罩体401通过连接部407可相对筒体沿筒体的中轴线转动来调节喷射口405的开口大小，从而可控制防护气帘的最佳吹气量，在优选的实施例中，喷射口405的开口大小为0.3-5mm，防护气帘的载气压力为0.1-0.5mp。在其它实施方式中，罩体401与第一环形部402的连接方式不限于螺纹连接，也可以通过其它可使罩体相对筒体转动的连接方式进行连接。

优选的，第一环形部402上位于连接部407的下方还设置有限位凸板408，限位凸板408自第一环形部402的外圆面向外突伸形成，限位凸板408围绕第一环形部402设置，当罩体401通过连接部407围绕筒体进行转动来调节喷射口405的开口大小时，限位凸板408可以对罩体401的移动位置进行限制，以防止喷射口405的开口过小，从而影响防护气帘的形成，进而影响防护气帘对支撑架500的内腔中的聚焦镜507的保护效果。

优选的，连接部407与罩体401之间设置有密封件409，具体为，在罩体401的顶端设置有圆环形凸台410，罩体401上与第一环形部402的连接部407配合连接的部位与圆环形凸台410之间具有间隙，密封件409设置在间隙中，以防止气流通道404中的气体从连接部407的部位泄露。

本实施例中，支撑架500中的分光镜为锥形结构，具有锥形的分光镜面，聚焦镜507为中空圆柱体结构，聚焦镜507具有朝向分光镜面的聚焦镜面，聚焦镜面为一围绕分光镜面的圆环形镜面，分光镜和聚焦镜507的中轴线重叠，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为圆环锥形聚焦光束，光束通道506的出口为圆环形出口，为了进一步防止溅落的熔覆材料对支撑架500的内腔中的聚焦镜507造成损坏，支撑架500上设置有覆盖光束通道506的圆环状的可透过光束的保护透镜504，圆环状的保护透镜504围绕第二环形部403设置，处在形成防护气帘的喷射口405与聚焦镜507之间并靠近喷射口405，喷射口405喷射形成的防护气帘贴近保护透镜504表面，可有效吹散溅落在保护透镜504表面的熔覆材料的粉末和污染物，使保护透镜504表面洁净并更有效保证聚焦镜507不被污染。在其它实施方式中，分光镜也可为多边形结构，如具有沿其中轴线的圆周方向上排布的三个分光镜面，聚焦镜面为如上述所述的一围绕分光镜面的圆环形镜面，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为三条矩形聚焦光束。诚然，多边形结构的分光镜也可以包括背向对称设置的两个分光镜面，聚焦镜507为两组，两组聚焦镜507位于分光镜的两个侧面，两组聚焦镜507的两个聚焦镜面分别朝向分光镜的两个分光镜面，分光镜面和聚焦镜面均为平面，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为两条矩形聚焦光束。

本实施例中，喷头主体200中还包括有围设在熔覆通道201的外围的气体输送通道202，支撑架500上设置有气体输送通道进气口505和与气体输送通道进气口505连通的气体输送通道进气管道(未图示)，气体输送通道进气管道与气体输送通道202连通，气体输送通道202的中心轴线与熔覆通道201的中心轴线重合，从气体输送通道202中喷射出的气体围绕从喷嘴口300送出的熔覆材料形成准直保护气帘，该准直保护气帘形成在聚焦光束和熔覆材料之间，该准直保护气帘由惰性保护气体形成，惰性保护气体包括氦、氖、氩、氪、氙、氮中的一种或一种以上的混合气体。气体输送通道202的设置一方面对熔覆材料进行准直，另一方面，通过由惰性保护气体形成的准直保护气帘，可形成局部的惰性气氛环境，从而隔绝空气中的氧、氮与加工过程中的金属或合金发生反应。

综上所述，本发明的一种三维空间任意方向熔覆喷头，通过在喷头主体上设置在喷头主体的外围形成防护气帘的防护气帘形成组件，将喷头主体外围的熔覆材料吹散/隔离，从而使三维空间任意方向熔覆喷头连续变换方位时，熔覆材料不会落到支撑架的内腔中的聚焦镜上而损坏聚焦镜，实现了±180°立体空间全方位任意方向熔覆，进而在实际应用中带来了较大的方便。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。