自适性预热缓冷激光熔覆头

本实用新型涉及激光熔覆技术领域，是一种自适性预热缓冷激光熔覆头。

背景技术：

激光熔覆技术是21世纪最有发展前景的一项表面加工技术，在近些年来随着绿色环保、节约能源的制造理念不断深入人心，该技术得到了迅速的发展。与其他表面加工技术相比，该技术是通过利用高能量密度激光束，将经过同轴送粉位于待熔覆试件表面的粉体及试件表面一薄层进行快速熔化并快速熔凝形成良好冶金结合的熔覆层，经过激光熔覆表面处理得到的熔覆层，不仅可以使得试件具有优良的冶金结合特性，还可以显著提高试件表面硬度、耐磨、耐蚀、耐高温以及抗氧化等性能。

但在激光熔覆修复过程中，由于对待熔覆试件进行的是快速加热、快速冷却过程，在此过程中会使熔覆层以及试件内部存在非常大的温度梯度，从而使其内部有较大的热应力，进而造成沿试件与熔覆层结合界面处产生裂纹源，并沿着与激光扫描方向垂直的方向延伸扩展，其严重影响了熔覆试件的综合使用性能，最终直接影响其使用寿命的长短。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种自适性预热缓冷激光熔覆头，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有激光熔覆修复过程因涂层内部的热应力大而导致产生裂纹的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下措施来实现的：一种自适性预热缓冷激光熔覆头包括上壳体、激光输出头、端盖、下壳体、内壳体、上壳体中部设有上下贯通的上激光腔，上壳体上端内侧固定安装有上端位于其上方的激光输出头，上激光腔内固定安装有上端位于激光输出头内的内壳体，内壳体包括由上至下依次固定安装在一起的上进筒、上锥筒、下锥筒和下出筒，上锥筒呈上小下大的圆台形，下锥筒呈上大下小的圆台形，上锥筒外侧设有反光镜，对应内壳体位置的上壳体内侧设有反射聚光镜，下出筒下部内侧设有聚光镜；上壳体下侧固定安装有下壳体，下壳体中部设有上下贯通且能与上激光腔连通的下激光腔，下壳体上部内侧上下间隔分布有第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜，下壳体下部内侧设有保护镜；激光输出头中部外侧设有与上壳体上端外侧固定安装在一起的端盖，端盖上侧沿圆周分布有至少三个上下贯通的第一送粉通道，对应每个第一送粉通道位置的上壳体上均设有上下贯通的第二送粉通道，对应每个第二送粉通道位置的下壳体下侧均设有上下贯通的第三送粉通道，第三送粉通道上端与对应位置第二送粉通道下端连通。

下面是对上述实用新型技术方案的进一步优化或/和改进：

上述还可包括冷却水管，下壳体中部外侧设有一道由上至下的螺旋槽，螺旋槽内设有冷却水管，冷却水管上端为冷却水进口，冷却水管下端为冷却水出口。

上述每个第三送粉通道均可呈外高内低状倾斜，对应每个第三送粉通道下部位置的下壳体上均设有保护气通道，保护气通道包括直盲孔和斜盲孔，对应每个第三送粉通道外侧位置的下壳体下侧均设有呈外高内低状倾斜的斜盲孔，对应每个第三送粉通道位置的下壳体中部外侧均设有直盲孔，直盲孔内端与对应位置斜盲孔上端连通。

上述还可包括上固定杆和下固定杆，上激光腔包括由上至下依次连通的第一直孔、第二直孔和第三锥孔，第二直孔的孔径大于第一直孔，第三锥孔呈上大下小的圆台形，第一直孔内固定安装有上端位于上壳体上方的激光输出头，上进筒外侧和沿圆周间隔固定安装有至少两个位于第二直孔内的上固定杆，下出筒外侧沿圆周间隔固定安装有至少两个位于第二直孔内的下固定杆，上固定杆外端和下固定杆外端均与上壳体内侧对应位置固定安装在一起，对应上固定杆和下固定杆之间位置的上壳体内侧设有反射聚光镜。

上述对应每个第二送粉通道位置的上壳体中部外侧均可设有能与对应位置第二送粉通道连通的载气通道。

上述还可包括气密管，第二送粉通道下端外侧设有第一环槽，第三送粉通道上端外侧设有第二环槽，第一环槽内设有下端位于对应位置第二环槽内的气密管。

上述还可包括上固定环和上固定螺栓，上壳体上端外侧套装有上固定环，上固定环上端与端盖下侧固定安装在一起，上固定环外侧沿圆周间隔分布有至少两个上固定螺栓，上固定环通过上固定螺栓与上壳体固定安装在一起。

上述还可包括下固定环和下固定螺栓，下壳体上端外侧固定安装有下固定环，下固定环下侧沿圆周间隔分布有至少两个下固定螺栓，下固定环通过下固定螺栓与上壳体下侧固定安装在一起。

上述还可包括送粉接头，第一送粉通道内安装有上端位于端盖上方的送粉接头。

上述端盖上侧可沿圆周均布有四个上下贯通的第一送粉通道。

本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，通过未重叠区域的较低功率密度环形光斑，实现熔前预热和熔后缓冷；通过重叠区域的较高功率密度圆形光斑，实现激光熔覆；通过向保护气通道内输入惰性气体，不仅能够防止第三送粉通道输出的粉体不被氧化，还能够防止第三送粉通道内阻塞造成粉体下落不通畅；通过向载气通道内输入惰性气体，使第二送粉通道内的粉体在惰性气体的推动下均匀、连续的向下流动；通过设置呈外高内低状倾斜的第三送粉通道，使粉体在第三送粉通道内滑落，从而出粉更加均匀，具有快速、高效和涂层内部的热应力小的特点。

附图说明

附图1为本实用新型最佳实施例的主视剖视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为上壳体，2为激光输出头，3为端盖，4为下壳体，5为上进筒，6为上锥筒，7为下锥筒，8为下出筒，9为上固定杆，10为下固定杆，11为上激光腔，12为下激光腔，13为第一送粉通道，14为第二送粉通道，15为第三送粉通道，16为载气通道，17为保护气通道，18为气密管，19为上固定环，20为上固定螺栓，21为下固定环，22为下固定螺栓，23为送粉接头，24为冷却水管，25为反光镜，26为反射聚光镜，27为聚光镜，28为第一凸透镜，29为第二凸透镜，30为第三凸透镜，31为保护镜。

具体实施方式

本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本实用新型中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

如附图1所示，该自适性预热缓冷激光熔覆头包括上壳体1、激光输出头2、端盖3、下壳体4、内壳体、上壳体1中部设有上下贯通的上激光腔11，上壳体1上端内侧固定安装有上端位于其上方的激光输出头2，上激光腔11内固定安装有上端位于激光输出头2内的内壳体，内壳体包括由上至下依次固定安装在一起的上进筒5、上锥筒6、下锥筒7和下出筒8，上锥筒6呈上小下大的圆台形，下锥筒7呈上大下小的圆台形，上锥筒6外侧设有反光镜25，对应内壳体位置的上壳体1内侧设有反射聚光镜26，下出筒8下部内侧设有聚光镜27；上壳体1下侧固定安装有下壳体4，下壳体4中部设有上下贯通且能与上激光腔11连通的下激光腔12，下壳体4上部内侧上下间隔分布有第一凸透镜28、第二凸透镜29和第三凸透镜30，下壳体4下部内侧设有保护镜31；激光输出头2中部外侧设有与上壳体1上端外侧固定安装在一起的端盖3，端盖3上侧沿圆周分布有至少三个上下贯通的第一送粉通道13，对应每个第一送粉通道13位置的上壳体1上均设有上下贯通的第二送粉通道14，对应每个第二送粉通道14位置的下壳体4下侧均设有上下贯通的第三送粉通道15，第三送粉通道15上端与对应位置第二送粉通道14下端连通。

本实用新型的具体使用过程为：

（1）恒定功率密度的激光光束通过激光输出头2进入本实用新型内；

（2）一部分激光光束直接通过进入内壳体进行向下传输，在下出筒8中经过聚光镜27聚光后继续竖直向下输出，形成第一圆形激光束，另一部分激光束则先经过上锥筒6外表面上设置的反光镜25反射及上壳体1内侧设置反射聚光镜26反射后进入下激光腔12，然后经过第一凸透镜28、第二凸透镜29和第三凸透镜30后继续竖直向下输出，形成第二圆形激光束，第一圆形激光束的直径小于第二圆形激光束；

（3）第二圆形激光束与第一圆形激光束部分重合并沿着下激光腔12继续竖直向下输出，经过下壳体4下部内侧设置的保护镜31输出两个圆形光斑，其中，第二圆形激光束形成的圆形光斑与第一圆形激光束形成的圆形光斑中心部分重叠，进而形成重叠区域的圆形光斑功率密度是未重叠区域的环形光斑功率密度的2倍。

在激光熔覆过程中，在对试件某一部分进行熔覆时，使用未重叠区域的较低功率密度环形光斑先对试件进行预热，然后使用重叠区域的较高功率密度圆形光斑先对试件进行激光熔覆，最后再次使用未重叠区域的较低功率密度环形光斑对该试件熔覆部分进行熔覆后的缓冷，从而实现熔前预热、熔后缓冷的效果，进而降低涂层与基体之间较大的温度梯度，减少涂层内部的热应力，使得涂层中裂纹源的产生得以抑制，并获得涂层与试件良好冶金结合；另外，激光光束在下激光腔12内传播时，经过第一凸透镜28上焦点的激光光束通过第一凸透镜28后形成平行光束，而经过第一凸透镜28中心的激光光束传播方向不变，平行光束经过第二凸透镜29后汇聚在第二凸透镜29下焦点（即第三凸透镜30上焦点），激光光束经过第三凸透镜30后再次形成平行光束，由于第三凸透镜30的上焦点距离第三凸透镜30的距离非常近（焦距小），此时的平行光束可为同一光束。

可根据实际需要，对上述自适性预热缓冷激光熔覆头作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，还包括冷却水管24，下壳体4中部外侧设有一道由上至下的螺旋槽，螺旋槽内设有冷却水管24，冷却水管24上端为冷却水进口，冷却水管24下端为冷却水出口。在使用过程中，通过设置冷却水管24，使得激光熔覆过程中冷却水在螺旋槽内螺旋向下流动，对下壳体4进行冷却防止第三送粉通道15内粉体出现粘粉现象，从而保证激光熔覆过程有序的进行。

如附图1所示，每个第三送粉通道15均呈外高内低状倾斜，对应每个第三送粉通道15下部位置的下壳体4上均设有保护气通道17，保护气通道17包括直盲孔和斜盲孔，对应每个第三送粉通道15外侧位置的下壳体4下侧均设有呈外高内低状倾斜的斜盲孔，对应每个第三送粉通道15位置的下壳体4中部外侧均设有直盲孔，直盲孔内端与对应位置斜盲孔上端连通。在使用过程中，通过设置呈外高内低状倾斜的第三送粉通道15，使粉体向斜下方输送，从而使本实用新型具备更好的送粉效果，且粉体在第三送粉通道15内滑落，使出粉更加均匀；从直盲孔输入斜盲孔输出的惰性气体，不仅能够防止第三送粉通道15输出的粉体不被氧化，还能够防止激光熔覆时形成的熔池微小液滴飞溅到第三送粉通道15内，使得第三送粉通道15内下落的粉体加热融化粘在第三送粉通道15内，造成第三送粉通道15内粉体下落不通畅。

如附图1所示，还包括上固定杆9和下固定杆10，上激光腔11包括由上至下依次连通的第一直孔、第二直孔和第三锥孔，第二直孔的孔径大于第一直孔，第三锥孔呈上大下小的圆台形，第一直孔内固定安装有上端位于上壳体1上方的激光输出头2，上进筒5外侧和沿圆周间隔固定安装有至少两个位于第二直孔内的上固定杆9，下出筒8外侧沿圆周间隔固定安装有至少两个位于第二直孔内的下固定杆10，上固定杆9外端和下固定杆10外端均与上壳体1内侧对应位置固定安装在一起，对应上固定杆9和下固定杆10之间位置的上壳体1内侧设有反射聚光镜26。在使用过程中，通过这样的设置便于将内壳体固定在上激光腔11内，同时便于经反射聚光镜26反射的激光进入下激光腔12内。

如附图1所示，对应每个第二送粉通道14位置的上壳体1中部外侧均设有能与对应位置第二送粉通道14连通的载气通道16。在使用过程中，向载气通道16内通入惰性气体，第二送粉通道14内的粉体下落过程中会遇到与第二送粉通道14连通的载气通道16，在载气通道16中惰性气体的推动下使得粉体均匀、连续的向下流动。

如附图1所示，还包括气密管18，第二送粉通道14下端外侧设有第一环槽，第三送粉通道15上端外侧设有第二环槽，第一环槽内设有下端位于对应位置第二环槽内的气密管18。在使用过程中，通过设置气密管18，一方面使得上壳体1和下壳体4交界处的粉体能够均匀由第二送粉通道14向斜下方的第三送粉通道15输送粉体，另一方面保证上壳体1和下壳体4交界处的气密性。

如附图1所示，还包括上固定环19和上固定螺栓20，上壳体1上端外侧套装有上固定环19，上固定环19上端与端盖3下侧固定安装在一起，上固定环19外侧沿圆周间隔分布有至少两个上固定螺栓20，上固定环19通过上固定螺栓20与上壳体1固定安装在一起。在使用过程中，通过这样的设置，便于端盖3与上壳体1安装在一起。

如附图1所示，还包括下固定环21和下固定螺栓22，下壳体4上端外侧固定安装有下固定环21，下固定环21下侧沿圆周间隔分布有至少两个下固定螺栓22，下固定环21通过下固定螺栓22与上壳体1下侧固定安装在一起。在使用过程中，通过这样的设置，便于上壳体1与下壳体4安装在一起。

如附图1所示，还包括送粉接头23，第一送粉通道13内安装有上端位于端盖3上方的送粉接头23。在使用过程中，通过设置送粉接头23，便于本实用新型的多个第一送粉通道13与送粉机连接。

如附图1所示，端盖3上侧沿圆周均布有四个上下贯通的第一送粉通道13。在使用过程中，通过这样的设置，使本实用新型具有更均匀的送粉效果。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。