[发明专利]水下送粉和送丝结合的激光熔覆头及其加工方法

权利要求书

1.一种水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，包括排水装置以及熔覆加工头，所述排水装置包括均为半封闭结构的排水外罩以及排水内罩，且排水内罩位于排水外罩内，并同轴设置，其特征在于，熔覆加工头包括柱状腔以及连接在柱状腔一端、内径渐缩的锥形覆熔头；锥形覆熔头悬置在排水内罩中，而柱状腔的另一端处于排水外罩的外侧，且柱状腔的外壁分别与排水外罩的封闭端、排水内罩的封闭端连接固定；

排水外罩包括外罩本体、贯穿外罩本体封闭端所设置的若干环形均布的第一进气管路以及外罩本体的敞口端所配装的橡胶垫片；

排水内罩包括内罩本体以及沿着内罩本体的壁面所设置的若干环形均布的第二进气管路；各第二进气管路均包括连通的进气段、出气段；进气段呈直线状，且进气段的进气端贯穿内罩本体的封闭端设置，外罩本体的封闭端在与进气段的进气端对应的位置处设置通孔；出气段呈弧形状，且出气段的出气端贯穿内罩本体的敞口端面设置，且出气段的轴线与激光输出通道的轴线的夹角为60°；

所述的熔覆加工头为粉末式熔覆头；该粉末式熔覆头设置有送粉通道、保护气输送通道以及激光输出通道，且送粉通道、保护气输送通道以及激光输出通道的出口均贯穿锥形覆熔头的端部设置；在排水内罩敞口端的下方，设置送丝装置；送丝装置包括若干内设有金属丝的金属丝引导管；各金属丝引导管的一端安装在排水外罩上，另一端则悬置在排水内罩敞口端下方并位于激光输出通道所输出激光光斑的外侧；各金属丝引导管倾斜设置，且各金属丝引导管的倾角能够促使从金属丝引导管中穿出的金属丝端部抵达工件的待加工部位，且金属丝中仅抵达工件待加工部位的金属丝端部处于激光输出通道所输出的激光光斑中；

熔覆加工时，先采用送丝装置输送直径为1mm的不锈钢金属丝至熔池并保持旋转，然后通过粉末式熔覆头的送粉通道，以超音速往处于熔池的旋转金属丝上喷射复合粉末，复合粉末包括金属粉末以及熔点高于金属粉末的纳米颗粒，纳米颗粒在复合粉末中的质量分数为30%；最后通过粉末式熔覆头的激光输出通道往工件待加工部位投射激光光斑，激光光斑投射在表面附着有复合粉末的不锈钢金属丝上；在激光作用下，不锈钢金属丝、金属粉末先液态化，冷却凝固后能够在工件熔池中形成以纳米颗粒为形核的致密金属熔覆层。

2.根据权利要求1所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，柱状腔外壁间隔地分别设置有第一、第二外套法兰盘；排水外罩、排水内罩的封闭端对应地同轴设置通孔a、通孔b；通孔a、通孔b均套接在柱状腔外围，且通孔a外侧的排水外罩的封闭端通过螺纹紧固件配钻的方式与第一外套法兰盘固定，通孔b外侧的排水内罩的封闭端通过螺纹紧固件配钻的方式与第二外套法兰盘固定。

3.根据权利要求2所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，所述金属丝引导管通过铰接球安装在排水外罩上；所述铰接球焊接固定在排水外罩上。

4.根据权利要求3所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，金属丝引导管的悬置端设置有塑型管，塑型管的管径小于金属丝引导管的管径，并大于金属丝的直径。

5.根据权利要求2所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，所述的第一、第二进气管路的数量均为8个。

6.根据权利要求5所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，第一进气管路的进气端通过管线a与空压机连接，且第一进气管路的进气端与管线a的连接处通过防水胶密封；第二进气管路的进气端通过管线b与空压机连接，且第二进气管路的进气端与管线b的连接处通过防水胶密封。

7.根据权利要求2所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，所述金属丝引导管的数量为4根，各金属丝引导管呈环形均布；且从各金属丝引导管中伸出的金属丝能够汇集于一点。

8.根据权利要求2所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头，其特征在于，所述的橡胶垫片包括两片对称布置的弧形橡胶垫片，每一片弧形橡胶垫片圆心角均为170°。

9.一种基于权利要求1所述的水下送粉和送丝结合的激光熔覆头的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）形成局部干燥环境

A、将包括有熔覆加工头、排水内罩、排水外罩、送丝装置的整个装置放入水下，然后通过第二进气管路往排水内罩引入高压空气、保护气通道引入保护气，开始排水；

B、将排水外罩与工件的表面接触，然后通过第一进气管路外排水外罩引入高压空气开始排水，以营造出局部干燥环境；

（2）加工形成金属熔覆层

先采用送丝装置输送直径为1mm的不锈钢金属丝至熔池并保持旋转，然后通过粉末式熔覆头的送粉通道，以超音速往处于熔池的旋转金属丝上喷射复合粉末，复合粉末包括金属粉末以及熔点高于金属粉末的纳米颗粒，纳米颗粒在复合粉末中的质量分数为30%；最后通过粉末式熔覆头的激光输出通道往工件待加工部位投射激光光斑，激光光斑投射在表面附着有复合粉末的不锈钢金属丝上；在激光作用下，不锈钢金属丝、金属粉末先液态化，冷却凝固后能够在工件熔池中形成以纳米颗粒为形核的致密金属熔覆层。