[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

说明书

本发明公开了一种水下送粉和送丝结合的激光熔覆头及其加工方法。激光熔覆头包括排水外罩、排水內罩、熔覆加工头；熔覆加工头包括柱状腔及锥形覆熔头；锥形覆熔头悬置在排水內罩中，柱状腔的外壁分别与排水外罩的封闭端、排水內罩的封闭端连接固定；排水外罩包括外罩本体、第一进气管路；排水內罩包括內罩本体及第二进气管路；第二进气管路包括连通的进气段、出气段；进气段呈直线状且进气段的进气端贯穿內罩本体的封闭端设置；出气段呈弧形状且出气段的出气端贯穿內罩本体的敞口端面设置，出气段的轴线与激光输出通道的轴线的夹角为锐角。因此本发明所述熔覆加工头在加工时维持气流稳定性好，有效地保证了覆熔加工质量，并节约了保护气的使用量。

技术领域

本发明属于水下激光加工技术领域，具体涉及一种水下送粉和送丝结合的激光熔覆头及其方法。

背景技术

激光熔覆工艺是激光加工工艺的一种，实现该工艺的末端执行器叫做激光熔覆头，激光熔覆头能够将激光、金属丝或者金属粉同时送到待加工平面上，并且可以实现激光与金属丝或者金属粉相互作用的机械装置。

激光送粉熔覆头和激光送丝熔覆头产品技术已经非常成熟，基本实现了商品化，且有大量专利进行表述。公开号为CN204135337U专利公开一种激光送粉式熔覆头，其结构如图1所示，该激光熔覆头中1′为送粉头，2′为送粉管，3′为进出水冷口，激光器输出激光，通过传输，与送粉头1′喷出的粉相互作用，形成加工平面上的熔覆层；公开号为CN106001823A专利公开一种激光送丝装置，其结构如图2所示，该激光装置中4′为冷水管，5′为送丝嘴，6′为锡丝，7′为工件，8′为激光；激光8′照射工件7′表面的待加工部位，对工件7′进行预热并达到一定温度，然后送丝嘴5′进给锡丝6′到达工件4表面，发生熔化，形成熔覆层。

无论是激光送粉还是激光送丝，都有各自的缺点，金属粉末和激光相互作用，形成的涂层表面质量较好，但是金属粉沉积速度较低，并且粉末利用率较低；同样地，金属丝与激光相互作用，沉积速度高、金属丝利用率高，但是形成的涂层表面质量较差。研究表明，丝粉复合加工与单独送粉相比，其沉积率大大增加；丝粉复合加工与单独送丝相比，熔池平整率大大提高。

然而，现有的粉丝复合熔覆存在以下不足：

1.加工一致性问题。在熔覆过程中出现方向性变化，即加工中激光束相对于加工面做不同方向的扫描运动时，光束和丝材相对于扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的加工面尺寸、形貌等发生较大变化。

2.水下激光加工。实验表明，当水深h≥3 mm时，一种激光诱导产生的等离子体会对入射激光束产生强烈的屏蔽作用。

中国申请201910198415.7公开了一种激光送丝与送粉复合的激光熔覆加工头，其中具体地披露了激光环内送丝能够实现需要两个条件：（1）需要形成精确大小的中空环形光斑，而复杂的光学系统稳定性较差，对加工环境依赖程度高，不易保证；（2）金属丝在送丝过程中不发生形变，一般细长的金属丝在移动以及金属丝与工件接触式都会产生较大的阻力，容易发生形变，一旦发生形变，激光光斑与金属丝接触位置改变，熔覆过程即会失败。

中国申请201711252672.1公开了一种水下激光熔覆和水下激光-电弧复合焊接用双层排水装置，根据该申请记载的内容可知，高压焊接保护气经内排水腔进气口进入内排水腔内，再从内排水腔下端流出，尽管该申请文件中并未记载内排水腔的内径，但是根据附图所公开内容可知，内排水腔的内径是远远大于内排水腔进气口的孔径，同时，通过该申请记载的技术内容，可以得到如下事实：1、加工前，从内层排水筒排出的焊接保护气的气压大于从外层排水筒内排出的气流的气压，才能保证内层排水筒排出的焊接保护气挤压外层排水筒排出的气流，以从胶裙衬套与待焊工件接触面处排出来，进而在水下形成待焊工件上的局部干燥空间；2、在加工时，从内层排水筒排出的高压焊接保护气的气压仍然需要大于从外层排水筒内排出的气流的气压，否则很难维持住待焊工件上的局部干燥空间。由此，申请人认为该文件所采用的技术方案，很难实现“节约高压焊接保护气”的技术效果。