[发明专利]一种具有气体保护的激光熔覆装置、系统及其方法

说明书

本发明公开了一种具有气体保护的激光熔覆装置、系统及其方法，所述熔覆装置包括由熔覆喷嘴与导气套形成第一保护气体空腔，由第二气罩与第一气罩形成的第二保护气体空腔和由第三气罩与第二气罩形成的第三保护气体空腔。本发明激光熔覆系统为具有该气体保护的激光熔覆装置的激光熔覆系统，该系统进行激光熔覆方法时，可根据熔覆层熔池以及热影响区的具体情况，针对性开启第一保护气体通道、第二保护气体通道和或第三气体保护通道。本发明可以将保护气体直接引入熔覆层表面，防止熔覆层产生氧化影响性能。

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，具体而言涉及一种激光熔覆装置。

背景技术

激光熔覆（亦称激光熔敷或激光包覆），是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。

激光熔覆特点：熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时可节约大量的材料成本。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点，如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。

从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：1、对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等。2、对产品的表面修复，如转子，模具等。3、激光增材制造，通过同步送粉或送丝的方式，进行逐层的激光熔覆，进而获得具有三维结构的零部件。自20世纪80年代以来，激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在诸多工业领域获得应用

激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。所涉及的熔覆材料主要有钛合金、铜合金、颗粒型金属基复合材料等等。为了防止合金材料激光熔覆时发生氧化（钛合金熔覆材料温度在400度就开始熔化），导致力学性能下降，需要在熔覆过程中提供惰性气体加以保护。以下为相关现有技术的方案简介：

一、专利申请号为02123645.3、公开号为CN1390649A的发明专利，揭示了一种垂直面送粉激光熔覆喷嘴。该喷嘴由上体，中间体和下体三部分组成，采用双路对称送粉结构，确保垂直面送粉各方向的均匀性；同时采用双路保护气结构，确保激光熔覆熔池的良好惰性气体保护。本案发明人通过研究分析：（A）此专利仅仅简单解释保护气体是通过中间激光束光路通道经过的腔体，通过增加气体流通实现侧向送粉激光熔覆层表面的防护，但并不能有效保证输送保护气体完全覆盖氧化温度区域，防止熔覆层产生氧化缺陷；（B）保护气体通道出口对输送到熔池的粉末通道形成严重干扰，保护气体通道与送粉通道不是同轴布置，无法保证粉末完全进入激光束照射所形成的熔池，影响粉末利用率，造成环境污染，甚至无法形成高质量熔覆层；（C）保护气体通道和光路系统通道完全是同一通道，由于镜片安装结构影响，无法保证气体通道通畅性，影响气体顺畅流通，影响气体保护效果。

二、专利申请号为202010440034.8、公开号为CN111545914A的发明专利，揭示了一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法。该发明的方法为通过闭环控制的手段确保增材过程中Lt≤Lq，即保证保护气体能够充分保证覆盖增材过程中成形件的高温区，避免增材过程中由于热量累积导致局部温度过高、不可控，保证了最终钛合金的成分均一、性能稳定。本案发明人通过研究分析：（A）该专利中，外侧保护气体通道和环形光路通道为同一通道，其保护气体会对激光光路形成散射以及损耗等问题，同时由于激光光路占用空间比较大，导致气体通道相应较大，保证气体离开出口具备一定的流量，无形增加气体用量，导致设备使用成本较高；（B）保护气体通道与送粉通道虽然是同轴布置，但由于外侧保护气体通道需要足够大的流量，才能够保证氧化区域气体能够全覆盖，由于中间通道为粉末通道，虽然有准直通道将粉末进行校正，由于粉末是非刚性件，容易发散，很容易受到外部保护气体通道风量的影响，从而导致粉末输送过程粉末运动不连续，或粉末无法和光斑之间实现高精度耦合，影响成形件质量。