一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置
阅读说明：本技术 一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置 (Multi-beam wire feeding laser cladding device surrounding center ) 是由 韩媛 段开椋 马宝田 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置,以解决目前激光熔覆时采用金属丝侧面送丝会导致丝材表面受激光能量分布不均匀,而采用多个反射镜进行激光光束汇聚的中心送丝的装置结构复杂且不稳定的技术问题。该装置包括激光系统和激光熔覆头系统；激光系统包括激光发生器和多个激光输出头；激光熔覆头系统包括送丝管和熔覆头；送丝管,用于固定丝材；熔覆头,包括丝材通道和环绕丝材通道圆周均布的多个激光通道；激光通道与激光输出头连接；送丝管穿设于所述丝材通道；丝材通道的延伸线与所述多个激光通道的延伸线交汇于熔覆头下方同一点。本发明提供的装置丝材受热均匀,激光熔覆加工质量高,结构稳定。(The invention relates to a multi-beam surrounding center wire feeding laser cladding device, which solves the technical problems that the distribution of laser energy on the surface of a wire material is not uniform due to the fact that the wire feeding is carried out on the side surface of the wire material when the existing laser cladding is carried out, and the structure of the center wire feeding device for carrying out laser beam convergence by adopting a plurality of reflectors is complex and unstable. The device comprises a laser system and a laser cladding head system; the laser system comprises a laser generator and a plurality of laser output heads; the laser cladding head system comprises a wire feeding pipe and a cladding head; the wire feeding pipe is used for fixing wires; the cladding head comprises a wire channel and a plurality of laser channels which are uniformly distributed around the circumference of the wire channel; the laser channel is connected with the laser output head; the wire feeding pipe is arranged in the wire material channel in a penetrating way; the extension lines of the wire material channels and the extension lines of the plurality of laser channels are intersected at the same point below the cladding head. The device provided by the invention has the advantages of uniform heating of the wire material, high laser cladding processing quality and stable structure.)
技术领域
本发明涉及激光熔覆装置，具体涉及一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置。
背景技术
激光熔覆加工技术是指利用激光能量将具有特殊性能的金属材料进行加热融化，熔融后的材料均匀的涂覆在保护基体的表层，从而增强基体的使用性能、延长使用时间、节约成本等。
目前市场上激光熔覆加工选取的金属材料一般为具有耐磨、防腐、耐高温等特殊性能的金属粉，比如铁基粉、镍基粉、钴基粉等，加工过程中需要先将粉末提前进行烘干除湿气，然后通过送粉器将金属粉沿着特定的通道进行输送。激光熔覆加工的送粉方式可分为预置式送粉和同步送粉两类，其中同步式送粉需要采用气流辅助，确保粉末的流动性和一定的粉流速度。
使用金属粉末进行激光熔覆时，受粉末自身特性及送粉通道结构设计的影响，在实际加工中存有问题：(1)金属粉末在输送过程中，受粉末球形度、干燥度，送粉气流、粉流通道结构等因素影响容易出现堵粉粘粉，表现为送粉管或者送粉通道堵粉不畅通、出粉口粘粉结球堵塞，时常需要停机检查，严重情况下需要更换送粉头。(2)加工过程中部分金属粉末与基体表面碰撞发生弹射无法充分有效利用，且容易造成周边环境的粉尘污染，也增大了加工工艺成本。(3)金属粉末制备流程工艺相对比较复杂，粉末售价较高，以普通的耐腐铁基粉JG-8为例，一平米的激光熔覆加工成本中(水电耗材人工费等)，金属粉末采购成本占整体费用的80％。
公开号为：CN 112372141 A的中国发明专利申请中采用侧面送丝的方式，将送丝嘴与激光熔覆头的中心设计形成一定的夹角，实现了金属丝材替代金属粉用于激光熔覆工艺。但是该专利公开的的送丝方式的主要缺点在于：丝材以一定角度从激光光束外部一侧送入，丝材表面受到的激光能量分布不均匀，丝材在熔池内所得到能量不同，从而激光熔池凝固的形状，表面粗糙度等不同，大大影响工件的熔覆加工质量。
公开号为：CN104289811 A的中国发明专利中公开了一种采用多个反射镜进行光束方向汇聚的设计实现中心送丝，但是该专利公开的方式结构设计复杂，稳定性差，不利于工业中广泛应用。
发明内容
本发明目的在于解决目前激光熔覆时采用金属丝侧面送丝会导致丝材表面受激光能量分布不均匀影响激光熔覆加工的质量，而采用多个反射镜进行激光光束汇聚的中心送丝装置结构复杂且不稳定的技术问题，提出一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置。
本发明的技术方案为：
本发明提供一种多光束环绕中心送丝激光熔覆装置，其特殊之处在于：该装置包括激光系统和激光熔覆头系统；
所述激光系统包括激光发生器和多个激光输出头；
所述激光发生器包括电模块和多个光模块；所述电模块与多个光模块一端连接，光模块与激光输出头数量相同且所述多个光模块另一端与多个激光输出头一一对应连接；
所述激光熔覆头系统包括送丝管和熔覆头；
所述送丝管，用于固定丝材；
所述熔覆头，包括丝材通道和环绕丝材通道圆周均布的多个激光通道；
所述多个激光通道与多个激光输出头一一对应连接；
所述送丝管穿设于所述丝材通道；
所述丝材通道的延伸线与所述多个激光通道的延伸线交汇于同一点，且所述同一点位于熔覆头的下方。
本发明激光熔覆采用中心送丝方式，并在丝材通道周围均匀设置多个激光通道，在喷嘴处保证丝材的周围具有均匀排列的激光，大幅提高丝材受热的均一性。
进一步地，所述送丝管与熔覆头可拆卸连接。
可以理解的是，将送丝管与熔覆头可拆卸连接可以根据丝材的尺寸，更换不同的送丝管，提高了装置的通用性；另一方面，送丝管有损伤时方便更换，降低了维修成本，节省维修时间。
进一步地，所述熔覆头包括固定器和可拆卸地固定于固定器下端的熔覆头主体；
所述丝材通道包括设于固定器的第一丝材孔，以及包括设于熔覆头主体且与第一丝材孔对准设置的第二丝材孔；
激光通道包括设于固定器上且环绕第一丝材孔圆周均布的多个第一激光孔，以及包括设于熔覆头主体且与多个第一激光孔一一对准设置的多个第二激光孔；
所述送丝管穿设在第一丝材孔和第二丝材孔内；所述多个激光输出头的输出端与多个第一激光孔的上端一一对应连接。
固定器和熔覆头主体可拆卸连接，可以根据送丝管尺寸或者激光输出头的需要更换固定器，或者在熔覆头主体损伤时更换熔覆头主体，提高通用性并降低维护成本。
进一步地，所述固定器下端设置第一连接段；熔覆头主体上端设置第二连接段；
所述第一连接段上设置有至少一个第一定位孔；
所述第二连接段上设置有与各个第一定位孔对应的第二定位孔；
所述熔覆头还包括至少一个定位螺栓，所述定位螺栓穿设于对应的所述第一定位孔和所述第二定位孔中。
通过定位螺栓将第一定位孔和第二定位孔固定连接实现定位，使第一激光孔与第二激光孔对准。
进一步地，所述熔覆头主体设置有至少一个水冷通道。
通过水冷通道降低熔覆头的温度，保护各个器件，延长激光熔覆头的使用寿命。
进一步地，所述熔覆头还包括可拆卸地固定于熔覆头主体下端的喷嘴；
所述喷嘴具有喷嘴腔，各个所述第二激光孔的延伸线和所述第二丝材孔的延伸线均穿过所述碰嘴腔，并交汇于喷嘴下方同一点。
可以理解的是，喷嘴结构可以有效的保护送丝管端面及从送丝管中传输出的金属丝；喷嘴可拆卸的与熔覆头主体连接，利于更换；同时，通过设置整体式的喷嘴腔，使喷嘴腔无需与激光孔和丝材孔对准，简化组装方式。
进一步地，所述第一丝材孔的上端具有定位沉孔；所述定位沉孔设置有定位内螺纹；
所述送丝管的外壁具有定位凸环；定位凸环的表面设置有与定位内螺纹配合的定位凸环外螺纹；所述送丝管通过定位凸环外螺纹和定位内螺纹与第一丝材孔的上端连接。
通过在第一丝材孔的上端设置定位沉孔和定位内螺纹，与送丝管外壁上的定位凸环外螺纹连接，对送丝管插入丝材通道的深度进行定位和固定。
进一步地，所述定位凸环外螺纹长度大于定位内螺纹，定位凸环上方设置有定位器，所述定位器内部具有倒T形通孔，所述倒T形通孔的下部分设有可与定位凸环外螺纹相连接的定位器内螺纹，所述倒T形通孔的上部分孔径与送丝管外径相同。
定位器通过螺纹连接固定在第一丝材孔的上表面，在送丝管通过定位凸环外螺纹和定位内螺纹与第一丝材孔的上端连接后，拧紧定位器可以对送丝管进一步固定，同时避免大力旋转送丝管导致的送丝管变形。
进一步地，所述喷嘴腔从上到下，尺寸逐渐缩小。
进一步地，所述送丝管是底部为锥形的中空铜管。
送丝管的底部锥形结构与喷嘴腔的结构相配合，使送丝管的底部锥形结构刚好位于喷嘴腔中，对送丝管的位置进一步定位的同时还尽可能延长了对丝材的固定长度。
本发明的有益效果：
1、本发明通过将激光系统中的多个激光输出头与激光熔覆头系统中的多个激光通道连接，激光通道均匀设置在丝材通道周围，且激光通道和丝材通道延伸线交汇于熔覆头下方的同一点，使金属丝均匀受热，显著提高激光熔覆加工的质量。
2、本发明的激光熔覆头系统各组件之间按照需要调节后进行固定连接，以方便在进行激光熔覆操作时激光熔覆头系统的移动，装置整体结构稳定，设计简单，加工成本低，在工业生产中更能广泛使用。
附图说明
图1为本发明多光束环绕中心送丝激光熔覆装置中激光系统实施例示意图；
图2为本发明中熔覆头剖面示意图；
图3为本发明中熔覆头固定器的俯视图；
图4为本发明中送丝管实施例示意图；
图5为本发明中定位器实施例示意图；
图6为本发明中熔覆头主体的立体图；
图7为本发明中熔覆头的工作示意图。
附图标记如下：
11-电模块，12-光模块，14-激光输出头，21-固定器，22-主体，23-喷嘴，211-第一激光孔，212-第一丝材孔，213-密封圈，215-固定螺丝孔，216-第一定位孔，219-定位内螺纹，221-第二丝材孔，222-第二激光孔，223-水冷通道，226-第二定位孔，31-送丝管，311-定位凸环，312-定位凸环外螺纹，32-定位器，321-定位器内螺纹，41-激光，42-丝材，5-基体，51-微熔池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做具体说明。
实施例中对“上”“下”的描述是指进行激光熔融的一侧为下方，丝材来料的方向为上方。
本实施例提供的多光束环绕中心送丝激光熔覆装置包括激光系统和激光熔覆头系统；
激光系统包括激光发生器和四个激光输出头14；具体的，激光发生器为光纤激光器或光纤耦合半导体激光器；激光输出头内部设置激光准直聚焦透镜系统，使激光输出头能够输出聚焦激光。
激光发生器包括一个电模块11和四个光模块12；电模块11与四个光模块12连接，四个光模块12另一端与四个激光输出头14一一对应连接；
激光熔覆头系统包括送丝管31和熔覆头；
送丝管31是底部为锥形的中空铜管，用于固定丝材42。
所述熔覆头包括固定器21、可拆卸地固定于固定器21下端的锥形熔覆头主体22和可拆卸地固定于熔覆头主体22下端的喷嘴23。
熔覆头具有丝材通道和环绕丝材通道均匀设置的四个激光通道。
丝材通道的延伸线与各个所述激光通道的延伸线交汇于一点且该点位于所述熔覆头的下方；四个激光通道与四个激光输出头14一一对应连接。
所述送丝管31穿设于所述丝材通道；优选的，送丝管31与熔覆头可拆卸连接。所述丝材通道包括设于固定器21的第一丝材孔212，以及包括设于熔覆头主体22且与第一丝材孔212对准设置的第二丝材孔221；
激光通道包括设于固定器21的四个第一激光孔211，以及包括设于熔覆头主体22且与第一激光孔211对准设置的四个第二激光孔222；第一激光孔211上端为台阶式设计，每个台阶结构的上表面均设置有4个固定螺丝孔215，该固定螺丝孔215用于激光输出头的定位和安装。
所述第一丝材孔212与所述送丝管31连接，第一丝材孔212的上端具有定位沉孔；定位沉孔设置有定位内螺纹219，定位内螺纹219的长度为0.5cm。
所述送丝管31的外壁具有定位凸环311；定位凸环311的表面设置有与定位内螺纹219配合的定位凸环外螺纹312，定位凸环外螺纹312的长度为0.5cm；定位凸环311通过定位凸环外螺纹312与定位内螺纹219连接。通过在第一丝材孔的上端设置定位沉孔和定位内螺纹219，与送丝管外壁上的定位凸环外螺纹312连接，对送丝管插入丝材通道的深度进行定位和固定。
在另外一个实施例中，送丝管31上的定位凸环311上设置的定位凸环外螺纹312的长度大于定位沉孔上设置的定位内螺纹219；在送丝管31的定位凸环311上还设置有定位器32，所述定位器32是内部有倒T形通孔的金属部件，在倒T形通孔的下部设置有定位器内螺纹321；定位凸环外螺纹312与定位内螺纹219螺纹连接后，在送丝管31的定位凸环311上通过定位器内螺纹321与定位凸环外螺纹312相连接，通过拧紧定位器32固定送丝管31。所述定位器32内部的倒T形通孔上部分孔径大小与送丝管外径相同，可以进一步确保送丝管的中心定位。定位器32的设计，可以避免在固定送丝管31时，大力旋转送丝管31导致的送丝管31变形。
送丝管31根据不同的中空内径尺寸可制作出多个型号，满足不同直径的丝材42加工，方便使用时的更换，降低维修成本，还提高了装置的通用性。
所述固定器21下端设置第一连接段，在所述第一连接段上设置有密封圈213；熔覆头主体22上端设置第二连接段；第一连接段上设置四个第一定位孔216，第二连接段上设置有与各个第一定位孔216对准的第二定位孔226；熔覆头还包括与各个第一定位孔216一一对应设置的定位螺栓，定位螺栓穿设于对应的第一定位孔216和第二定位孔226中用于定位和固定。
熔覆头主体22设置有四条水冷通道223，水冷通道223分为两组，相邻的两个通道为一组，每组通道底部相通，水冷通道223与第二激光孔222互不干涉。
喷嘴23具有喷嘴腔，各个第二激光孔222的延伸线和第二丝材孔221的延伸线均穿过所述喷嘴腔，并交汇于喷嘴23下方5mm处的同一点。
喷嘴腔沿远离固定器21的方向，尺寸逐渐缩小。
本发明的工作原理为：激光41自光模块输出经过激光输出头14进行整形输出，4束激光分别经过四个第一激光通道、四个第二激光通道以及喷嘴中空位置在喷嘴外部汇聚，根据丝材42选择对应内径尺寸的送丝管31，丝材42通过送丝机匀速输送，丝材42沿送丝管31内径及喷嘴23中心轴位置匀速送出。丝材42在激光汇聚点位置与四束激光41相遇，四束激光均匀环绕丝材确保各个方向的激光能量分配均匀，丝材42吸收激光能量后融化形成熔融状态涂覆在基体表面，同时部分激光能量被基体5吸收在基体表面形成表面微熔池51，基体表面微熔池51和熔融状态的丝材在基体表面相互作用，最终形成冶金结合的激光熔覆涂层。
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