一种用于加工内表面的角度可调激光加工头

技术领域

本发明实施例涉及金属表面处理工艺技术领域，尤其涉及一种用于加工内表面的角度可调激光加工头。

背景技术

激光熔覆是一种金属表面处理工艺，广泛用于航空航天、海洋和近海工业中磨损部件的修复和防腐涂层的制备。用于熔覆目的的典型激光头，主要包括喷嘴、光学部件、液体/气体通道等。喷嘴用于将金属粉末沉积到工件上，光学部件用于引导和聚焦熔化金属粉末的激光束，液体/气体通道用于提供冷却剂和保护/载气。

现有内表面激光熔覆设备只能以固定角度执行熔覆任务，即从输出激光束到被熔覆表面呈90度角。然而，由于容纳激光工作头的空间有限，在某些难以接近的位置（例如，靠近盲孔底部或交叉管接头附近），很难在90度角进行激光熔覆。因此，需要一个可调节的激光器，可以以不同角度进行内表面处理，这样激光束和粉末流就可以到达难以接近的位置，而无需将激光头放在表面正上方。

现有激光熔覆设备都包含喷嘴和反射镜的子组件，具有固定的相对位置。当反射镜调整入射激光束的传播方向时，喷嘴也必须以完全相同的角度围绕同一轴旋转，以摆臂的方式移动。因此，基于上述设计的现有激光熔覆设备工作体积庞大，因此无法深入管道或腔体内部进行内表面处理。

发明内容

本发明实施例提供一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，以解决现有技术中激光熔覆设备工作体积庞大，因此无法深入管道或腔体内部进行内表面处理的问题。

未解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，包括激光管道、固定基座和激光工作头；所述激光管道与所述固定基座的一端相对连接固定，所述激光管道沿第一方向向所述固定基座传播激光光束；

所述固定基座的另一端设有开口端，所述激光工作头固定于所述开口端，所述激光工作头内设有旋转轴，所述旋转轴垂直于所述第一方向；所述旋转轴上设有反射镜，所述反射镜位接收传播入所述固定基座内的激光光束，通过所述旋转轴转动所述反射镜调整激光光束的方向；所述旋转轴外还连接有可旋转喷嘴，所述可旋转喷嘴相对于所述反射镜设置，所述可旋转喷嘴可沿所述旋转轴相对转动，以使反射镜调整方向后的激光光束经所述可旋转喷嘴射出。

作为优选的，所述可旋转喷嘴包括激光束喷嘴和金属粉末喷嘴，所述激光束喷嘴和所述金属粉末喷嘴聚焦于同一点；所述激光束喷嘴与所述第一方向在同一平面，且所述同一平面垂直于所述旋转轴。

作为优选的，所述激光工作头上多个位置处安装有管件，所述管件包括冷却液管件、气体管件和金属粉末管件，冷却液管件、气体管件和金属粉末管件分别用于引导冷却液、气体和金属粉末流动，所述金属粉末管件连通所述金属粉末喷嘴。

作为优选的，所述固定基座沿第一方向设有两个相对的延伸架，所述延伸架上设有通孔，所述旋转轴通过所述通孔旋转固定于所述延伸架上。

作为优选的，所述反射镜为半圆柱形，所述反射镜包括面向激光光束的平面反射面，所述反射镜的两端设有联轴器部件；

所述旋转轴包括第一圆柱轴和第二圆柱轴，所述第一圆柱轴、所述第二圆柱轴通过所述联轴器部件固定连接所述反射镜。

作为优选的，所述第一圆柱轴和/或所述第二圆柱轴远离所述反射镜的一端上设有曲柄杆；所述第一圆柱轴、第二圆柱轴的两端还设有半圆柱形槽，所述曲柄杆、所述联轴器部件上与所述半圆柱形槽对应位置处设有与所述半圆柱形槽匹配的插销。

作为优选的，所述旋转轴上还连接有第一圆盘形连接器、第二圆盘形连接器；所述第一圆盘形连接器、所述第二圆盘形连接器通过圆心处的通孔连接所述旋转轴，所述通孔与所述旋转轴的连接处设有间隙卡扣，以使所述第一圆盘形连接器、所述第二圆盘形连接器通过所述间隙卡扣与所述旋转轴间实现相对旋转；

所述可旋转喷嘴固定于所述第一圆盘形连接器和所述第二圆盘形连接器之间。

作为优选的，所述可旋转喷嘴还包括圆弧状的承载面，所述激光束喷嘴和所述金属粉末喷嘴设于所述承载面上，所述承载面内部还设有第一冷却通道和粉末通道，所述粉末通道一端连通金属粉末管件，粉末通道的另一端连通所述金属粉末喷嘴，所述第一冷却通道连通所述冷却液管件，所述第一冷却通道延伸至所述激光束喷嘴处。

作为优选的，所述反射镜的平面反射面处设有第二冷却通道，所述第一圆柱轴、第二圆柱轴内还设有第三冷却通道。

作为优选的，所述联轴器部件包括与所述第一圆柱轴、第二圆柱轴相匹配的圆柱孔，所述圆柱孔的侧壁还设有螺纹通孔，所述第一圆柱轴、所述第二圆柱轴与所述通孔对应的位置处设有螺纹孔。

本发明实施例提供的一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，相对于固定基座安转旋转轴和反射镜，在旋转轴和圆盘形连接器的接口处使用适当的间隙配合，可以实现喷嘴和镜子的相对旋转；允许独立调整喷嘴和反射镜，并将激光/粉末焦点以不同角度对准工件，可以以不同角度对管道或腔体内表面进行加工，包括添加剂制造、硬化、重熔等；通过同轴喷嘴镜组件的设计制作的激光头比现有的可调激光头尺寸更小，因此可以安装在机器上进行内表面处理，并到达管道或腔体内部深处难以接近的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的角度可调激光加工头的光学布局示意图；

图2为根据本发明实施例的角度可调激光加工头整体结构示意图；

图3为根据本发明实施例的角度可调激光加工头侧视图一；

图4为根据本发明实施例的角度可调激光加工头侧视图二；

图5为根据本发明实施例的安装在固定基座上的反射镜示意图；

图6为根据本发明实施例的可旋转喷嘴、反射镜和盘形连接器的组装结构示意图；

图7为根据本发明实施例的固定基座示意图一；

图8为根据本发明实施例的固定基座示意图二；

图9为根据本发明实施例的可旋转喷嘴的结构示意图；

图10为根据本发明实施例的反射镜的结构示意图；

图11为根据本发明实施例的反射镜的结构透视图；

图12为根据本发明实施例的旋转轴的结构透视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

现有激光熔覆设备都包含喷嘴和反射镜的子组件，具有固定的相对位置。当反射镜调整入射激光束的传播方向时，喷嘴也必须以完全相同的角度围绕同一轴旋转，以摆臂的方式移动。因此，基于上述设计的现有激光熔覆设备工作体积庞大，因此无法深入管道或腔体内部进行内表面处理。

因此，本发明实施例提供一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，允许独立调整喷嘴和反射镜，并将激光/粉末焦点以不同角度对准工件。通过同轴喷嘴镜组件的设计制作的激光头比现有的可调激光头尺寸更小，因此可以安装在机器上进行内表面处理，并到达管道或腔体内部深处难以接近的位置。下面结合附图描述本发明实施例的一种用于加工内表面的角度可调激光加工头。

如图1中所示，本发明实施例的激光加工头中不同角度的光学布局（即光学元件的定位）。从光纤发出的发散激光束首先通过准直器1，然后撞击二向色光束合束器2。来自光束合路器的反射激光沿Z方向传播并穿过聚焦透镜3。聚焦透镜发出的会聚激光束撞击反射镜4，再次改变传播方向并照射到工件的熔覆表面5上。从熔覆表面5上的熔池发射的可见光沿激光束的相反方向传播，直到到达对可见光具有高透射率的二向色光束合束器2。在穿过光束合束器2后，可见光照射到相机系统6，从而生成用于过程监控的图像。通过绕垂直于入射激光束传播方向（即全局Z轴）的轴旋转反射镜4，可以改变角度。

图2至图5为根据本发明实施例提供一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，包括激光管道7、固定基座8和激光工作头；所述激光管道7与所述固定基座8的一端相对连接固定，所述激光管道7沿第一方向向所述固定基座8传播激光光束；

所述固定基座8的另一端设有开口端，所述激光工作头固定于所述开口端，所述激光工作头内设有旋转轴，所述旋转轴垂直于所述第一方向；所述旋转轴上设有反射镜4，所述反射镜4位接收传播入所述固定基座8内的激光光束，通过所述旋转轴转动所述反射镜4调整激光光束的方向；所述旋转轴外还连接有可旋转喷嘴9，所述可旋转喷嘴9相对于所述反射镜4设置，所述可旋转喷嘴9可沿所述旋转轴相对转动，以使反射镜4调整方向后的激光光束经所述可旋转喷嘴9射出。所述可旋转喷嘴9包括激光束喷嘴和金属粉末喷嘴，所述激光束喷嘴和所述金属粉末喷嘴聚焦于同一点；所述激光束喷嘴与所述第一方向在同一平面，且所述同一平面垂直于所述旋转轴。

如图2所示，入射激光光束在激光管道7中沿第一方向（+Z方向）传播，然后进入激光工作头。固定基座8固定在激光管道7的开口端，并相对于激光管道7保持静止。可旋转喷嘴9和反射镜4（如图5所示）均安装在固定基座8上。

激光工作头上多个位置处安装有管件10，所述管件10包括冷却液管件、气体管件和金属粉末管件，冷却液管件、气体管件和金属粉末管件分别用于引导冷却液、气体和金属粉末流动，所述金属粉末管件连通所述金属粉末喷嘴。管件10安装在激光工作头的不同位置，以引导冷却液、气体和金属粉末的流动。

在激光加工过程中，激光光束（实线表示）和粉末喷射（虚线表示）聚焦于工件上的同一点。可以通过相对于固定基座8旋转可旋转喷嘴9和反射镜4来改变入射角。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，如图7、8中所示，固定基座8的结构示意图。入射激光束沿+Z方向传播，并穿过固定基座8的中央通道。固定基座8内有多个通道，用于引导冷却液、气体和粉末的流动。所述固定基座8沿第一方向设有两个相对的延伸架11，所述延伸架11上设有通孔，所述旋转轴通过所述通孔旋转固定于所述延伸架11上。所述反射镜4为半圆柱形，所述反射镜4包括面向激光光束的平面反射面，所述反射镜4的两端设有联轴器部件19。

所述旋转轴包括第一圆柱轴121和第二圆柱轴122，所述第一圆柱轴121、所述第二圆柱轴122通过所述联轴器部件19固定连接所述反射镜4。

所述第一圆柱轴121和/或所述第二圆柱轴122远离所述反射镜4的一端上设有曲柄杆；通过转动曲柄杆，用户可以相对于固定基座8旋转第一圆柱轴121、第二圆柱轴122和反射镜4。反射镜4的旋转轴垂直于入射激光束的传播方向（+Z），因此激光光束可以通过旋转反射镜4来改变其方向。

如图6中所示，将反射镜4安装在固定基座8上后，可旋转喷嘴9安装到反射镜4、固定基座8总成上。所述旋转轴上还连接有第一圆盘形连接器141、第二圆盘形连接器142；所述第一圆盘形连接器141、所述第二圆盘形连接器142通过圆心处的通孔连接所述旋转轴（第一圆柱轴121、第二圆柱轴122），所述通孔与所述旋转轴的连接处设有间隙卡扣，以使所述第一圆盘形连接器141、所述第二圆盘形连接器142通过所述间隙卡扣与所述旋转轴间实现相对旋转；所述可旋转喷嘴9固定于所述第一圆盘形连接器141和所述第二圆盘形连接器142之间。

为了确保输出激光束在不同的激光入射角始终击中两个粉末射流的焦点，反射镜4和可旋转喷嘴9的旋转角度必须保持1:2的恒定比率。例如，如果激光入射角从90至135°,可旋转喷嘴9需要以45°的增量角进行旋转, 而反射镜4需要以45°/2 = 22.5°的增量角旋转，与可旋转喷嘴9旋转方向相同。见图1所示。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，如图9中所示，所述可旋转喷嘴9还包括圆弧状的承载面，所述激光束喷嘴和所述金属粉末喷嘴设于所述承载面上，所述激光束喷嘴为设于承载面上的通孔；所述承载面内部还设有第一冷却通道15和粉末通道16，所述粉末通道16一端连通金属粉末管件，粉末通道16的另一端连通所述金属粉末喷嘴，所述第一冷却通道连通所述冷却液管件，所述第一冷却通道15延伸至所述激光束喷嘴处。可旋转喷嘴9选择具有较高导热性的铜或铜合金作为喷嘴材料，第一冷却通道15和粉末通道16的入口位于侧面，因此，冷却液和粉末可以通过固定在侧面的圆盘状连接器（第一圆盘形连接器、第二圆盘形连接器）转移到对应的喷嘴中。第一冷却通道15需要延伸于激光束喷嘴17附近，以减少其周围的热量积聚。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，如图10、图11所示为反射镜4的结构示意图。反射镜4为半圆柱形，具有面向入射激光束的平面反射面，采用铜作镜面材料，反射表面被抛光成镜面以提高反射的光洁度。所述反射镜4的平面反射面处设有第二冷却通道18，以减少激光直接照射引起的热量积聚，所述第一圆柱轴121、第二圆柱轴122内还设有第三冷却通道20。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，如图12 所示，所述联轴器部件19包括与所述第一圆柱轴121、第二圆柱轴122相匹配的圆柱孔，所述圆柱孔的侧壁还设有螺纹通孔，所述第一圆柱轴121、所述第二圆柱轴122与所述通孔对应的位置处设有螺纹孔21，以便插入螺钉，防止轴滑离反射镜4。所述第一圆柱轴121、第二圆柱轴122的两端还设有半圆柱形槽22，所述曲柄杆、所述联轴器部件19上与所述半圆柱形槽22对应位置处设有与所述半圆柱形槽22匹配的插销，因此可以插入插销以避免旋转轴和反射镜4的相对旋转。

综上所述，本发明实施例提供的一种用于加工内表面的角度可调激光加工头，相对于固定基座安转旋转轴和反射镜，在旋转轴和圆盘形连接器的接口处使用适当的间隙配合，可以实现喷嘴和镜子的相对旋转；允许独立调整喷嘴和反射镜，并将激光/粉末焦点以不同角度对准工件，可以以不同角度对管道或腔体内表面进行加工，包括添加剂制造、硬化、重熔等；通过同轴喷嘴镜组件的设计制作的激光头比现有的可调激光头尺寸更小，因此可以安装在机器上进行内表面处理，并到达管道或腔体内部深处难以接近的位置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。