一种适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，特别涉及一种适用于细小管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置。

背景技术

常见的机械部件如如油缸、轴承、阀门、套筒、模具、气缸等需要内壁具备耐磨、耐腐、抗冲击等特性，因此需要在工件使用前期或者出现疲劳损伤后对其内壁进行加工处理。相对于外壁加工，内壁加工受限于加工空间有限，尤其对于内壁直径较细、孔深较深的工件，技术加工要求较高，内壁激光熔覆则是一种可以应用到内壁金属表面改性的技术。

现阶段的激光熔覆技术在大直径的管道应用较为广泛，而在中小直径管道上的应用较少，主要是由于熔覆受到空间的限制，激光头难以进入管道中，实现过程复杂，耗费较大，而且在常规的激光熔覆装置中，激光在相对较远的位置才开始聚焦，加工效率低，难以实现良好的加工质量。目前普通激光熔覆所能加工的管道内壁最小直径为46mm，而高速激光熔覆所能加工的管道内壁最小直径为80mm。超高速激光熔覆技术的优势则在于其加工效率高、质量好，可以很好地弥补现有内壁激光熔覆的短板。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，利用直线电机提供动力，使得加工工件与熔覆装置反向运转，以实现超高速，进而提高加工效率。粉末经由送粉装置喷出汇聚于激光聚焦处，在管壁上方熔化形成熔融状态的凝珠，在离心力的作用下加速落到管壁上形成致密紧实的涂层，大大提高了加工质量。通过激光器、伸缩杆以及可替换喷嘴的配合，可以适应多种加工需求。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，包括摆动装置、装夹装置和激光熔覆装置；

所述装夹装置包括四爪卡盘和支撑架；所述四爪卡盘用于装夹待加工管道；所述支撑架用于支撑待加工管道；一个所述摆动装置与四爪卡盘连接，用于驱动待加工管道往复摆动；

所述熔覆装置包括喷嘴、冷却装置、伸缩杆和激光器；所述伸缩杆一端可伸入待加工管道内壁；所述伸缩杆一端安装喷嘴；所述伸缩杆另一端与执行机构连接，用于使伸缩杆直线移动；所述冷却装置安装在喷嘴一侧；所述激光器用于产生激光束，所述激光束通过伸缩杆内部传输至喷嘴出口；另一个所述摆动装置与伸缩杆连接，用于驱动伸缩杆往复摆动，且伸缩杆往复摆动方向与待加工管道往复摆动方向相反。

进一步，所述喷嘴内部设有积分镜，用于激光光束的聚焦；所述喷嘴下方集成了送粉装置，粉末汇聚中心与积分镜焦点中心对齐。

进一步，所述摆动装置包括直线运动机构和摆动机构；所述直线运动机构包括工作台、电机、丝杠和滑块；所述电机安装在工作台上，所述电机输出端安装丝杠，所述丝杠上安装滑块；

所述摆动机构包括摆动杆和支撑座；所述摆动杆上的转轴支撑在支撑座上，所述摆动杆的转轴与四爪卡盘/伸缩杆连接；所述摆动杆上设有凹槽；所述滑块一侧设有凸起的连接块，所述连接块位于凹槽内，通过滑块的移动带动摆动杆转动。

进一步，所述伸缩杆前端设有辅助支撑装置，所述辅助支撑装置包括支撑轮，用于支撑伸缩杆。

进一步，所述摆动装置的回转中心、装夹装置的轴线和伸缩杆的伸缩方向平行。

进一步，所述伸缩杆内部至少安装一个反射镜，用于改变激光束的路径；通过调整反射镜的角度，改变激光束与粉末流的夹角。

进一步，所述激光器安装在伸缩杆上，所述激光器与伸缩杆同步摆动。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，现有直线电机实际可用最大进给速度可达210m/min，通过摆动装置将直线电机的往复运动装换成旋转运动，再利用两侧摆动装置的反向运转使得待加工管道与喷嘴相对运动，可以给整个装置提供近14rad/s的角速度，以管道内壁50mm的直径为例，熔覆系统可以达到21m/min的熔覆速度，即实现超高速激光熔覆。

2.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，在喷嘴前端设计了辅助支撑装置，通过一对可调整夹角的刚性滚轮，可以实现在不影响加工质量的前提下，提高伸缩杆的刚度。

3.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，熔覆装置喷头处集成了反射镜和积分镜，可以解决由于管道深度过深而导致激光无法精准聚焦的问题。

4.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，熔覆装置设置了随动的风冷装置，通过贴近管壁的气管吹出低速低温的保护气体，用以冷却管道内壁。

5.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，熔覆装置喷头部分可以随着不同加工需求进行更换，使得加工更加灵活。

6.本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，适用的激光功率为3500W～9000W。

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简单地介绍，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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置的三维图。

图2为本发明所述的动力装置的二维图。

图3为本发明所述的摆动装置的三维图。

图4为本发明所述的四爪卡盘的三维图。

图5为本发明所述的熔覆装置喷嘴的平面剖视图。

图6为本发明所述的辅助支撑装置的三维图。

图中：

1-直线运动机构；1-1-工作台；1-2-电机；1-3-丝杠；1-4-滑块；2-摆动装置；2-1-摆动杆；2-2-支撑座；3-四爪卡盘；3-1-法兰；3-2-卡爪；4-支撑架；5-喷嘴；5-1-辅助支撑装置；5-2-反射镜；5-3-积分镜；5-4-送粉装置；6-冷却装置；7-伸缩杆；8-激光器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置，包括摆动装置2、装夹装置和激光熔覆装置；所述装夹装置包括四爪卡盘3和支撑架4；所述四爪卡盘3用于装夹待加工管道；所述支撑架4用于支撑待加工管道；一个所述摆动装置2与四爪卡盘3连接，用于驱动待加工管道往复摆动；所述熔覆装置包括喷嘴5、冷却装置6、伸缩杆7和激光器8；所述伸缩杆7一端可伸入待加工管道内壁；所述伸缩杆7一端安装喷嘴5；所述伸缩杆7另一端与执行机构连接，用于使伸缩杆7直线移动；所述冷却装置6安装在喷嘴5一侧；所述激光器8用于产生激光束，所述激光束通过伸缩杆7内部传输至喷嘴5出口；另一个所述摆动装置2与伸缩杆7连接，用于驱动伸缩杆7往复摆动，且伸缩杆7往复摆动方向与待加工管道往复摆动方向相反。本发明利用摆动装置2提供动力，使得待加工管道与伸缩杆7反向运转，以实现超高速，进而提高加工效率。

如图5和图6所示，所述喷嘴5内部设有积分镜5-3，用于激光光束的聚焦；所述喷嘴5下方集成了送粉装置5-4，粉末汇聚中心与积分镜5-3焦点中心对齐。所述伸缩杆7前端设有辅助支撑装置5-1，所述辅助支撑装置5-1包括支撑轮，用于支撑伸缩杆7。所述伸缩杆7内部至少安装一个反射镜5-2，用于改变激光束的路径；通过调整反射镜5-2的角度，改变激光束与粉末流的夹角。

如图2和图3所示，所述摆动装置2包括直线运动机构1和摆动机构；所述直线运动机构1包括工作台1-1、电机1-2、丝杠1-3和滑块1-4；所述电机1-2安装在工作台1-1上，所述电机1-2输出端安装丝杠1-3，所述丝杠1-3上安装滑块1-4；所述摆动机构包括摆动杆2-1和支撑座2-2；所述摆动杆2-1上的转轴支撑在支撑座2-2上，所述摆动杆2-1的转轴与四爪卡盘3/伸缩杆7连接；所述摆动杆2-1上设有凹槽；所述滑块1-4一侧设有凸起的连接块，所述连接块位于凹槽内，通过滑块1-4的移动带动摆动杆2-1转动。所述摆动装置2的回转中心、装夹装置的轴线和伸缩杆7的伸缩方向平行。所述激光器8安装在伸缩杆7上，所述激光器8与伸缩杆7同步摆动。

如图4所示，所述四爪卡盘3包括法兰3-1和卡爪3-2；4个所述卡爪3-2径向分布在法兰3-1上；所述卡爪3-2可沿径向移动，用于卡紧待加工管道外壁。

工作原理：通过利用电机1-2正反转带动滑块1-4在丝杠1-3上进行往复直线运动，给摆动装置2提供往复摆动的动力，进而给整个装置提供旋转动力，使整个装置的熔覆速度达到超高速激光熔覆的标准。粉末经由送粉管5-4喷出，在管壁上方被激光熔化形成熔融状的凝珠，在离心力的作用下加速落到管壁表面形成致密紧实的涂层。控制伸缩杆7以适应各种加工需求，通过调整喷嘴5和伸缩杆7的设备类型来实现对细长管道内壁的表面改性。

本发明所述的适用于管道内壁增材制造的超高速激光熔覆装置适用的激光功率为3500W～9000W。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。