一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置的制作方法

本实用新型涉及材料表面处理领域，更具体的说，尤其涉及一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置。

背景技术：

随着工件的长期服役，工件表面磨损严重，而对这些失效部件的处理主要是新品替换旧品，容易造成资源浪费，而对失效部件进行修复，特别是对与那些不方便拆卸和搬运的大型关键部件，能够实现现场修复是非常有意义的，以修复失效部件来减少对新品的需求量，能够节约成本，具有很高的经济效应。

冷喷涂是一种新型固态涂层制备方法，利用超音速气流获得高速粒子，使其通过固态塑性变形沉积而形成涂层。这种技术可应用于金属涂层、复合涂层、非金属涂层的制备。冷喷涂又分为高压冷喷涂技术和低压冷喷涂技术，低压冷喷涂技术由于载气的预热温度较低，预热温度仅有25~500℃，压力低，压力值在0.5~1mpa之间，对基板与粉末材料的而具有以下优点：对基板与粉末材料的热影响小，可以避免喷涂粉末的氧化、分解、相变；由于低压冷喷涂设备的工作气压低，它对工况几乎无要求，整个设备噪音小于60分贝，可徒手操作，安全性高，且定向性及好，即其可操作性更好，特别适合用于现场修复。

粉末粒子的加速效果和可沉积的临界速度主要由喷涂气压和粉末温度、粉末粒径等因素决定，然而正是因为低压冷喷涂的低气压和低预热温度，导致其喷涂的材料限制于cu、al、zn等较软易变形材料，且粉末粒径一般在5~20μm，此外低压冷喷涂所制备的涂层厚度薄，总而言之，传统的低压冷喷涂可喷涂的材料范围小，沉积效率低，这限制了其在工业中广泛应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决传统低压冷喷涂技术存在材料范围小、沉积效率低的问题，提出了一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，通过激光辐射作用能够软化粉末，奖励临界速度，将激光与低压冷喷涂技术同步耦合，从而提高可喷涂材料的范围，提高涂层的沉积效率。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，包括手持式喷枪、管线和集成控制柜，所述手持式喷枪与集成控制柜通过管线连接；

所述手持式喷枪包括枪体、手柄、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统均通过枪体机架固定在枪体内部，所述手柄套在枪体外壁上且通过手柄上的螺钉固定在枪体外壁上；

所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴、预热腔壳、热电偶、恒温腔壳、载气管和送粉管，所述预热腔壳内部为预热腔，预热腔壳设置在恒温腔壳内部，预热腔壳和恒温腔壳之间为恒温腔，所述预热腔壳和恒温腔壳均通过枪体机架进行固定；所述恒温腔壳的前端设置有喷嘴固定座，拉瓦尔喷嘴固定在喷嘴固定座上，拉瓦尔喷嘴的入口连接所述预热腔的出口；所述预热腔壳的末端连接穿过恒温腔壳的载气管，载气管与预热腔相连通，送粉管的一端出口连接在载气管上且载气管与送粉管的连接处位于预热腔内，载气管与送粉管相连通，载气管上设置有载气管阀，送粉管上设置有送粉管阀，载气管阀和送粉阀固定在枪体尾部，所述载气管的另一端连接外接气瓶；所述热电偶为电热丝，热电偶紧密缠绕在所述预热腔壳上；

所述激光光路系统包括分光镜、两组反射镜和两个聚光镜，所述分光镜固定在枪体内的尾部，分光镜接收激光器发射出的激光光束并将其分成两束激光光束射出；所述反射镜固定在枪体内部，每组反射镜将分光镜分出的一条激光光束反射到对应一侧的聚光镜上；两个聚光镜对称设置在枪体头部，每个聚光镜将相应一侧的反射镜反射出的激光光线聚焦到拉瓦尔喷嘴前端的加工位置上；

所述控制系统包括固定在枪体尾部的控制器和位于手柄上的开关按钮，所述开关按钮通过外接信号电缆连接控制器，所述控制器通过线路连接送粉管阀、载气管阀和激光器；

所述集成控制柜包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器；送粉器通过送粉管连接低压冷喷涂系统的预热腔，激光器通过光纤与激光光路系统的分光镜连接，低压冷喷涂控制器通过信号电缆与冷低压喷涂系统的预热腔和热电偶连接；所述送粉管、光纤和信号电缆均集成在管线内。

进一步的，所述拉瓦尔喷嘴的入口处设置有外接螺纹，所述预热腔的出口处设置有内接螺纹，拉瓦尔喷嘴和预热腔通过外接螺纹与内接螺纹的配合进行螺纹连接。拉瓦尔喷嘴和预热腔通过螺纹连接便于拉瓦尔喷嘴的拆卸更换。

进一步的，所述拉瓦尔喷嘴的出口形状为矩形、椭圆形或圆形。

热电偶的电热丝紧密缠绕在预热腔壳的表面上，电热丝一圈一圈的缠绕在整个预热腔壳上，能够对预热腔进行均匀加热。

进一步的，所述恒温腔壳通过枪体机架固定在所述枪体的中心位置。预热腔连通热电偶一并防止在恒温腔壳内，可以使热电偶加热产生的热量不会像环境中扩散，降低了整体的能源消耗，提高加热的效率。

进一步的，所述恒温腔壳的前端与预热腔壳通过密封圈密封连接，所述恒温腔壳的后端与载气管通过密封圈密封连接。

进一步的，所述送粉管和载气管从枪体尾部进入，载气管进入枪体后分成两路，然后汇聚于恒温腔壳的尾部，载气管穿过恒温腔壳并与送粉管一起连接在预热腔壳尾部。

进一步的，所述载气管在进入枪体后分成的两路在汇聚前包覆在恒温腔壳外围并围绕在激光光路系统两侧。载气管分成两路包覆在恒温腔壳外围主要对枪体起到冷却作用。

进一步的，每组反射镜均设置有奇数个，相邻两个反射镜等间距设置，其中每第奇数个反射镜均设置在枪体内壁上，每偶数个反射镜设置在保温腔壳的外壁上，分光镜分出的激光光束依次经过每组反射镜的每个反射镜的反射后照射到对应侧的聚光镜上。反射镜的数量可以是1.3.5.7个或更多，实际选择数量根据枪体的长度和分光镜分出的激光光束的角度来确定，需要保证激光光束能够照射到聚光镜上；一般最优选择五个反射镜即可满足绝大部分的情况。通过调节多个反射镜之间的相互位置可以实现传输和控制从分光镜发出的激光光束。

进一步的，两个聚光镜均活动固定在枪体头部，每个聚光镜均连接一个设置在枪体外部的外部旋钮，通过调节外部旋钮调节聚光镜的位置，从而调节射出的激光光束与拉瓦尔喷嘴之间的夹角。最高可实现20°至50°范围的调整。

进一步的，所述开关按钮设置有0档、1档和2档三个档位，开关按钮未工作时默认0档，只要轻松按压开关按钮即可开启1档，此时控制器控制载气管阀开通；在1档情况下继续按压开关按钮即可开启2档，此时控制器控制送粉管阀和激光器开通，手持式喷枪开始工作；释放开关按钮即可回到0档，手持式喷枪停止工作，送粉管阀和激光器关闭，载气管阀在释放开关按钮后60s内关闭。载气管阀在喷枪停止工作后继续通气60s是为了对枪体进行冷却。

进一步的，所述激光器为500w的光纤激光器，激光功率范围可以在0-500w之间调整。

进一步的，所述线管内集成有送粉管、激光光纤和低压冷喷涂控制信号电缆。

进一步的，所述外接气瓶内载气类型为氮气、氦气或压缩空气。

本实用新型的有益效果在于：通过激光辐射作用能够软化粉末，奖励临界速度，将激光与低压冷喷涂技术同步耦合，从而提高可喷涂材料的范围，提高涂层的沉积效率。

附图说明

图1是本实用新型一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型手持式喷枪内部结构剖视视图。

图3是本实用新型手持式喷枪工作时的激光光路示意图。

图4是本实用新型手持式喷枪局部剖视的正面视图。

图5是本实用新型在喷涂过程中开关按钮关闭状态示意图。

图6是本实用新型在喷涂过程中开关按钮轻压状态示意图。

图7是本实用新型在喷涂过程中开关按钮重压状态示意图。

图8是本实用新型一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置在喷涂水平表面时的喷涂过程示意图。

图9是本实用新型一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置在喷涂拐角位置时的喷涂过程示意图。

图10是本实用新型图4中a的局部放大图。

图中，1-手持式喷枪、2-管线、3-集成控制柜、4-拉瓦尔喷嘴、5-聚光镜、6-预热腔、7-预热腔壳、8-热电偶、9-反射镜、10-枪体、11-恒温腔、12-恒温腔壳、13-分光镜、14-控制器、15-载气管、16-送粉管、17-激光光束、18-外部旋钮、19-螺钉、20-开关按钮、21-手柄。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1~10所示，一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置，包括手持式喷枪1、管线2、和集成控制柜3；所述手持式喷枪1与集成控制柜3通过管线2连接。

所述手持式喷枪1包括枪体10、手柄21、低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统；所述低压冷喷涂系统、激光光路系统和控制系统均通过枪体机架固定在枪体10内部，所述手柄21套在枪体10外壁上且通过手柄21上的螺钉19固定在枪体10外壁上。

所述集成控制柜3包括送粉器、激光器和低压冷喷涂控制器；送粉器通过送粉管16连接低压冷喷涂系统的预热腔6，激光器通过光纤与激光光路系统的分光镜13连接，低压冷喷涂控制器通过信号电缆与冷低压喷涂系统的预热腔6和热电偶8连接；所述送粉管16、光纤和信号电缆均集成在管线2内。

所述低压冷喷涂系统包括拉瓦尔喷嘴4、预热腔壳7、热电偶8、恒温腔壳12、载气管15和送粉管16，所述预热腔壳7内部为预热腔6，预热腔壳7设置在恒温腔壳12内部，预热腔壳7和恒温腔壳12之间为恒温腔11，所述预热腔壳7和恒温腔壳12均通过枪体机架进行固定；所述恒温腔壳12的前端设置有喷嘴固定座，拉瓦尔喷嘴4固定在喷嘴固定座上，拉瓦尔喷嘴4的入口连接所述预热腔6的出口；所述预热腔壳7的末端连接穿过恒温腔壳12的载气管15，载气管15与预热腔6相连通，送粉管16的一端出口连接在载气管15上且载气管15与送粉管16的连接处位于预热腔6内，载气管15与送粉管16相连通，载气管15上设置有载气管阀，送粉管16上设置有送粉管阀，载气管阀和送粉阀固定在枪体10尾部，所述载气管15的另一端连接外接气瓶；所述载气管的外接气瓶的载气类型为氮气、氦气或压缩空气。所述所述热电偶8为电热丝，热电偶8紧密缠绕在所述预热腔壳7上。

所述激光光路系统包括分光镜13、两组反射镜9和两个聚光镜5，所述分光镜13固定在枪体10内的尾部，分光镜13接收激光器发射出的激光光束17并将其分成两束激光光束17射出；所述反射镜9固定在枪体10内部，每组反射镜9将分光镜13分出的一条激光光束17反射到对应一侧的聚光镜5上；两个聚光镜5对称设置在枪体10头部，每个聚光镜5将相应一侧的反射镜9反射出的激光光线聚焦到拉瓦尔喷嘴4前端的加工位置上。

所述控制系统包括固定在枪体10尾部的控制器14和位于手柄21上的开关按钮20，所述开关按钮20通过外接信号电缆连接控制器14，所述控制器14通过线路连接送粉管阀、载气管阀和激光器；

所述拉瓦尔喷嘴4用于实现粉末粒子加速，喷嘴的入口外接螺纹与预热腔6出口内接螺纹进行螺纹连接，便于拆卸更换，喷嘴出口形状可以为矩形、椭圆形、圆形。所述拉瓦尔喷嘴4的入口处设置有外接螺纹，所述预热腔6的出口处设置有内接螺纹，拉瓦尔喷嘴4和预热腔6通过外接螺纹与内接螺纹的配合进行螺纹连接。

所述恒温腔壳12通过枪体机架固定在所述枪体10的中心位置。所述恒温腔壳12的前端与预热腔壳7通过密封圈密封连接，所述恒温腔壳12的后端与载气管15通过密封圈密封连接。

所述送粉管16和载气管15从枪体10尾部进入，载气管15进入枪体10后分成两路，然后汇聚于恒温腔壳12的尾部，载气管15穿过恒温腔壳12并与送粉管16一起连接在预热腔壳7尾部。

所述载气管15在进入枪体10后分成的两路在汇聚前包覆在恒温腔壳12外围并围绕在激光光路系统两侧。每组反射镜9均设置有奇数个，相邻两个反射镜9等间距设置，其中每第奇数个反射镜9均设置在枪体10内壁上，每偶数个反射镜9设置在保温腔壳的外壁上，分光镜13分出的激光光束17依次经过每组反射镜9的每个反射镜9的反射后照射到对应侧的聚光镜5上。

两个聚光镜5均活动固定在枪体10头部，每个聚光镜5均连接一个设置在枪体10外部的外部旋钮18，通过调节外部旋钮18调节聚光镜5的位置，从而调节射出的激光光束17与拉瓦尔喷嘴4之间的夹角。

所述开关按钮20设置有0档、1档和2档三个档位，开关按钮20未工作时默认0档，只要轻松按压开关按钮20即可开启1档，此时控制器14控制载气管阀开通；在1档情况下继续按压开关按钮20即可开启2档，此时控制器14控制送粉管阀和激光器开通，手持式喷枪1开始工作；释放开关按钮20即可回到0档，手持式喷枪1停止工作，送粉管阀和激光器关闭，载气管阀在释放开关按钮20后60s内关闭。

所述激光器为500w的光纤激光器，激光功率范围可以在0-500w之间调整。

所述低压冷喷涂控制器用于设定预热腔6内预热温度，预热温度范围为25~500℃。

所述管线2包括送粉管，激光光纤和低压冷喷涂控制信号电缆。

在不包括手柄的情况下所述手持式喷枪枪体10部分的长款尺寸不超过450mm×80mm，重量不超过2kg。

运行时，具体包括如下步骤:（1）在集成控制柜3设置好喷涂预热温度、激光功率、送粉率；（2）将外接气瓶与载气管15连接，载气类型为氮气；（3）将手握喷枪将拉瓦尔喷嘴4中心线垂直对需要修复的工件表面，调整两束激光光束17，使其与拉瓦尔喷嘴4中心线成20°夹角。（4）如图5、图6和图7所示，将开关按钮20开到1档，载气管阀打开，喷枪开始通气，等预热腔6内温度稳定在500°左右，开关按钮20开到2档，喷枪送粉阀和激光器打开；（5）如图8、图9所示，手握喷枪移动能够在不同形状的工件表面形成涂层。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。