一种电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置及激光熔覆装置的制作方法

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置及激光熔覆装置。

背景技术：

粉末激光熔覆技术作为一种高精度、高性能、小热影响区、低稀释率以及自动化程度高等特点的先进制造技术，被广泛应用于金属零部件表面性能的强化或改性、表面修复以及金属增材制造等领域。

现有的粉末激光熔覆技术使用金属粉末和激光束作为熔覆材料和热源，通过激光束熔化粉末和基材形成熔池，并同时按预定路线同步扫描，使熔池与基材做相对运动，从而形成满足特殊要求的熔覆层。其中金属粉末在汇入激光束焦点之前为常温状态，粉末与基材的熔化和熔池搅拌热源为纯激光热源。在这种激光熔覆系统中，若要提高激光熔覆效率，只能增加激光功率，而激光功率的增加虽然使熔覆效率得到提升，但也同时带来了熔覆过程热输入增加，从而导致稀释率增大、合金元素烧损等问题。

因此如何解决现有粉末类激光熔覆技术面临的效率低下的难题，是当前粉末类激光熔覆技术发展亟需解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置及激光熔覆装置，通过创新布置激光熔覆喷嘴装置结构，实现了在粉末汇入激光束焦点区域之前对激光熔覆粉末进行预加热，提高了激光熔覆效率，属于一种全新的粉末类激光熔覆方案，解决了目前粉末类激光熔覆技术存在的熔覆效率低的难题。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，包括：连接件1、感应线圈固定件2、陶瓷内环3、感应加热线圈4、感应加热电源5、热电偶7和热电偶电源10；所述感应加热线圈4安装于所述感应线圈固定件2内，并连接于所述感应加热电源5；所述陶瓷内环3设置于所述感应线圈固定件2的内部，在所述陶瓷内环3和感应线圈固定件2之间形成粉末流道6，所述陶瓷内环3上形成有热电偶安装孔32，所述热电偶7安装于所述热电偶安装孔32内，并连接于所述热电偶电源10；所述连接件1连接于所述陶瓷内环3和感应线圈固定件2，并将所述陶瓷内环3限制于所述感应线圈固定件2的内部，所述连接件1上形成有连通所述粉末流道6的粉末入口通道12，所述连接件1和陶瓷内环3的中央开设有激光束通道。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述粉末流道具有上部呈圆柱状、下部呈圆锥状的环形间隙通道结构，且在圆柱状环形间隙通道结构的顶部形成有粉末缓冲腔，所述粉末入口通道12连通于所述粉末缓冲腔；所述连接件1外接激光熔覆头，来自激光熔覆头的激光束穿过所述激光束通道，并与所述粉末流道输送的经感应加热线圈4基于电磁感应预加热的激光熔覆粉末共同汇聚于待熔覆工件表面。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述感应线圈固定件2包括固定件内本体23和固定件外本体22，所述固定件内本体23和固定件外本体22之间形成顶部开口底部封闭的感应线圈环形安装腔，所述感应加热线圈4以环形缠绕方式安装于所述感应线圈环形安装腔内，并自感应线圈环形安装腔的顶部开口引出线圈接线端子；所述固定件内本体23的内部形成有通透的内环安装腔，所述陶瓷内环3安装于所述内环安装腔内，且在所述固定件内本体23的内壁面与所述陶瓷内环的外壁面之间配合形成所述粉末流道6。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述感应线圈环形安装腔的上部具有圆柱形、下部具有圆锥形，且所述感应线圈环形安装腔的圆柱形部分的宽度比圆锥形部分的宽度宽预定尺寸；所述内环安装腔的上部具有圆柱形、下部具有圆锥形，所述陶瓷内环3的外壁面上部呈圆柱形、下部呈圆锥形，所述粉末流道具有上部呈圆柱形、下部呈圆锥形的环形间隙通道结构；所述圆锥形和圆柱形的中心轴线共线，且在中心轴线截面上，圆锥形母线相对于圆柱形母线向中心轴线方向倾斜10~30°。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述陶瓷内环3的内环内壁面35围成圆锥激光通道，所述陶瓷内环3的内环外壁面34具有上部圆柱形、下部圆锥形结构，所述热电偶安装孔32为形成于陶瓷内环3上的平行于其内环内壁面的非通透孔；所述陶瓷内环3的内环外壁面的圆柱形部分上形成有粉末缓冲槽33，所述粉末缓冲槽33与所述固定件内本体23的内壁面形成粉末缓冲腔。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述连接件1的中央开设有圆柱形的连接件通光孔13，所述连接件通光孔13与所述陶瓷内环3的圆锥激光通道共同形成激光束通道；所述连接件1上形成有若干螺栓连接孔14、若干粉末入口通道12、一个感应加热电源线过线孔18和一个热电偶过线孔16，所述螺栓连接孔14用于所述连接件1和感应线圈固定件2之间的螺栓连接，所述粉末入口通道12连通于所述粉末流道，所述感应加热电源线过线孔连通于所述感应线圈环形安装腔，所述热电偶过线孔16连通于所述热电偶安装孔32；所述连接件的顶面边缘形成有熔覆头连接凸缘，所述熔覆头连接凸缘上形成有熔覆头连接螺纹，用于将所述连接件连接于激光熔覆头，所述连接件的连接件通光孔13的外周形成有内环连接座，所述内环连接座上形成有用于螺纹连接陶瓷内环的内环连接螺纹。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述连接件具有中空圆环结构，若干粉末入口通道12沿连接件的圆周方向均匀分布，每个粉末入口通道12沿连接件的径向开设，其粉末入口端开设于连接件的圆周外壁面，粉末出口端正对粉末流道，所述感应加热电源线过线孔沿连接件的径向开设，其过线孔入口端开设于连接件的圆周外壁面，过线孔出口端正对感应线圈环形安装腔，所述热电偶过线孔16沿连接件的径向开设，其过线孔入口端开设于连接件的圆周外壁面，过线孔出口端正对热电偶安装孔。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中还包括有感应加热电源线8和热电偶补偿导线9，所述感应加热电源线8的一端连接于感应加热电源5，另一端穿过所述感应加热电源线过线孔后连接于感应加热线圈4的线圈接线端子，所述热电偶补偿导线9的一端连接于所述热电偶电源10，另一端穿过所述热电偶过线孔16后连接于所述热电偶7。

进一步的根据本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，其中还包括若干连接螺栓，所述感应线圈固定件2的固定件外本体22的顶面开设有若干固定螺栓孔21，所述固定螺栓孔21与连接件1上的螺栓连接孔14正对，通过所述连接螺栓穿过所述螺栓连接孔14后拧紧于所述固定螺栓孔21内而将所述连接件固定连接于所述感应线圈固定件2。

一种激光熔覆装置，包括激光熔覆头和本发明所述的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，所述激光熔覆头连接于所述电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置中的连接件上。

本发明的技术方案至少具备以下创新技术效果：

综上所述，本发明提出一种超高速的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置及激光熔覆装置，通过创新设置熔覆喷嘴结构，通过自动控温系统并配合均匀化的粉末缓冲槽，经环形粉末预热流道，可实现不同物理性能（熔点）粉末的预热，进而实现了不同合金粉末的超高速熔覆，可有效提高激光熔覆效率，而且可在较低的激光功率下得到较高的熔覆效率，熔覆效率最大可提高至传统激光熔覆效率的10倍以上，同时通过对粉末的预热可使吸附在粉末表面的水分、灰尘等及时分解和挥发，有效降低了熔覆层出现缺陷的几率，提高了熔覆层质量，达到降低了热输入；因此本发明解决了传统激光熔覆技术存在的效率低下、熔覆质量不高以及反射光危害大等难题，具有非常广泛的产业化应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所述电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置的截面结构示意图；

图2为本发明中连接件的截面结构示意图；

图3为本发明中连接件的俯视示意图；

图4为本发明中连接件的仰视示意图；

图5为本发明中感应线圈固定件的截面结构示意图；

图6为本发明中感应线圈固定件的俯视图；

图7为本发明中陶瓷内环的截面示意图；

图8为本发明中陶瓷内环的俯视图；

图中各附图标记的含义如下：

1.连接件，2.感应线圈固定件，3.陶瓷内环，4.感应加热线圈，5.感应加热电源，6.粉末流道，7.热电偶，8.感应加热电源线，9.热电偶补偿导线，10.热电偶电源，11.连接螺栓，12.粉末入口通道，13.连接件通光孔，14.螺栓连接孔，15.熔覆头连接螺纹，16.热电偶过线孔，17.内环连接螺纹，18.感应加热电源线过线孔，21.固定螺栓孔，22.固定件外本体，23.固定件内本体，31.连接件连接螺纹，32.热电偶安装孔，33.粉末缓冲槽，34.内环外壁面，35.内环内壁面。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明为一种电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，如附图1所示，所述喷嘴装置包括连接件1、感应线圈固定件2、陶瓷内环3、感应加热线圈4、感应加热电源5、热电偶7、感应加热电源线8、热电偶补偿导线9、热电偶电源10和连接螺栓11。所述感应加热线圈4设置于所述感应线圈固定件2内，并通过感应加热电源线8连接于所述感应加热电源5，所述陶瓷内环3设置于所述感应线圈固定件2内，并在所述陶瓷内环3和感应线圈固定件2之间形成粉末流道6，所述连接件1螺纹连接于所述陶瓷内环3，并通过连接螺栓11连接于所述感应线圈固定件2，通过所述连接件1将所述陶瓷内环3限制于所述感应线圈固定件2内。所述连接件1上开设有热电偶过线孔16，所述陶瓷内环3上开设有热电偶安装孔32，热电偶7通过所述热电偶过线孔16固定安装于所述热电偶安装孔32内并通过热电偶补偿导线9连接于所述热电偶电源10。所述连接件1上开设有粉末入口通道12，激光熔覆粉末通过粉末入口通道12加入至所述粉末流道6内。所述连接件1和陶瓷内环3的中央形成激光束通道。所述连接件1连接于激光熔覆头，来自激光熔覆头的激光束穿过连接件1和陶瓷内环3的激光束通道后与经粉末流道6输出的激光熔覆粉末共同聚焦于待熔覆工件基材表面，通过激光束熔化粉末和基材形成熔池，并同时按预定路线同步扫描，使熔池与基材做相对运动，从而在工件表面形成满足特殊要求的激光熔覆层。

进一步具体的，结合附图1、附图5和附图6所示，所述感应线圈固定件2整体具有中空环形结构，包括固定件内本体23和固定件外本体22，所述固定件内本体23和固定件外本体22一体连接并具有环形结构，所述固定件内本体23和固定件外本体22之间形成顶部开口底部封闭的感应线圈环形安装腔，感应加热线圈4以环形缠绕方式安装于所述感应线圈环形安装腔内，并自感应线圈环形安装腔开口端引出接线端子，并连接于所述感应加热电源线8。所述固定件内本体23的内部形成内环安装腔，陶瓷内环3安装于所述内环安装腔内，所述固定件内本体23的内壁面与陶瓷内环的外壁面之间配合形成用于粉末输送和加热的粉末流道6，所述粉末流道优选的为环形粉末流道。进一步的所述感应线圈固定件的上部形成为柱形、下部形成为锥形，优选的所述锥形相对于竖向中心轴线的倾斜角度为10~30°；相应的所述感应线圈环形安装腔和内环安装腔的上部也形成为对应的柱形、下部也形成为对应的锥形，优选的所述感应线圈环形安装腔柱形部分的宽度比锥形部分的宽度要宽1~3mm，这样既方便感应线圈布置，又使得粉末流道内的粉末预热温度在柱形上部和锥形下部区域尽量处于相同或相近的温度范围之内；所述柱形为圆柱形、所述锥形为圆锥形（截顶）。进一步的在所述感应线圈固定件的固定件外本体22的顶面开设有四个均布的固定螺栓孔21。在所述固定件内本体23的底端中央形成有光束通孔。

进一步具体的，结合附图1、附图7和附图8所示，所述的陶瓷内环3整体具有中空环形结构，采用陶瓷材料制作具有耐高温特性，用于固定热电偶并和感应线圈固定件2配合形成提供粉末输送与加热的粉末流道6。所述陶瓷内环3的内部形成激光束通道，具体的所述陶瓷内环3的内环内壁面35围成圆锥形激光束通道，圆锥形激光束通道的最小孔径为2~7mm；所述陶瓷内环3的内环外壁面34具有上部圆柱形、下部圆锥形的结构，并与内环安装腔的结构相匹配。在所述陶瓷内环3上进一步形成有非通透的热电偶安装孔32，所述热电偶安装孔在陶瓷内环本体内靠近内环内壁面35设置，用于安装热电偶。优选地，所述热电偶安装孔32平行于内环内壁面，其孔径比热电偶直径大0.5~1mm，以便热电偶顺利插入并准确的测定预热温度。在所述陶瓷内环3的内环外壁面上进一步形成有粉末缓冲槽33，优选的所述粉末缓冲槽33围绕内环外壁面周向形成与陶瓷内环3同轴的环形槽结构。在所述陶瓷内环3的顶端形成有连接件连接螺纹31，用于将连接件螺纹连接于所述陶瓷内环3上。所述陶瓷内环3安装于所述感应线圈固定件2的内环安装腔内，且由所述陶瓷内环3的内环外壁面与感应线圈固定件2的固定件内本体23的内壁面之间形成用于提供粉末输送和加热的环形的粉末流道6，所述粉末流道具有环形间隙结构，流道的上部具有圆柱环形间隙结构、下部具有圆锥环形间隙结构，以便在锥形位置使得粉末得到减速，在汇入激光束焦点之前预热到指定温度；且所述粉末流道的上部由陶瓷内环外壁面上的粉末缓冲槽33与感应线圈固定件内本体23的内壁面形成连通粉末流道的粉末缓冲腔，来自连接件输送的粉末首先通过粉末缓冲腔进行粉末均匀化缓冲，使得进入粉末流道的粉末处于均匀状态，避免不聚集堵塞，也避免聚集后温度升高堵塞粉末流道，并降低粉末进入下部粉末流道的初速度，使其有足够的时间进行预热。

进一步具体的，结合附图1-4所示的，所述连接件整体具有中空环形结构，在连接件的中央开设有连接件通光孔13，所述连接件通光孔13为圆形激光束通道，所述圆形激光束通道与陶瓷内环内部形成的圆锥形激光束通道相匹配，即圆形激光束通道的内径等于圆锥形激光束通道的最大内径。进一步的在所述连接件上形成有四个均布且与环形结构同轴的螺栓连接孔14、四个均布的粉末入口通道12、一个感应加热电源线过线孔18和一个热电偶过线孔16，同时在所述连接件的顶面边缘形成有熔覆头连接凸缘，所述熔覆头连接凸缘上形成有熔覆头连接螺纹15，用于将所述连接件及喷嘴装置整体连接于激光熔覆头，在所述连接件底面的圆形激光束通道外周形成有内环连接座，所述内环连接座上形成有内环连接螺纹17，用于将所述连接件螺纹连接于陶瓷内环。所述螺栓连接孔14与感应线圈固定件的固定螺栓孔21相对应，通过连接螺栓11穿过螺栓连接孔14拧紧于固定螺栓孔21内实现连接件1与感应线圈固定件2的固定连接。所述粉末入口通道12沿所述连接件的环形径向开设，并沿连接件的环形圆周方向均匀分布，每个粉末入口通道12的粉末入口端开设于连接件的圆周外壁面，每个粉末入口通道12的粉末出口端正对粉末流道，优选的正对粉末缓冲腔。所述感应加热电源线过线孔沿所述连接件的环形径向开设，过线入口端开设于连接件的圆周外壁面，过线出口端正对感应线圈环形安装腔，感应加热电源线8的一端穿过所述感应加热电源线过线孔18而连接于感应加热线圈4的接线端子，感应加热电源线8的另一端连接于感应加热电源5。所述热电偶过线孔16沿所述连接件的环形径向开设，过线孔入口端开设于连接件的圆周外壁面，过线孔出口端正对热电偶安装孔32，热电偶补偿导线9的一端穿过所述热电偶过线孔16连接于热电偶安装孔32内安装的热电偶，热电偶补偿导线9的另一端连接于热电偶电源10。所述螺栓连接孔14、粉末入口通道12、感应加热电源线过线孔18和热电偶过线孔16相互不连通。所述连接件1通过其内环连接座连接于所述陶瓷内环，并通过连接螺栓11连接于感应线圈固定件2，从而通过所述连接件将陶瓷内环和感应加热线圈限制于感应线圈固定件2内，且连接座上的粉末入口通道12连通于感应线圈固定件2和陶瓷内环之间的粉末流道，来自送粉器的粉末通过粉末入口通道12送粉至粉末流道内，且连接件上的圆形激光束通道与陶瓷内环的锥形激光束通道共同形成激光束通道，来自连接件所连接的激光熔覆头的激光束穿过所述激光束通道，来自送粉器的激光熔覆粉末经过所述粉末流道并被感应加热线圈4预加热后与激光束通道传输的激光束共同聚焦于待熔覆工件基材表面，通过激光束熔化粉末和基材形成熔池，并同时按预定路线同步扫描，使熔池与基材做相对运动，从而在工件表面形成满足特殊要求的激光熔覆层。

进一步优选地，所述感应加热线圈与热电偶为联合自动控温装置，所述感应加热线圈的可加热温度范围为200~2000℃，在进行超高速激光熔覆之前根据所选粉末的物理性质，设置预热温度在所选粉末的熔点以下200℃以内，如铁基类合金粉末的熔点在1400℃左右，可设置预热温度为600~1200℃，通过热电偶测得的实时温度信号传入自动控温装置，自动控温装置再根据设定的预热温度控制感应线圈进行升温或保温；优选地所述热电偶可根据熔覆粉末的物理性质（熔点），选择不同测温范围的热电偶，在熔覆之前装入满足要求的热电偶进行测温控制。

最后简要本发明所述电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置的安装及使用方法，具体包括：

步骤一，将陶瓷内环和感应加热线圈安装于感应线圈固定件内，将热电偶7插入陶瓷内环3的热电偶安装孔32进行固定，将连接件连接于陶瓷内环和感应线圈固定件；将喷嘴装置整体连接于激光熔覆头的下部，确保激光束不接触所述陶瓷内环3的内壁面，光斑正常通过；各线路连接到位后接通所述感应加热电源5和热电偶电源10，确保热电偶7测温处于正常状态；

步骤二，按预定工艺要求，在自动控温系统中输入所述热电偶7和感应加热线圈4所要达到并保持的温度参数；

步骤三，在超高速激光熔覆之前打开所述感应加热电源5和热电偶电源10，通过电磁感应对陶瓷内环和感应线圈固定件之间的粉末流道进行预热，自动控温系统显示温度达到工艺要求温度并处于保温状态，防止温度过高而熔化合金粉末；

步骤四，打开送粉器让粉末经四个粉末入口通道12进入连接件1，然后首先进入陶瓷内环的粉末缓冲槽进行粉末均匀化缓冲，并降低粉末进入粉末流道的初速度，使其有足够的时间进行预热；合金粉末经粉末流道的上部分预热后在进入锥形的下部流道时进行转变方向的降速，降速后再次经过锥形粉末流道预热，在合金粉末进入激光束焦点之前给粉末提高了充足的预热时间，使得粉末的预热温度满足工艺要求，达到提高熔覆效率的目的；

步骤五，经预热后的粉末汇入激光束焦点进行超高速激光熔覆。

综上所述，本发明提出一种超高速的电磁感应环形加热激光熔覆喷嘴装置，通过创新设置熔覆喷嘴结构，通过自动控温系统并配合均匀化的粉末缓冲槽，经环形粉末预热流道，可实现不同物理性能（熔点）粉末的预热，进而实现了不同合金粉末的超高速熔覆，可有效提高激光熔覆效率，而且可在较低的激光功率下得到较高的熔覆效率，熔覆效率最大可提高至传统激光熔覆效率的10倍以上，同时通过对粉末的预热可使吸附在粉末表面的水分、灰尘等及时分解和挥发，有效降低了熔覆层出现缺陷的几率，提高了熔覆层质量，达到降低了热输入；因此本发明解决了传统激光熔覆技术存在的效率低下、熔覆质量不高以及反射光危害大等难题，具有非常广泛的产业化应用前景。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。