一种电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置的制作方法

1.本实用新型属于先进制造技术领域，具体涉及用于激光熔覆中的电磁感应多束加热喷嘴装置，更具体涉及一种电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置。


背景技术：

2.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用途。
3.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。
4.因此如何解决现有粉末类激光熔覆技术面临的效率低下难题，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：

5.本实用新型的目的在于提供一种可用于激光熔覆中的电磁感应加热喷嘴装置，具体涉及一种用于超高速激光熔覆中的电磁感应多束加热喷嘴装置，通过创新设置的基于电磁感应的多束加热结构，对粉末汇入激光束焦点区域之前进行预加热，首创的在传统粉末类激光熔覆技术的基础上实现了基于提高金属粉末初始温度的超高速激光熔覆感应多束加热技术，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。
6.本实用新型解决上述技术问题所采取的创新结构技术方案如下：
7.一种电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，包括：喷嘴主体结构件1、粉末加热模块2和自动控温系统8；所述粉末加热模块2安装于所述喷嘴主体结构件1内，所述自动控温系统8连接于所述粉末加热模块2，所述粉末加热模块2用于输送和加热激光熔覆粉末。
8.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述粉末加热模块2沿所述喷嘴主体结构件1的周向安装有多个，形成多束加热结构，每个粉末加热模块2均连接于所述自动控温系统8，所述自动控温系统8独立控制每个粉末加热模块2的加热温度，每个粉末加热模块2独立输送激光熔覆粉末并基于电磁感应对所输送的激光熔覆粉末进行加热。
9.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述喷嘴主体结构件1上形成有锥形通光孔15和粉末加热模块固定孔12，所述锥形通光孔15具有内径由上到下平滑缩小的截顶圆锥通孔结构，所述粉末加热模块固定孔12围绕所述锥形通光孔15的外周均匀开设有多个，所述锥形通光孔15作为激光束的传输通道，所述粉末加
热模块固定孔12作为所述粉末加热模块2的安装孔，每个粉末加热模块固定孔12内安装有一个粉末加热模块2。
10.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述喷嘴主体结构件1上还形成有第一柱形通光孔和第二柱形通光孔16，所述第一柱形通光孔和第二柱形通光孔16均具有圆柱内壁面，所述第一柱形通光孔与所述锥形通光孔15的顶端平滑连接，且所述第一柱形通光孔的直径等于所述锥形通光孔15的顶端开口直径，所述第二柱形通光孔与所述锥形通光孔15的底端平滑连接，且所述第二柱形通光孔的直径等于所述锥形通光孔15的底端开口直径。
11.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述喷嘴主体结构件1上还形成有激光熔覆头连接座10，所述激光熔覆头连接座10用于将所述电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置连接于激光熔覆头，所述第一柱形通光孔开设于所述激光熔覆头连接座10的内部。
12.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述粉末加热模块固定孔12为顶端开口、底端封闭的圆柱形孔，所述喷嘴主体结构件1在每个粉末加热模块固定孔12的封闭端形成有一个喷嘴粉末流道14，所述喷嘴粉末流道14连通于所述粉末加热模块固定孔12，且所述喷嘴粉末流道14和粉末加热模块固定孔12均具有圆柱内壁面，所述喷嘴粉末流道14的中心轴线和所述粉末加热模块固定孔12的中心轴线共线，且两者的中心轴线与所述锥形通光孔的中心轴线经延长后汇聚于同一点；所述喷嘴粉末流道14的内径小于所述粉末加热模块固定孔12的内径。
13.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述粉末加热模块固定孔12的中心轴线的延长线与所述锥形通光孔的中心轴线的延长线汇聚于穿过所述锥形通光孔的激光束的焦点处或者激光束焦点正上方1～2mm处；所述粉末加热模块固定孔12的中心轴线与所述锥形通光孔的中心轴线之间的夹角处于10-45
°
之间。
14.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述喷嘴主体结构件1在每个粉末加热模块固定孔12的外侧对应形成有一个热电偶固定孔13，所述热电偶固定孔13为顶端开口、底端封闭的圆柱形孔，所述热电偶固定孔13的中心轴线平行于所对应的粉末加热模块固定孔12的中心轴线。
15.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述粉末加热模块2包括粉末加热主体结构件21和感应加热线圈4，所述粉末加热主体结构件21整体具有柱形中空哑铃状结构，所述粉末加热主体结构件21的顶端设有插头螺纹孔9，所述粉末加热主体结构件21的内部开设有加热粉末流道5，所述加热粉末流道5具有圆柱内壁面，且所述加热粉末流道5的顶端与插头螺纹孔9连通，所述加热粉末流道5的底端与所述喷嘴粉末流道14连通，且所述加热粉末流道5的中心轴线与所述喷嘴粉末流道14的中心轴线共线，所述加热粉末流道5的内径等于所述喷嘴粉末流道14的内径，当所述粉末加热模块2插入粉末加热模块固定孔12内后，粉末加热模块2的加热粉末流道5与粉末加热模块固定孔12底端的喷嘴粉末流道14同轴正对连通；所述感应加热线圈4缠绕于所述粉末加热主体结构件21的哑铃状外壁上，并自粉末加热主体结构件21的顶端引出接线端子。
16.进一步的根据本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，其中所述自动控温系统包括热电偶3、热电偶补偿导线7、感应加热线圈控制线6、温度自动控制柜和
电源，所述电源连接于所述温度自动控制柜，所述热电偶3插入所述热电偶固定孔13内，所述热电偶补偿导线7的一端连接于所述热电偶，所述热电偶补偿导线7的另一端连接于所述温度自动控制柜，所述感应加热线圈控制线6的一端连接于所述感应加热线圈4的接线端子，所述感应加热线圈控制线6的另一端连接于所述温度自动控制柜。
17.本实用新型所述的技术方案能够达到的技术效果：
18.1）、本实用新型通过创新设置的基于电磁感应的多束加热结构，对粉末汇入激光束焦点区域之前进行预加热，首创的在传统粉末类激光熔覆技术的基础上实现了基于提高金属粉末初始温度的超高速激光熔覆感应多束加热技术；
19.2）、本实用新型选用耐高温绝缘陶瓷材料作为粉末加热主体结构件的首选材料；
20.3）、本实用新型采用多束加热技术，粉末分流较多，对粉末的预热效果佳，结构方便加工且利于粉末加热模块的布置，刚性较好；
21.4）、本实用新型所述粉末加热模块在电磁感应加热线圈缠绕好后插入喷嘴主体结构件的柱形空腔内，实现模块化安装，简单方便快捷；
22.综上，本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，通过创新的加热装置结构，通过自动控温系统，配合多束分流均匀化的粉末束流，并经多束粉末预热流道，可实现不同物理性能（熔点）粉末的预加热，进而实现了不同合金粉末的超高速激光熔覆，能够有效提高激光熔覆效率，而且可在较低的激光功率下就可得到很高的熔覆效率，相对传统激光熔覆技术熔覆效率最大可提高10倍，而且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，有效降低熔覆层产生缺陷的几率，大大提高了熔覆层质量，并降低了热输入。因此本实用新型解决了传统激光熔覆技术普遍存在的效率低下、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
23.图1为本实用新型所述电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置的截面结构示意图；
24.图2为本实用新型中喷嘴主体结构件的截面结构示意图；
25.图3为本实用新型中喷嘴主体结构件的俯视示意图；
26.图4为本实用新型中喷嘴主体结构件的仰视示意图；
27.图5为本实用新型中粉末加热模块的截面结构示意图；
28.图6为本实用新型中粉末加热模块的俯视图；
29.图中各附图标记的含义如下：
30.1.喷嘴主体结构件，2.粉末加热模块，3.热电偶，4.感应加热线圈，5.加热粉末流道，6.感应加热线圈控制线，7.热电偶补偿导线，8.自动控温系统，9.插头螺纹孔，10.激光熔覆头连接座，11.过线孔，12.粉末加热模块固定孔，13.热电偶固定孔，14.喷嘴粉末流道，15.锥形通光孔，16.第二柱形通光孔，21.粉末加热主体结构件。
具体实施方式
31.以下对本实用新型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实用新型，但并不因此限制本实用新型的保护范围。
32.本实用新型所述的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置，如附图1所示，整体包括
喷嘴主体结构件1、粉末加热模块2和自动控温系统8；所述粉末加热模块2安装于喷嘴主体结构件1内，所述自动控温系统8连接于所述粉末加热模块2，优选的所述粉末加热模块2沿所述喷嘴主体结构件1的周向安装有多个，形成多束加热结构，每个粉末加热模块2基于电磁感应进行加热，并独立输送金属粉末，且每个粉末加热模块2均连接于所述自动控温系统并能够独立进行温度控制。所述喷嘴主体结构件1用于连接于激光熔覆头，来自激光熔覆头的激光束穿过喷嘴主体结构件1并与粉末加热模块2输送的金属粉末共同汇聚于待熔覆工件基材表面，通过激光束能量熔化粉末和基材形成熔池，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熔覆层。
33.如附图1至附图4所示，其中所述喷嘴主体结构件1整体为中空的锥形结构，在所述喷嘴主体结构件1的中央形成锥形通光孔15，所述锥形通光孔15具有中空结构并作为激光束传输通道，所述锥形通光孔的顶部连接有第一柱形通光孔，第一柱形通光孔具有圆柱内壁且圆柱直径等于锥形通光孔15的最大直径（即顶端开口直径），所述第一柱形通光孔的外部激光熔覆头连接座10，所述激光熔覆头连接座的外壁形成螺纹连接结构，用于将喷嘴主体结构件1螺纹连接于激光熔覆头。所述锥形通光孔具有上大下小的截顶圆锥通孔结构，从上到下直径平滑缩小，外形类似聚焦激光束，避免孔内壁与激光束接触而损坏设备及影响激光熔覆效果；所述锥形通光孔的底部连接有第二柱形通光孔，所述第二柱形通光孔具有圆柱内壁且圆柱直径等于锥形通光孔15的最小直径（即底端开口直径），来自激光熔覆头的激光器输出的激光束依次穿过所述第一柱形通光孔、锥形通光孔15和第二柱形通光孔16后输出至待熔覆工件表面。各通光孔的内壁面优选的为镜面反光面。
34.如附图1至附图4所示，其中所述喷嘴主体结构件1在围绕锥形通光孔15的外周均匀形成有多个粉末加热模块固定孔12，优选的沿锥形通光孔15的外周形成有四个均布的粉末加热模块固定孔12，所述粉末加热模块固定孔12优选的为具有圆柱内壁的柱形空腔，柱状空腔的中心轴线平行于喷嘴主体结构件的外壁母线，并与锥形通光孔的中心轴线汇聚于同一焦点（也就是熔池位置），柱状空腔中心轴线与锥形通光孔中心轴线形成10-45
°
之间的锐角，优选的为10-30
°
的角。所述粉末加热模块固定孔12的内径与粉末加热模块的外径匹配，且粉末加热模块固定孔12的顶部开口，用于插入粉末加热模块。每个所述粉末加热模块固定孔12的底部均连通有一个喷嘴粉末流道14，所述喷嘴粉末流道14具有圆柱通孔结构，且所述喷嘴粉末流道的中心轴线与粉末加热模块固定孔12的中心轴线共线，两者同轴相通。进一步优选的所述粉末加热模块和粉末加热模块固定孔的柱形空腔均为规则的圆柱形，方便粉末加热模块的插入及后期的维护，粉末加热模块插入柱形空腔时，粉末加热模块的底部与柱形空腔的底部贴紧配合，不能留有间隙，防止粉末进入熔化；
35.如附图1至附图4所示，其中所述喷嘴主体结构件1在围绕锥形通光孔15的外周进一步均匀设置有多个热电偶固定孔13，进一步优选的所述喷嘴主体结构件1在每个粉末加热模块固定孔12的外侧均形成有一个热电偶固定孔13，所述热电偶固定孔13优选的为圆柱孔，每个热电偶固定孔13的中心轴线平行于所靠近的粉末加热模块固定孔12的中心轴线，每个热电偶固定孔13为非通透的热电偶安装固定孔，顶部开口，所述热电偶固定孔13的内径与热电偶的外径匹配，热电偶自其顶部开口插入热电偶固定孔内。每个热电偶固定孔13延伸到靠近对应的粉末加热模块固定孔12的底部位置。
36.如附图5和附图6所示，所述的粉末加热模块2包括粉末加热主体结构件21和感应
加热线圈4，所述粉末加热主体结构件21为柱形中空的哑铃状结构，并采用陶瓷材料制作，所述粉末加热主体结构件21的顶端形成内沉的插头螺纹孔9，用于安装快速插头，粉末加热主体结构件21的中部形成为中空的加热粉末流道5，所述加热粉末流道5为具有圆柱内壁的柱形粉末通道，且加热粉末流道5的顶部与插头螺纹孔9连通，所述加热粉末流道5的底部与喷嘴粉末流道14连通，且加热粉末流道5的中心轴线与喷嘴粉末流道14的中心轴线共线，两者的内径相等，当粉末加热模块2插入粉末加热模块固定孔12内后，粉末加热模块2的加热粉末流道5与粉末加热模块固定孔12底部的喷嘴粉末流道14正对连通并形成同轴等径相通的粉末连续输送通道，插头螺纹孔9上安装的粉末快速插头输送的粉末依次通过加热粉末流道5和喷嘴粉末流道14输出至激光束聚焦位置。所述粉末加热主体结构件21的加热粉末流道5外侧形成哑铃状外壁，所述感应加热线圈4缠绕于所述哑铃状外壁之上，并自粉末加热主体结构件21的顶端引出接线端子，其中在粉末加热主体结构件21的顶端和粉末加热模块固定孔的内壁之间形成过线孔，接线端子从所述过线孔引出。
37.所述自动控温系统包括热电偶3、热电偶补偿导线7、感应加热线圈控制线6、温度自动控制柜和电源，所述电源连接于温度自动控制柜，所述热电偶3插入所述热电偶固定孔13内，所述热电偶补偿导线7的一端连接于所述热电偶，所述热电偶补偿导线7的另一端连接于所述温度自动控制柜，所述感应加热线圈控制线6的一端连接于所述感应加热线圈4的接线端子，所述感应加热线圈控制线6的另一端连接于所述温度自动控制柜。通过电源为温度自动控制柜供电，通过感应加热线圈控制线6为感应加热线圈4供电进行电磁感应加热，通过热电偶实施检测感应加热线圈4的加热温度，并将检测值反馈给温度自动控制柜，进行感应加热线圈4的自动加热与保温控制。
38.进一步优选的本实用新型所述电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置具有以下优选设置的结构参数：
39.所述粉末加热模块和热电偶插入端面均为非水平面，端面与喷嘴主体结构件锥形通光孔的中心轴线之间的夹角成60～80
°
、且与喷嘴粉末流道的中心轴线垂直；
40.所述喷嘴粉末流道的直径为φ0.2~0.7mm。
41.所述喷嘴粉末流道的延长线汇焦于激光束焦点处或激光束焦点正上方1～2mm处。
42.所述粉末加热模块固定孔与热电偶固定孔平行，其中心轴线均与锥形通光孔中心轴线成10～30
°
的夹角。
43.所述热电偶固定孔的孔径比热电偶直径大0.2~0.8mm，以便热电偶顺利插入并准确的测定预热温度。
44.所述四个热电偶和四个粉末加热模块的回路各为独立的四个回路，以便实时准确的对各回路加热模块的加热效果进行实时测温和自动控制，方便某一回路有问题时可准确显示及修复，防止合金粉末预热效果不佳而影响超高速激光熔覆质量及效率。
45.所述自动温控系统中热电偶与感应加热线圈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温控系统，自动温控系统再根据设定的预热温度控制感应加热线圈进行升温或保温。
46.所述热电偶根据熔覆粉末的物理性质（熔点）可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。
47.所述第二柱形通光孔的直径为2~7mm。
48.本实用新型所述电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置的组装与使用方法及工作原理如下：
49.步骤一，进行本实用新型所述粉末加热模块2的组装，将本实用新型所述感应加热线圈4缠绕于粉末加热模块的粉末加热主体结构件21的哑铃状外壁上，并自粉末加热主体结构件21顶端引出接线端子；
50.步骤二，将各粉末加热模块2插入喷嘴主体结构件1的粉末加热模块固定孔12内，插入的过程中保持粉末加热模块的加热粉末流道5的轴线与粉末加热模块固定孔12下部的喷嘴粉末流道14的轴线重合并缓慢匀速插入，确保已插入到粉末加热模块固定孔12的底部，以粉末加热模块的粉末加热主体结构件的上端面与粉末加热模块固定孔12的上端面保持气齐平为准，确保感应线圈控制线6在粉末加热模块固定孔12的外面连接于感应线圈接线端子，并将感应线圈控制线连接于温度自动控制柜；
51.步骤三，自动控温系统的安装，将本实用新型所述热电偶3缓慢插入喷嘴主体结构件1的热电偶固定孔13中，确保插入到底部，以热电偶固定孔13的深度和插入的热电偶3的长度相等为准，确定插入后将本实用新型所述热电偶补偿导线7接在热电偶3上导通，进一步的将本实用新型所述的温度自动控制柜与感应线圈控制线6和热电偶补偿导线7接通，开始进行实时测温，实测显示温度与实际环境温度一致为准；
52.步骤四，将本实用新型所述电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置经喷嘴主体结构件1顶部的激光熔覆头连接座与激光熔覆头连接，打开激光器引导激光，检查光斑情况，确保激光束无障碍通过喷嘴主体结构件1的锥形通光孔15和柱形通光孔16；
53.步骤五，将送粉器的送粉接头连接于粉末加热主体结构件顶端的插头螺纹孔9，在合金粉末进入加热粉末流道5之前先在本实用新型所述自动控温系统中输入工艺要求的粉末加热及保温的温度参数，开启自动控温系统的电源，通过感应加热线圈4开始对加热粉末流道5进行加热，当通过热电偶检测到流道内温度达到预先输入的保温温度参数时，粉末加热模块开始对喷嘴粉末流道5进行保温；
54.步骤六，打开送粉器让粉末进入加热粉末流道5，经加热粉末流道5外周的感应加热线圈4加热到预定温度后，经喷嘴粉末流道14将加热后的高温合金粉末汇入至激光束焦点位置，开启激光器即可进行超高速激光熔覆。可根据需要选择不同粉末加热模块输送不同种类粉末，并控制不同粉末加热模块对不同种类粉末基于不同温度进行加热，实现多束粉末混合激光熔覆技术。
55.综上所述，本实用新型提出的电磁感应多束加热激光熔覆喷嘴装置通过创新设置的加热结构，通过自动控温系统，配合多束分流均匀化的粉末束流，经多束粉末预热流道，可实现不同物理性能（熔点）粉末的预热，进而实现不同合金粉末的超高速激光熔覆，可有效提高激光熔覆效率，而且可在较低的激光功率下就可得到高的熔覆效率，熔覆效率可提高至传统激光熔覆的1~10倍，而且通过对粉末的预热可使吸附在粉末表面的水分、灰尘等分解和挥发，降低熔覆层产生缺陷的几率，大大提高熔覆层的质量，并有效降低热输入，因此本实用新型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。
56.以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴，本实用新型具体的保护范围以权利要求书的记载为准。