本發(fā)明涉及一種激光熔覆前對基材進行預(yù)熱、熔覆后對熔覆層進行回火的激光熔覆頭。

背景技術(shù)：

目前，激光熔覆是一種先進的表面改性技術(shù)，通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之與基材薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的熔覆層。既能夠制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，又能對破損零件進行修復(fù)，已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各領(lǐng)域。

激光束直接輻照在材料表面使其熔化，然后通過熱傳導(dǎo)使其快速冷卻凝固，從而在材料表面形成與基體互熔?？焖偌訜岷涂焖倮鋮s的特點造成過大的溫度梯度，容易導(dǎo)致熔覆層中存在較大的殘余應(yīng)力，具有較高的開裂敏感性。另外，組織均勻性也較差，且存在一定數(shù)量的氣孔。這是激光熔覆在工業(yè)應(yīng)用中受到限制的原因之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，能夠安裝在工業(yè)機器人A6軸上，或安裝在改造數(shù)控機床的主軸上，用于制造或修復(fù)機械零件，用于解決現(xiàn)有的激光熔覆，快速加熱和快速冷卻的特點造成過大的溫度梯度，容易導(dǎo)致熔覆層中存在較大的殘余應(yīng)力，具有較高的開裂敏感性，以及組織均勻性也較差，且存在一定數(shù)量的氣孔的缺點。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，包括：分束機構(gòu)、分束變焦機構(gòu)、激光掃描跟蹤機構(gòu)和激光熔覆機構(gòu)。

所述分束機構(gòu)包括：分束腔體、分光鏡、分光鏡玻璃支撐板、三角支撐塊、曲面鏡和旋轉(zhuǎn)支撐法蘭；所述分束機構(gòu)中的分束腔體上部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)支撐法蘭，所述旋轉(zhuǎn)支撐法蘭的下圓環(huán)面上設(shè)置有六個用于安裝曲面鏡的圓孔；所述分束腔體包括上部的錐形部和下部的筒形部；所述分束腔體錐形部的外壁傾斜面圓周方向均布有六個圓環(huán)凸臺；所述的分光鏡玻璃支撐板設(shè)置于分束腔體筒形部的頂端；所述分光鏡玻璃支撐板上表面通過三角支撐塊設(shè)置有分光鏡。

所述激光掃描跟蹤機構(gòu)包括：大齒輪、小齒輪、步進電機、旋轉(zhuǎn)支撐法蘭、光束連接套筒、圓錐滾子軸承、軸承支撐板和電機支架；所述激光掃描跟蹤機構(gòu)中的光束連接套筒上部通過電機支架安裝有步進電機，所述旋轉(zhuǎn)支撐法蘭上端外壁設(shè)置有大齒輪，所述大齒輪通過小齒輪同步進電機傳動連接；所述光束連接套筒下部外壁同旋轉(zhuǎn)支撐法蘭的軸承孔之間設(shè)置有圓錐滾子軸承，所述光束連接套筒底部設(shè)置有用于承載限位圓錐滾子軸承的軸承支撐板。

所述的分束變焦機構(gòu)設(shè)置于分束腔體的圓環(huán)凸臺末端；所述的激光熔覆機構(gòu)設(shè)置于所述分束腔體筒形部底端；當(dāng)步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支撐法蘭，以及分束腔體轉(zhuǎn)動，能夠調(diào)整分光鏡的分光角度，進而調(diào)節(jié)通過曲面鏡折射入分束變焦機構(gòu)的角度。

作為優(yōu)選所述分束變焦機構(gòu)包括：分束凹透鏡、鏡頭連接環(huán)、鏡頭調(diào)焦環(huán)、分束鏡頭和分束凸透鏡；所述分束變焦機構(gòu)中的分束凹透鏡設(shè)置于分束腔體的圓環(huán)凸臺內(nèi)孔，所述分束腔體圓環(huán)凸臺末端通過鏡頭連接環(huán)設(shè)置有鏡頭調(diào)焦環(huán)，所述鏡頭調(diào)焦環(huán)同鏡頭連接環(huán)螺紋連接；所述鏡頭調(diào)焦環(huán)末端設(shè)置有分束鏡頭，所述分束鏡頭內(nèi)孔設(shè)置有分束凸透鏡。

作為優(yōu)選所述激光熔覆機構(gòu)包括：熔覆噴嘴、冷卻水連接頭、進水口、出水口、粉末導(dǎo)向套、錐形激光套、連接盤、擋光環(huán)、保護氣通入口和粉末進入口；所述激光熔覆機構(gòu)的熔覆噴嘴同分束腔體筒形部的底端連接固定。

作為優(yōu)選六個所述曲面鏡的圓心至旋轉(zhuǎn)支撐法蘭的圓心的距離d不相同。

作為優(yōu)選分束腔體錐形部的圓環(huán)凸臺在徑向橫截面均勻分布，且兩兩形成一組，縱截面圓環(huán)凸臺軸線與水平方向角度θ₂各不相同。

作為優(yōu)選所述三角支撐塊角度θ₁各不相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所述的多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明所述的多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，當(dāng)步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支撐法蘭，以及分束腔體轉(zhuǎn)動，能夠調(diào)整分光鏡的分光角度，進而調(diào)節(jié)通過曲面鏡折射入分束變焦機構(gòu)的角度，使通過分光鏡、曲面鏡射入分束變焦機構(gòu)，分束腔體中的平行光束大部分經(jīng)主光束凸透鏡用于激光熔覆，其余部分通過分光鏡、曲面鏡射入分束變焦機構(gòu)，并于激光熔覆頭的前進方向進行預(yù)熱，后退方向進行回火，有效降低因單激光束快熱快冷所造成的殘余應(yīng)力、裂紋敏感、組織不均的影響；能夠多方位對基材進行預(yù)熱，對熔覆層進行回火，大大地減小了溫度梯度。

2、本發(fā)明所述的多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，分光鏡、曲面鏡以及分束變焦機構(gòu)設(shè)置有六個，分成三對，設(shè)置有三對預(yù)熱、回火激光頭供不同工藝參數(shù)下進行選擇，同時還能夠調(diào)節(jié)鏡頭調(diào)焦環(huán)來改變激光光斑大小，調(diào)節(jié)方便，可行性高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明分束激光頭布置主視圖。

圖3是本發(fā)明分束激光頭布置俯視圖。

圖4是本發(fā)明激光分束光路圖。

圖5是本發(fā)明θ₁、θ₂、d、D四者關(guān)系示意圖。

圖6是本發(fā)明激光掃描跟蹤機構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明軌跡流程圖。

圖8是本發(fā)明的使用效果圖。

其中：1、光束連接套筒，2、大齒輪，3、圓錐滾子軸承，4、旋轉(zhuǎn)支撐法蘭，5、分束腔體，6、分束凹透鏡，7、鏡頭連接環(huán)，8、鏡頭調(diào)焦環(huán)，9、分束凸透鏡，10、分束鏡頭，11、熔覆噴嘴，12、冷卻水連接頭，12-1、進水口，12-2、出水口，13、粉末導(dǎo)向套，14、錐形激光套，15、連接盤，16、擋光環(huán)，17、主光束凸透鏡，18、分光鏡支撐玻璃板，19、三角支撐塊，20、分光鏡，21、軸承支撐板，22、曲面鏡，23、小齒輪，24、步進電機，25、電機支架，26、保護氣通入口，27、粉末進入口；

a、主光束熔覆頭，b、預(yù)熱激光頭，c、回火激光頭，d、光束接頭，e、主光束，f、預(yù)熱光束，g、回火光束。

具體實施方式

如圖1到圖8所示，一種多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，包括：分束機構(gòu)、分束變焦機構(gòu)、激光掃描跟蹤機構(gòu)和激光熔覆機構(gòu)。

所述分束機構(gòu)包括：分束腔體5、分光鏡20、分光鏡玻璃支撐板18、三角支撐塊19、曲面鏡22和旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4；所述分束機構(gòu)中的分束腔體5上部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4，所述的分束腔體5與旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4以螺釘連接固定，且連接角度唯一，旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4下圓環(huán)面的圓孔與分束腔體5錐形部的圓環(huán)凸臺一一對應(yīng)，即d與θ₂一一對應(yīng)，所述旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4的下圓環(huán)面上設(shè)置有六個用于安裝曲面鏡22的圓孔；下圓環(huán)面上平均設(shè)有6個直徑相同、距旋轉(zhuǎn)支撐法蘭圓心距離d各不相同的圓孔，以便嵌入曲面鏡22。旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4下端面上的6個圓孔與曲面鏡22過盈配合。

所述分束腔體5包括上部的錐形部和下部的筒形部；所述分束腔體5錐形部的外壁傾斜面圓周方向均布有六個圓環(huán)凸臺；所述的分光鏡玻璃支撐板18設(shè)置于分束腔體5筒形部的頂端；所述的分光鏡支撐玻璃板18與分束腔體5采用鍵定位、過盈配合。

所述分光鏡玻璃支撐板18上表面通過三角支撐塊19設(shè)置有分光鏡20；所述分光鏡支撐板18、三角支撐塊19、分光鏡20三者之間通過專用膠水按一定位置粘接。

所述激光掃描跟蹤機構(gòu)包括：大齒輪2、小齒輪23、步進電機24、旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4、光束連接套筒1、圓錐滾子軸承3、軸承支撐板21和電機支架25；所述的光束連接套筒1與激光系統(tǒng)的輸入接頭螺釘相連接，所述激光掃描跟蹤機構(gòu)中的光束連接套筒1上部通過電機支架25安裝有步進電機24，所述的光束連接套筒1上方下圓，所述的電機支架25與光束連接套筒1上端一平面上用螺釘連接；所述的電機支架25與步進電機24采用螺栓連接；所述旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4上端外壁設(shè)置有大齒輪2，所述大齒輪2通過小齒輪23同步進電機24傳動連接。

所述的小齒輪23與步進電機24通過鍵傳遞轉(zhuǎn)矩，所述的小齒輪23一端面與步進電機24軸肩接觸，另一端面用螺母軸向擰緊；所述的小齒輪23與大齒輪2通過齒輪傳動；所述的大齒輪2與旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4外圓面過盈配合，通過鍵連接實現(xiàn)傳動，大齒輪2一端面與旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4軸肩接觸；所述光束連接套筒1下部外壁同旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4的軸承孔之間設(shè)置有圓錐滾子軸承3，所述光束連接套筒1底部設(shè)置有用于承載限位圓錐滾子軸承3的軸承支撐板21。

所述的旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4的下軸承孔有圓錐滾子軸承3外圈過盈配合，旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4的軸承孔端面與圓錐滾子軸承3外圈端面接觸；所述的圓錐滾子軸承3內(nèi)孔與光束連接套筒1下外圓柱面過盈配合；所述的圓錐滾子軸承3內(nèi)圈下端面與軸承支撐板21上端面靠重力緊密接觸；所述的軸承支撐板21與光束連接套筒1下圓環(huán)面采用螺釘連接。

所述的分束變焦機構(gòu)作為分束腔體5安裝的分束激光頭，如圖2和圖3所示，所述的分束變焦機構(gòu)設(shè)置于分束腔體5的圓環(huán)凸臺末端；所述分束變焦機構(gòu)包括：分束凹透鏡6、鏡頭連接環(huán)7、鏡頭調(diào)焦環(huán)8、分束鏡頭10和分束凸透鏡9；所述分束變焦機構(gòu)用于對各分激光束進行調(diào)焦，改變焦點光斑大小。

所述激光掃描跟蹤機構(gòu)通過步進電機24驅(qū)動實時跟蹤，實現(xiàn)三焦點(預(yù)熱激光束、主光束、回火激光束)所在平面與掃描方向重合，保證在掃描方向上有效減小溫度梯度，如圖6所示。

所述分束變焦機構(gòu)中的分束凹透鏡6設(shè)置于分束腔體5的圓環(huán)凸臺內(nèi)孔，所述的分束凹透鏡6與分束腔體5的各圓環(huán)凸臺內(nèi)孔過盈配合；所述分束腔體5圓環(huán)凸臺末端通過鏡頭連接環(huán)7設(shè)置有鏡頭調(diào)焦環(huán)8，所述的鏡頭連接環(huán)7與分束腔體5的各圓環(huán)凸臺內(nèi)孔采用螺紋緊密連接。

所述鏡頭調(diào)焦環(huán)8同鏡頭連接環(huán)7螺紋連接；鏡頭調(diào)焦環(huán)8與鏡頭連接環(huán)7內(nèi)孔采用螺紋連接，螺紋長度較長，能夠進行調(diào)節(jié)；旋轉(zhuǎn)鏡頭調(diào)焦環(huán)8能夠改變分束變焦機構(gòu)中分束凸透鏡9與分束凹透鏡6之間的距離，達到改變焦點光斑的大小的目的，從而改變預(yù)熱、回火光束的影響區(qū)域和能量密度。

所述鏡頭調(diào)焦環(huán)8末端設(shè)置有分束鏡頭10，所述的分束鏡頭10與鏡頭調(diào)焦環(huán)8內(nèi)孔采用螺紋緊密連接；所述分束鏡頭10內(nèi)孔設(shè)置有分束凸透鏡9，所述的分束凸透鏡9與分束鏡頭10內(nèi)孔采用過盈配合。

所述分束變焦機構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)鏡頭調(diào)焦環(huán)8來改變分束凸透鏡9與分束凹透鏡6之間的距離，對各分激光束進行調(diào)焦，改變光束在基材和熔覆層上的光斑直徑大小，從而改變預(yù)熱和回火光束的影響區(qū)域及能量密度。

所述的激光熔覆機構(gòu)設(shè)置于所述分束腔體5筒形部底端；所述激光熔覆機構(gòu)包括：熔覆噴嘴11、冷卻水連接頭12、進水口12-1、出水口12-2、粉末導(dǎo)向套13、錐形激光套14、連接盤15、擋光環(huán)16、保護氣通入口26和粉末進入口27；所述激光熔覆機構(gòu)的熔覆噴嘴11同分束腔體5筒形部的底端連接固定，所述的分束腔體5下端與熔覆噴嘴11采用螺釘相連。

當(dāng)步進電機24根據(jù)掃描軌跡驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4、分束腔體5轉(zhuǎn)動，調(diào)整分光鏡的分光角度，進而調(diào)節(jié)通過曲面鏡折射入分束變焦機構(gòu)的角度，確保掃描軌跡上預(yù)熱、回火角度的一致性。

六個所述曲面鏡22的圓心至旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4的圓心的距離d相同。六個所述分束腔體5錐形部的圓環(huán)凸臺在徑向橫截面均勻分布，且兩兩組成一組，縱截面圓環(huán)凸臺軸線與水平方向角度θ₂各不相同，以便與分束變焦機構(gòu)相連接，形成3對預(yù)熱、回火分束鏡頭。所述三角支撐塊19角度θ₁各不相同。

三角支撐塊19傾斜角θ₁、分束腔體5縱截面圓環(huán)凸臺軸線與水平方向角度θ₂、旋轉(zhuǎn)支撐法蘭4下端面圓形距離曲面鏡22圓心d三者一一對應(yīng)，最終形成不同的D(D為預(yù)熱和回火激光束焦點與主光束焦點在水平面上距離)從而影響預(yù)熱和回火與熔覆之間的時間間隔，故設(shè)置三對供用戶根據(jù)不同工藝參數(shù)來選擇，能夠設(shè)置成成一組、兩組或三組，如圖5示。

根據(jù)目標(biāo)軌跡由機器人(機床)編程軟件生成熔覆軌跡程序，載入機器人(機床)控制系統(tǒng)，并產(chǎn)生指令給各軸伺服電機，從而實現(xiàn)熔覆。同時，根據(jù)目標(biāo)軌跡由算法生成跟蹤軌跡程序，載入步進電機控制系統(tǒng)，并產(chǎn)生脈沖信號給步進電機24，從而實現(xiàn)掃描跟蹤，實現(xiàn)掃描軌跡上預(yù)熱、回火角度的一致性，軌跡流程圖如圖7所示。

工作時，如圖2和圖3所示，分光腔體5與6個分束鏡頭10組合使用，分束機構(gòu)對平行光束分成一主兩副光束，激光光束接頭d的平行光束多數(shù)垂直透過分光鏡玻璃支撐板18，再經(jīng)主光束凸透鏡17聚焦形成主光束熔覆粉末，少數(shù)平行光射入分光鏡20經(jīng)曲面鏡22形成兩副光束，兩副光束包括預(yù)熱基材光束的預(yù)熱光束f和對熔覆層回火處理的回火光束g，副光束設(shè)置有3對預(yù)熱和回火激光光束，能夠?qū)崿F(xiàn)組成3對，或根據(jù)需要選擇使用一對、兩對或三對。

主光束e從主光束熔覆頭a射出，預(yù)熱光束f從預(yù)熱激光頭b射出，回火光束從回火激光頭c射出。

本發(fā)明所述的多角度可預(yù)熱回火式激光熔覆頭，分束腔體內(nèi)嵌有6個小分光鏡，對平行光束中的一小部分進行不同角度分束，分束機構(gòu)上端通過圓錐滾子軸承連接著激光掃描跟蹤機構(gòu)，激光掃描跟蹤機構(gòu)能夠在步進電機驅(qū)動下實時跟蹤掃描方向。分束腔體的6個圓環(huán)凸臺連接著6個分束變焦機構(gòu)，能夠通過旋轉(zhuǎn)調(diào)焦環(huán)改變分束凹透鏡與分束凸透鏡之間的距離，從而改變分激光束在基材和熔覆層上的光斑大小。在不增加整套激光器設(shè)備的情況下實現(xiàn)多方位對基材進行預(yù)熱，對熔覆層進行回火，大大地減小了溫度梯度，有效降低因單激光束快熱快冷所造成的殘余應(yīng)力、裂紋敏感、組織不均的影響，解決了通過多個激光頭來實現(xiàn)預(yù)熱和回火成本太高，空間也有限的缺點。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。