一种宽带高速激光熔覆系统的制作方法

1.本实用新型属于激光制造技术领域，具体涉及一种宽带高速激光熔覆系统。


背景技术：

2.激光熔覆，就是使用高能激光束将金属材料熔化并且与基体材料产生冶金结合，广泛用于材料表面强化、修复等。激光熔覆技术是利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密覆层。高速激光熔覆技术在激光熔覆技术基础上，即通过改变激光与粉末的作用过程，在熔池之上将粉末熔融或者半熔融，同时也将基体熔化，并和基体快速凝固，形成冶金结合的表面涂层；目前现有的激光熔覆以及激光高速熔覆也存在的一定的技术短板，成本虽然已经大幅度降低、效率方面也有改进和提升，但是现有的激光熔覆系统速度还不够快，自动化、智能化程度不高，监测的过程参数较少，综合性能不高，光斑面积过小，不能适应高速激光熔覆需要，仍不能满足目前制造业的需求，因此需要一种宽带高速激光熔覆系统以解决现有的激光熔覆技术存在的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种宽带高速激光熔覆系统，以解决现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的速度不够快，智能化程度低以及不能满足制造业实际需求问题，通过使用大功率的激光器和相关设备，增大熔覆光斑，制造出了一种宽带高速激光熔覆系统，工作效率明显提升，控制更加智能化，工作稳定可靠，且具有环保和视频监控功能；本系统提出的宽带高速激光熔覆系统可应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，以适应目前制造业的多种需求。
4.为达到上述目的，本实用新型的实施例提供了一种宽带高速激光熔覆系统，包括工作台、激光工作头、机械臂、送粉装置，冷却分系统、运动执行分系统，所述激光工作头安装在所述机械臂上实现所述激光工作头的移动，所述工作台放置工件，所述送粉装置提供金属粉末供给，所述冷却分系统为所述激光工作头进行降温处理，所述运动执行分系统实现工件的运动；进一步地，所述宽带高速激光熔覆系统还包括大功率激光器，所述大功率激光器与所述激光工作头通过光纤进行连接，所述大功率激光器的功率为6000～20000w，所述激光工作头的耐受功率20000～30000w。
5.进一步地，所述激光工作头的光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm的线光斑；所述宽带高速激光熔覆系统的熔覆线速度为10～200m/min。
6.进一步地，还包括主控制分系统，所述主控制分系统设置有控制终端；所述主控制分系统与所述大功率激光器、所述激光工作头、所述机械臂、所述运动执行分系统、所述冷却分系统、所述送粉装置分别进行电连接和/或通讯连接。
7.进一步地，所述送粉装置包括有第一粉筒、第二粉筒；所述送粉装置的所述第一粉筒、所述第二粉筒通过送粉管路分别与所述激光工作头进行连接。
8.进一步地，所述冷却分系统设置有两路冷却管路并内置冷却液，采用双温双控方式分别对两路冷却管路进行监测和控制；所述冷却分系统还设置有排风扇；所述冷却分系统的一路冷却管路与所述大功率激光器进行连接，另一路冷却管路与所述激光工作头进行连接。
9.优选地，还包括防护工作间，所述防护工作间设置有报警装置；所述控制终端设置于所述防护工作间的外部；所述主控制分系统、所述大功率激光器、所述激光工作头、所述机械臂、所述运动执行分系统、所述冷却分系统、所述送粉装置置于所述防护工作间的内部。
10.可选地，还包括环境保障分系统，所述环境保障分系统与所述主控制分系统进行电连接/或通讯连接；所述环境保障分系统包括除尘装置、氧气传感器、氦气传感器、氩气传感器、颗粒物检测传感器中的至少一个。
11.可选地，还包括实时作业监控装置，所述实时作业监控装置包括监视器、视频摄像头中至少一个，所述监视器安装在所述防护工作间的外部，所述视频摄像头与所述主控制分系统、所述监视器进行电连接和/或通讯连接。
12.可选地，还包括稳压装置，所述稳压装置与所述主控制分系统、所述大功率激光器、所述机械臂、所述运动执行分系统、所述冷却分系统、所述送粉装置、所述环境保障分系统分别进行电连接并提供稳定的电源供给。
13.进一步地，所述工作台上还设置有卡盘、顶尖装置；所述运动执行分系统与所述卡盘进行驱动连接，所述运动执行分系统的整体运动机构精度在
±
0.10mm以内。
14.本实用新型涉及一种宽带高速激光熔覆系统，有益效果为：本实用新型提供的宽带高速激光熔覆系统，通过使用大功率的激光器和激光工作头及相关设备，形成了一种宽带高速激光熔覆系统，利用线光斑增大熔覆面积，工作效率高，控制更加智能化，工作稳定可靠，且突出保障人机安全，环保性能高，能够视频本地和远程监控，具备全套的光路、粉末、气体、热量控制解决方案，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的速度不够快，效率较低，智能化程度低以及不能满足制造业实际需求问题，本系统提出的宽带高速激光熔覆系统可应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，适应了目前制造业的多种需求。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
16.图1为本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)立体结构图；
17.图2为本实用新型实施例一提供的主控制分系统电连接示意图；
18.图3为本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)主视图；
19.图4为本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)俯视图；
20.图5为本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(带防护工作间)主视图；
21.图6为本实用新型实施例二提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)主视图；
22.图7为本实用新型实施例三提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)主视图；
23.图8为本实用新型实施例四提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)主视图。
24.图中：
25.1、运动执行分系统；2、工作台；3、卡盘；4、顶尖装置；5、主控制分系统； 501、控制终端；502、监视器；6、大功率激光器；7、送粉装置；701、第一粉筒；702、第二粉筒；8、激光工作头；9、机械臂；901、轨道；10、冷却分系统；1001、排风扇；11、除尘装置；12、稳压装置；13、防护工作间；1301、报警装置。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。实施例中被描述对象在图中“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”位置等仅用于表示相对位置关系，当实施例中被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
28.下面结合附图对本实用新型实施例的宽带高速激光熔覆系统进行详细描述。
29.实施例一
30.图1示出了本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间) 立体结构图；图2示出了本实用新型实施例一提供的主控制分系统电连接示意图；
31.图3示出了本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)主视图；图4示出了本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间)俯视图；图5示出了本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统(带防护工作间)主视图。本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统如图1～图 5所示。
32.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，包括工作台2、激光工作头8、机械臂9、送粉装置7，冷却分系统10、运动执行分系统1，激光工作头8安装在机械臂9上实现激光工作头8的移动，机械臂9底部设置有轨道901，根据机械臂9的类型可以实现激光工作头8至少3个轴向的移动，工作台2放置工件，送粉装置7提供金属粉末供给，冷却分系统10为激光工作头8进行降温处理，为激光工作头8提供循环的冷却液，从而确保激光工作头8不至于因温度过高而损坏，运动执行分系统1驱动有关装置实现工件的运动；其中，宽带高速激光熔覆系统还包括大功率激光器6，大功率激光器6与激光工作头8通过光纤进行连
接实现激光的传输，将大功率激光器6发出的激光输送到激光工作头8上并尽可能减少能量损失，大功率激光器6的功率为6000～20000w，激光工作头8的耐受功率 20000～30000w，避免激光工作头8因能量过大而损坏。
33.可选地，大功率激光器6可以使用半导体直接输出激光器、半导体光纤激光器、气体激光器、固体激光器、光纤激光器中的一种。
34.具体地，宽带高速激光熔覆系统使用大功率的激光器作为能量源，为实现激光宽带高速熔覆提供足够能量配给，激光器选择功率为6000～20000w；同步地，激光工作头8也需要特殊设计，需要耐受20000～30000w的工况，激光工作头8作为激光高速熔覆的核心工作单元直接关系到高速激光熔覆的质量。送粉装置7为了适应高速激光熔覆的需要，为激光工作头8提供精确的金属粉末供给，其内部控制单元包括送粉量动态拟合、送粉量、存粉量实时监控传感器单元等关键部件，便于实现金属粉末供给的监控、测量以及智能控制，确保激光熔覆质量。
35.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，激光工作头8的光斑形式为长度5～30mm、宽度1～2mm的线光斑；宽带高速激光熔覆系统的熔覆线速度为10～200m/min。具体地，线光斑的具体大小可以通过选配不同规格的激光工作头来实现；另一方面也可以选用可变光斑形式的激光工作头，利用激光工作头内部光学系统的切换来实现线光斑大小的调整，以适应用户多种熔覆需求。
36.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，还包括主控制分系统5，主控制分系统5设置有控制终端501；主控制分系统5与大功率激光器6、激光工作头8、机械臂9、运动执行分系统1、冷却分系统10、送粉装置7分别进行电连接和/或通讯连接。可选地，主控制分系统5与上述单元的通讯方式可采用 plc通讯、rs485通讯、rs232通讯、rs422通讯、以太网通讯中的至少一种。
37.具体地，主控制分系统5还设置有控制柜并内置控制电路及附属部件，通过控制终端501实现人机交互的高速激光熔覆参数设置、选择、读取、存储等功能；通过监视器502可以更加清楚的观察高速激光熔覆过程，并显示相关高速激光熔覆参数信息，便于操作人员观察。为了便于实现高速激光熔覆的自动化和智能化控制，主控制分系统5与大功率激光器6、激光工作头8、机械臂9、运动执行分系统1、冷却分系统10、送粉装置7分别进行电连接和/或通讯连接，将上述分系统或装置部件中的状态参数进行读取、监测、分析、判断、调整等，通过主控制分系统5 达到全部单元集成控制，从而形成闭环、安全、稳定的集成装备系统，具体电连接可见图2所示出的示意图。
38.更具体地，主控制分系统5作为宽带高速激光熔覆系统的控制核心，实施闭环控制各组成分系统及单元的运行，并可以通过各组成单元反馈的状态信息，进行协调配置，保证整个宽带高速激光熔覆系统的完整、安全、可靠运转。
39.对于大功率激光器6来说，主控制分系统5控制大功率激光器6的输出功率、激光启停、监测大功率激光器6的温度、水流量信息、各激光器内部模块的温度、报警，并根据数据交互进行系统控制包括冷却分系统10、运动执行分系统1、环境保障分系统等关联动作。
40.对于激光工作头8来说，主控制分系统5监控激光工作头8的准直部分温度、聚焦部分温度、喷嘴部分温度、镜片洁净情况，如发现超出设置的阈值范围则进行报警反馈进行停机、停光、或提示维保、更换等信息。其中激光工作头8包含光学激光光学整形模块、激光熔
池在线监测模块、保护镜片清洁及温度监控模块、工作头热交换模块等为生产工作提供保障，上述各个模块均与主控制分系统5实现数据交联，便于进行数据分析和后续处理。
41.对于送粉装置7来说，主控制分系统5控制送粉装置7的输出速度、气体流量、报警故障等并根据数据交互进行相关系统控制。
42.对于冷却分系统10来说，主控制分系统5控制冷却分系统10的启停、监控温度、水流量信息、报警故障等并根据数据交互进行相关系统控制，尤其是保障大功率激光器6在温度出现异常时及时进行安全保护。
43.对于运动执行分系统1来说，主控制分系统5控制运动执行分系统1以控制机械臂9附带的激光加工头和工件进行按要求的运动，并进行实时的运动状态监控、报警故障等并根据数据交互进行相关系统控制。
44.可选地，机械臂9可根据需求选用多自由度机器人，可完成多于3个轴向的运动，从而实施高速激光熔覆的对曲面工件的熔覆需求。
45.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，送粉装置7包括有第一粉筒701、第二粉筒702中的至少一个；送粉装置7的所述第一粉筒701、第二粉筒702通过送粉管路分别与激光工作头8进行连接；其中激光工作头8上配有激光熔覆喷嘴，通过送粉管路连接送粉装置7上的粉筒，实现在高速激光熔覆过程金属粉末供给，激光熔覆喷嘴决定了在高速激光熔覆过程中各个宽带细部位置的给料量、给料速度、给料精度等指标。第一粉筒701、第二粉筒702的设置可以实现送粉一主一备的供给要求，也可以满足两种不同组分的的合金粉末供给和配比要求。
46.当然，上述宽带高速激光熔覆系统中也可以设置多于两个的粉筒，以适应两种以上的金属粉末供给和配比要求。
47.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，冷却分系统10设置有两路冷却管路并内置冷却液，采用双温双控方式分别对两路冷却管路进行监测和控制；冷却分系统10还设置有排风扇1001以快速的对冷却液进行降温，排出多余热量；具体地，冷却分系统10的一路冷却管路与大功率激光器6进行连接，另一路冷却管路与激光工作头8连接，实现冷却液的循环制冷。根据大功率激光器6 和激光工作头8的不同提供两种温度可调节的冷却液，以适应高速激光熔覆需求。
48.必要的，冷却分系统10内部配置有冷却槽以放置冷却液，同时配备冷却液循环装置，以实现冷却液的循环供给。
49.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，还包括防护工作间 13，防护工作间13设置有报警装置1301，用于在宽带高速激光熔覆系统出现异常时进行声、光等类型报警，报警装置1301与主控制分系统5进行连接，便于接收宽带高速激光熔覆系统相关异常信号，发出报警指令给报警装置1301，实现异常报警；控制终端501和监视器502设置于防护工作间13的外部，便于操作人员在防护工作间13的外部进行宽带高速激光熔覆系统操作控制，也从环保角度防止操作人员受到影响；主控制分系统5、大功率激光器6、激光工作头8、机械臂9、运动执行分系统1、冷却分系统10、送粉装置7置于防护工作间13的内部，便于对上述单元进行保护，防止灰尘堆积，也使得高速激光熔覆过程中的废气、粉尘等有害气体和颗粒物对减少对外部环境的影响。
50.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，还包括环境保障分系
统，环境保障分系统与主控制分系统5进行电连接/或通讯连接可以实现各种监测信息的采集处理；可选地，环境保障分系统包括除尘装置11、氧气传感器、氦气传感器、氩气传感器、颗粒物检测传感器中的至少一个，上述氧气传感器、氦气传感器、氩气传感器、颗粒物检测传感器可安装在防护工作间13上，也可以安装在工作台2上相应位置。
51.具体地，本实施例实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统的环境保障分系统具备双重保护功能，首先是熔覆过程气氛控制系统，即保障熔覆过程中需要的氩气、氦气、氧气浓度要求；其次是保障在作业中转、停机维护过程中的人员安全，设置了多位置的气体检测传感器、气体收集通道、激光安全玻璃避免因为气体原因导致的人员健康危害。通过防护工作间13，具备了全封闭激光安全作业操作间，保证作业过程中光、气等对外部环境和人的零负面影响。主控制分系统5通过环境保障分系统的各气体传感器、环境监控传感器、激光安全光幕等的信息数据，使操作人员在环境可靠的情况下进行作业，保障熔覆生产及工作人员身体安全，实现实时数据检测、报警故障等数据交互进行相关系统控制。
52.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，还包括实时作业监控装置，实时作业监控装置包括监视器502、视频摄像头中至少一个，视频摄像头与主控制分系统5、监视器502进行电连接和/或通讯连接，视频摄像头可安装于防护工作间13上相应位置，监视器502置于防护工作间13的外部。本实用新型提供的宽带高速激光熔覆系统通过实时作业监控装置实现实时的视频采集、自动存储、远程监控功能，可以在监视器502上进行本地显示，也可以通过wifi、以太网 tcp/ip等方式进行视频远程传输，便于对宽带高速激光熔覆系统24小时的安全管控。主控制分系统5通过实时作业监控装置的网络视频采集装置、监视器502、内置存储器等进行实时状态监控、互联网实时激光安全光幕等的信息数据，保障人员在环境可靠的情况下进行作业，保障熔覆生产及工作人员身体安全。
53.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，还包括稳压装置12，稳压装置12与主控制分系统5、大功率激光器6、机械臂9、运动执行分系统1、冷却分系统10、送粉装置7、环境保障分系统分别进行电连接并提供稳定的电源供给，对外部供电进行稳压处理，减少因电源波动对宽带高速激光熔覆系统及各个工作单元的影响。
54.本实用新型实施例一提供的一种宽带高速激光熔覆系统中，工作台2上还设置有卡盘3、顶尖装置4，特别适合实现圆柱体类工件的熔覆，驱动工件进行旋转运动；运动执行分系统1与卡盘3进行驱动连接，驱动卡盘3进行按照设定的速度进行旋转，运动执行分系统1的整体运动机构精度在
±
0.10mm以内，更加有利于熔覆层的控制，从而确保了熔覆质量满足要求。
55.本实用新型实施例一提供的宽带高速激光熔覆系统，通过使用大功率的激光器和激光工作头及相关设备，利用线光斑增大熔覆面积，工作效率高，控制更加智能化，工作稳定可靠，且突出保障人机安全，环保性能高，能够视频本地和远程监控，具备全套的光路、粉末、气体、热量控制解决方案，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的速度不够快，效率较低，智能化程度低以及不能满足制造业实际需求问题。
56.实施例二
57.图6示出了本实用新型实施例二提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间) 主视图；本实施例二中，与实施例一相同的部分采用相同的附图标记，下面仅对不同之处予以说明，本实用新型的实施例二提供的宽带高速激光熔覆系统相比于实施例一，进行了适
当的简化，去除了稳压装置12和相应的连接，适用于为宽带高速激光熔覆系统供电的系统前端已经进行了稳压处理，供电质量较好的情况。
58.实施例三
59.图7示出了本实用新型实施例三提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间) 主视图；本实施例三中，与实施例二相同的部分采用相同的附图标记，下面仅对不同之处予以说明，本实用新型的实施例三提供的宽带高速激光熔覆系统相比于实施例二，又进行了简化，去除了环境保障分系统，同步删减了除尘装置11和相应的各类传感器装置如氧气传感器、氦气传感器、氩气传感器、颗粒物检测传感器等，本实施例三适用于熔覆的金属粉末污染较小且供电质量较好的情况。
60.实施例四
61.图8示出了本实用新型实施例四提供的宽带高速激光熔覆系统(无防护工作间) 主视图；本实施例四中，与实施例三相同的部分采用相同的附图标记，下面仅对不同之处予以说明，本实用新型的实施例四提供的宽带高速激光熔覆系统相比于实施例三，又进行了简化，去除了实时作业监控装置，从而删减了视频摄像头，对监视器 502也进行了删减，同步删减了相应的连接，本实施例四适用于无远程和本地监控需求、熔覆的金属粉末污染较小、供电质量较好的情况。
62.与现有技术相比，本实用新型提供的宽带高速激光熔覆系统，通过使用大功率的激光器和激光工作头及相关设备，利用宽带光斑形式，形成了一种宽带高速激光熔覆系统，工作效率高，熔覆速度更快，控制更加智能化，工作稳定可靠，且突出保障人机安全，环保性能高，能够视频本地和远程监控，具备全套的光路、粉末、气体、热量控制解决方案，解决了现有激光熔覆以及激光高速熔覆过程中所存在的速度不够快，效率较低，智能化程度低以及不能满足制造业实际需求问题，本系统提出的宽带高速激光熔覆系统可应用在激光熔覆、激光增材、激光3d打印等领域，适应了目前制造业的多种需求。
63.有以下几点需要说明：
64.(1)除非另作定义，本实用新型实施例以及附图中，同一标号代表同一含义。
65.(2)本实用新型实施例附图只涉及到与本实用新型实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
66.(3)为了清晰起见，在用于描述本实用新型的实施例的附图中，附图中的部分结构可能被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。
67.(4)在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
68.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。