一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法。


背景技术：

2.海洋约为地球表面积的71％，拥有丰富多彩的能源，能提供众多生物资源、水资源、矿产资源，也是能够发挥巨大经济效益的交通要道。海洋资源开发利用的主要内容包括海洋生物、空间、矿产、化学、旅游及海洋能等资源，这需要各种水中工程平台的支撑，比如石油平台、海底管线、舰船制造维修、港口码头等。这些机构和设备与陆地使用不同，在海洋服役的海洋工程材料除了会受到正常工作的载荷之外，还要承受海水腐蚀、海洋流沙磨蚀、海洋垃圾及海域生物的冲撞以及风暴、波浪和潮汐等引起的附加载荷作用，导致设施损坏，需要及时得到修复。但设备一般难以移出海水环境，大量的修复工作需要在水下完成，水下的特殊环境决定了水下修复的难度要远远高于常规环境下的修复难度。因此，海上设施的水下应急修复和日常维护工作成为目前海洋工程建设中亟待解决的关键技术，水下修复技术也成为国内外研究学者们争相努力攻破的技术难题之一。目前针对深海应急修复主要方法有：水下焊接、水下等离子喷涂以及水下搅拌摩擦修复等。
3.激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。与上述水下焊接、水下等离子喷涂与水下搅拌摩擦修复等方法相比，激光熔覆具有成型组织致密、晶粒细小、工艺简单等优点，且易于实现自动化。然而，目前水下激光增材技术主要是将粉末预置后由激光能量使之熔化形成覆层或者利用排水装置来得到局部的干燥空间再进行熔覆。粉末的预置处理要求粉末种类不能是氧敏感度大的材料；同时要求将待熔覆部件从水环境中取出，干燥后进行铺粉，这增加了工艺成本；预置粉末对部件表面形貌和几何形状要求较高，同时激光加热过程中覆层易产生气孔，限制了增材部件的几何结构并且降低了覆层性能，同时增加了操作步骤与工艺难度并且难以在深海进行作业。
4.张胜标等人针对同轴送粉式激光增材技术展开了气帘式排水装置的研究工作。首先设计出
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组以不同出口结构为特征的排水罩模型，通过数值仿真分析对猜想进行验证；接着设计出栅格排水罩，并先后进行排水实验和水下激光增材实验，对其工作性能展开了研究。肖镌璐等人以激光熔覆实验为基础，系统性地研究了不同熔覆方式及工艺参数对于修复质量的影响规律，并对高压干法水下激光熔覆进行可行性的验证，为其在生产中的具体实践提供了宝贵的理论基础和技术支撑，从而为其在工程技术领域的广泛发展提供了可靠保证。
5.目前水下激光熔覆修复技术还处于技术相对空白的一段时期，存在很多的技术难点。局部干法的排水装置的影响也很难去在狭小的空间内进行。干法的方法需要一个巨大
的完全封闭空间很难适应复杂的环境，因此采用一种湿法水下激光熔覆的方式并设计了一个专门用于水下环境的熔覆头。


技术实现要素：

6.为克服上述问题，本发明提供一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法。
7.本发明的第一个方面提供一种水下湿法激光熔覆头，包括竖直设置的平板状固定架，固定架前侧与密封防水装置相连；密封防水装置为具有内腔的壳体，密封防水装置的内壁、固定架的前侧表面围合成密封内腔；
8.密封内腔中设有光纤接头和光学组件，密封内腔的顶部开有密封过线孔，光纤接头的上端通过密封过线孔与外部光纤连接；光纤接头的下端与光学组件连接，光学组件的下端与套筒活动连接，套筒下端伸出密封内腔外与送粉头主体相连；以靠近光学组件轴心线的一侧为内，反之为外；
9.所述密封防水装置的内侧底部设有水平设置的保护气通道，保护气通道的外端与保护气管道相连，保护气管道的另一端向上延伸并从密封过线孔穿出与外部保护气系统相连；
10.所述送粉头主体的中上部外壁设有一圈凸台，送粉头主体中心设有自上而下依次连通的光-粉同路扩大通道和光-同路主通道；送粉头主体的凸台上开有多个粉末吹入通道，多个粉末吹入通道关于送粉头主体的中心对称设置，粉末吹入通道的内端与光-粉同路扩大通道连通，粉末吹入通道的外端与外接送粉硬管一端相连，外接送粉硬管的另一端贴合套筒外壁面向上伸入密封防水装置内并从密封过线孔穿出与外部送粉系统相连；
11.所述送粉头主体的凸台上且位于粉末吹入通道的外侧还开有水冷通道，送粉头主体的底部且位于光-同路主通道的外侧设有环形水帘口，环形水帘口与水冷通道连通；水冷通道的外端通过水管与水泵系统连接，水泵系统设置在固定架上；所述光-同路主通道内贴合设有可插入式管道壁，可插入式管道壁的形状与光-同路主通道的形状相适配；
12.所述固定架与密封防水装置之间、密封过线孔与密封防水装置之间均设有密封件。
13.进一步，所述粉末吹入通道通过载粉气单向阀与外接送粉硬管连接，外部送粉系统向外接送粉硬管、粉末吹入通道输送载有粉末的气体，载粉气单向阀用于在水下进行熔覆的过程中防止水回流。
14.进一步，光-粉同路扩大通道的上段为漏斗形管道，光-粉同路扩大通道的中段为圆柱形管道，光-粉同路扩大通道的下段为漏斗形管道；光-同路主通道为上小下大的圆台状管道。
15.进一步，所述可插入式管道壁采用陶瓷或铜制成，可插入式管道壁的顶部与送粉头主体螺纹连接。
16.本发明的第二个方面提供一种水下湿法激光熔覆头的水下熔覆方法，包括以下步骤：
17.1)输入保护气和载粉气，在保护气和载粉气的共同作用下，在基板与喷嘴之间形成一个稳定的空腔区；
18.2)粉末在载粉气的作用下经过光-粉同路通道，与激光从光-粉同路通道一起穿过
空腔区到达基板；
19.3)照射基板的激光在基板上形成熔池；
20.4)喷出的粉末进入熔池，熔化后冷却形成有效沉积；
21.5)熔覆头移动，实现整个熔覆过程。
22.本发明的有益效果是：光-粉同路主通道为一上小下大的圆台状管道，更为贴合激光束的形状；上小下大的圆台形状管道使得激光聚焦后再次发散，远离中心的较弱激光可以清除空腔区边缘附着的水膜，减小了水在激光熔覆时的影响；可插入式管道壁分为铜壁和陶瓷壁，铜管壁可用于熔点低的金属粉末，陶瓷管壁可用于熔点较高的粉末；光-粉同路主通道周圈为环形水帘，在水泵系统的作用下水冷管道一直处于循环水的状态且环形水帘中的层流状的水流更全面均匀的对管道壁散热，冷却效果更好。粉末吹入通道其外部送粉头入口均接有单向阀，水下进行熔覆过程防止水回流。
附图说明
23.图1a为本发明的主视结构图；
24.图1b是图1a中a处的局部放大图；
25.图2为送粉头的剖面结构图；
26.图3为密封防水装置的侧视图；
27.图4为送粉头底端仰视图；
28.图5可插入式管道壁的立体图。
29.附图标记说明：光纤接头1、光学组件2、密封防水装置3、固定架4、水泵系统5、外接送粉硬管6、送粉头主体7、粉末吹入通道8、水冷通道9、光-粉同路主通道10、可插入式管道壁11、光-粉同路扩大通道12、环形水帘13、保护气通道14、保护气吹入管道15。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明专利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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.参照附图，本发明的第一个方面提供一种水下湿法激光熔覆头，包括竖直设置的
平板状固定架4，固定架4前侧与密封防水装置3相连；密封防水装置3为具有内腔的壳体，密封防水装置3的内壁、固定架4的前侧表面围合成密封内腔；
34.密封内腔中设有光纤接头1和光学组件2，密封内腔的顶部开有密封过线孔，光纤接头1的上端通过密封过线孔与外部光纤连接；光纤接头1的下端与光学组件2相连；光学组件2的下端与套筒活动连接，套筒下端伸出密封内腔外与送粉头主体7相连；以靠近光学组件2轴心线的一侧为内，反之为外；
35.所述密封防水装置3的内侧底部设有水平设置的保护气通道15，保护气通道15的外端与保护气管道14相连，保护气管道14的另一端向上延伸并从密封过线孔穿出与外部保护气系统相连；外部保护气系统向保护气管道14、保护气通道15输送保护气；保护气为惰性气体，保护气从保护气通道15横向吹出，防止携带金属粉末的载粉气上扬污染光学系统，损坏激光熔覆头。
36.所述送粉头主体7的中上部外壁设有一圈凸台，送粉头主体7中心设有自上而下依次连通的光-粉同路扩大通道12和光-同路主通道10，光-粉同路主通道为一上小下大的圆台状管道；所述光-粉同路扩大通道12的上段为漏斗形管道，光-粉同路扩大通道12的中段为圆柱形管道，光-粉同路扩大通道12的下段为漏斗形管道；光-同路主通道10为上小下大的圆台状管道。光-同路主通道10内贴合设有可插入式管道壁11，可插入式管道壁11的形状与光-同路主通道10的形状相适配；可插入式管道壁11的顶部与送粉头主体7螺纹连接，可插入式管道壁11采用陶瓷或铜制成，针对不同熔点的粉末可切换使用。
37.送粉头主体7的凸台上开有多个粉末吹入通道8，多个粉末吹入通道8关于送粉头主体7的中心对称设置，粉末吹入通道8的内端与光-粉同路扩大通道12连通，粉末吹入通道8的外端与外接送粉硬管6一端相连，外接送粉硬管6的另一端贴合套筒外壁面向上伸入密封防水装置3内并从密封过线孔穿出与外部送粉系统相连；粉末吹入通道8通过载粉气单向阀与外接送粉硬管6相连，载粉气单向阀只允许载有粉末的气体向粉末吹入通道8流动。单向阀用于防止水下进行熔覆过程防止水回流。
38.所述粉头主体7的凸台上且位于粉末吹入通道8的外侧还开有水冷通道9，送粉头主体7的底部且位于光-同路主通道10的外侧设有环形水帘口13，环形水帘口13与水冷通道9连通；水冷通道9的外端通过水管与水泵系统5连接，水泵系统5设置在固定架4上；
39.所述的光学组件与所述的密封防水装置紧密结合，所述的光学组件与所述的密封防水装置都以可调螺纹的方式固定安装在固定架上，所述的密封防水装置将整个光学组件和光纤接头及部分光纤密封保护，所述的密封防水装置与所述的固定架之间有防水垫圈，所述的固定架上端左侧各以卡扣式装置固定所述的水泵系统。
40.本发明的第二个方面提供一种水下湿法激光熔覆头的水下熔覆方法，包括以下步骤：
41.1)输入保护气和载粉气，在保护气和载粉气的共同作用下，在基板与喷嘴之间形成一个稳定的空腔区；
42.2)粉末在载粉气的作用下经过光-粉同路通道，与激光从光-粉同路通道一起穿过空腔区到达基板；
43.3)照射基板的激光在基板上形成熔池；
44.4)喷出的粉末进入熔池，熔化后冷却形成有效沉积；
45.5)熔覆头移动，实现整个熔覆过程。
46.在实际熔覆工作时，激光由光纤传输，由光纤接口1进入熔覆头，在经过光学组件2中进行准直聚焦，激光进入送粉头主体7。在实际进行水下熔覆实验时，打开保护气开关以及载粉气开关，保护气与载粉气的共同作用下在水中形成一个局部空腔，基板需要加工的区域为一块相对干燥的区域，水沿着气流方向向四周排走。粉末在载粉气的作用下由送粉管道8吹出，光、粉、气均在光-粉同路管道中，通过光-粉同路主管道10吹出到基板上，粉末进入熔池，实现沉积。在机械手的操控下，熔覆头沿着规定好的轨迹运动，空腔区也随之运动，熔池处在基板空腔区的中心位置。管道壁11为可插入式式管道壁，可插入式管道壁以螺纹与送粉头主体连接，针对不同熔点的粉末可切换适合熔点较高的陶瓷管壁和适合熔点较低的铜壁。光-粉同路主管道10上大下小的圆台状设计更为贴合聚焦激光束的形状，防止激光打到管道壁。此外斜面的设计也使得粉末在碰到管道壁的时候获得一个垂直管道的回弹力，降低粉末的运动速度，减少在熔池表面的回弹，更容易被熔池所捕捉。光-粉同路主通道10的两侧为环形水帘13，尽管在水中进行熔覆的冷却速度足够快，但是送粉头两端的水的温度是高于其他位置水的温度，设计水冷通道9，其外接水泵系统5使得水冷通道的水得以循环，一直是处于较低温度的水，环形水帘13中的层流状的水流与管道壁接触更加全面均匀，来达到更好的水冷效果。送粉通道8其外部送粉头入口均接有单向阀，水下进行熔覆过程防止水回流。
47.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

技术特征：
1.一种水下湿法激光熔覆头，其特征在于：包括竖直设置的平板状固定架(4)，固定架(4)前侧与密封防水装置(3)相连；密封防水装置(3)为具有内腔的壳体，密封防水装置(3)的内壁、固定架(4)的前侧表面围合成密封内腔；密封内腔中设有光纤接头(1)和光学组件(2)，密封内腔的顶部开有密封过线孔，光纤接头(1)的上端通过密封过线孔与外部光纤连接；光纤接头(1)的下端与光学组件(2)连接，光学组件(2)的下端与套筒活动连接，套筒下端伸出密封内腔外与送粉头主体(7)相连；以靠近光学组件(2)轴心线的一侧为内，反之为外；所述密封防水装置(3)的内侧底部设有水平设置的保护气通道(15)，保护气通道(15)的外端与保护气管道(14)相连，保护气管道(14)的另一端向上延伸并从密封过线孔穿出与外部保护气系统相连；所述送粉头主体(7)的中上部外壁设有一圈凸台，送粉头主体(7)中心设有自上而下依次连通的光-粉同路扩大通道(12)和光-同路主通道(10)，光-粉同路扩大通道(12)与套筒内部连通；送粉头主体(7)的凸台上开有多个粉末吹入通道(8)，多个粉末吹入通道(8)关于送粉头主体(7)的中心对称设置；粉末吹入通道(8)的内端与光-粉同路扩大通道(12)连通，粉末吹入通道(8)的外端与外接送粉硬管(6)一端相连，外接送粉硬管(6)的另一端贴合套筒外壁面向上伸入密封防水装置(3)内并从密封过线孔穿出与外部送粉系统相连；所述送粉头主体(7)的凸台上且位于粉末吹入通道(8)的外侧还开有水冷通道(9)，送粉头主体(7)的底部且位于光-同路主通道(10)的外侧设有环形水帘口(13)，环形水帘口(13)与水冷通道(9)连通；水冷通道(9)的外端通过水管与水泵系统(5)连接，水泵系统(5)设置在固定架(4)上；所述光-同路主通道(10)内贴合设有可插入式管道壁(11)，可插入式管道壁(11)的形状与光-同路主通道(10)的形状相适配；所述固定架(4)与密封防水装置(3)之间、密封过线孔与密封防水装置(3)之间均设有密封件。2.如权利要求1所述的一种水下湿法激光熔覆头，其特征在于：所述粉末吹入通道(8)通过载粉气单向阀与外接送粉硬管(6)连接，外部送粉系统向外接送粉硬管(6)、粉末吹入通道(8)输送载有粉末的气体，载粉气单向阀用于在水下进行熔覆的过程中防止水回流。3.如权利要求2所述的一种水下湿法激光熔覆头，其特征在于：所述光-粉同路扩大通道(12)的上段为漏斗形管道，光-粉同路扩大通道(12)的中段为圆柱形管道，光-粉同路扩大通道(12)的下段为漏斗形管道；光-同路主通道(10)为上小下大的圆台状管道。4.如权利要求3所述的一种水下湿法激光熔覆头，其特征在于：所述可插入式管道壁(11)采用陶瓷或铜制成，可插入式管道壁(11)的顶部与送粉头主体(7)螺纹连接。5.基于如权利要求4所述的一种水下湿法激光熔覆头的水下熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入保护气和载粉气，在保护气和载粉气的共同作用下，在基板与喷嘴之间形成一个稳定的空腔区；2)粉末在载粉气的作用下经过光-粉同路通道，与激光从光-粉同路通道一起穿过空腔区到达基板；3)照射基板的激光在基板上形成熔池；4)喷出的粉末进入熔池，熔化后冷却形成有效沉积；
5)熔覆头移动，实现整个熔覆过程。

技术总结
一种水下湿法激光熔覆头，包括固定架，固定架前侧与密封防水装置相连，密封防水装置的内壁、固定架的前侧表面围合成密封内腔；密封内腔中设有光纤接头和光学组件，光纤接头的上端通过密封过线孔与外部光纤连接；光纤接头的下端与光学组件连接，光学组件的下端与套筒活动连接，套筒下端伸出密封内腔外与送粉头主体相连；送粉头主体的中上部外壁设有凸台，送粉头主体中心设有自上而下依次连通的螺孔、光-粉同路扩大通道、光-同路主通道；送粉头主体的凸台上开有粉末吹入通道和水冷通道。本发明还提供一种水下湿法激光熔覆头的熔覆方法。本发明能够实现在水下原位表面修复和原位覆层再制造，降低了工艺成本，同时提高了覆层的质量。同时提高了覆层的质量。同时提高了覆层的质量。


技术研发人员：姚建华 杨高林 陈智君 吴国龙 李波 张群莉 姚喆赫 张盼盼
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/11/1