[0001] 本发明涉及激光熔覆技术领域，具体而言，涉及一种用于对镁、铝、钛及其合金为代表的低熔点、高活性材料表面进行激光覆熔的激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置及激光覆熔方法。

[0002] 激光熔覆技术为激光表面处理技术的典型代表，可在不同金属基体上制备多种合金系涂层或陶瓷增强金属基复合层，激光熔覆处理后的金属基体具有涂层平整、组织均匀致密、层基冶金结合、性能调节幅度宽等特性，可明显提高基体表面硬度、耐蚀和耐磨性能。

[0003] 激光熔覆技术利用铺粉或送粉的方法在基体表面预置金属粉末，聚焦激光束辐照基体表面的金属粉末，焦点位置的金属粉末和基体表面薄层发生熔化，形成一定形状和大小的熔池，当激光束焦点以一定速度按预定轨迹运动，激光束移开后的熔池迅速凝固，从而在基体表面激光束扫过的区域熔覆上一层具有特殊物理、化学或力学性能的金属涂层。

[0004] 然而，在对高活性金属基体表面进行激光熔覆时，由于其化学活性高，高温作用下极易与空气中的氧、氮、氢等活性气体发生剧烈反应，并且随着温度的增高，其化学活性迅速增大，并在固态下能强烈地吸收各种气体，吸收的气体原子以间隙或置换形式固溶在晶格中，改变了材料原始晶格排列，并易于形成晶间化合物，使得涂层塑性和韧性急剧下降，严重恶化材料的综合性能。例如，在镁锂合金表面激光熔覆时，由于锂元素和镁元素的化学活性极高、熔点极低，因此几乎不能在其表面直接开展激光熔覆工艺。

[0005] 因此，如何提供一种有效的方案以接提高激光熔覆的质量，是现有技术中一亟待解决的问题。

[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0040] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

[0041] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0042] 在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0043] 此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

[0044] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

[0045] 第一实施例

[0046] 本发明实施例提供了一种激光熔覆装置，所述激光熔覆装置特别适用于对镁、铝、钛及其合金为代表的低熔点、高活性材料表面进行激光覆熔，所述激光熔覆装置包括激光熔覆喷嘴和激光器，激光器与激光熔覆喷嘴连接，激光器用于产生激光束，激光器产生的激光束经过激光喷嘴，并将激光喷嘴喷至金属基体表面的金属粉末熔化形成一定形状和大小的熔池，从而在基体表面激光束扫过的区域熔覆上一层具有特殊物理、化学或力学性能的金属涂层。

[0047] 请参阅图1，是本发明实施例提供的激光熔覆喷嘴的剖视图。如图1所示，激光熔覆喷嘴包括有过渡套10、喷嘴外套20、喷嘴芯30和保护罩50，过渡套10与喷嘴芯30连接，喷嘴外套20外套于喷嘴芯30，保护罩50外套于喷嘴外套20，喷嘴外套20与喷嘴芯30之间设置有送粉通道。请结合参阅图5，保护罩50包括内层530、中间层540和外层550，内层530、中间层540和外层550由内向外依次分布，内层530与中间层540之间形成第一腔体，中间层540与外层550之间形成第二腔体，外层550上设置有与第二腔体连通的第一进液口551和第一出液口552，外层550上还设置有与第一腔体连通的第一进气口553，内层530上设置有与第一腔体连通的第一出气口531。

[0048] 请结合参阅图1和图2，过渡套10设置于喷嘴芯30和激光器之间(图未示)，过渡套10为中空的圆柱管110，激光器产生的激光可经过中空的过渡套10入射至喷嘴芯30。过渡套
10连接激光器的一端设置有金属板120，金属板120上设置多个第一螺纹孔121，激光器连接过渡套10处对应设置多个螺纹孔，在将过渡套10与激光器连接时可通过螺钉穿过金属板
120上的第一螺纹孔121并与激光器上的螺纹孔旋紧即可将过渡套10与激光器连接。

[0049] 采用这样的设置，方便激光熔覆喷嘴的安装和拆卸。当然，在其他的一些实施例中，过渡套10与激光器之间也可以采用其他的连接方式，例如焊接、螺纹连接、卡扣连接等。

[0050] 过渡套10远离激光器的一端与喷嘴芯30连接，其可以采用，但不限于螺纹连接、螺钉连接以及卡扣连接等。本发明实施例中，过渡套10临近喷嘴芯30的一端设置有外螺纹，并与喷嘴芯30螺纹连接。

[0051] 请结合参阅图1和图3，喷嘴芯30为中空，用于激光束穿过以便对金属基体进行激光熔覆。喷嘴芯30包括有第五端310和第六端320，第五端310与第六端320连接，第五端310的内壁设置有与过渡套10上的外螺纹匹配的内螺纹，并与过渡套10设置内螺纹的一端螺纹连接。第五端310外套有一圆环状的连接套330，连接套330上设置有第二螺纹孔331，用于与喷嘴外套20连接。第六端320呈椎体状设置，且第六端320的直径沿远离第五端310的方向逐渐减小。

[0052] 请结合参阅图1和图4，喷嘴外套20外套于喷嘴芯30，且喷嘴外套20远离过渡套10的一端与喷嘴芯30远离过渡套10的一端大致保持平齐，喷嘴外套20的内壁与喷嘴芯30的外壁之间的空隙形成送粉通道。喷嘴外套20包括第一端210和第二端220，第一端210为临近过渡套10的一端，第二端220为远离过渡套10的一端，喷嘴外套20的第一端210的内壁设置有环形的限位部230，该限位部230的内径与喷嘴芯30的第五端310的外径大小一致，刚好容第五端310穿过并将外套于第五端310的连接套330限制住，从而将喷嘴芯30临近过渡套10的一端与喷嘴外套20临近过渡套10的一端密封。

[0053] 喷嘴外套20位于第二端220的内部设置分隔板240，分隔板240环绕第二端220的内壁设置，分隔板240在第二端220内延伸至第二端220远离第一端210的端部，并将第二端220的内部空间分割为一圆台形的空腔和环绕该圆台形空腔的第三腔体，即第三腔体为第二端220的侧壁和该分隔板240围成。第二端220上设置与第三腔体连通的第二进液口221和第二出液口222，在进行激光熔覆时可通过第二进液口221向第三腔体内导入冷却液体以对喷嘴外套20进行冷却，并将过热的冷却液体从第二出液口222排出以便导入新的冷却液体。如此，可持续对喷嘴外套20进行冷却，防止在激光熔覆的过程中，熔覆熔池、熔覆层及周围温度过高而影响熔覆效果。

[0054] 本发明实施例中，第二进液口221和第二出液口222的数量均为多个，多个第二进液口221均匀分布在第二端220上，多个第二出液口222均匀分布在第二端220上。

[0055] 本发明实施例中，冷却液体可以是专用于进行冷却的防冻冷却液，也可以采用普通的水，本发明实施例中不做具体限定。

[0056] 请参阅图1和图4，喷嘴芯30的外壁与分隔板240之间保持一定间隙，第一端210、限位部230、喷嘴芯30以及分隔板240共同围成横截面呈环形的送粉通道。同时，第一端210的侧壁上设置有送粉通道口211，送粉通道口211与送粉通道连通。如此，可通过送粉通道口211向送粉通道内导入金属粉末以便进行激光熔覆。由于喷嘴芯30的第六端320的直径沿远离第五端310的方向逐渐减小，因此形成的送粉通道逐渐朝向穿过喷嘴芯30的激光束收缩，使得金属粉末能汇聚在金属基体表面，并在激光束的照射下使得金属粉末和金属基础表面发生熔化，形成一定大小的熔池。当激光束以第一速度按照预定轨迹运动，激光束移开后的熔池迅速凝固，从而在金属基体表面激光束扫过的区域熔覆上一层具有特殊物理、化学或力学特性的金属涂层。

[0057] 本发明实施例中，送粉通道口211的数量为多个，多个送粉通道口211均匀分布在第一端210上。

[0058] 喷嘴外套20的第二端220的外表面设置有外螺纹，用于与保护罩50连接。

[0059] 进一步的，请参阅图2，本发明实施例中，过渡套10的圆柱管110上还设置有一保护通孔111，以防止粉末及飞溅物污染激光器上的用于对激光进行聚焦以形成激光束的聚焦透镜。

[0060] 请结合参阅图1和图5，保护罩50呈喇叭状设置，保护罩50包括第三端510和第四端520，第三端510为保护罩50相对较小(喇叭嘴)的一端，第四端520则为保护罩50相对较大(喇叭口)的一端，第三端510的内壁设置有与第二端220外表面的外螺纹匹配的内螺纹，且第三端510与第二端220螺纹连接，而第四端520则朝向远离过渡套10的方向设置。安装时，将保护罩50的第三端510外套在喷嘴外套20的第二端220上并与第二端220螺纹连接。此时，保护罩50将喷嘴外套20的第二端220完全罩扣在其内。

[0061] 本发明实施例中，保护罩50与喷嘴外套20螺纹连接，当然在其他的一些实施例中，保护罩50与喷嘴外套20也可以采用其他的连接方式，例如螺钉连接、焊接等。

[0062] 保护罩50由内向外依次为内层530、中间层540和外层550，内层530与中间层540之间设置第一密封圈560，第一密封圈560分别与内层530和中间层540焊接，中间层540与外层550之间设置第二密封圈570，第二密封圈570分别与中间层540和外层550焊接，且第一密封圈560和第二密封圈570均位于第四端520远离第三端510的端面。内层530、中间层540和第一密封圈560围成第一腔体，中间层540、外层550和第二密封圈570围成第二腔体，外层550上设置有与第二腔体连通的第一进液口551和第一出液口552，外层550上还设置有与第一腔体连通(且与第二腔体不连通)的第一进气口553，内层530上设置有与第一腔体连通的第一出气口531。如此，在进行激光熔覆时，可通过第一进液口551向第二腔体内导入冷却液体以用于冷却，并及时通过第一出液口552将过热的冷却液体排出，以便继续导入新的冷却液体以继续冷却。同时，通过外层550上设置的第一进气口553向保护罩50罩扣的空间内导入惰性气体以使保护罩50内充满惰性气体，从而避免金属基体在激光熔覆时与空气中的氧、氮、氢等其他发生反应，提升激光熔覆质量，满足激光熔覆工艺要求。

[0063] 本发明实施例中，第一进液口551、第一出液口552和第一进气口553的数量均为多个，多个第一进液口551、多个第一出液口552以及多个第一进气口553均均匀分布在外层550上，第一进液口551、第一出液口552以及第一进气口553的直径以1mm左右为较佳。第一出气口531的数量也为多个，多个第一出气口531以阵列的方式密集的分布在保护罩50的内层530远离过渡套10的一侧。

[0064] 第二实施例

[0065] 请参阅图6至图8，实施例提供的激光熔覆喷嘴是在第一实施例的基础上进行的改进，本实施例中未涉及之处请参见第一实施例中的描述。与图1所示的激光熔覆喷嘴不同的是，本实施例提供的激光熔覆喷嘴还包括有紧固套40，紧固套40包括圆形的顶面410和设置在顶面410边缘的侧面420，顶面410上设置有与喷嘴芯30大小相匹配的通孔。设置在顶面410边缘的侧面420形成圆环结构，且该圆环结构的内径刚好与喷嘴外套20的第一端210大小相匹配。

[0066] 本发明实施例中，喷嘴外套20的第一端210的端面与喷嘴芯30上连接套330的端面保持平齐，紧固套40的侧面420形成的圆环结构外套在喷嘴外套20的第一端210，紧固套40的顶面410则被第一端210的端面与喷嘴芯30上连接套330的端面抵持限位住。紧固套40侧面420设置有第三螺纹孔421，并通过螺栓依次穿过第三螺纹孔421、喷嘴外套20的第一端210的侧壁以及连接套330上的第二螺纹孔331旋紧固定。紧固套40的顶面410设置第四螺纹孔411，同时，连接套330上对应第四螺纹孔411设置第五螺纹孔332，并通过螺栓依次穿过第四螺纹孔411、连接套330上的第五螺纹孔332以及第一端210内的限位部230旋紧固定，从而将喷嘴芯30和喷嘴外套20牢固的连接在一起，且能进一步将送粉通道密封，防止金属粉末从喷嘴芯30与喷嘴外套20之间的缝隙渗出，无需在过渡套10内再增设保护镜片以防止金属粉末回溅。

[0067] 在利用激光熔覆喷嘴对金属基体表面进行激光熔覆时，将保护罩50置于金属基体上，并通过外层550上设置的第一进气口553向保护罩50罩扣的空间内导入惰性气体以使保护罩50内充满惰性气体。同时，通过第一进液口551向第二腔体内导入冷却液体，以及通过第二进液口221向第三腔体内导入冷却液体以用于冷却。通过第一端210的送粉通道口211向送粉通道内导入金属粉末并启动激光器，金属粉末经过横截面呈环形的送粉通道汇聚在金属基体表面，并在激光束的照射下使得金属粉末和金属基础表面发生熔化，形成一定大小的熔池。

[0068] 在此过程中，第一出液口552和第二出液口222分别将第二腔体内和第三腔体内过热的冷却液排出，并由第一进液口551和第二进液口221分别向第二腔体和第三腔体内不断导入冷却液体以对熔覆熔池、熔覆层及周围热影响区持续进行冷却，使得激光熔覆喷嘴在工作过程中始终保持较低的温度，延长激光熔覆喷嘴的使用寿命，保证激光熔覆工艺长时间进行与熔覆工艺的稳定、连续。

[0069] 同时，由于保护罩50内充满惰性气体，因此金属基体在激光熔覆时杜绝了与氧、氮、氢等其他的接触和并发生反应，提升激光熔覆质量，使得激光熔覆喷嘴能够较好地满足激光熔覆工艺要求。

[0070] 另外，本发明实施例提供的激光熔覆喷嘴结构简单紧凑，过渡套10、喷嘴外套20、喷嘴芯30、紧固套40和保护罩50均可单独拆卸，装配、拆卸容易，互换性与可替代性强，便于安装与调试。

[0071] 第三实施例

[0072] 请参阅图9，是本发明实施例提供的应用于激光熔覆装置的激光熔覆方法的流程图，所述激光熔覆装置包括第二实施例所述的激光熔覆喷嘴，还包括激光器，所述激光器用于产生穿过喷嘴芯的激光束。下面将对图9所示的流程进行详细阐述。

[0073] 步骤S101，利用保护罩罩扣待加工金属基体。

[0074] 保护罩50呈喇叭状设置，在对金属基体表面进行激光熔覆时，首先将保护罩放置于待加工(激光熔覆)金属基体的上方，以将待加工金属基体罩扣在喇叭状的保护罩50内，所述待加工金属基体为镁、铝、钛及其合金为代表的低熔点、高活性材料。

[0075] 步骤S102，通过外层上的第一进气口导入惰性气体，以使保护罩罩扣的空间内充满惰性气体。

[0076] 待加工金属基体罩扣在喇叭状的保护罩50内后，通过保护罩50的外层550上设置的第一进气口553向保护罩50罩扣的空间内导入惰性气体以使保护罩50内充满惰性气体，充满保护罩50所罩扣空间内的惰性气体能防止低熔点、高活性的金属基体与氧、氮、氢等气体的接触和并发生反应。

[0077] 步骤S103，向第二腔体和第三腔体内导入冷却液并分别将第二腔体和第三腔体内的冷却液导出。

[0078] 与此同时，通过第一进液口551向第二腔体内导入冷却液体以用于冷却，并通过第一出液口552将第二腔体内的冷却液导出。同时，过第二进液口221向第三腔体内导入冷却液体以用于冷却，并通过第二出液口222将第三腔体内的冷却液导出，从而为激光熔覆过程中提供持续的冷源。

[0079] 步骤S104，向送粉通道导入金属粉末，以使金属粉末汇聚在金属基体表面。

[0080] 与此同时，通过第一端210的送粉通道口211向送粉通道内导入金属粉末，金属粉末经过横截面呈环形的送粉通道汇聚在金属基体表面。

[0081] 步骤S105，启动激光器，以使激光器产生的激光束将汇聚在金属基体表面的金属粉末和金属基体表面熔化形成熔池。

[0082] 在向送粉通道导入金属粉末的同时，起到激光器，激光器产生的激光束经过渡套10和喷嘴芯30入射至汇聚有金属粉末的金属基体的表面，并将金属粉末和金属基础表面发生熔化，形成一定大小的熔池。产生的熔池在持续冷源的冷却下在金属基体表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的金属涂层。

[0083] 需要说明的是，本发明实施例中，步骤S102与步骤S103的顺序并不限定。步骤S103中将第二腔体内的冷却液导出这一过程也可以是启动步骤S105一定时间后进行。

[0084] 本发明实施例提供的激光熔覆方法，通过第一出液口552和第二出液口222分别将第二腔体内和第三腔体内过热的冷却液排出，并由第一进液口551和第二进液口221分别向第二腔体和第三腔体内不断导入冷却液体以对熔覆熔池、熔覆层及周围热影响区持续进行冷却，使得激光熔覆喷嘴在工作过程中始终保持较低的温度，延长激光熔覆喷嘴的使用寿命，保证激光熔覆工艺长时间进行与熔覆工艺的稳定、连续。

[0085] 同时，由于向保护罩50罩扣的空间内导入惰性气体，使得熔池和熔池周围的热影响区域充满高密度的惰性气体，因此金属基体在激光熔覆时杜绝了与氧、氮、氢等气体的接触和并发生反应，提升激光熔覆质量，使得激光熔覆喷嘴能够较好地满足激光熔覆工艺要求。

[0086] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0087] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。