王 方，郭 亮，张庆茂，邹春江

（1.华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广东广州 510006）；2.深圳市大族激光科技股份有限公司，广东深圳 518103）

1 概述

激光熔覆是近年来新兴的一种材料表面修复技术，是改善材料表面性能的有效手段[1]，受到越来越多企业的关注。送粉喷嘴是送粉系统的一个重要组成部分，直接影响熔覆成形的质量和精度。由于近几年激光快速成形技术的发展，国内外对同轴送粉喷嘴进行了大量的研究工作[2-5]。而旁轴送粉喷嘴适合于2D熔覆，可以通过机床的线性运动和辅助轴的旋转运动实现平板和螺旋状熔覆，主要应用于轧辊、轴类等零件的表面处理和修复，实际应用相当广泛。现行大部分工矿企业旁轴送粉喷嘴结构设计较为简单，如图1 所示，冷却不到位、送粉口与激光不能实现快速精确的匹配、对送粉倾斜角度没有足够的重视，严重影响激光熔覆的生产效率和效果，造成粉末的不必要浪费，所以有必要对其进行相应的改进。

本文介绍了一种可以快速实现送粉位置与激光的精确匹配，又能对送粉喷嘴进行必要的水冷，且能同步确定送粉喷嘴倾斜角度的装置。

图1 传统的旁轴送粉喷嘴装置

2 新型旁轴送粉喷嘴装置的原理及组成

新型旁轴送粉喷嘴的示意图如图2 所示。其中联结块1通过螺栓与熔覆头连接，万向节2与联接块1 亦通过螺纹联接，可以较为方便的实现安装和拆卸，万向节2可以通过紧固螺栓3实现不同高度、方向上的摆动与定位，以适应不同工件位置熔覆的需要。

图2 新型旁轴送粉喷嘴示意图

如图3所示，发光二极管1与送粉管2通过螺纹连接，二极管的电源为安装在机床控制柜上的5 V电源，可以实现与导引红光的同步开关，指引方向与送粉方向一致。送粉管端口对称分布四个入粉口以保证送粉的均匀性。送粉管上有台阶和螺纹，用于和水冷套的紧密配合。喷嘴3 与送粉管螺纹联接，可以根据需要自由更换不同孔径的喷嘴。

再 者，如图4 所示，水冷套3 与固定架2紧固配合，可以同步对固定架进行相应冷却，数显倾角仪1 通过其底部的强力磁铁吸附在固定架上保持与送粉管轴向平行，以水平或者垂直方向为参考，可以实时同步显示送粉管倾斜方向，便于对熔覆过程进行精确掌控。

图3 发光二极管与送粉管的放大图

图4 水冷套与数显倾角仪的放大图

3 实验验证

采用新型旁轴送粉喷嘴进行单层多道熔覆实验研究，基材为15 mm的45钢板，粉末采用Ni60合金粉末。实验设备包括4 kW光纤激光器、进口熔覆头，精密单筒送粉器和KUKA 机械手。激光功率为2.8 kW，扫描速度为0.6 m/min，送粉量为15 g/min，离焦量为30 mm，对应焦斑直径为4 mm，搭接率为30%，对应的熔覆效果如图5 所示。可以看出，使用新型送粉喷嘴的熔覆层表面光亮、均匀，表面无裂纹，可以充分说明在熔覆过程中送粉较为稳定，对熔覆层表面的保护效果较好，粉末的利用率亦有所提高。

进行多道熔覆过程中激光的反射会导致送粉喷嘴温度较高，由于缺乏冷却模块，传统的喷嘴在进行3～4道熔覆后需要进行必要的手动降温措施才可以继续进行实验，连续性较差。

另外，由于旁轴送粉时不确定粉末与基材接触位置是否与激光重合，需要进行多次的调试。本文中的新型送粉喷嘴装置配备同步水冷装置，可以实现对喷嘴进行冷却，而与粉末同轴的导引光则可以同步显示粉末与基体材料的接触点有利于快速确定是否与激光重合，所以大大提高了效率。

图5 传统与新型送粉喷嘴熔覆效果

4 结论

本文研制了一种新型的旁轴送粉喷嘴装置。该送粉装置配备有冷却模块、同轴导引光和倾角显示仪器，可以快速方便的确定粉末是否与激光重合，同步显示喷嘴的倾斜角度，有利于提高粉末的利用率。通过试验反复验证，该装置在高功率长时间工作过程中本身的温度基本保持在常温水平，可以满足工业化要求。

［1］彭如恕，于连玉，石世宏.激光熔覆涂层在多种载荷下的力学行为分析［J］.机械工程材料，2005，29（1）：52-55.

［2］郁玲玲，石世宏，狄科云.基于光内同轴送粉技术的激光熔覆斜壁堆积成形研究［J］.激光与红外，2009，39（3）：264-266.

［3］张正伟，杨武雄，陈凯，等.激光熔覆快速成形技术送粉喷嘴的研制［J］.激光杂志，2007，28（1）：79-80.

［4］Guijun Bi.，Schürmann Bert.，Gasser Andres.et al.Development and qualification of a novel laser-cladding head with integrated sensors ［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47（3）：555-561.

［5］朱银锋，王云山，杨洗陈，等.用于激光快速制造的三维送粉头的设计［J］.应用激光，2005，25（1）：13-16.