一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法技术

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

【技术实现步骤摘要】
一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法


[0001]本专利技术涉及激光熔覆
，尤其涉及一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
的广泛发展提供了可靠保证。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]为克服上述问题，本专利技术提供一种水下湿法激光熔覆头及其熔覆方法。
[0007]本专利技术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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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
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粉同路扩大通道和光
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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
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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；
[0011]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
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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
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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
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同路主通道的形状相适配；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]进一步，光
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粉同路扩大通道的上段为漏斗形管道，光
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粉同路扩大通道的中段为圆柱形管道，光
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粉同路扩大通道的下段为漏斗形管道；光
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同路主通道为上小下大的圆台状管道。
[0015]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。
[0016]本专利技术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：
[0017]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；
[0018]2)粉末在载粉气的作用下经过光
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粉同路通道，与激光从光
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粉同路通道一起穿过
空腔区到达基板；
[0019]3)照射基板的激光在基板上形成熔池；
[0020]4)喷出的粉末进入熔池，熔化后冷却形成有效沉积；
[0021]5)熔覆头移动，实现整个熔覆过程。
[0022]本专利技术的有益效果是：光
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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
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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，水下进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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粉同路扩大通道(12)和光
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同路主通道(10)，光
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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
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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
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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...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：