專利名稱：垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光材料加工技術領域，特別涉及激光熔覆同軸送粉噴嘴結構設計。
激光加工是利用高能激光束進行加工的一種新型加工手段，是當代先進的材料加工方法。激光加工具有許多超過常規(guī)加工手段的明顯優(yōu)越性，其應用范圍也非常廣，如激光表面處理(激光相變硬化、激光重熔、激光合金化、激光熔覆、激光微細處理、激光表面毛化)，激光焊接，激光切割，激光鉆孔，激光標記，激光微加工等。激光熔覆是指在高能激光束熔化材料局部表面的同時添加金屬元素或合金而既改變材料表層微觀組織又改變其成分的表面涂層方法，其強化效果最為顯著。通過多層垂直疊加，激光熔覆還具有快速柔性地直接制造金屬零件的獨特性能。激光熔覆的主要特點包括(1)可以完全改變材料表面的性能；(2)涂層與基體形成牢固的冶金結合，顯微組織細；(3)合金粉末選擇范圍廣，能實現(xiàn)耐磨損、耐腐蝕、耐沖蝕、耐疲勞、抗高溫氧化等多種性能；(4)熱量輸入少，熱循環(huán)很短暫、對基體的熱損害和熱變形少，晶粒不易長大；(5)基體對熔覆層的稀釋程度可控，熔覆層性能保證；(6)可控制熔層成分，濃度，形狀和區(qū)域大小；(7)無機械接觸。金屬或合金的添加方法主要有預涂粉末法，側向送粉法和同軸送粉法，其中以同軸送粉法為最優(yōu)。同軸送粉激光熔覆必需同軸送粉噴嘴，性能良好的噴嘴能適用于激光熔覆、激光合金化以及送粉激光焊接等。
鑒于目前常用的側向送粉激光熔覆的各向異性，無法滿足不斷發(fā)展的激光熔覆快速直接制造金屬零件的研究以及激光熔覆原位修復已磨損關鍵零件的需求，并隨著激光熔覆技術向更高層次的發(fā)展，激光熔覆同軸送粉噴嘴得到了西方發(fā)達國家研究機構的普遍高度重視和研究，英、美、法、德已開發(fā)各自的同軸送粉噴嘴。其基本結構均采用多層同心錐筒形式，包含同軸光路通道、粉路通道和氣路通道，粉末流采用三路或四路垂直進入方式，靠近端部有冷卻裝置。例如，美國專利U.S.Pat.5477026，其結構如

圖1所示，主要包括由上部螺紋聯(lián)接筒11、內(nèi)錐筒12和內(nèi)噴頭13上下套接構成內(nèi)層錐筒，該內(nèi)層錐筒形成的內(nèi)空間組成光路通道101，由內(nèi)錐筒12、內(nèi)噴頭13與套接其外且經(jīng)螺紋上下連接的外錐筒14和外噴頭16構成同心中層錐筒，該中層錐筒形成的環(huán)形內(nèi)空間組成同軸粉路通道102，外錐筒14上開有4個均布的入口17與粉末流通道102連通，4路粉末流經(jīng)四個入口17沿垂直圓周方向直接進入粉末流通道102，粉末流經(jīng)較短的通道從噴頭噴出；外錐筒14內(nèi)部含有一個氣體通道，它與其下端相連的外噴頭16內(nèi)部的氣體通道一起構成保護氣路環(huán)形通道103；冷卻水擋板15固定在外錐筒的外周，它與外錐筒14的外壁之間形成的環(huán)形空間組成冷卻水路104，冷卻水路冷卻外錐筒14，內(nèi)錐筒和內(nèi)噴頭沒有得到良好冷卻。粉路、氣路和進出水路均通過塑料管路分別與外部送粉器、氣源和水源相連。整個噴嘴經(jīng)上部螺紋聯(lián)接筒11的螺紋與激光加工工作頭聯(lián)接，外錐筒14也采用螺紋與上部螺紋聯(lián)接筒聯(lián)接。內(nèi)噴頭13和外噴頭16分別與內(nèi)錐筒12、外錐筒14的下部螺紋聯(lián)接，形成分離可更換式，以便在其頭部被激光燒壞時更換。噴嘴整體固定聯(lián)接，不能對聚焦激光束的焦斑進行調(diào)節(jié)。其他同軸送粉噴嘴的結構基本與之相類似。
現(xiàn)有同軸噴嘴的主要不足表現(xiàn)為(1)現(xiàn)有同軸噴嘴均為整體結構，主要通過螺紋與激光熔覆工作頭連接，由于同軸噴嘴包含粉、氣、水路等許多管路，旋轉(zhuǎn)裝卸時往往使得這些管路纏繞在一起，必須先拔掉所有管線，就位后再裝回，使用極不方便；(2)現(xiàn)有同軸噴嘴所采用的4路沿圓周垂直進粉方式，使得粉末在入口處密度高，其他地方密度低，粉末流的初始分布不均勻，而噴嘴的粉末通道往往較短，因而噴嘴出口的粉末流均勻性相對較差，不易滿足精密均勻同軸送粉的要求；(3)現(xiàn)有同軸噴嘴往往只對噴嘴外錐端部進行水冷，而內(nèi)錐沒有直接冷卻，但噴嘴在長時間工作時由于內(nèi)筒與高能激光束及粉末流最接近，在反射光的作用下內(nèi)錐往往加熱和升溫最快、最容易燒壞，內(nèi)錐一旦局部受熱變形將會改變粉末流的均勻性，嚴重時局部熔化將會堵塞鄰近的粉末流通道而引起同軸噴嘴的失效；因此，優(yōu)先冷卻內(nèi)錐對于噴嘴的長期有效工作是極為重要的；(4)現(xiàn)有同軸噴嘴頭部大多采用圓錐結構，有的采用端部水平小擋板結構，均不具備將反射激光束和反射粉末二次利用的功能。(5)現(xiàn)有噴嘴自身不具備焦斑直徑的調(diào)節(jié)能力。
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有國際上同軸送粉噴嘴的不足，設計出一種垂直裝卸的分體式同軸噴嘴，使其不但具有內(nèi)錐筒強化冷卻及三層錐體同時冷卻、靈活方便的垂直裝卸、粉末流主動均勻化、光斑直徑靈活調(diào)節(jié)、內(nèi)錐頭部可更換、噴嘴端部抗激光反射和粉末反射回收等諸多優(yōu)點，還能適用于多種聚焦的聚焦透鏡并適用于激光熔覆、激光合金化、激光相變硬化和激光焊接等多種場合。
本發(fā)明設計的一種垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴，由含有同軸光路通道、粉路通道、保護氣體通道和冷卻水路通道的內(nèi)外套接的內(nèi)錐筒、中間錐筒、外錐筒、冷卻水擋板和連于其下的噴頭組成的多層同心錐筒結構；其特征在于，所說的外錐筒和冷卻水擋板之間還設置一保護氣導向錐筒，所說的冷卻水路包括設置在內(nèi)錐筒與中間錐筒之間的內(nèi)錐冷卻水路及設置在保護氣導向錐筒和冷卻水擋板之間的外層冷卻水路；所說的外錐筒和中間錐筒構成粉末流通道，所說的外錐筒與保護氣導向錐筒之間構成保護氣路。
本發(fā)明還可包括在所說的多層同心錐筒上端采用可垂直裝卸的扣瓣結構連接一與激光加工工作頭聯(lián)接的上體，所說的上體由可更換的螺紋活動筒和套在該活動筒外與之螺紋連接的上筒組成。所說的上筒可由螺紋調(diào)節(jié)筒和與之上下螺合的上筒座組成。
所說的外錐筒上可開有多個切向粉末入口，在所說的切向入口的下面的粉末流通道內(nèi)環(huán)周可設置有微孔漏篩，該微孔漏篩沿圓周均布數(shù)十個微孔。
所說的外錐筒可由可裝卸的上外錐筒和下粉末導向錐筒兩部分組成，所說的保護氣導向錐筒與下粉末導向錐筒相連，所說的冷卻水擋板連于該粉末導向錐筒外側。
所說的內(nèi)錐筒內(nèi)的上部可設置一個可放置短聚焦透鏡的凹槽。
所說的噴嘴下端部可形成表面光潔的反向錐體狀。
本發(fā)明的功能及特點如下(1)本發(fā)明設計的內(nèi)錐冷卻水路及外錐水路冷卻，確保整個噴嘴各關鍵部分的有效冷卻和噴嘴的長時間穩(wěn)定工作(2)本發(fā)明采用雙體分體結構，上體以可更換的螺紋活動筒的內(nèi)螺紋實現(xiàn)與各種激光加工工作頭的過渡聯(lián)接。只要改變其直徑和螺距，本噴嘴即可方便地與任何激光加工工作頭實現(xiàn)連接。上下體之間采用扣瓣聯(lián)接，獲得垂直裝卸功能及實現(xiàn)精確定位。
(3)本發(fā)明采用多管切向進粉方式，即多路粉末沿噴嘴圓周的多個切向入口進入噴嘴主體，緊靠在切向入口下面的是一個微孔篩環(huán)，由于輸運氣體的壓力，進入噴嘴主體的粉末流很快均勻地分散在微孔篩環(huán)的圓周面上，粉末從微孔篩環(huán)圓周面上的均布微孔均勻地漏入粉末流通道上，再經(jīng)較長的粉末通道從噴頭噴出，其均勻性明顯優(yōu)于多路垂直進粉方式。
(4)本發(fā)明噴嘴主體內(nèi)部設置一個可放置短聚焦透鏡的凹槽，并利用內(nèi)錐冷卻水路冷卻聚焦鏡，使聚焦鏡得到有效冷卻。因此本噴嘴所適用的聚焦鏡焦距范圍可為100～300mm。離焦量調(diào)節(jié)范圍可從0到+60，粉末流焦點處的光斑直徑調(diào)節(jié)范圍可從焦點光斑到7mm。噴嘴上體的螺紋套筒設計，實現(xiàn)了外部直接無級調(diào)節(jié)聚焦光斑直徑的功能(5)本發(fā)明的端部設計成一個面向被加工件的表面光潔的反向錐體結構，不僅能夠?qū)⒐ぜ砻娣瓷涞挠泻す饽芰恐匦路瓷渚劢够厝鄢?，提高激光束能量的利用率，而且還能將工件表面反彈和濺射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。其效果明顯優(yōu)于單純圓錐或小擋板結構。
本發(fā)明噴嘴的適用領域為送粉激光熔覆、送粉激光合金化、送粉激光焊接、預置粉激光熔覆和激光合金化、激光重熔和激光相變硬化以及激光焊接和切割等。
附圖簡單說明圖1為已有技術的一種激光熔覆同軸送粉噴嘴結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的激光熔覆同軸送粉噴嘴實施例結構示意圖。
本發(fā)明設計出一種垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴的實施例，結合附圖詳細說明如下；本實施例的結構如圖2所示。本噴嘴由上下兩部分組成。噴嘴上體由螺紋活動筒23、螺紋調(diào)節(jié)筒24和上筒座25組成，噴嘴下體即噴嘴主體由內(nèi)錐筒26、中間錐筒28、多孔漏篩29、外錐筒210、粉末流導向錐筒211、保護氣導向錐筒212、可分離噴頭213和冷卻水擋板214組成。上下部分首次采用扣瓣聯(lián)接。螺紋活動筒23為整個噴嘴與激光加工工作頭的聯(lián)接件，螺紋活動筒23、螺紋調(diào)節(jié)筒24和上筒座25組成噴嘴的調(diào)節(jié)機構。螺紋活動筒23、內(nèi)錐筒26和噴頭213組成內(nèi)部聚焦激光束通道；中間錐筒28、外錐筒210、粉末流導向錐筒211和噴頭213構成同軸會聚粉末流通道；內(nèi)錐筒26和中間錐筒28組成內(nèi)錐冷卻水路，保護氣導向錐筒212和冷卻水擋板214組成端部冷卻水路；內(nèi)錐筒26和噴頭213組成軸向保護氣路，粉末流導向錐筒211和保護氣導向錐筒212組成外圍保護氣路；多孔漏篩29為粉末均勻化元件，噴頭213為可更換噴頭，噴頭213、粉末流導向錐筒211、和保護氣導向錐筒212的端部組成噴嘴反向錐結構。
本實施例的功能及特點(1)本發(fā)明噴嘴采用雙體分體結構，上體由螺紋活動筒23、螺紋調(diào)節(jié)筒24和上筒座25組成，以螺紋活動筒23的內(nèi)螺紋與激光加工工作頭的外螺紋22旋轉(zhuǎn)聯(lián)接，上體聯(lián)接好后即固定不動。只要改變螺紋活動筒23的直徑和螺距，即可方便地與任何激光加工工作頭連接。噴嘴的主體由26-214構成，粉路、氣路和冷卻水路所用的輸入輸出管線均在噴嘴主體上。上下體之間采用扣瓣聯(lián)接，扣瓣的扣固定在上筒座25的下端，瓣固定在噴嘴主體外錐筒28上，噴嘴主體可方便地垂直脫離加工頭進行必要的調(diào)整、清理、安裝聚焦鏡等，而不象現(xiàn)有的噴嘴一樣必須將所有管線拆卸后才能旋轉(zhuǎn)卸下整體噴嘴。上筒座25下端有一個凸臺，中間錐筒28上有一個凹槽，安裝時由它們實現(xiàn)精確定位。
(2)本實施例設計的內(nèi)錐冷卻水路，能使整個內(nèi)錐體得到有效冷卻。冷卻水從中間錐筒28上的入口進入，首先直接從側面和下面雙向冷卻內(nèi)錐筒26上的聚焦鏡鏡座，然后沿內(nèi)錐筒26和中間錐筒28構成的水路通道往下冷卻內(nèi)錐筒26特別是26的端部，該端部與可分離噴頭213緊密接觸，使得噴頭213得到強化冷卻，冷卻水繞26端部流動一周，再從內(nèi)錐筒26和中間錐筒28構成的水路通道往上流動，冷卻內(nèi)錐筒和鏡座，然后從中間錐筒28上的出口流出。保護氣導向錐筒212和冷卻水擋板214構成另一路冷卻水通道，強化冷卻212端部的反向錐面，并通過噴嘴所用的高熱導率材料和緊密接觸使得粉末導向錐筒211也得到良好冷卻。這樣，本發(fā)明噴嘴的幾個關鍵易受熱部件均得到了有效的冷卻，真正確保噴嘴的長時間穩(wěn)定工作。
(3)本實施例使四路粉末經(jīng)四個銅管沿外錐筒210上的4個切向入口215進入噴嘴主體外錐筒210和中間錐筒28構成的粉末流通道中。微孔漏篩29安置在切向入口215的下面。進入粉末通道的四路粉末流在輸送氣體的帶動下會迅速分散在篩環(huán)的圓周面上，再從微孔漏篩環(huán)29圓周上均布的數(shù)十個微孔中均勻地漏下，經(jīng)中間錐筒28、外錐筒210、粉末導向錐筒211和噴頭213構成的粉末通道會聚后在出口處形成均勻的會聚同軸粉末錐流，實現(xiàn)同軸粉末流的主動均勻化功能。
(4)本實施例噴嘴端部反向錐體由噴頭213、粉末導向錐筒211和保護氣導向錐筒212的端部構成，表面光潔度較高。在冷卻水路的有效冷卻下，其表面在較長時間工作過程中能保持光潔。這樣就能夠?qū)⒐ぜ砻娣瓷涞挠泻す饽芰恐匦路瓷渚劢够厝鄢兀岣呒す馐芰康睦寐?，還能將工件表面反彈和濺射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。
(5)本實施例噴嘴上體的螺紋活動筒23的內(nèi)螺紋與激光加工工作頭聯(lián)接，23的外螺紋配合噴嘴上體螺紋調(diào)節(jié)筒24的內(nèi)螺紋，由24的旋轉(zhuǎn)使得噴嘴自身的長度能夠方便地變化，24與上筒座25保持活動聯(lián)接。實現(xiàn)了外部直接無級調(diào)節(jié)聚焦光斑直徑的功能，離焦量可以從0調(diào)節(jié)到+60，噴嘴出口粉末流焦點處的光斑直徑從焦點光斑調(diào)節(jié)到7mm。這一調(diào)節(jié)范圍年全面適應激光熔覆、激光合金化、激光相變硬化和激光焊接的功率密度要求。
(6)本實施例的聚焦透鏡21通常位于激光加工頭22上，由激光頭的專用冷卻水路冷卻，通用采用200mm焦距的透鏡，焦點位于噴嘴出口下方。借助于上述調(diào)節(jié)機構可適用于焦距300mm的聚焦鏡，這樣能滿足送粉法和非送粉發(fā)激光熔覆、激光合金化、激光相變硬化對激光功率密度和焦斑直徑的通用要求。在主體內(nèi)錐筒26內(nèi)還設計了一個短聚焦透鏡位置，焦點仍位于噴嘴出口下方處，利用內(nèi)錐筒26的冷卻水路冷卻聚焦鏡27，使聚焦鏡得到有效冷卻。將軸向保護氣體入口216安置在透鏡以下。這樣本噴嘴就能用于送粉和一般激光焊接以及激光切割。所以本噴嘴所適用的聚焦鏡焦距范圍為100～300mm，適用領域為送粉激光熔覆、送粉激光合金化、送粉激光焊接、預置粉激光熔覆和激光合金化、激光重熔和激光相變硬化以及一般激光焊接和激光切割多種功能。
權利要求
1.一種垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴，由含有同軸光路通道、粉路通道、保護氣體通道和冷卻水路通道的內(nèi)外套接的內(nèi)錐筒、中間錐筒、外錐筒、冷卻水擋板和連于其下的噴頭組成的多層同心錐筒結構；其特征在于，所說的外錐筒和冷卻水擋板之間還設置一保護氣導向錐筒，所說的冷卻水路包括設置在內(nèi)錐筒與中間錐筒之間的內(nèi)錐冷卻水路及設置在保護氣導向錐筒和冷卻水擋之間的外層冷卻水路；所說的外錐筒和中間錐筒構成粉末流通道，所說的外錐筒與保護氣導向錐筒之間構成保護氣路。
2.如權利要求1所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，還包括在所說的多層同心錐筒上端采用可垂直裝卸的扣瓣結構連接一與激光加工工作頭聯(lián)接的上體，所說的上體由可更換的螺紋活動筒和套在該活動筒外與之螺紋連接的上筒組成。
3.如權利要求2所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，所說的上筒由螺紋調(diào)節(jié)筒和與之上下螺合的上筒座組成。
4.如權利要求1所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，所說的外錐筒上開有多個切向粉末入口，在所說的切向入口的下面的粉末流通道內(nèi)環(huán)周設置有微孔漏篩，該微孔漏篩沿圓周均布數(shù)十個微孔。
5.如權利要求1所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，所說的外錐筒由可裝卸的上外錐筒和下粉末導向錐筒兩部分組成，所說的保護氣導向錐筒與下粉末導向錐筒相連，所說的冷卻水擋板連于該粉末導向錐筒外側。
6.如權利要求1、2、3或4所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，所說的內(nèi)錐筒內(nèi)的上部設置一個可放置短聚焦透鏡的凹槽。
7.如權利要求1、2、3或4所述的激光熔覆同軸送粉噴嘴，其特征在于，所說的噴嘴下端部形成表面光潔的反向錐體狀。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光材料加工技術領域,由含有同軸光路通道、粉路通道、保護氣體通道和冷卻水路通道的內(nèi)外套接的內(nèi)錐筒、中間錐筒、外錐筒、冷卻水擋板和噴頭組成的多層同心錐筒;冷卻水路包括內(nèi)錐冷卻水路及外層冷卻水路。本發(fā)明具有三層錐體同時冷卻、靈活方便的垂直裝卸、粉末流主動均勻化、光斑直徑靈活調(diào)節(jié)、內(nèi)錐頭部可更換、端部抗激光反射和粉末回收等優(yōu)點,還能適用于激光熔覆、激光合金化、激光相變硬化和激光焊接等多種場合。
文檔編號B23K26/14GK1255411SQ0010004
公開日2000年6月7日 申請日期2000年1月7日 優(yōu)先權日2000年1月7日
發(fā)明者鐘敏霖, 劉文今 申請人:清華大學