專利名稱：粉末傳輸噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光覆層的激光傳輸頭的粉末傳輸噴嘴。
背景技術(shù)：
在激光覆層方法中，激光束熔化粉末和底物的表面， 一旦固化后， 兩種熔融的材料結(jié)合形成涂層。與底物相比，該涂層能夠改善耐磨性和 抗腐蝕性，或該方法能夠用于通過使用與底物材料相同的粉末重建磨損 或腐蝕的表面。
已知的粉末傳輸設(shè)備，激光覆層的效率隨著激光傳輸頭的方向和激 光束的傳輸方向會發(fā)生本質(zhì)的變化。當(dāng)傳輸頭不是以垂直向下的方向傳 輸激光時，粉末通常會分布不均勻。由于地心重力的影響，明顯在激光 輸出傳輸頭的下側(cè)分布更多的粉末。
本發(fā)明尋求提供一種改進的粉末傳輸噴嘴以用于激光覆層傳輸頭， 帶有改進噴嘴的激光傳輸頭能夠在除垂直向下方向之外的其它方向上更 自由更有效的操作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于激光覆層傳輸頭的粉末傳輸噴嘴，其中 所述噴嘴包括一個處于外套管內(nèi)部的內(nèi)套管，且其外表面與外套管的內(nèi)
表面接觸；所述內(nèi)套管限定一個中心通道，所述中心通道從噴嘴第一末 端延伸到第二末端并能^f吏激光束從第 一末端沿著軸線通過噴嘴；套管， 沿著它們的接觸表面，共同限定一個流道系統(tǒng)，沿著它，細(xì)金屬合金粉 末能夠通過并在噴嘴的第二末端流出；噴嘴在遠(yuǎn)離第二末端的位置有一 個進口 ，通過它能將載氣夾帶的細(xì)粉末供應(yīng)給流動系統(tǒng)以流動并流出噴
嘴的第二末端；流道系統(tǒng)具有一個多旁路縱向延伸的從入口延伸到多個出口的通道排列，所述多個出口環(huán)繞在或接近噴嘴第二末端的中央通道
被隔開；所述的通道排列包括每個通道從入口向噴嘴第二末端縱向延伸 的第 一組通道，和每個通道從第一組向噴嘴第二末端縱向延伸的第二組 通道，第一組通道有角度的偏離第二組通道，且第一組的每個通道通過 圓周形延伸的通道或廊道與第二組的兩個通道相連接，這樣第 一組每個 通道的粉末流可以通過第二組的兩個通道。
第二組的每個通道可以延伸成為噴嘴的多個出口中的相應(yīng)一個?？?選擇地，可以有第三組通道，其從第二組延伸到噴嘴的第二末端，第二 組的每個通道與第三組的兩個通道通過圓周形延伸通道或廊道相連接。 第三組的每個通道可以延伸成為各自的出口，或同樣可以有至少第四組 通道，盡管通常不是必要的。在每種情況下，多個出口最優(yōu)選基本均勻 的分布在噴嘴軸線的周圍。同樣，延伸至出口的最后一組通道基本均勻 的分布在軸線的周圍。類似的分布優(yōu)選適用于每組通道，^f旦每組通道有 角度的偏離下一組通道。
在一組通道和下一組通道之間，優(yōu)選有一個圓周形連續(xù)的廊道，其 在一組的每一個通道與下一組的兩個通道之間提供連接。然而，也可以 4是供一個圓周形不連續(xù)的系列廊道， 一組的每個通道與下一組的兩個通 道通過該系列中的各自廊道相連接。
優(yōu)選第 一組的每個通道的粉末流穿過廊道到達(dá)第二組相應(yīng)的 一對通 道。因此，在該排列中，第二組將包含兩倍于第一組數(shù)量的通道。這樣 優(yōu)選在多于一個廊道的每個廊道處增加一倍。還有其它可能的排列，盡 管不是優(yōu)選的。
每組通道的每個通道的延伸優(yōu)選基本平行于含有噴嘴軸線的各自平 面。廊道或每個廊道的延伸優(yōu)選基本平行于垂直噴嘴軸線的平面。
噴嘴適于在其第一末端與激光傳輸頭相連接，從那里激光束能夠穿 過中心通道。噴嘴可以適于提供保護氣體，優(yōu)選氬氣，以沿著中心通道 流動。同樣，噴嘴可以通過冷卻水流用于冷卻。
在一個優(yōu)選實施方案中，噴嘴包括噴嘴組件的一部分，噴嘴組件進 一步包括管狀主體。在該裝置中，噴嘴可卸載地連接到主體的一個末端以形成組件，主體的另一末端可卸載地連接至激光傳輸頭。這樣，來自 傳輸頭的激光束能夠穿過主體的中心通道，然后通過噴嘴。最常規(guī)的主 體是一個水套，通過它冷卻水能夠流動以冷卻噴嘴。同樣，主體也可以 有一個連接器，用于接收來自供應(yīng)源的保護氣體，連接器與主體的中心 通道相連。這樣，在流過噴嘴中心通道之前，保護氣體能夠沿著主體的 中心通道流動。另外，噴嘴組件可以用于才是供保護氣流到噴嘴的外表面， 如在噴嘴和最外部的套管或包裝之間，以形成一個環(huán)繞從噴嘴流出的粉 末流的氣體帷幕。
噴嘴通過噴嘴組件的主體可與激光傳輸頭相連接，主體可以有一個 連接器，以接收來自供應(yīng)源頭的載氣體夾帶的細(xì)覆層粉末。這樣，噴嘴 的入口可以接收來自主體的細(xì)4分末。
通道的形狀和從每個入口到出口的各自流道長度最優(yōu)選是這樣的 每個出口的粉末物質(zhì)流動率和粉末流速是基本相同的。優(yōu)選每個出口的 物質(zhì)流動率和流速相同，這是由于通道的形狀和長度完全相同的結(jié)果。
因此，出口的數(shù)量和通道排列的復(fù)雜性能夠進行相當(dāng)大的變化。噴 嘴尺寸是有助于此的一個因素。然而，另一個因素是所希望的，即噴嘴 能夠生成粉末流，其來自噴嘴出口，相互之間周向合并延伸超過噴嘴第 二末端。
能將粉末提供給流道系統(tǒng)的進口可以與多旁路排列的通道的進口末 端直接相連，或通過連接通道與該排列的多個通道的進口末端直接相連 接。可選擇地，進口可以通過它們之間的腔室與多旁路排列的至少一個 通道相連。在每種情況下，可以有一個以上的能夠向流道系統(tǒng)供應(yīng)粉末 的進口。
至少關(guān)于小尺寸的噴嘴，噴嘴有至少三個、優(yōu)選至少四個出口。更 優(yōu)選至少六個出口。特別是關(guān)于大尺寸的噴嘴，可以達(dá)到三十二個或更 多個出口。
發(fā)現(xiàn)提供一個能使粉末流從一組的通道到達(dá)下 一組的其它通道的圓 周形延伸的廊道是非常希望的。通常，使流體從一組的通道僅到達(dá)下一 組的兩個通道的廊道更為實際。然而，使流體從一組的通道到達(dá)下一組的三個或更多通道是可能的。
內(nèi)套管的外表面和外套管的內(nèi)表面可以成錐形到噴嘴的第二末端， 越過在第二末端結(jié)束的這些表面的軸線延伸的至少一部分。同樣，這些 表面垂直于軸線的橫截面可以為圓形。在一常規(guī)的排列中，那些表面從 接近噴嘴第 一末端的其軸線延伸的第 一部分呈圓柱形，之后到噴嘴的第 二末端呈圓錐形。在每種情況下，外套管的外表面可以與該套管的內(nèi)表 面的總體形狀一致。然而，當(dāng)內(nèi)表面呈錐形到噴嘴的第二末端時，外表 面的錐度優(yōu)選是較大的夾角，使得在錐體的軸線延伸方向上外套管的墻 壁厚度逐漸減少直到第二末端。
流道系統(tǒng)可以全部在內(nèi)套管的外層表面或外套管的內(nèi)層表面中形 成，或部分在這些表面的每個表面中形成。這樣每個通道和每個圓周形 延伸的廊道，可以全部在內(nèi)套管的外表面或外套管的內(nèi)表面中形成，或部 分在這些表面的每個表面中形成，而各自的通道和廊道可以在每個表面 里。然而，作為一個實際的問題，通道和廊道在內(nèi)套管的外表面能夠更 容易的形成，如通過加工。
當(dāng)內(nèi)表面和外表面是圓周形彎曲，例如是圓形的橫截面時，圓周形 延伸的廊道將呈弧形延伸。廊道可以以弧形的形狀延伸，這樣使各自的 通道從它們的每個末端延伸。然而，在另外一個有用的排列中，弧形延 伸的廊道能夠環(huán)繞那些表面的整個圓周延伸。這樣，當(dāng)該表面的橫截面 是圓形的時，廊道是環(huán)形形狀的。
通道的排列優(yōu)選有兩組以上的通道。同樣，噴嘴優(yōu)選有至少六個出 口，如從八到十六個出口。最后一組通道，即在出口處結(jié)束的一組通道， 將具有與出口的數(shù)量相同的通道數(shù)量。
噴嘴的每種形狀中，由內(nèi)套管限定的中心通道為能使激光束穿過的 通道，優(yōu)選為用于此目的已知形狀。這樣，當(dāng)中心通道從噴嘴的第一末 端沿著其長度的開始部分是統(tǒng)一圓形橫截面時，此后，中心通道優(yōu)選呈
圓錐形到噴嘴的第二末端。當(dāng)內(nèi)套管的外表面和外套管的內(nèi)表面呈錐形 到噴嘴的第二末端時，優(yōu)選具有比中心通道更大的夾角，或與中心通道 基本相同的夾角。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明噴嘴的應(yīng)用，通過利用運載氣體(優(yōu)選氬氣)將細(xì)
的覆層粉末從粉末加料器送到噴嘴入口 。粉末從噴嘴進口進入到流道系 統(tǒng)形成多股粉末流。 一旦從噴嘴中排出，粉末穿過激光束時被加熱并被 聚焦在同樣被激光加熱的底物上。
粉末穿過噴嘴的中心流道系統(tǒng)而被傳輸，以形成基本相同的粉末流 從每個出口中流出。如果發(fā)生了部分堵塞，圓周形延伸通道或廊道允許 粉末流的平衡。同樣，為了平衡，每組通道的長度不應(yīng)太短也是所希望 的。這是因為，如果一組的通道太短，沒有平衡的粉末流從一組的通道 流向下一組的通道就會發(fā)生。通道的最優(yōu)選長度是其最大寬度尺寸的三 倍。然而，在至少一些組中，通道可以有充分的更大的長度。每組的通 道和介于組之間的每個圓周形延伸通道或廊道的最小的橫截面尺寸不小 于粉末的最大顆粒尺寸的三倍。
從噴嘴流出的粉末流形成一個合并流。無論如何，流體在使用的加 工件上聚為一個焦點。其特別接近或稍大于從中心通道發(fā)出的激光束的
幾何焦點，如/人-lmm到+6mm。
從噴嘴流出的粉末流可以通過環(huán)繞在噴嘴第二末端形成的圓錐形鍥 狀凹槽修正。這樣的 一個凹槽能夠生成一個粉末流的收縮圓錐形帷幕， 同時避免了任何垂直的邊緣暴露在反射的激光中。鍥狀凹槽能夠減少粉 末的整體速度并使其盡可能的被送到溶解池中。凹槽能夠減少粉末和在 噴嘴第二末端的噴嘴的局部熱量，因此避免了熔融的粉末堵塞噴嘴和噴 嘴本身的損壞。同樣，當(dāng)粉末流向熔融池時，鍥形凹槽能夠產(chǎn)生更均勻 的(均勻分布)粉末流通過激光束，凹槽使最初分開的粉末流合并在一 起，如，形成一個單一聚焦的圓錐形帷幕或片狀粉末。這導(dǎo)致一個更明 確定義的和聚焦的及更好保護的氣體和粉末流。
當(dāng)出口和在出口結(jié)束的一組通道形成于噴嘴內(nèi)套管的外表面中時， 鍥形凹槽通過環(huán)繞內(nèi)套管的周邊形成的斜面而形成。當(dāng)內(nèi)套管的外表面 呈錐形到噴嘴的第二末端時，該斜面這樣以形成末端邊緣，該末端邊緣
帶有相對于外表面的主軸延伸方向的錐角增加的錐角。該排列是這樣的， 在末端邊緣的軸線延伸方向上，內(nèi)套管的外表面從外套管的內(nèi)表面偏出，以形成V形射狀橫斷面的環(huán)形槽。該排列是這樣的，出口位于凹槽的內(nèi)
部范圍(即在v形的頂點)，隨著該組的通道向出口延伸而深度降低，如
到零深度。
同樣很好理解，對于一個高效的覆層工藝，將粉末聚焦在激光熔融 池的半徑之內(nèi)是必要的。然而，只要適當(dāng)?shù)募す獍咧睆皆诮饘侔迳巷@示， 為什么不能在激光焦點的任一側(cè)進行覆層是沒有理由的。激光斑點僅取 決于聚焦透鏡和加工件之間的距離，且噴嘴的物理長度必須與此保持一 致，除非透鏡本身能夠根據(jù)粉末焦點進行移動。
如果根據(jù)需要使該噴嘴更容易在有限的空間內(nèi)使用，本發(fā)明噴嘴能 夠更緊湊。然而，該噴嘴也適合大規(guī)模的制造以整合到大主流尺寸激光 覆層頭中。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在結(jié)合附圖進行說明，其中 圖1示意說明已安裝在激光傳輸頭出口末端的本發(fā)明的噴嘴； 圖2顯示的為軸向截面的本發(fā)明噴嘴的第一實施方案； 圖3和圖4顯示圖2噴嘴部件的剖視圖； 圖5是限定在圖2所示噴嘴的部件之間的流道示意圖； 圖6至圖8分別與圖2至圖4相對應(yīng)，^旦顯示為本發(fā)明噴嘴的第二實施 方案；
圖9是圖2-4實施方案噴嘴的端視圖IO是圖9噴嘴的一個部件的透視圖，但是從相對的末端觀察； 圖11相應(yīng)于圖6，但顯示為本發(fā)明噴嘴的第三實施方案； 圖12顯示為在^f吏用中的圖6至圖8的噴嘴； 圖13顯示為改良后的、正在使用中的圖12的噴嘴；和 圖14為具有圖13噴嘴中的改良的如圖6至圖8所示的噴嘴。
具體實施例方式
參考圖1,是本發(fā)明噴嘴10的示意圖。所示的噴嘴10為已安裝在適于激光覆層工件W的設(shè)備中的激光傳輸頭12的出口末端。圖1示圖用于 說明噴嘴10和激光頭12廣義上的結(jié)合。圖1的簡化示圖示出了噴嘴IO, 其作為一個完整的單元通過鎖環(huán)14固定到頭12的出口末端。然而，頭 10優(yōu)選包括一個組件的出口部件，該組件還包括一個管狀主體，如隨后 所描述的。這樣一個組件是希望的，由于它能夠使出口部件進行變化以 滿足具體的覆層應(yīng)用的需要。
激光頭12限定了一個鉆孔16, —個激光束18 (其來源沒有顯示)能 夠從其中發(fā)出。靠近頭12的出口末端，有一個光束18能夠乂人中穿過的 窗口 20。 /人窗口20向內(nèi)，頭12有一個透鏡22,通過它光束18能夠在 向外遠(yuǎn)離頭12末端的焦點F處形成一個焦點。噴嘴10限定一個激光束 18能夠從中通過的中心通道24。通道24與激光束相似呈錐形，但帶有 一個環(huán)繞光束18的環(huán)狀間隙。焦點F超出遠(yuǎn)離頭12的噴嘴10的末端一 小段距離，能夠在或接近焦點F處對加工件W的表面覆層。通常實際在 超過焦點F處覆層，但能夠在焦點F處或其前面進行^1層。
圖1的裝置顯示了連接器26、 28a、 28b和29。連"^妄器26與通道24 相連接，并能夠與提供的保護氣體相連，使氣流按照箭頭G所示的方向 沿著通道24流向工作件W。保護氣體用于在覆層過程中避免熔融金屬發(fā) 生氧化，取決于氣體，它更夠抑制靠近工作件W的表面形成乳漿并分散 該形成的乳漿。盡管由于氬氣的價格低廉而經(jīng)常使用氬氣，但氦氣是用 于該目的的優(yōu)選保護氣體。連接器28a、 28b分別用于通過一個環(huán)繞通道 24的冷卻器加套的冷卻劑流，通常是水。如箭頭C所示的冷卻劑流用于 冷卻噴嘴10。連接器29能夠提供來自適宜來源的載運氣體夾帶的細(xì)合金 覆層粉末。在從環(huán)繞激光束18的噴嘴10流出之前，如箭頭P所示，該 4分末流在噴嘴10內(nèi)，相對于通道24向外流動。
覆層粉末是一種適宜在加工件W上進行所需覆層的組合物。如果覆 層用于重建石皮損部分，該粉末組合物可以與加工件完全相同，如果該;fl 層用于提供相對于加工件W的不同特性，如耐磨，該粉末組合物可以是 不同的組合物。運載氣體優(yōu)選和保護氣體相同，在任何情況下，它都應(yīng) 該補充而不是抵消保護氣體的用途。在加工件W的覆層中，激光束18熔融從噴嘴1G流出的粉末和加工 件W的表面。兩種熔融的材料結(jié)合形成一種固化的膜衣，提供一個構(gòu)建 在加工件W上的熔覆層。
在已知的裝置中，設(shè)置具有圓形橫截面的錐形腔室，以使粉末流沿 著噴嘴10流動。然而，噴嘴10不是這樣的腔室，而是一個具有多旁3各 縱向延伸的通道排列的流道系統(tǒng)，并從靠近連接器29的入口向在噴嘴10 出口末端處環(huán)繞通道24的多個出口延伸。隨后將參考圖2至圖12對該 系統(tǒng)進4亍i兌明。
在圖2中，顯示的為本發(fā)明噴嘴32。噴嘴10的部件為圖3和圖4 所示。然而，在圖2中示出了作為噴嘴組件30的一部分的噴嘴32,該組 件也包括管狀主體34。組件30的噴嘴32和主體34通過鎖環(huán)35以首尾 相連的方式固定在一起，鎖環(huán)35通過螺紋連接至主體34，以將由緊鄰的、 噴嘴32的第一末端限定的外圍法蘭36 (參考圖4)固定到主體34上。 噴嘴32和主體34之間的銷釘37確保他們以正確的角度連接。組件30 顯示為通過另一個螺紋連接在頭38上的鎖環(huán)39而安裝到激光傳輸頭38 的出口末端上，并將主體34界定的外圍法蘭40固定到激光頭38上。
激光傳輸頭38限定一個鉆孔42, —個激光束(沒有示出)能夠從中 發(fā)出并通過組件30。在頭38的末端有一個光束能從中穿過的窗口 43。 同樣，窗口43的上游，頭38有一個透鏡(沒有顯示)，它能夠使激光束 在超過遠(yuǎn)離的、噴嘴32的第二末端的較短距離處形成焦點。從頭38,聚 焦的激光束穿過組件30限定的錐形中心通道44,并帶有由主體34和頭 32限定的通道44的各自部件44a和44b。
組件30有連接器46、 48a、 48b和49,它們分別與圖1中的噴嘴10 的連接器26、 28a、 28b和29相對應(yīng)。這樣，連接器46能夠使所接受的 來自供應(yīng)器(沒有顯示)的保護氣在從噴嘴32的第二末端流向加工件W 之前，沿著中心通道44流動。連接器48a和48b能使冷凝劑，如水，流 動穿過由主體34限定的冷凝劑夾套50。冷卻劑冷卻主體34,由此帶走 熱能并冷卻噴嘴32。在粉末流出噴嘴32的第二末端之前，連接器49能 夠提供保護氣體攜帶的細(xì)合金覆層粉末并使其沿著噴嘴32從中心通道44的部件44b向外流動。
噴嘴32有圖3所示的內(nèi)套管52和圖4所示的外套管54。每個套管 52和54與主體34形似，為垂直于穿過組件30和激光頭38的縱軸線X-X 的環(huán)形橫截面。每個套管52和54為圓錐形狀，從噴嘴32第一末端的法 蘭36到第二末端呈錐形。套管52和54的墻壁厚度降低直到第二末端。 同樣，套管52的外表面和套管54的內(nèi)表面以基本相同的夾角逐漸變細(xì)， 這樣噴嘴32固定在主體34上，這些表面緊密接觸。
噴嘴32限定一個流道系統(tǒng)，通過連接器49接收的細(xì)合金覆層粉末 能夠沿著它流向并流出噴嘴32的第二末端。流道系統(tǒng)具有一個多旁路的 縱向延伸的通道排列，其從或接近噴嘴32的第一末端延伸到在噴嘴32 第二末端環(huán)繞通道44的部件44b的被隔開的多個出口。圖2-4裝置中， 通道由外套管54的內(nèi)表面與位于內(nèi)套管52相對的外表面內(nèi)的凹槽而形 成。
噴嘴32有兩個完全相對設(shè)置的入口 56。每個入口 56包括一個從在 噴嘴32第一末端的套管52的端面開始延伸的短通道，其傾斜向外到套 管52的外表面。如圖3所示，入口 56的外端終止于在套管52外表面中 形成的第一圓周形凹槽57。在套管52的外表面中形成的第二圓周形凹槽 58距離凹槽57有一較短的距離。在凹槽57和58之間，在套管52中形 成兩對縱向的凹槽59,每對凹槽59分別以約45°的角度向各自的進口 56 的各自一側(cè)擴展。從凹槽58和噴嘴的第二末端，有4對縱向的凹槽60, 每對凹槽60分別以約22. 5°的角度向各自的一個凹槽59的各自一側(cè)擴 展。凹槽59和60優(yōu)選在含有軸X-X的各自平面中。
內(nèi)套管52外表面中的凹槽57、 58、 59和60被外套管54的內(nèi)表面 所覆蓋。這樣，內(nèi)表面和凹槽57-60中的每個凹槽限定如圖2所示的相 應(yīng)通道作為通道57a、 58a、 59a和60a。每個通道60a在噴嘴32第二末 端的各自出口 62處結(jié)束。從四對凹槽60的成角度的布置可以理解，通 道60a,八個出口 62在噴嘴32第二末端環(huán)繞中心通道44并被均勻的隔 開。
通過連接器49提供的運載氣體攜帶的合金粉末沿著主體34內(nèi)的通道63軸向通過并到達(dá)弧形通道64,該通道64由主體34端面中的凹槽以 及噴嘴32的相鄰端面限定，其中噴嘴32固定在主體34上。通道64周 向延伸約180°,使得在其每個末端，通道64在噴嘴32第一末端與各自 入口 56相連。這樣，從通道64,攜帶粉末的氣體能流動穿過流道系統(tǒng)， 該流道系統(tǒng)包括噴嘴32的通道57a、 58a、 59a和60a,最后流出出口 62。 在其穿過該系統(tǒng)的流動中，粉末進入每個入口 62后，在通道57a中以相 反的方向分成周向流動并到達(dá)用于入口 62的各對通道59a的每個通道。 粉末然后在四個通道59a中的每個通道中進行縱向流動并進入通道58a。 從每個通道59a開始，粉末在通道58a中分開以相反方向周向流動并到 達(dá)用于每個通道59a的每對通道60a的每個通道中。粉末然后在八個通 道60a的每個通道中進行縱向流動，作為各自流體從每個出口 62流出。 該流體離開出口 62仍以流體的形狀延伸，由于這一原因和出口 62之間 的相對接近角度的間隔，該流體基本形成了一個環(huán)繞軸X-X的圓環(huán)形壽分 末帷幕。然而，由于錐狀的噴嘴32,之后通道60a的聚集，流體在如圖 2所示的F處聚集成一個焦點。
圖5顯示的為圖2中噴嘴32的流道系統(tǒng)的形狀。顯示了系統(tǒng)65,如 同粉末已在其中合并，然后已將內(nèi)套管和外套管取走。然而，流道系統(tǒng) 65的各部件使用與相應(yīng)的圖2-4中所使用的附圖標(biāo)記相同。
圖5所示的流道系統(tǒng)65包括一個旁路的、縱向延伸的通道排列，其 從一個進口延伸到多個出口。系統(tǒng)65事實上有兩個入口通道56。被運載 氣體夾帶的細(xì)合金粉末能夠從供應(yīng)源穿過入口通道56。如虛線輪廓所示， 供應(yīng)物通過連接器49,沿著通道63并環(huán)繞位于主體34內(nèi)的弧形通道64。 系統(tǒng)65進一步包括被縱向隔開的圓周形的第一和第二凹槽57和58,每 個進口 56在直徑相反的位置與凹槽57相連。凹槽57與凹槽58通過第 一組四個縱向延伸的凹槽59相連接，凹槽59相互之間以周向90°的間隔 相隔開。,人凹槽58，第二組八個縱向延伸的凹槽60通向八個出口 62。 凹槽60相互之間以45°的角度均勻隔開，且與第一組的凹槽59之間以 22. 5°間隔偏移。
如圖2-4所示，入口通道56傾斜延伸穿過內(nèi)套管52,從第一末端到套管52的外表面。凹槽57、 58、 59和60形成在套管52的外表面內(nèi)。 凹槽57-60的橫斷面為U形，當(dāng)被外套管覆蓋時，形成具有D形橫斷面 的通道。如前面所顯示的，通道56和由凹槽57-60形成的每個通道的最 小橫斷面尺寸不小于從中通過的粉末的最大顆粒直徑的三倍。相同的最 小橫斷面尺寸也適用于通道56的粉末供應(yīng)通道上游，包括連接器49和 通道63和64。
隨著粉末通過圖5所示的流動系統(tǒng)65的流動，4分末從兩個入口通道 56的每一個流入第一圓周形凹槽57。在凹槽57內(nèi)，來自每個通道56的 粉末以相反的圓周方向流動，以環(huán)繞其全部圓周長度完全充滿凹槽57。 從凹槽57,粉末流進并沿著第一組四個的每個凹槽59，到達(dá)第二個圓周 形凹槽58。再次，來自每個凹槽59的流體在凹槽58中以相反的圓周方 向完全充滿凹槽58。來自凹槽58的粉末流進并沿著第二組八個的每個凹 槽60,從各自出口 62^卜出。
凹槽57和58是周向連續(xù)的并^皮粉末完全充滿，作為優(yōu)選，每個凹 槽57和58的部分顯示為虛線輪廓。這是突出用于周向連續(xù)凹槽的主要 粉末流通通道，也表示了一種可選擇的排列，其中凹槽57和58是周向 不連續(xù)的。因此，隨著周向連續(xù)的凹槽57和58,每個通道56在凹槽57 的中部開口，且位于各對凹槽59的開口之間。來自每個凹槽56的主要 流體環(huán)繞凹槽57并到達(dá)比例基本相等的各對的每個凹槽59。同樣，每個 凹槽59在凹槽58的中部開口，且位于凹槽60的各對開口之間。因此， 來自每個凹槽59的主流環(huán)繞凹槽58并到達(dá)也是比例基本相同的各對的 每個凹槽60。因此，當(dāng)如虛線輪廓所示的每個凹槽57和58的部分將充 滿粉末時，這些部分稍微有助于主要粉末流通道。因此，參考上述可選 擇的排列，如虛線輪廓所示的部分可被忽略，以形成周向不連續(xù)的凹槽 57和58。
圖6-8所示的本發(fā)明第二實施方案的噴嘴，組件和激光傳輸頭。圖 6-8的裝置相對應(yīng)于圖2-4的擴大的部件。這樣相應(yīng)的部件用相同的附圖 標(biāo)記并加100,該描述限于說明不同于圖2-4的圖6-8的實施方案。
在圖6-8中，噴嘴132顯示為具有從圓柱形第一末端開始延伸的第一部件，和從第一部件到噴嘴132第二末端呈錐形的第二部件。當(dāng)套管 154的錐形部分在向著第二末端的方向上墻壁的厚度沒有降低時，同樣適 用于每個內(nèi)套管152和外套管154。同樣，噴嘴132的圓柱形部分為稍孩吏 超過在第一、第二末端之間的噴嘴132長度的一半，凹槽158和此時通 道158a位于圓柱形和4,形部分的交界處。這樣，凹槽158和通道158a 與凹槽157和通道157a進一步被隔開，各自分別與圖2-4的特征相對應(yīng)， 而凹槽159和通道159a相對于軸X-X不傾凍牛。
噴嘴132通過鎖環(huán)135安裝到主體134上，以形成組件130。同樣， 組件130通過鎖環(huán)139安裝到激光傳輸頭138上。除了提到的噴嘴132 的不同之外，組件130和頭138基本與圖2-4所示的相應(yīng)部件相同。同 樣，包括通道157a、 158a、 159a和160a的流道系統(tǒng)所起的功能基本如 對圖2-4的系統(tǒng)的說明，以用于提供至入口 156的合金粉末流向出口 162。
圖9顯示為根據(jù)圖2-4的噴嘴32的噴嘴第二末端的軸向視圖。示出 了以相同的角度排列的出口 62,以及套管52和54的各自環(huán)狀末端。出 口 62顯示的為凹槽60的橫截面形狀，其可與凹槽57、 58和59的形狀 一致。凹槽可以為例如，約0. 4ram-l. 5mm的深度和約l-2mm的寬度的范 圍以用于長度為40mm-60mm的噴嘴32。然而，在粉末的分枝流的各個階 段的流向上，其橫截面能夠從一個凹槽到另一個凹槽減小。
圖10顯示的為圖2-4的噴嘴32的外套管54的內(nèi)部，是乂人法蘭36 所在位置的第一末端的視圖。套管54的內(nèi)表面顯示了由于合金粉末沿著 流道系統(tǒng)的通道流動造成套管54表面磨損而形成的4分末軌跡。該軌跡通 過用進口的和各自凹槽的附圖標(biāo)記加尾字母"c，，以區(qū)別。注意的是，凹 槽57和58為圓周性連續(xù)。盡管這樣，凹槽57中的粉末流僅環(huán)繞介于每 個凹槽56和各對的凹槽59之間的凹槽57的部分。同樣，凹槽58中的 粉末流僅環(huán)繞介于每個凹槽59和各對凹槽60之間的凹槽58的部分。
圖ll顯示的為噴嘴，其內(nèi)外套管所用的術(shù)語與圖6-8中噴嘴132的 完全相同。相應(yīng)的組件因此用相同的附圖標(biāo)記加100。這樣，圖11的噴 嘴232分別有內(nèi)外套管252和254。套管252限定凹槽，該凹槽與套管 254 —起形成通道257a和258a，每一個通道包括圓周形廊道，也形成縱向通道259a和260a。噴嘴232通過鎖環(huán)235安裝在主體234上以形成組 件230,該組件可裝在激光傳輸頭上(沒有顯示)，激光束能夠從中穿過 組件230。
鎖環(huán)235為加長形狀，與噴嘴232的圓柱形的第一部分同軸。在噴 嘴232的圓柱形和錐形部分的交界處，環(huán)235箍在由套管254限定的肩 上。環(huán)235保留一個環(huán)繞噴嘴232的圓柱部分的密封套管66。
圖11的噴嘴232和圖6-8的噴嘴132之間的主要不同是，提供了一 個最外端的套管或罩70。套管70的圓柱形部分70a螺旋連接到接近噴嘴 232的出口末端的環(huán)235的末端。超過環(huán)235的末端，套管70有一個》文 射狀的向內(nèi)延伸的法蘭70b，并且從法蘭70b的內(nèi)部周圍延伸，套管70 有圓錐形部件70c,該部件70c到噴嘴232的第二末端呈錐形。關(guān)于外套 管254，噴嘴70在法蘭70b和環(huán)232的鄰近端之間限定了 一個環(huán)狀腔室 72,從腔室72延伸，圓錐形環(huán)狀空隙74在噴嘴232的第二末端或出口 處開口。
密封套管66環(huán)繞套管254的外部周邊;f隻蓋凹槽76切口 ，以形成一 個環(huán)狀腔室77。能將供應(yīng)的保護氣(也優(yōu)選氬氣)從入口 (沒有顯示) 送到腔室77。從腔室77,氣體能夠通過套管254內(nèi)形成的端口 78,環(huán)繞 腔室72并沿著空隙74流動。
如同由中心通道224流出的氣體，和/人通道260a的出口末端流出的 運載氣體一樣，從空隙74流出的氣體能夠保護被加熱的粉末和熔融的金 屬不被氧化。然而，在每種情況下，氣體有更重要的功能。在氣體從空 隙74流出時，進一步的目的是提高來自噴嘴232的粉末流的形狀和完整 性。如果沒有從空隙74流出的氣體，粉末流將暴露并沖撞周圍的大氣， 產(chǎn)生的剪力導(dǎo)致形成渦流和湍流，其降低了粉末流的形狀和完整性。通 過適宜相稱的粉末的流速和從空隙74流出的環(huán)繞粉末的氣體，渦流和湍 流能夠大大的減少或有效的消除。這樣就能夠形成完全更好的層狀粉末流。
圖12顯示的為從與圖6-11所示的噴嘴132相應(yīng)的噴嘴中噴出的粉 末。所顯示的噴嘴為水平方向放置的，盡管水平方向噴出，可以看出粉末流在所示出的相當(dāng)長的距離上抵制住了重力的影響。該噴嘴能夠在任 何方向上形成類似的粉末流，包括在垂直向上方向上。顯示噴嘴從每個
流道出口末端形成各自的粉末流。然而，距噴嘴出口末端一小"a距離， 可以看到流體的合并，它們聚集成一個焦點，以提供一個粉末流的環(huán)狀帷幕。
將用于圖12第一個示例中的噴嘴進行改進，然后用于圖13所示的 試驗中，以評估在兩種稍微不同的情況下的粉末流的形狀。在圖14中對 改進進行了說明，其顯示的為放大比例的噴嘴出口末端部分。如同圖12 的噴嘴(即改進前的圖13的噴嘴)與圖6-8的噴嘴132相對應(yīng)，圖14 的噴嘴與圖6-8中使用的附圖標(biāo)記相同。
在圖14中，噴嘴132的內(nèi)套管152具有從其第一末端開始延伸的圓
柱形的第一部分，和^v第一部分到第二末端呈錐形的第二部分。然而，與
圖6-8固定的錐形相比，由于錐形終端部分80比主體部分的錐角增大， 錐形部分有兩個錐臺區(qū)。錐形部分80則是這樣的，通道160a的深度沿 著一部分80逐漸減少，到達(dá)噴嘴的第二末端實際為零深度。然而，外套 管154全部具有相同的錐度。由于這個原因，套管154和套管152的部 分80在其間形成了環(huán)狀間隙82。間隙80為具有放射狀橫截面的楔形，
且其在噴嘴的第二末端處增加到其最大的放射寬度。
回到圖13,如圖14中改進的，噴嘴的兩個示例顯示4分末流為包含一 個內(nèi)聚的、基本統(tǒng)一的環(huán)狀或帷幕流。這與圖12中當(dāng)粉末從噴嘴第二末 端流出時的分離的流體形成明顯的對比。除了提供這種改進的粉末流外， 套管152的雙錐形使得噴嘴132易于安裝和拆卸。盡管圖13的每個示例 顯示為豎直向下的噴嘴，但是流體的形狀在所有方向上都能得到保持。
圖13中兩種示例的條件的不同在于，供給氣體沿著激光能夠從中穿 過的中心通道的流速。圖13右面的噴嘴示例是在使用了比左邊的噴嘴示 例所用的沿著中心通道的更高的氣流速度的條件下形成的。將要指出的 是，在更高氣流速度下，氣體流的焦點超過噴嘴第二末端更遠(yuǎn)?？梢园l(fā) 現(xiàn)控制沿著中心通道的氣流的速度有助于很好的調(diào)節(jié)相對于激光束焦點 位置的粉末流焦點的位置。本發(fā)明的噴嘴進行一些變化是可能的。這樣，圖ll所示的最外端的
套管或罩70能夠與圖2-4中所用的噴嘴32 —起^f吏用。同樣，圖2-4的 噴嘴32和圖11的噴嘴可以參考圖14所描述的方式進行改進，以具有更 尖的錐形末端部分。
當(dāng)4^供一個更尖的錐形末端部分，如，圖2-4的噴嘴32或圖6-8的 噴嘴132的改進形狀時，錐形可以為圖14中所示的部分80。也就是，在
更尖錐形末端部分的長度上，內(nèi)套管中的凹槽的深度在噴嘴的第二末端 可以減少到零深度。然而在這種變化中，凹槽可以從噴嘴第二末端上游 的 一 小段距離就降為零深度。發(fā)現(xiàn)這樣對于縮小末端的銳緣是特別有益 的，因此減少了熱量的聚集。這樣，粉末在第二末端粘合噴嘴的風(fēng)險降 低了，因而相應(yīng)降低了噴嘴堵塞的可能性。
本發(fā)明噴嘴不需要加工件表面處于水平方向就能夠提供覆層。即， 可在任何所需方向上使用噴嘴的能力從根本上提高了進行覆層處理的自 由度。當(dāng)這與非常小尺寸噴嘴的能力相結(jié)合無須犧牲在所需方向上的簡 易操作，且與能與適當(dāng)?shù)募す饧夹g(shù)，如M: YAG和激光二級管技術(shù)一起 使用的能力相結(jié)合時，它可以適用于許多情況下在現(xiàn)場進行覆層操作。 通過舉例的方式，對于電站操作者的主要問題是替換或修復(fù)損壞的低壓 渦輪機葉片的成本。葉片本身非常昂貴，由于還要停工進行它們的替換 和修復(fù)。通常，葉片必須移開以進行修復(fù)，而本發(fā)明噴嘴能夠在現(xiàn)場、 原址上進行修復(fù)，減少了必要的用于修復(fù)的停工時間。節(jié)約成本的潛能 是非常大的，它產(chǎn)生了每個葉輪的更低成本并減少了停工時間。
最后，可以理解的是，可以將各種的變化、改進和/或增加引進到以 上所描述部件的結(jié)構(gòu)和排列中而沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于激光覆層傳輸頭的粉末傳輸噴嘴，其特征在于，所述噴嘴包括一個位于外套管內(nèi)的內(nèi)套管，所述內(nèi)套管具有與外套管的內(nèi)表面接觸的外表面；其中內(nèi)套管限定一個從噴嘴第一末端到第二末端延伸的中心通道，所述中心通道能使激光束從第一末端沿著軸線通過噴嘴；套管沿著它們的接觸表面，共同限定一個流道系統(tǒng)，沿著所述流道系統(tǒng)，細(xì)金屬合金粉末能夠從中通過并從噴嘴第二末端流出；該噴嘴在遠(yuǎn)離第二末端的位置，有一個入口，通過所述入口，可以將運載氣體夾帶的細(xì)粉末供給流道系統(tǒng)，以流向并流出噴嘴的第二末端；所述流道系統(tǒng)有一個多旁路的縱向延伸的通道排列，所述通道排列從入口延伸到在或接近噴嘴第二末端處環(huán)繞中心通道的被隔開的多個出口；其中所述通道排列包括每個通道都從入口向噴嘴第二末端延伸的第一組通道和每個通道都從第一組向噴嘴第二末端縱向延伸的第二組通道，所述第一組通道與第二組通道有角度的偏移，且第一組的每個通道通過圓周形延伸的通道或廊道與第二組的兩個通道相連，使得來自從第一組每個通道的粉末流能夠通過第二組的兩個通道。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述第二組的每個通 道延伸至噴嘴的多個出口中的一個。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴嘴，其特征在于，具有從第二組通道開 始延伸的第三組通道，且第二組的每個通道通過圓周形延伸的通道或廊 道與第三組的兩個通道相連，可選擇地具有從第三組通道開始延伸的第 四組通道，且第三組的每個通道與第四組的兩個通道相連，其中第三組 的每個通道或，如果提供，第四組的每個通道，延伸至噴嘴的多個出口 中的一個。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的噴嘴，其特征在于，所述多個出口環(huán) 繞所述噴嘴的軸線基本均勻地分布，而至少延伸到出口的該組的通道環(huán) 繞噴嘴軸線分布。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的噴嘴，其特征在于，相銜接的 各組通道的通道通過圓周形連續(xù)的通道或廊道相連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的噴嘴，其特征在于，相銜接的 各組通道的通道通過圓周形不連續(xù)的系列通道或廊道相連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的噴嘴，其特征在于，每組的每 個通道基本平行于含有噴嘴軸線的各自平面，并通過圓周形伸展的且與 垂直于噴嘴軸線的平面平^f于的通道或廊道與下一組的兩個通道相連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述噴嘴 適于在其第一末端與激光傳輸頭相連接，來自所述激光傳輸頭的激光束 能沿著中心通道穿過，并適于提供沿著中心通道流動的保護氣體。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述噴嘴 在其第一末端可拆卸地連接到管狀主體的末端以形成噴嘴組件，且所述 主體在其另 一端可拆卸地連接到激光傳輸頭，來自所述激光傳輸頭的激 光束能穿過主體的中心通道和噴嘴的中心通道。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴嘴，其特征在于，所述主體限定一個 冷凝水能夠流動并冷卻噴嘴的水套，其中所述主體有一個能夠使從供給 處來的保護氣體通過主體的中心通道的連接器，和一個能夠使從供給處 來的運載氣體夾帶的細(xì)金屬合金粉末流過噴嘴的流道系統(tǒng)的連接器。
11、 才艮據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述噴 嘴有4個到最多約32個出口。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述第 一組有4個通道，所述第二組有8個通道。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述內(nèi) 套管的外表面和外套管的內(nèi)表面呈錐形到噴嘴的第二末端，越過在第二 末端結(jié)束的這些表面的軸線延伸的至少一部分。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13的噴嘴，其特征在于，所述內(nèi)套管的外表面和 外套管的內(nèi)表面在從接近噴嘴第 一末端的軸線延伸的第 一部分呈圓柱 形，此后的表面到噴嘴的第二末端呈圓錐形。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的噴嘴，其特征在于，所述外套管的外表面與外套管的內(nèi)表面的整體形狀一致。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述套 管的表面具有垂直于噴嘴軸線的環(huán)形橫截面。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述流 道系統(tǒng)由凹槽限定，所示凹槽形成于與外套管的內(nèi)表面相連的內(nèi)套管的 外表面中。
全文摘要
一種用于激光覆層傳輸頭(38)的粉末傳輸噴嘴(32)，包括內(nèi)、外套管(52，54)。內(nèi)套管(52)限定一個能夠使激光束沿著噴嘴軸線通過的中心通道。套管(52，54)限定一個多旁路的縱向延伸的粉末流道系統(tǒng)(52，57，58，59，60，62)。該系統(tǒng)(52，57，58，59，60，62)包括第一組通道(59)，和第二組通道(60)，且第一組通道(59)與第二組通道(60)有角度的偏移。第一組的每個通道(59)通過圓周形通道或廊道(58)與第二組的兩個通道(60)相連接，使得來自第一組的每個通道(59)的粉末通過第二組的兩個通道(60)。相同形式的連接能夠用于任意其它組。
文檔編號B23K26/14GK101291772SQ200680038456
公開日2008年10月22日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者米蘭·布蘭特, 詹姆斯·戈登·哈里斯 申請人:五金有限公司