專利名稱：孔式同軸激光熔覆噴嘴的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光熔覆技術，具體是孔式同軸激光熔覆噴嘴。
背景技術：
激光熔覆是用高能激光束把特定的金屬粉末熔化并與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，賦予表面層優(yōu)異的耐磨、抗蝕等性能。在激光熔覆過程中粉末的送給方式非常重要，直接影響到熔覆層的性能。目前的方法主要有預涂、側(cè)向送粉和同軸送粉等。預涂法需要在激光熔化前把粉末用粘結(jié)劑粘涂在工件表面，然后激光熔化，缺點是工序復雜，容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。在激光照射過程中，由于激光要先熔化預涂的粉末，然后才是基體，基體對表層的稀釋率難于控制。側(cè)向送粉可實現(xiàn)粉末和基體同時熔化，但激光束與送給的粉末作用區(qū)重合程度不易控制，容易出現(xiàn)偏離，在激光熔覆過程中不易保證質(zhì)量，一般粉末利用率偏低。同軸送粉可以解決這些問題，激光與粉末同軸送給，可通過調(diào)整激光聚焦點，使之與粉末的匯聚點相重合，得到最大的粉末利用律和最小的稀釋率。目前同軸送粉已有環(huán)形間隙噴嘴，其缺點是當激光頭傾斜，尤其是大角度傾斜時(如大于90度)，粉末由于重力作用會出現(xiàn)偏聚。孔式噴嘴可以實現(xiàn)同軸和粉末聚焦與激光聚焦重合，但在大角度傾斜時仍然可保持粉末的均勻性。尤其適合噴嘴不是在與工件垂直位置的激光熔覆工藝。另外，此噴嘴還可以用來進行新材料合成，讓不同的粉末材料通過不同的孔送到熔池，進而實現(xiàn)材料的合成。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種孔式同軸激光熔覆噴嘴，實現(xiàn)粉末會聚點與激光聚焦點同軸并重合；在激光頭傾斜時(90-180度)，仍能保持送出的粉末各向均勻。
本實用新型的孔式同軸激光熔覆噴嘴由噴嘴芯、調(diào)節(jié)套、連接套依次通過螺栓連接構(gòu)成；噴嘴至下而上接有冷卻水進、出水管各一條，進粉管三至六條，保護氣管一條；噴嘴芯為錐形，中部為一錐孔，為激光束及保護氣通道。沿錐孔周向均布了三個或六個小孔，為粉末通道。粉末在載送氣體的作用下通過此小孔匯聚于噴嘴前端，與激光束焦點保持所需的相應距離(離焦量)，亦可調(diào)整至于光束焦點重合。
噴嘴芯內(nèi)腔嵌有水冷套，二者之間的間隙構(gòu)成直接冷卻噴嘴芯的水冷通道。
調(diào)節(jié)套包括內(nèi)套及外套，內(nèi)套上部設有保護鏡片及密封圈，孔壁上開有保護氣入口。此部分能實現(xiàn)對離焦量進行無級調(diào)節(jié)，并可將粉末隔離在聚焦鏡片之外。
連接套可根據(jù)不同尺寸的激光頭或不同焦距的鏡片進行更換，提高本發(fā)明的通用性。
水冷套中部設有凸緣，具有環(huán)型隔板作用，此結(jié)構(gòu)可促使冷卻水首先沿下環(huán)充分流動，冷卻噴嘴芯，再通過隔板與噴嘴芯之間的縫隙流向出水管，避免了冷卻水路出現(xiàn)“短路”現(xiàn)象。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點(1)可以采用同軸陣列小孔送粉，有效地克服了噴嘴在大傾角熔覆時由于重力作用出現(xiàn)的粉末偏聚現(xiàn)象，確保粉末聚焦的均勻性。能夠便利的實現(xiàn)同時輸送不同的粉末，進而實現(xiàn)材料的合成。
(2)噴嘴下緣端面的錐狀設計，能夠提高粉末的利用率，同時能起到反射激光的作用，保護激光噴嘴。水冷通道的設計可直接冷卻噴嘴芯，結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效果好。采用保護鏡片隔離粉末預聚焦鏡片，有效地使了聚焦鏡片免受污染。
(3)粉末匯聚點相對于激光焦點的相對位置不僅可垂直無級調(diào)整，且可進行徑向調(diào)整，操作便捷。
(4)可更換的上部連接套確保了噴嘴對于不同外形尺寸的激光頭或不同焦距的鏡片，具有良好的通用性。
(5)結(jié)構(gòu)簡單合理。


圖1是本實用新型孔式同軸激光熔覆噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的I局部放大圖。
圖中各部件編號1-噴嘴芯，2-水冷套，3-進水管，4-出水管，5-鎖緊螺栓，6-滑座內(nèi)套，7-滑座外套，8-法蘭蓋，9-鎖緊螺栓，10-法蘭，11-連接套，12-鎖緊螺釘，13-保護鏡片，16-保護氣。
具體實施方式
如圖1、2所示，首先，噴嘴的上部為連接套11，直接與激光頭相連。不同尺寸的激光頭可配置相應尺寸的連接套，適用性強。連接套與中部調(diào)節(jié)套的連接是通過件7、8、10以及螺栓9、12實現(xiàn)的。當光束因各種原因出現(xiàn)偏移時，微調(diào)螺栓9、12，還可調(diào)整噴嘴相對于激光束的徑向位置，保證光束始終從噴嘴中心通過。
下部噴嘴芯由件1噴嘴芯及件2水冷套組成，并通過件14螺栓與與件6固連。噴嘴芯中部為一錐孔，提供激光束通道。沿錐孔周向均布了三個或六個小孔，小孔的夾角為50°，粉末在載送氣體的作用下通過此小孔匯聚于噴嘴前端，與噴嘴下緣距離為6-12毫米，聚焦點的尺寸為1.5-3毫米。件15為沿噴嘴芯外圓周向均布的六個獨立的送粉管入口，分別與各小孔直接相通。此結(jié)構(gòu)有效地克服了環(huán)形同軸送粉噴嘴在大傾角熔覆時由于重力作用出現(xiàn)的粉末偏聚現(xiàn)象，確保粉末聚焦的均勻性。且各小孔獨立送粉，能夠便利的實現(xiàn)同時輸送不同的粉末，進而實現(xiàn)材料的合成。小孔截面呈階梯狀，入口端直徑1.5mm，出口端直徑0.5mm，有利于提高粉末的匯聚效果。
噴嘴下緣端面呈錐狀，能夠?qū)⒉糠诛w散的粉末重新匯聚，提高粉末的利用率，同時能起到反射激光的作用，保護激光噴嘴。
由于熔覆時噴嘴受熔池及反射激光的強烈熱輻射作用，工作時溫度很高。為保護噴嘴，必須對其強制水冷。件2為水冷套，與噴嘴芯內(nèi)腔構(gòu)成水冷通道，直接冷卻噴嘴芯。如附圖2所示，進水管3位于出水管4的下方，水冷套中部的凸緣設計起到了環(huán)型隔板的作用，該凸緣與噴嘴芯內(nèi)腔凹槽間有0.1mm的間隙。此結(jié)構(gòu)可促使冷卻水首先沿下環(huán)充分流動，冷卻噴嘴芯，再通過隔板與噴嘴芯之間的縫隙流向出水管，避免了冷卻水路出現(xiàn)“短路”現(xiàn)象。
噴嘴芯與中部調(diào)節(jié)套的連接是通過螺栓15鎖緊，滑座內(nèi)套6末端設計成燕尾型，在螺栓15鎖緊鎖緊力的作用下，實現(xiàn)噴嘴芯與滑座內(nèi)套的可靠連接?；鶅?nèi)套6可在滑座外套7內(nèi)沿軸向滑動進行調(diào)整和鎖定，實現(xiàn)粉末匯聚點與激光焦點進行徑向調(diào)整，使二者重合。采用滑套的連接形式可有效避免螺紋連接方式調(diào)整時各種管道相互纏的弊端。滑座內(nèi)套的上端設有保護鏡片13，在使用波長1.06微米的Nd:YAG激光和大功率半導體激光進行熔覆時，激光束可通過保護鏡片，而粉末則被隔離在保護鏡片之外，有效地保護了聚焦鏡片免受污染。在滑座內(nèi)套6孔壁上開有一螺孔14，此為保護氣體入口，由于滑座內(nèi)套的上端設有保護鏡片，保護氣體(氬氣或氮氣)將通過噴嘴芯的光束通道噴出吹向熔池，實現(xiàn)對熔池的保護。
采用單金屬粉末一般表面激光熔覆，有一定角度的側(cè)面乃至頂部的激光熔覆。
1、多種粉末同時送粉，新材料合成，可同時送出6種粉末2、波長1.06微米的Nd:YAG激光和大功率半導體激光3、反射聚焦的CO2激光主要技術指標1、噴嘴三孔、六孔2、粉末聚焦點的尺寸為1.5-3毫米，焦深2-4毫米3、粉末聚焦點與噴嘴下緣距離為6-12毫米(根據(jù)激光聚焦束尺寸可調(diào))
權利要求1.一種孔式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于由噴嘴芯、調(diào)節(jié)套、連接套依次通過螺栓連接構(gòu)成；噴嘴至下而上接有冷卻水進、出水管各一條，進粉管三至六條，保護氣管一條。
2.根據(jù)權利要求1所述的孔式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于噴嘴芯為錐形，中部為一錐孔，為激光束及保護氣通道；沿錐孔周向均布了三個或六個小孔，為粉末通道。
3.根據(jù)權利要求2所述的孔式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于噴嘴芯內(nèi)腔嵌有水冷套，二者之間的間隙構(gòu)成直接冷卻噴嘴芯的水冷通道。
4.根據(jù)權利要求3所述的孔式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于水冷套中部設有凸緣。
5.根據(jù)權利要求4所述的孔式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于調(diào)節(jié)套包括內(nèi)套及外套，內(nèi)套上部設有保護鏡片及密封圈，孔壁上開有保護氣入口。
專利摘要本實用新型涉及一種孔式同軸激光熔覆噴嘴，由噴嘴芯、調(diào)節(jié)套、連接套依次通過螺栓連接構(gòu)成；噴嘴至下而上接有冷卻水進、出水管各一條，進粉管三至六條，保護氣管一條。本實用新型實現(xiàn)粉末會聚點與激光聚焦點同軸并重合；在激光頭傾斜時，仍能保持送出的粉末各向均勻。
文檔編號C23C4/00GK2707773SQ20042004695
公開日2005年7月6日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者楊永強, 黃勇 申請人:華南理工大學