CN101643900A - 一种气帘保护式三维同轴激光送粉头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气帘保护式三维同轴激光送粉头，包括激光束；位于激光束外围，设置有带有进、出水接口的内腔水冷管的内腔冷却层；倒锥形空腔结构的载粉气流层，与聚焦激光束同轴；配有进粉接口的进粉管；位于载粉气流层外围的空腔结构的保护气层；位于保护气层外围的密封腔结构的外腔冷却层。本发明可为三维激光熔覆工艺提供合适的同轴汇聚粉；采用保护气帘，使载粉气流进行二次压缩，实现粉末的高度汇聚；载粉气流采用倒锥形汇聚，实现与激光束同轴聚焦，保证在斜面、立面及不同方向上进行三维激光熔覆工艺的实施；通过双冷却结构实现送粉头主体内外腔的冷却，保证送粉头稳定工作，避免热积累和局部烧损。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，具体是一种适合于激光熔覆工艺的合金粉末出粉的激光加工装置，通过双路水冷、气帘保护和四路送粉，实现送粉器输送的合金粉末均匀分配、定点聚焦和三维激光熔覆。
背景技术
激光熔覆技术是一种新型的加工制造技术，金属粉末及基材在激光束的辐照下同时发生熔化——凝固，达到冶金结合。激光熔覆的送粉方式可分为预置式和同步式，预置式激光熔覆是将熔覆材料预先添加在基体材料的表面，然后采用激光束辐射扫描熔化；同步式激光熔覆则是熔覆材料直接送入激光束中，供料和熔覆同步完成。同步送粉也有几种不同的类型，单侧送粉和同轴送粉，单侧送粉装置一般不采用辅助气体送粉，主要依靠粉末自重并辅以微振输送粉末，具有送粉精度高、送粉均匀和送粉范围大等优点。此种送粉的局限性在于送粉只是一个方向，这使得当加工面是平面时加工轨迹只能是一条直线，而不能走诸如圆、方形等这些曲线，无法实现二维或三维激光熔覆。而采用同轴送粉头，则克服了单侧送粉的缺点，能够在激光束外围先将粉末分散成环，然后再汇聚，将汇聚的粉末送入聚焦的激光束中，可实现二维激光熔覆工艺；但是，该同轴送粉头存在粉末汇聚性不高(利用率低)以及粉末流轴向刚度不足的问题，在实施三维送粉过程中，当激光束偏离竖直方向时，在出粉口至激光熔覆位置之间的粉末流呈抛物线状，送达激光熔覆位置的粉末不稳定，导致激光熔层不均匀，激光熔覆效果不佳。
发明内容
为了将合金粉末同轴送达激光聚焦后的合适位置，并满足三维激光熔覆的工艺要求，本发明设计一种带气帘保护的三维同轴激光送粉头。
本发明送粉头技术方案为五层结构，由内向外依次为激光束、内腔冷却层、载粉气流层，保护气层，外腔冷却层；具体结构如下：
激光束，从位于中部内嘴的内孔中央通过；
内腔冷却层，位于激光束外围，配有带进、出水接口的内腔水冷管；
载粉气流层，为倒锥形空腔结构，位于内腔冷却层外围，与聚焦激光束同轴；配有进粉接口的进粉管；
保护气层，位于载粉气流层外围，空腔结构，配有带进气接口的进气管，空腔的下端为垂直边缘；
外腔冷却层，位于保护气层外围，为密封腔结构，配有带进、出水接口的外腔水冷管。
其中：所述进粉套、锥嘴套和进气套均同轴，整体呈下窄上宽圆台形结构，进粉套与内嘴的结合处高于锥嘴套和进气套的下边缘；所述内嘴和锥嘴套的下边缘为向上内缩式结构。
本发明具有如下特点：
1.本发明采用载气粉流外加保护气结构，具有二次压缩粉末流的作用，粉末流的刚性好；
2.本发明采用内外双冷却通道结构，对送粉头内层和外层都进行冷却，减少加工过程中反射光对送粉头造成的影响；
3.本发明内嘴和锥嘴套下边缘采用内缩式结构，增加了下边缘的壁厚。
附图说明
图1为本发明三维激光熔覆送粉头结构示意图。
图2为图1的左视图。
图中：1为水冷套；2为外腔水冷管；3为进气套；4为锥嘴套、5为进粉套；6为内腔水冷管；7为连接套；8为进气管；9为进粉管；10为内嘴；11为激光束；12为工件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
如图1-2所示，本发明送粉头包括：
激光束11：为聚焦式，光路从位于中部的、与连接套7(用于连聚焦系统)相连的内嘴10的内孔中央通过，聚焦焦点位于为外腔冷却层下边缘与工件12表面之间；
内腔冷却层：为内嘴10侧壁和进粉套5形成的密封腔(内嘴10与进粉套5的结合部为焊接)，在进粉套5上设置带有进、出水接口的两个内腔水冷管6，对称分布；直接冷却内嘴10和进粉套5，间接冷却载粉气流层的锥嘴套4；
载粉气流层：为倒锥形结构，在内腔冷却层外围，与激光束11同轴；由进粉套5外壁和锥嘴套4内壁组成，为倒锥形空腔结构(进粉套5和锥嘴套4的结合部为螺纹连接)，带有进粉接口的四个进粉管9安装在进粉套5上，粉末流从倒锥形空腔的下端流出，并在激光束11外围形成倒锥形载粉气流层，汇聚于激光束11的中心轴线上，粉末的汇聚点位于工件12表面上。
保护气层：位于载粉气流层外围，为锥嘴套4外壁和进气套3内壁组成的空腔(锥嘴套4和进气套3的结合部为螺纹连接)，空腔的下端为垂直边缘，带有进气接口的两个进气管8安装在进气套3上；保护气从空腔的下端流出并在载粉气流层外围形成保护气帘，用于载粉气流二次压缩，实现粉末的高度汇聚；
外腔冷却层：位于保护气层外围，为进气套3的外壁和水冷套1内壁形成的密封腔(进气套3和水冷套1的结合部为焊接)，带有进出、水接口的两个外腔水冷管2安装在水冷套1上，对称分布；直接冷却进气套3和水冷套1，间接冷却锥嘴套4。
其中进粉套5、锥嘴套4和进气套3均同轴，整体呈下窄上宽圆台形结构，进粉套5与内嘴10的结合处高于锥嘴套4和进气套3的下边缘；所述内嘴10和锥嘴套4下边缘向上内缩式，使内嘴10和锥嘴套4下边缘的壁厚增加，避免了薄壁尖端烧损现象。
本发明具体工作方式：
激光束11从内嘴10中央的通孔内穿过，粉末汇聚点位于工件12表面上，激光束11焦点位于外腔冷却层下边缘与工件12之间的任意一点；同时，载粉气流分四路从进粉管9进入载粉气流层的倒锥形空腔上端，经倒锥形空腔的汇聚作用，在下端形成倒锥形载粉气流，汇聚于工件12表面(位于水冷套1下边缘垂直距离20mm的位置)，该汇聚点就是激光的熔池位置；与此同时，保护气从进气管8进入保护气层的空腔，经保护气层的导向作用，在载粉气流层外侧形成保护气帘，使载粉气流在外围形成强烈的压缩，增加粉末流的刚度和汇聚性。
为了避免局部热积累造成送粉头的损坏，本发明送粉头(除连接座外)全部采用导热能力很强的紫铜制作，并通过两路冷却水带走热量，避免送粉头的整体热积累造成流道的变形；第一路冷却水从内腔冷却层一侧的内腔水冷管6的进入，吸收热量后从另一侧的内腔水冷管6流出；第二路冷却水从外腔冷却层一侧的外腔水冷管2的进入外腔，吸收热量后从另一侧的外腔水冷管2流出；实现空腔腔体各部位的直接和间接冷却。
本发明气帘保护式三维同轴激光送粉头的主要技术参数指标：
1.送粉头总重量：1kg；
2.载粉气流汇聚直径：2～6mm；
3.载粉气流汇聚焦距：20mm；
4.粉末束倾斜角：±90°；
综上，本发明送粉头通过外加保护气气帘压缩粉末，增强粉末束的刚度和汇聚性；采用双层水冷结构，实现内腔和外腔同时冷却，减少加工过程中反射光对送粉头造成影响。
Claims (4)
1.一种气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征包括：
激光束(11)，光路从位于中部的、与连接套(7)相连的内嘴(10)的内孔中央通过；
内腔冷却层，位于激光束(11)外围，设置有带有进、出水接口的内腔水冷管(6)；
载粉气流层，为倒锥形空腔结构，在内腔冷却层外围，与激光束(11)同轴；配有进粉接口的进粉管(9)，粉末流从倒锥形空腔的下端流出，并在聚焦激光束(11)外围形成倒锥形载粉气流层，汇聚于激光束(11)的中心轴线上；
保护气层，位于载粉气流层外围，空腔结构，配有带进气接口的进气管(8)，空腔的下端具有垂直边缘；保护气从空腔的下端流出并在载粉气流层外围形成保护气帘，用于载粉气流二次压缩，实现粉末的高度汇聚；
外腔冷却层，位于保护气层外围，为密封腔结构，配有带进出、水接口的外腔水冷管(2)；直接冷却进气套(3)和水冷套(1)，间接冷却锥嘴套(4)。
2.根据权利要求1所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是：其中进粉套(5)、锥嘴套(4)和进气套(3)均同轴，整体呈下窄上宽圆台形结构，进粉套(5)与内嘴(10)的结合处高于锥嘴套(4)和进气套(3)的下边缘。
3.根据权利要求1所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是：所述内嘴(10)和锥嘴套(4)下边缘向上内缩式结构；使内嘴(10)和锥嘴套(4)下边缘的壁厚增加，避免了薄壁尖端烧损现象。
4.根据权利要求1所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是：所述内、外腔冷却层的内腔水冷管(6)、外腔水冷管(2)对称分布。
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