CN103046045A - 用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，它具有开设在该喷头中央的上下贯穿喷头的中央通道，喷头上开设有多个一端与中央通道相连通另一端与第一保护气体添加装置相连接的气体入口，在中央通道的壁与喷头的外壁之间开设有多个粉末通道、多个与第二保护气体添加装置相连接的气体通道、位于粉末通道和气体通道下方的混合通道，混合通道的上端与粉末通道下端和气体通道下端相连通，粉末通道和气体通道均呈螺旋形，且二者彼此间隔排列并绕中央通道的中心轴均匀分布，多个气体入口位于保护镜片的下方。流场整体均匀性大大提高，粉末流场更加集中、密度增大，改善了激光熔池的张力、熔融比例、熔覆高度等一系列熔覆结果。

Description

用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头

技术领域

本发明涉及一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，属于激光熔覆领域。

背景技术

激光熔覆即高能激光表面熔覆，其物理过程为，在高能激光光束的照射下，基材表面被迅速融化，液态的金属形成一个小规模的熔池，在这个熔池中，原本的金属材料与被添加的粉末相互混合，形成一层新的液态金属层，待激光光束经过以后，熔池的温度降低，液态金属迅速冷却，在金属表面形成一层新的固态熔覆层。激光熔覆可极大的改变该关键部位的金属性能，如硬度、耐磨性、耐热性、抗腐蚀性等。

当今工业界在激光熔覆应用上的主要送粉技术为旁轴喷粉，但由于旁轴喷粉属于分体式喷头，需要两个喷头同时协作，非常不利于复杂表面的加工，因此同轴化喷粉成为新的发展方向。近年来，在同轴化喷粉的基础上，保护气体也被加入同轴化设计，产生了粉末喷射、保护气体一体化同轴的技术。如附图1显示了一种喷粉、保护气体一体化同轴的喷头。然而在国际上，由于一体化同轴喷头的设计尚未完善，因此该技术还有很长的一段发展期。

如附图1中的一体化同轴喷头，它具有开设在该喷头的中央的激光通道2、开设在激光通道2周围的多个粉末通道3、开设在粉末通道3外围的气体通道4，激光通道2、粉末通道3和气体通道4均相对独立，互不连通。激光、粉末、保护气体从各自通道喷射出喷头后汇聚在一起并在待熔覆的加工件表面进行熔覆。为了提高熔覆效果，在熔覆过程中可使用双重保护气体，而现有的喷头无法满足同时使用两种保护气体。另外，如附图1中所示，现有技术中的粉末通道3和气体通道4均为直通道，绕激光通道2的中心轴均匀分布，由于受到喷头尺寸的限制，直通道的倾斜角度有限，因此造成粉末流和气体流最小汇聚点到喷头底端的距离较远，粉末和保护气体混合后的粉末流场密度小、不均匀，从而影响熔覆效果，激光熔池的张力、熔融比例、熔覆高度等一系列熔覆结果都难以得到控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，它具有开设在该喷头中央的上下贯穿喷头的中央通道，中央通道的底部呈漏斗形，喷头上开设有多个一端与中央通道相连通另一端与第一保护气体添加装置相连接的气体入口，在中央通道的壁与喷头的外壁之间开设有多个上端与粉末添加装置相连接的粉末通道、多个上端与第二保护气体添加装置相连接的气体通道、位于粉末通道和气体通道下方的混合通道，混合通道的上端与粉末通道下端和气体通道下端相连通，混合通道的下端贯穿喷头下表面，混合通道呈漏斗形，且其垂直于中央通道中心轴的截面为环形，粉末通道和气体通道均呈螺旋形，且二者彼此间隔排列并绕中央通道的中心轴均匀分布，多个气体入口位于保护镜片的下方。

进一步地，粉末通道的上端口为粉末通道的入口，气体通道的上端口为气体通道的入口，多个粉末通道的入口的中心点在同一水平面上，设为第一平面，多个气体通道的入口的中心点在同一水平面上，设为第二平面，第一平面与第二平面可以重合，也可以不重合。

更进一步地，当粉末通道的入口和气体通道的入口尺寸相同时，设入口的直径为d ₁ ，则相邻的粉末通道与气体通道的入口中心点的间距大于等于4d ₁ ；当粉末通道的入口和气体通道的入口尺寸不同时，设其中较大的入口的直径为d，则相邻的粉末通道与气体通道的入口中心点的间距大于等于4d。

进一步地，粉末通道和气体通道的旋转角位移为170°～280°。

更进一步地，粉末通道和气体通道的入口处的尺寸大于出口处的尺寸。

进一步地，混合通道在中央通道中心轴方向上的高度为5cm～8cm。

更进一步地，混合通道的中心轴与中央通道的中心轴相重合。

进一步地，多个气体入口绕中央通道的中心轴均匀分布。

更进一步地，气体入口与中央通道的连接处与混合通道的上端在竖直方向上的距离大于等于5cm。

本发明用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，与现有技术相比较，具有以下优点：

1、增设气体入口，从气体入口通入第一保护气体，从气体通道通入第二保护气体，实现了两种保护气体的同时使用，以提高熔覆效果，同时从气体入口通入中央通道的保护气体可在中央通道内先形成风向稳定的流动风，喷出喷头后与粉末混合更加充分；

2、将传统的直线型粉末通道和保护气体通道设计成多道螺旋状通道，粉末与保护气体从多道螺旋状通道中喷射而出，使粉末流和保护气体流与激光束中心轴之间的夹角角度变大；

3、增设混合通道，使粉末和第二保护气体在混合通道底端的环形开槽中充分混合，可使二者混合更加均匀，在粉末与气体喷射出喷头之后，形成的粉末流场在绕轴向360°内呈完全对称分布；

4、流场整体均匀性大大提高，粉末流场更加集中、密度增大，并缩短了的粉末流和气体流汇聚成的粉末流场的最小汇聚点与喷头底端的距离，使粉末流场中合金粉末的密度均匀性比上一代喷头提高30%以上，进而改善了激光熔池的张力、熔融比例、熔覆高度等一系列熔覆结果。

附图说明

附图1为现有技术中的喷头的剖面结构示意图；

附图2为本发明用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头的剖面结构示意图；

附图3为本发明用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头的A-A剖面图。

图中标号为：

1、喷头；2、激光通道；3、粉末通道；4、气体通道；5、激光头；6、激光束；7、加工件基材；8、熔覆层；9、保护镜片；10、第一腔；11、第二腔；12、聚焦镜片；13、混合通道；14、气体入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施范例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

从附图2至附图3的结构示意图可以看出，本实施范例提供了一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，它具有开设在该喷头1中央的上下贯穿喷头1的中央通道，中央通道的底部呈漏斗形，喷头1上开设有多个一端与中央通道相连通另一端与第一保护气体添加装置相连接的气体入口14，在中央通道的壁与喷头1的外壁之间开设有多个上端与粉末添加装置相连接的粉末通道3、多个上端与第二保护气体添加装置相连接的气体通道4、位于粉末通道3和气体通道4下方的混合通道13，混合通道13的上端与粉末通道3下端和气体通道4下端相连通，混合通道13的下端贯穿喷头1下表面，混合通道13呈漏斗形，且其垂直于中央通道中心轴的截面为环形，粉末通道3和气体通道4均呈螺旋形，且二者彼此间隔排列并绕中央通道的中心轴均匀分布，多个气体入口14位于保护镜片9的下方。

从气体入口14通入第一保护气体，从气体通道4通入第二保护气体。

附图2中的粉末通道3和气体通道4，由于粉末通道3和气体通道4彼此间隔均匀分布，所以附图2中只各画出一条以作示例说明，其余的省略未画出。

粉末通道3的入口和气体通道4的入口位于保护镜片9的下方。多个粉末通道3的入口的中心点在同一水平面上，设为第一平面，多个气体通道4的入口的中心点在同一水平面上，设为第二平面，如果喷头1直径较大，第一平面和第二平面可以重合，在喷头1直径较小的情况下，第一平面和第二平面可以不重合。

当粉末通道3的入口和气体通道4的入口尺寸相同时，设入口的直径为d ₁ ，则相邻的粉末通道3与气体通道4的入口中心点的间距大于等于4d ₁ ；当粉末通道3的入口和气体通道4的入口尺寸不同时，设其中较大的入口的直径为d ₂ ，则相邻的粉末通道3与气体通道4的入口中心点的间距大于等于4d ₂ 。

粉末通道3和气体通道4的旋转角位移为170°～280°,角位移大小取决于通道的入口至喷头低端的垂直长度，角位移过大会造成粉末和保护气体在通道内流动不畅，尤其粉末，可能造成堵塞，而角位移过小则对现有技术改善效果不明显。

粉末通道3和气体通道4的入口处的尺寸大于出口处的尺寸，以增加粉末和第二保护气体喷射出喷头时的压力。

粉末通道3和气体通道4的数量相同，各优选为3～5条。

中央通道包括位于第一腔10和位于第一腔10下方并与第一腔10相连通的第二腔11，中央通道的第一腔10与第二腔11的轴心线相重合，第一腔10的为圆柱形或漏斗形，且第一腔10的底端口径小于等于第二腔11的顶端口径。第二腔11呈漏斗形，一方面防止粉末从第二腔11底端口进入中央通道，另一方面缩小保护气体喷出时的喷射范围。

气体入口14的一端与第一保护气体填充装置相连接，另一端与第一腔10相连通。气体入口14的数量优选为3或4个，气体入口14位于保护镜片9的下方，以防止粉末污染保护镜片9。多个气体入口14绕第一腔10的中心轴均匀分布，以使保护气体在中央通道内形成风向稳定的流动风。

气体入口14与中央通道的连接处与混合通道13的上端在竖直方向上的距离大于等于5cm，以保证保护气体从中央通道喷出前在其内形成风向稳定的流动风，进而确保粉末不被冲进中央通道，同时也可保证第二保护气体从中央通道喷射出后与粉末充分混合。需要说明的是，本实施例中的气体入口14与中央通道的第一腔10相连通，如能保证上述的5cm的距离，气体入口14也可开设在于第二腔11相连通。

激光头5发出激光束6，激光束6经过聚焦镜片12和保护镜片9进入中央通道的第一腔10，经过第二腔11射出喷头1并到达待熔覆的加工件基材表面。

混合通道13的中心轴与中央通道的中心轴相重合，混合通道13在中央通道中心轴方向上的高度为5cm～8cm，如果该高度过小粉末不能充分混合，如果低于该高度过高一方面会影响混合通道13的倾斜角度，进而影响粉末流场的最小汇聚点与喷头底端的距离，另一方面粉末的消耗量会较大。

激光头5发出激光束6，激光束6经过聚焦镜片12和保护镜片9进入中央通道，第一保护气体从气体入口14进入中央通道，粉末和第二保护气体分别从粉末通道3和气体通道4喷射进入混合通道13进行混合，再从混合通道13底端的环形口喷射出喷头并与第一保护气体相混合形成粉末流场，激光、保护气体、粉末共同到达待熔覆的加工件表面。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：它具有开设在该喷头（1）中央的上下贯穿喷头（1）的中央通道，所述的中央通道的底部呈漏斗形，所述喷头（1）上开设有多个一端与所述中央通道相连通另一端与第一保护气体添加装置相连接的气体入口（14），在中央通道的壁与喷头（1）的外壁之间开设有多个上端与粉末添加装置相连接的粉末通道（3）、多个上端与第二保护气体添加装置相连接的气体通道（4）、位于所述粉末通道（3）和气体通道（4）下方的混合通道（13），所述混合通道（13）的上端与粉末通道（3）下端和气体通道（4）下端相连通，所述混合通道（13）的下端贯穿喷头（1）下表面，所述的混合通道（13）呈漏斗形，且其垂直于所述中央通道中心轴的截面为环形，所述的粉末通道（3）和气体通道（4）均呈螺旋形，且二者彼此间隔排列并绕中央通道的中心轴均匀分布，所述的多个气体入口（14）位于保护镜片（9）的下方。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的多个粉末通道（3）的入口的中心点在同一水平面上，所述的多个气体通道（4）的入口的中心点在同一水平面上。

3.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：当所述的粉末通道（3）的入口和气体通道（4）的入口尺寸相同时，设入口的直径为d₁，则所述的相邻的粉末通道（3）与气体通道（4）的入口中心点的间距大于等于4d₁；当所述的粉末通道（3）的入口和气体通道（4）的入口尺寸不同时，设其中较大的入口的直径为d₂，则所述的相邻的粉末通道（3）与气体通道（4）的入口中心点的间距大于等于4d₂。

4.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的粉末通道（3）和气体通道（4）的旋转角位移为170°～280°。

5.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述粉末通道（3）和气体通道（4）的入口处的尺寸大于出口处的尺寸。

6.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的混合通道（13）在所述中央通道中心轴方向上的高度为5cm～8cm。

7.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的混合通道（13）的中心轴与所述中央通道的中心轴相重合。

8.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的多个气体入口（14）绕所述中央通道的中心轴均匀分布。

9.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的双保护气体螺旋形气粉通道预混合式喷头，其特征在于：所述的气体入口（14）与中央通道的连接处与混合通道（13）的上端在竖直方向上的距离大于等于5cm。

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