CN103060801A - 一种用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，由三部分组成，第一部分是在竖直方向自动调节喷嘴粉末汇聚位置的结构，该部分还包括冷却水回路和气体保护装置；第二部分是在水平直径方向手动调节粉末汇聚位置的结构；第三部分是送粉喷头结构。本发明适用于增材制造领域，尤其适用于为兼顾成形效率和精度而采用离焦方式实现激光临时变光斑成形的应用场合，本发明亦可用于激光焊接领域。

Description

一种用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴

技术领域

本发明涉及一种激光金属直接成形装置，特别涉及一种用于变光斑工艺的激光金属成形装置。

背景技术

激光金属成形（也称激光近净成形）是以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。近十年得到了较快的发展。但这种成型方法的一个显著的劣势就是成形效率不高，主要原因在于其设备沿X、Y方向的运动速度不高，目前国外设备最高速度也在100mm/s以下，速度高会带来工艺上的一些问题，甚至无法连续成形。而效率又是设备使用的一个关键指标之一。目前国内外一般采用高功率、大光斑的加工策略来提高成型效率，但这又会造成成形零件台阶效应明显，表面精度较差，对于一些对表面粗糙度有很高要求而且无法进行后续加工的零件则很难制造。针对这种情况，可以采用临时变光斑的加工成形策略，将效率和精度统一起来。其中一种可行的方案就是图1所示在进行零件边缘轮廓成形时，先采用小光斑进行熔覆沉积[图1（a）]，然后将激光加工头整体下降[图1（b）](或提升)一定的高度h，使汇聚在成形面上的光斑变大，但粉末汇聚位置却偏离成形基面，和离焦后的光斑不重合，无法成形，此时喷嘴通过软件自动控制向上[图1（c）]（向下）移动同等的距离h，使粉斑和光斑再次重合。同时相应的调整激光功率、送粉量，然后采用离焦后的大光斑进行零件内部的填充扫描熔覆。现有送粉喷嘴无法用于这种离焦变光斑成形工艺。

发明内容

为满足既提高激光金属成形效率，同时又兼顾成形精度，本发明的目的是提供一种用于变光斑工艺的，粉末汇聚位置无级可调的激光成形同轴送粉喷嘴。该喷嘴能能够根据成形过程中光斑尺寸的变化随时调整粉末汇聚点的位置，使粉末汇聚点和离焦后的光斑重合，且调整过程为无级自动调整，精度高、可靠性强。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，包括送粉喷头、上端连接激光头的壳体，所述送粉喷头上沿圆周方向均布多个与激光轴线成锐角的对中送粉孔；所述壳体内部为圆柱通孔，其轴线与激光轴线重合，壳体外侧设有水冷装置以及连通壳体内的保护气体装置，其特征在于，所述壳体外设有轴向对称的左、右侧凹槽，水冷装置、保护气体装置均位于所述左侧凹槽底面上部，沿左、右凹槽底面轴向对称中心均开有贯通壳体内的长方直孔，该两长方直孔延伸至壳体下端后均由一个L形连接件将长方直孔下侧封住，壳体内设有两个可伸缩防护罩，将两长方直孔遮蔽；所述壳体内下部设有一个移动套筒，该移动套筒上端径向对称设有挂耳，分别通过两个防护罩与设置在左、右凹槽内的一个无级传动机构相连，所述移动套筒的下端通过一个粉末汇聚位置调节装置与送粉喷头连接。

上述方案中，所述的无级传动机构包括，在左侧凹槽两侧面，对称设有沿长方直孔长度方向的导轨，导轨上连接有滑块，滑块通过一个T形连接件与移动套筒左侧挂耳连接；在右侧凹槽底面长方直孔的上下方分别设有轴承，通过该两轴承设置一个带有丝杠滑块的丝杠，该丝杠通过联轴器与设置在右侧凹槽底面上方的无级变速电机连接，丝杠滑块与移动套筒右侧挂耳连接。

所述的粉末汇聚位置调节装置包括一个法兰接头，通过该法兰接头，将移动套筒下端与送粉喷头连接在一起，其中法兰接头径向设有前后左右四个调整螺钉，

所述送粉喷头上部平面安装有一个倒锥形防尘罩。

所述保护气体装置包括进气管和扩气腔，扩气腔与壳体左侧凹槽底面相连，扩气腔通过与壳体内相通的一个扁平缝隙，将来自进气管的保护气体吹向壳体内。所述扁平缝隙宽度为0.5mm。

本发明和现有的喷嘴相比较，优点主要有：

1、国内第一款适应于采用离焦方式实现临时变光斑成形方法的同轴送粉喷嘴，能精确自动控制喷嘴上下移动距离。

2、喷嘴上下连接的部分采用定位面对接，然后螺栓紧固，没有螺纹连接，能精确保证整个喷嘴的垂直度，避免了因喷嘴倾斜而产生的成形问题。

3、四个送粉孔直接加工在喷头上，喷嘴安装在设备上只须调节喷嘴的前后左右位置，使粉斑和光斑水平方向重合即可，而不需要再额外调整粉斑的汇聚、送粉的角度。调整更方便，使用效果也更好。

4、喷嘴内部设计合理，不会出现有金属粉末残留在喷嘴内部的情况。

5、保护气体经扩气腔，然后通过壳体一侧的缝隙吹出，气体从送气管送入后有一个降压、增压的过程，最后以面的方式吹出，能更好的避免粉尘对保护镜的污染。

本发明适用于增材制造领域，尤其适用于为兼顾成形效率和精度而采用离焦方式实现激光临时变光斑成形的应用场合。本发明也适用于激光焊接工艺。激光焊接过程中，为了保证焊接质量，要求在焊接过程中，焊接头轴线和激光束中心线的交点相对于焊接工件表面的相对位置保持不变，本发明装置可以采用反馈控制通过电机实时调整喷嘴相对工件表面位置，而四个送粉孔通保护气体。

附图说明

图1为一种变光斑的加工成形方法示意图。其中①是激光光路，②是喷嘴；

图2为本发明送粉喷嘴的半剖视图。

图3为图2去掉右侧盖板的右视图。

图4为图2未半剖前去掉左侧盖板的左视图。

图5为图2中粉末汇聚位置调节装置局部放大图。

图6为图4中气体保护装置局部俯视剖视图。

图2-图6中：1.连接接头，2.壳体，3.进水管，4.冷水回路，5.进气管，6.扩气腔，7.竖直导轨，8.导轨滑块，9.T形连接件，10.壳体左侧盖板，11.刚性防护罩，12.L形连接件，13.法兰接头，14.倒锥形防尘罩，15.扁平缝隙，16.长方直孔，17.移动套筒，18.丝杠，19.壳体右侧盖板，20.壳体下侧盖板，21.调整螺钉，22.喷头，23.电机，24.电机机座，25.联轴器，26.丝杠上端轴承，27.丝杠滑块，28.丝杠下端轴承，29.出水管。

具体实施方式

本发明由三部分组成，第一部分是在竖直方向自动调节喷嘴粉末汇聚位置的结构，该部分还包括冷却水回路和气体保护装置；第二部分是在水平直径方向手动调节粉末汇聚位置的结构；第三部分是送粉喷头结构。以下结合附图进一步的详细说明。

参考图2～图4，连接接头1上面和激光头（光纤、准直器、聚焦镜）相连，下面和喷嘴的壳体2相连，在壳体2上加工出轴向对称的左、右侧凹槽，在左侧凹槽底面上部设有水冷装置和保护气体装置，壳体中圆柱通孔作为激光通路。水冷装置中带螺纹的进出水管3、29和冷水回路4通过螺纹相连，三者作为一个整体用螺钉安装在左侧凹槽底面上。水冷装置由于采用三个通道通水循环，冷却效果有很大提高。

沿左、右凹槽底面轴向中心对称加工出与内部激光通路贯通的长方直孔16，该两长方直孔延伸至壳体下端，最后由两个对称的L形连接件12将其下端封住。在左侧凹槽两侧面，对称设有沿长方直孔16长度方向的导轨7，导轨上连接有滑块8，滑块通过一个T形连接件9与移动套筒17左侧挂耳连接。在右侧凹槽底面长方直孔16的上下方分别设有轴承26、28，通过该两轴承设有一个带有丝杠滑块27的丝杠18，丝杠上下两端设有行程限位开关（未画出）。轴承26上方的右侧凹槽底面安装有电机机座24，电机机座上安装无级变速电机23，电机连接联轴器25，联轴器连接丝杠18。导轨滑块和丝杠滑块均连接有设置在壳体上的能伸缩的刚性防护罩11，将两长方直孔遮蔽，使得移动套筒随导轨滑块、丝杠滑块上下运动时防止灰尘进入壳体。

移动套筒17的上端径向对称设有挂耳，其中右侧一个挂耳连接在丝杠滑块27上，左侧一个挂耳连接在T形连接件9上。左右两侧L形连接件12分别与壳体下侧盖板20连接。壳体左、右两侧凹槽分别由两个侧面盖板10、19盖住。

参考图5，移动套筒17下端通过螺栓和法兰接头13相连，法兰接头13通过四个调整螺钉21和喷头22相连，在喷头的上部平面用螺钉安装一个倒锥形防尘罩14。在喷头上沿圆周方向均布四个与激光轴线成锐角（30°-70°）的对中送粉孔，孔内表面经抛光处理达到镜面，孔的上部分加工有螺纹，和外部送粉管相连。左右螺钉配合调节，使四个送粉孔喷出的粉末汇聚的粉斑左右随之移动，前后螺钉配合使用则使粉斑前后随之移动，从而实现粉斑和激光汇聚光斑水平方向的重合。

参考图6，保护气体装置中，带螺纹的进气管5和扩气腔6通过螺纹相连，进气管另一端与保护气相连，扩气腔6通过螺钉与壳体左侧凹槽底面相连。扩气腔6通过与壳体内激光通路相通的0.5mm扁平缝隙15，将保护气体吹向壳体内。气体进入扩气腔，经缝隙约束，以面的形式吹向保护镜，避免保护镜受烟尘的污染。

Claims (6)

1.一种用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，包括送粉喷头、上端连接激光头的壳体，所述送粉喷头上沿圆周方向均布多个与激光轴线成锐角的对中送粉孔；所述壳体内部为圆柱通孔，其轴线与激光轴线重合，壳体外侧设有水冷装置以及连通壳体内的保护气体装置，其特征在于，所述壳体外设有轴向对称的左、右侧凹槽，水冷装置、保护气体装置均位于所述左侧凹槽底面上部，沿左、右凹槽底面轴向对称中心均开有贯通壳体内的长方直孔，该两长方直孔延伸至壳体下端后均由一个L形连接件将长方直孔下侧封住，壳体内设有两个可伸缩防护罩，将两长方直孔遮蔽；所述壳体内下部设有一个移动套筒，该移动套筒上端径向对称设有挂耳，分别通过两个防护罩与设置在左、右凹槽内的一个无级传动机构相连，所述移动套筒的下端通过一个粉末汇聚位置调节装置与送粉喷头连接。

2.如权利要求1所述的用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述的无级传动机构包括，在左侧凹槽两侧面，对称设有沿长方直孔长度方向的导轨，导轨上连接有滑块，滑块通过一个T形连接件与移动套筒左侧挂耳连接；在右侧凹槽底面长方直孔的上下方分别设有轴承，通过该两轴承设置一个带有丝杠滑块的丝杠，该丝杠通过联轴器与设置在右侧凹槽底面上方的无级变速电机连接，丝杠滑块与移动套筒右侧挂耳连接。

3.如权利要求1所述的用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述的粉末汇聚位置调节装置包括一个法兰接头，通过该法兰接头，将移动套筒下端与送粉喷头连接在一起，其中法兰接头径向设有前后左右四个调整螺钉。

4.如权利要求3所述的用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述送粉喷头上部平面安装有一个倒锥形防尘罩。

5.如权利要求1所述的用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述保护气体装置包括进气管和扩气腔，扩气腔与壳体左侧凹槽底面相连，扩气腔通过与壳体内相通的一个扁平缝隙，将来自进气管的保护气体吹向壳体内。

6.如权利要求1所述的用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述扁平缝隙宽度为0.5mm。

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