CN103132072A - 一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，包括出粉嘴、密封圈、送粉管、送粉通道、冷却水套、送粉通道、保护气道，出粉嘴浸没在冷却水套中可实现出粉嘴充分散热而能够长时间工作，出粉嘴与送粉管螺纹连接，利用密封圈防止冷却水进入送粉通道，出粉嘴的中心轴与激光束呈30～35°的夹角；出粉嘴有2～3个直径1.0mm的送粉孔，送粉孔之间的夹角为4～6°，3个送粉孔形成约1.5mm×5.5mm的矩形粉斑，实现宽带激光熔覆；保护气道内通入保护气体来避免激光熔覆涂层的氧化；该侧向送粉喷嘴装置加工精度易保证，可应用于宽带激光熔覆技术要求，且加工成本较低。

Description

一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置

技术领域

本发明涉及激光材料加工技术领域的激光熔覆用送粉喷嘴装置，尤其涉及一种大面积激光熔覆宽带送粉喷嘴装置。

背景技术

激光熔覆是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。这种技术以不同的送料方式在被涂覆基体表面上放置选择的熔覆材料，经激光辐照使之与基体一薄层同时熔化，使之与基体实现冶金结合，在基体表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层。与电弧堆焊、常规热喷涂、等离子喷涂表面工程技术相比，激光熔覆具有更加明显的优点：热影响区显著减小，激光熔覆的热变形小，熔覆区成分、浓度、形状和区域大小可控制。激光熔覆层快速凝固冷却而同时具有组织更加细小、超固溶强化、位错强化以及其它亚组织强化等效果，这使得激光熔覆层具有比常规表面工程技术难以达到的高表面硬度和韧性。因此，激光熔覆能够广泛应用于汽轮机叶片、曲轴、冶金轧辊、阀门等贵重零件的强化与修复，明显增加零件的使用寿命，提高零件的耐磨、抗腐蚀等性能，经济效益明显。

随着高功率激光熔覆用半导体激光器不断发展，激光熔覆的矩形激光束斑宽度增加，现有激光熔覆用送粉喷嘴装置难以满足这种发展要求。目前，针对宽带激光熔覆，熔覆送粉喷嘴装置主要存在下述不足：（1）现有同轴送粉喷嘴装置的共同特点是合金粉末通过圆锥形送粉通道最后会聚于喷嘴前的一点，尽管在快速成形过程中有着良好的送粉各向同性，但难以保证与宽带矩形激光束截面匹配，激光熔覆效率降低；（2）现有宽带侧向送粉喷嘴装置多为简单的铜管变形成矩形截面制成，使用过程中经常会出现喷嘴粉末堵塞、粉末均匀性差的现象，并且没有冷却装置而无法长时间工作；（3）现有送粉喷嘴装置的保护气多采用围绕合金粉末的外层保护气，其保护合金粉末不被氧化，然而，由于熔覆合金层，尤其是易氧化的涂层材料，如铁基、钛基等，从凝固到冷却至500℃会产生氧化，外层保护气可以保护激光熔池中的合金熔液，但无法保证凝固后的熔覆层不被氧化；（4）现有激光熔覆用送粉喷嘴装置都缺少保护气尾吹功能，因此很难避免熔覆涂层的粘粉。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以有效保护熔覆涂层和粘粉的宽带激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置。本发明提供的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置不但具有矩形粉末流，而且有长段保护气尾罩以有效保护熔覆涂层和粘粉，避免凝固后的涂层氧化。本发明提供的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置特别适用于圆柱回转体以及平面的大面积激光熔覆的应用领域。

为实现上述目的，本发明提出的一种宽带激光熔覆用侧向送粉装置，包括出粉嘴1、密封圈2、送粉管3、冷却水套4、送粉通道5、保护气道6、保护气铜管7、压板8、气道结构体9、压盖10、中间连接套管11、密封圈12、冷却水套管体13、密封圈14，其特征在于送粉通道5包括出粉嘴1、送粉管3，合金粉末进口安装在送粉管3上，出粉嘴1与送粉管3螺纹连接，冷却水套置于送粉嘴和送粉管的外部，所述出粉嘴1浸于冷却水套的冷却水中，可实现出粉嘴1散热而能够长时间工作，出粉嘴1与送粉管3之间置有密封圈2以避免冷却水套的冷却水进入送粉通道5；冷却水套管体置于冷却水套的外部，冷却水进口和出口安装在冷却水套管体13上，冷却水套管体13与出粉嘴1之间设有密封圈14，防止冷却水套中的冷却水于下部在出粉嘴1与冷却水套管体13之间产生泄漏；冷却水套管体13与中间连接套管11螺纹连接，送粉管3与中间连接套管11之间设有密封圈12，防止冷却水于上部在送粉管3与冷却水套管体13之间产生泄漏；压盖10与冷却水套管体13螺纹连接，通过压盖10压紧送粉管3，送粉管3因而也压紧下部的出粉嘴1与冷却水套管体13之间的密封圈14；保护气体进口安装在气道结构体9上，气道结构体9与冷却水套管体13螺钉连接；气道结构体9内设有保护气道6，保护气铜管7与保护气道6连接，压板8压紧保护气铜管7的凸台并与气道结构体9螺钉连接，保护气道6与保护气铜管7形成了保护气的通道。保护气道6内通入保护气体，保护气通过保护气铜管7，在保护气铜管的末端形成熔覆涂层的保护气尾罩，可以有效保护熔覆涂层而避免凝固后的涂层氧化行为。

进一步地，所述冷却水进口和出口安装在冷却水套管体13上并接到循环冷却水装置。

进一步地，密封圈2、密封圈12、密封圈14为O型密封圈。

进一步地，出粉嘴1有2～3个直径1.0mm的送粉孔，送粉孔之间的夹角为4～6°，两侧对称的送粉孔的粉末流汇聚后形成约1.5mm×5.5mm的宽带矩形粉末流。

进一步地，出粉嘴1的中心轴与激光呈30～35°的夹角。

本发明提供的宽带激光熔覆用侧向送粉装置包括送粉通道、冷却水道、保护气道三部分，分别为：

（1）所述送粉通道包括出粉嘴1、送粉管3，所述出粉嘴1浸没于冷却水，冷却水进口和出口安装在冷却水套管体13上，并接到循环冷却水装置，可实现出粉嘴1充分散热而能够长时间工作；出粉嘴1与送粉管3的中间由O型密封圈2连接，避免了冷却水进入送粉通道5；出粉嘴有2～3个Φ1.0mm的送粉孔，送粉孔之间的夹角为4～6°，两侧对称的粉末流汇聚后形成约1.5mm×5.5mm的宽带矩形粉末流；采用小直径的Φ1.0mm送粉孔，有利于减少熔覆涂层的粘粉。

（2）冷却水道包括冷却水套4、冷却水套管体13、中间连接套管11、冷却水进水口和出口。冷却水套管体13与出粉嘴1之间设有O型密封圈14，防止冷却水自下部的出粉嘴1与冷却水套管体13之间产生泄漏；冷却水套管体13与中间连接套管11由螺纹连接，送粉管3与中间连接套管11之间设有O型密封圈12，防止冷却水自上部的送粉管3与冷却水套管体13之间产生泄漏；冷却水道对出粉嘴1、保护气道结构体9及保护气铜管7散热，保证了送粉通道和保护气道能够长时间稳定工作。

（3）保护气道包括保护气管7、气道结构体9、压板8，其中保护气管7形成较长的一段保护气尾罩，不仅可保护熔覆涂层而避免凝固后的涂层氧化形为，而且可吹散跌落在熔覆层的合金粉末，从而有效防止熔覆涂层的粘粉。

采用本发明的侧向送粉装置，实现与高功率半导体激光矩形光束形状相吻合的宽带送粉，可得到较大的单道处理宽度，提高了激光熔覆的生产效率。由于设计保护气尾罩，从而有效避免熔覆层的氧化和粘粉，可获得无缺陷的优良熔覆层。该送粉装置结构简单、装卸方便，更重要的是实际可行的大面积激光熔覆喷嘴装置。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中激光熔覆用侧向送粉喷嘴的结构示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例中出粉嘴、密封圈、送粉管和冷却水套的结构示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例中送粉管、中间连接套管、压盖的结构示意图。

图中各部件编号对应的部件如下：1－出粉嘴1，2－O型密封圈，3－送粉管，4－冷却水套，5－送粉通道，6－保护气道，7－保护气管，8－压板，9－气道结构体，10－压盖，11－中间连接套管，12－O型密封圈，13－冷却水套管体，14－O型密封圈。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个较佳实施例中激光熔覆用侧向送粉喷嘴，包括出粉嘴1、密封圈2、送粉管3、冷却水套4、送粉通道5、保护气道6、保护气铜管7、压板8、气道结构体9、压盖10、中间连接套管11、冷却水套管体13，其特征在于送粉通道5包括出粉嘴1、送粉管3，合金粉末进口安装在送粉管3上，出粉嘴1与送粉管3螺纹连接，冷却水套置于送粉嘴和送粉管的外部，所述出粉嘴1浸于冷却水套的冷却水中，可实现出粉嘴1充分散热而能够长时间工作，出粉嘴1与送粉管3之间置有O型密封圈2以避免冷却水套的冷却水进入送粉通道5，出粉嘴有2～3个Φ1.0mm的送粉孔，送粉孔之间的夹角为4～6°，两侧对称的粉末流汇聚后形成约1.5mm×5.5mm的宽带矩形粉末流；采用小直径的Φ1.0mm送粉孔，有利于减少熔覆涂层的粘粉；冷却水套管置于冷却水套的外部，冷却水进口和出口安装在冷却水套管体13上，冷却水套管体13与出粉嘴1之间设有O型密封圈14，防止冷却水套中的冷却水于下部在出粉嘴1与冷却水套管体13之间产生泄漏；冷却水套管体13与中间连接套管11螺纹连接，送粉管3与中间连接套管11之间设有O型密封圈12，防止冷却水于上部在送粉管3与冷却水套管体13之间产生泄漏；保护气体进口安装在气道结构体9上，气道结构体9与冷却水套管体13螺钉连接；气道结构体9内设有保护气道6，保护气铜管7与保护气道6连接，压板8压紧保护气铜管7的凸台并与气道结构体9螺钉连接，保护气道6与保护气铜管7形成了保护气的通道。保护气道6内通入保护气体，保护气通过保护气铜管7，在保护气铜管得末端形成熔覆涂层的保护气尾罩，不仅可保护熔覆涂层而避免凝固后的涂层氧化形为，而且可吹散跌落在熔覆层的合金粉末，从而有效防止熔覆涂层的粘粉。压盖10与冷却水套管体13螺纹连接，通过拧紧压盖10可压紧送粉管3，送粉管3因而也压紧下部的出粉嘴1与冷却水套管体13之间的O型密封圈14。

如图2所示，本发明的一个较佳实施例中，激光熔覆用侧向送粉喷嘴的出粉嘴1与送粉管3螺纹连接，O型密封圈置于出粉嘴1与送粉管3之间，避免冷却水进入送粉通道5；在出粉嘴1凸台前端安装O型密封圈，与冷却水套管体13形成密封，防止冷却水从下部的出粉嘴1与冷却水套13之间泄漏。

如图3所示，本发明的一个较佳实施例中，激光熔覆用侧向送粉喷嘴的中间连接管11与冷却水套管体13螺纹连接，在送粉管3与中间连接管11之间设有O型密封圈，防止冷却水从上部的送粉管3与冷却水管体之间泄漏。

如图1所示，连接好的出粉嘴1和送粉管3插入冷却水套管体13中，并确保出粉嘴的矩形粉末流与宽带激光束截面相匹配。压盖10与冷却水套管体13螺纹连接，并压紧下部的出粉嘴1与冷却水套管体13之间的O型密封圈14。如图1中的B-B剖面所示，保护气管7插入气道结构体9，压板8由4个螺钉与气道结构体9连接，并压紧保护气铜管7的凸台。如图1中的A-A剖面所示，气道结构体9由螺钉与冷却水套管体13连接。

将本发明的侧向送粉专用喷嘴装置安装在激光头的固定架上。如图1中C-C剖面所示，送粉管3的“合金粉末进口”连接送粉器设备，由惰性保护气体将合金粉末送入送粉通道5。如图1所示，由“保护气体进口”接入氩气，氩气从保护气道6进入保护气铜管7，经保护气铜管7送出氩气，保护激光熔覆涂层在较长区域不被氧化。在冷却水套管体13下部“冷却水进口”接入外围的冷却循环水，上部接“冷却水出口”，实现对出粉嘴1和气道结构体9的冷却，确保送粉通道和保护气道能够长时间稳定工作。

通过本发明的送粉装置送出的合金粉末均匀，经激光照射后在金属表面可以得到较大宽带、厚度均匀的激光熔覆层，不仅极大提高激光熔覆的效率，而且熔覆层较少氧化等缺陷，适合实际可行的圆柱回转体以及平面的大面积激光熔覆处理。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，包括出粉嘴（1）、O型密封圈（2）、送粉管（3）、冷却水套（4）、送粉通道（5）、保护气道（6）、保护气铜管（7）、压板（8）、气道结构体（9）、压盖（10）、中间连接套管（11）、O型密封圈（12）、冷却水套管体（13）、O型密封圈（14），其特征在于送粉通道（5）包括出粉嘴（1）、送粉管（3），合金粉末进口安装在送粉管（3）上，出粉嘴（1）与送粉管（3）螺纹连接，冷却水套（4）置于送粉嘴（1）和送粉管（3）的外部，所述出粉嘴（1）浸于冷却水套（4）的冷却水中，可实现出粉嘴1散热而能够长时间工作，出粉嘴（1）与送粉管（3）之间置有密封圈（2）以避免冷却水套的冷却水进入送粉通道（5）；冷却水套管体（13）置于冷却水套（4）的外部，冷却水进口和出口安装在冷却水套管体（13）上，冷却水套管体（13）与出粉嘴（1）之间设有O型密封圈（14），防止冷却水套中的冷却水于下部在出粉嘴（1）与冷却水套管体（13）之间产生泄漏；冷却水套管体（13）与中间连接套管（11）螺纹连接，送粉管（3）与中间连接套管（11）之间设有O型密封圈（12），防止冷却水于上部在送粉管（3）与冷却水套管体（13）之间产生泄漏；保护气体进口安装在气道结构体9上，气道结构体9与冷却水套管体13螺钉连接；压盖（10）与冷却水套管体（13）螺纹连接，通过拧紧压盖（10）压紧送粉管（3），送粉管（3）因而也压紧下部的出粉嘴（1）与冷却水套管体（13）之间的密封圈（14）；保护气体进口安装在气道结构体（9）上，气道结构体（9）与冷却水套管体（13）螺钉连接；气道结构体（9）内设有保护气道（6），保护气铜管（7）与保护气道（6）连接，压板（8）压紧保护气铜管（7）的凸台并与气道结构体（9）螺钉连接，保护气道（6）与保护气铜管（7）形成了保护气的通道。

2.根据权力要求1所述的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，其特征在于：所述冷却水进口和出口安装在冷却水套管体（13）上并接到循环冷却水装置。

3.根据权力要求1所述的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，其特征在于：所述密封圈（2）、密封圈（12）、密封圈（14）为O型密封圈。

4.根据权力要求1所述的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，其特征在于：所述出粉嘴（1）有2～3个直径1.0mm的送粉孔，送粉孔之间的夹角为4～6°，两侧对称的送粉孔的粉末流汇聚后形成约1.5mm×5.5mm的宽带矩形粉末流。

5.根据权力要求1所述的激光熔覆用侧向送粉喷嘴装置，其特征在于：出粉嘴（1）的中心轴与激光呈30～35°的夹角。

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