CN104593768A - 一种光纤激光同轴送粉嘴 - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光同轴送粉嘴，由一整块实心圆柱紫铜车削而成，其上部为圆柱体，下部为圆锥体，其特征在于：所述的定位导引光传输通道（6）和正压力保护气体传输通道（2）分别设在其中两个粉末传输通道中间，正压力保护气体传输通道（2）贯穿到送粉嘴圆锥内腔，定位导引光传输通道（6）与三个粉末传输通道同心且与送粉嘴轴心线夹角保持一致并贯穿到空腔下端四周。本发明可调节激光熔覆宽度，粉末汇聚程度高无需调节，粉末汇聚焦点易定位粉末利用率高，能有效防止熔覆飞溅污染腔内镜片，冷却快速结构简单尺寸小巧工作稳定。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆及激光快速成型制造领域，具体涉及一种光纤激光同轴送粉嘴。
背景技术
激光熔覆和激光快速成型制造都是激光增材制造的一种加工应用，激光熔覆是利用高能束激光照射金属表面使其发生熔化，通过填料方式将金属粉末或陶瓷粉末送入熔池中，与金属表面一起熔化，最后冷却凝固在金属表面形成一层异于基材性能的防护层。激光快速成型制造又称激光3D打印，是激光熔覆的三维空间运用，在计算机软件中将待打印物体三维模型分层切片，然后生成激光扫描轨迹通过机床控制熔覆头逐层扫描堆积材料，最终形成三维立体打印实物。
目前激光熔覆和激光快速成型制造主要采用的送粉方式有预置铺粉、旁轴送粉和同轴送粉三种方式。预置铺粉多一道铺粉工序，且铺粉均匀性很难控制，铺粉后激光扫描成型熔覆层内容易产生气孔、夹杂等缺陷，对于工件异形面多层熔覆，该方式效率低很难操作。旁轴送粉即侧向送粉能实现基材表面与粉末同时熔化，效率极大提高但主要问题是送粉束与激光束的重合程度不易控制，且因为单向送粉，熔覆层成型受激光扫描方向影响很大，旁轴送粉主要用于简单表面如平面、柱面熔覆，对于异形面成型质量不均匀且易碰撞干涉。
同轴送粉相比较旁轴送粉，粉末利用率有了较大的提高，但粉末汇聚焦点不易定位。送粉方式主要有四路同轴送粉或环状同轴送粉，前者因为内部或外部做冷却模块，整个送粉嘴往往制作很大，不利于小工件内面熔覆加工，且因送粉管分布在四个方向，很大概率在异形面熔覆过程中因为熔覆头摆动姿态使工件表面激光反射造成粉管口粉末熔化凝固成金属球堵住管口。环状送粉嘴是由锥形套筒叠套汇聚粉末，由于套筒壁较薄，所以环状送粉嘴只适用于小功率激光熔覆，否则会因为大功率激光反射送粉嘴散热不及时造成损坏。
发明内容
为了完善现有同轴熔覆嘴使用中的不足，本发明的目的在于提供一种光纤激光同轴送粉嘴，具有粉末汇聚性好、粉末焦点易定位、粉末利用率高、熔覆宽度可调、冷却效果好、尺寸小巧、结构简单等优点。
本发明采用了以下技术方案：一种光纤激光同轴送粉嘴，由一整块实心圆柱紫铜车削而成，其上部为圆柱体，下部为圆锥体，圆柱体的外圆加工一段精密安装螺纹，圆锥体内腔的圆锥度小于外形圆锥的锥度，圆锥体内从上端沿轴心面加工成5个通道，其中一个为定位导引光传输通道、一个为正压力保护气体传输通道、三个为粉末传输通道Ⅰ、粉末传输通道Ⅱ、粉末传输通道Ⅲ，三个粉末传输通道Ⅰ、粉末传输通道Ⅱ、粉末传输通道Ⅲ以120度分布在圆锥周围，其特征在于：所述的定位导引光传输通道和正压力保护气体传输通道分别设在其中两个粉末传输通道中间，正压力保护气体传输通道贯穿到送粉嘴圆锥内腔，定位导引光传输通道与三个粉末传输通道同心且与送粉嘴轴心线夹角保持一致并贯穿到空腔下端四周。
所述的粉末传输通道Ⅰ、粉末传输通道Ⅱ间设有贯通相连的内孔Ⅰ、内孔Ⅱ，用于冷却水传输。
所述的粉末传输通道Ⅱ、粉末传输通道Ⅲ间设有贯通到送粉嘴内腔的通孔用于正压力保护气体输入。
本发明可调节激光熔覆宽度，粉末汇聚程度高无需调节，粉末汇聚焦点易定位粉末利用率高，能有效防止熔覆飞溅污染腔内镜片，冷却快速结构简单尺寸小巧工作稳定。
附图说明
图1为本发明光纤激光同轴送粉嘴的结构图。
图2为图1的剖视图。
图3为安装本发明的熔覆头结构示意图。
图中：1精密安装螺纹；2正压力保护气体传输通道；3粉末传输通道Ⅰ；4粉末传输通道Ⅱ；5粉末传输通道Ⅲ；6定位导引光传输通道；7内孔Ⅰ；8内孔Ⅱ；9圆锥体内腔9；10光纤QBH插口。
具体实施方式
参见图1、图2，一种光纤激光同轴送粉嘴，由一整块实心圆柱紫铜车削而成，其上部为圆柱体，下部为圆锥体，圆柱体的外圆加工一段精密安装螺纹1，圆锥体内腔9的圆锥度小于外形圆锥的锥度，圆锥体内从上端沿轴心面加工成5个通道，其中一个为定位导引光传输通道6、一个为正压力保护气体传输通道2、三个为粉末传输通道Ⅰ3、粉末传输通道Ⅱ4、粉末传输通道Ⅲ5，三个粉末传输通道Ⅰ3、Ⅱ4、Ⅲ5以120度分布在圆锥周围，所述的定位导引光传输通道6和正压力保护气体传输通道2分别在其中两个粉末传输通道中间，正压力保护气体传输通道2贯穿到送粉嘴圆锥内腔，定位导引光传输通道6与三个为粉末传输通道Ⅰ3、粉末传输通道Ⅱ4、粉末传输通道Ⅲ5同心且与送粉嘴轴心线夹角保持一致并贯穿到空腔下端四周。粉末传输通道Ⅰ3、粉末传输通道Ⅱ4间设有贯通相连的内孔Ⅰ7、Ⅱ8，用于冷却水传输。粉末传输通道Ⅱ4、粉末传输通道Ⅲ5间设有贯通到送粉嘴内腔的通孔用于正压力保护气体输入。
由图3知，将本发明光纤激光同轴送粉嘴通过精密安装螺纹1固定到熔覆头下端，形成上端封闭（熔覆头内部由三组镜片分隔）下端开口的空腔。惰性保护气体经由正压力保护气体传输通道2充入送粉嘴圆锥体内腔9内，在内部形成正压力，由送粉嘴下端开口处往外流出，激光熔覆过程中产生的烟尘、飞散粉末、溅射火花在该气流的作用下向四周分散，进入不到送粉嘴内部，从而对熔覆头内部镜片起到保护作用，另外在该保护气流的作用下，激光粉末熔池在凝固过程中的氧化得到有效控制，气体流量保持在10-15L/min，流量过大会影响粉末汇聚，流量过小不能有效阻止烟尘进入送粉嘴内部。光纤插入熔覆头QBH插口10，激光由光纤中出来经熔覆头内部镜片汇聚后在送粉嘴下端形成焦点，通过调节送粉嘴螺纹旋入熔覆头的距离，改变粉末汇聚焦点相对激光焦点的位置，从而改变粉末焦平面上激光光斑的大小，最终达到调节激光熔覆宽度的目的。粉末在保护气作用下经由粉末传输通道Ⅰ3、粉末传输通道Ⅱ4、粉末传输通道Ⅲ5流出，在送粉嘴下端汇聚，粉末焦点在送粉嘴下端15mm处，焦点离送粉嘴下端越近，越容易在熔覆中发生碰撞干涉，离得越远，粉末受气流影响越大，发散越厉害，粉末利用率越低，所以12-17mm为最佳粉末焦点位置。将蓝光发光二极管装置安装到定位导引光传输通道6上，由于定位导引光传输通道6与粉末传输通道Ⅰ3、粉末传输通道Ⅱ4、粉末传输通道Ⅲ5在送粉嘴上同圆心且与送粉嘴轴心线夹角一致，所以粉末焦点在定位导引光传输通道6轴心线上，经由熔覆头传输的激光器红光引导光与经由定位导引光传输通道6传输的蓝光相交处即为粉末焦点，粉末焦点很轻易就能定位，无需每次熔覆前通过测熔覆头在工件表面高度来找粉末汇聚焦点。水流在相连内孔Ⅰ7、内孔Ⅱ8之间传输，带走熔覆过程中激光反射至送粉嘴产生的热量，使送粉嘴能长时间稳定工作，不会发生温度过高而产生粉路堵管的现象。
本发明具有以下优点：1、送粉嘴结构简单，无连接件无装配件，所有功能均是通过在锥体内通孔实现，这样可以将送粉嘴尺寸做得很小，减少了碰撞干涉的概率，能实现一些特殊小工件内面熔覆。2、送粉嘴在加工前就已经将粉末汇聚焦点、粉路与送粉嘴轴心线夹角、粉末传输孔径设计好，所以在激光熔覆时无需调节粉路，加工效率得以提高。3、设置了粉末焦点定位导引光传输通道，定位导引光与沿送粉嘴轴心传输的激光红光引导光重合处即粉末焦点位置，如此粉末焦点易定位，能保证粉末精准地送入熔池，提高了粉末利用率。4、通过正压力保护气体传输通道往送粉嘴内腔充入惰性保护气体，保持腔内正压，既能防止熔覆过程中的粉末烟尘等污染镜片，又能对熔覆起到防止氧化保护作用。5、紫铜送粉嘴内部通水冷却，使其能长时间稳定工作，不仅适用小功率熔覆，大功率熔覆也能进行。6、送粉嘴上沿的精密螺纹将送粉嘴固定在熔覆头上，且通过螺纹能调节粉末焦点相对激光焦点的位置，从而可以调节激光熔覆的宽度。
Claims (3)
1.一种光纤激光同轴送粉嘴，由一整块实心圆柱紫铜车削而成，其上部为圆柱体，下部为圆锥体，圆柱体的外圆加工一段精密安装螺纹（1），圆锥体内腔（9）的圆锥度小于外形圆锥的锥度，圆锥体内从上端沿轴心面加工成（5）个通道，其中一个为定位导引光传输通道（6）、一个为正压力保护气体传输通道（2）、三个为粉末传输通道Ⅰ（3）、粉末传输通道Ⅱ（4）、粉末传输通道Ⅲ（5），三个粉末传输通道Ⅰ（3）、粉末传输通道Ⅱ（4）、粉末传输通道Ⅲ（5）以120度分布在圆锥周围，其特征在于：所述的定位导引光传输通道（6）和正压力保护气体传输通道（2）分别在其中两个粉末传输通道中间，正压力保护气体传输通道（2）贯穿到送粉嘴圆锥内腔，定位导引光传输通道（6）与三个粉末传输通道同心且与送粉嘴轴心线夹角保持一致并贯穿到空腔下端四周。
2.如权利要求1所述的一种光纤激光同轴送粉嘴，其特征在于：所述的粉末传输通道Ⅰ（3）、粉末传输通道Ⅱ（4）间设有贯通相连的内孔Ⅰ（7）、内孔Ⅱ（8），用于冷却水传输。
3.如权利要求1所述的一种光纤激光同轴送粉嘴，其特征在于：所述的粉末传输通道Ⅱ（4）、粉末传输通道Ⅲ（5）间设有贯通到送粉嘴内腔的通孔用于正压力保护气体输入。
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