CN106319514A - 一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，由水冷锥套和熔覆喷头组成，水冷锥套位于熔覆喷头下部且与熔覆喷头螺纹连接，水冷锥套壁内设有环形螺旋冷却通道，螺旋冷却通道绕熔覆喷头轴的直径向上逐层增大，每层螺旋冷却通道之间通过连接通道连通。螺旋冷却通道内壁面设置通道扰流螺纹，用于强化换热冷却。工作时，外部供水系统从水冷锥套入水口供给冷却水，冷却水由底部逐层流过螺旋冷却通道，并从水冷锥套出水口被抽出。水冷锥套结构包覆熔覆喷头的底部，通过导热保护熔覆喷头；在水冷锥套底部有激光孔和送粉孔与送粉通道和激光通道对应相通。熔覆喷头在螺旋冷却通道及扰流螺纹的强化冷却下导热，提升熔覆效果。

Description

一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术与高温部件冷却领域，具体地说，涉及一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置。

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，基材表面被迅速熔化，液态的金属形成一个小规模的熔池，在熔池中，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，在金属表面形成新的固态熔覆层。在熔覆加工过程中，由于激光熔覆喷头底部与熔池相距很近，激光熔覆喷头要承受来自激光反射以及熔池热辐射所带来的很高的热量；随着激光熔覆喷头的长时间连续性工作，热量不断累积，最终可能会烧损激光熔覆喷头。因此，考虑激光熔覆喷头的寿命及工作状态，必须对其强制冷却。

在“新型激光熔覆喷嘴设计及实验研究”(华南理工大学硕士学位论文，2010年，第三章第四节，21页—25页)中，提及的孔式同轴送粉喷嘴的零件设计的冷却效果，是通过在激光束通道内壁上嵌入水冷套来实现的；但由于受到加工方法的限制，需要先单独加工出水冷套，再通过焊接的方式与激光熔覆喷头装配在一起使用，存在加工较繁琐、冷却面积有限的缺陷。

在专利CN102828179A中公开了“一种用于激光熔覆的内冷喷头”，该内冷喷头结构中,具有开设在激光熔覆喷头上的通入高压空气或液体的环形冷却通道，该环形冷却通道的中心轴与激光通道的中心轴相重合。虽然其设计的内冷激光熔覆喷头将同轴喷粉、同轴保护气体、以及同轴冷却三项同轴方案设计在一个激光熔覆喷头结构中，使得熔覆效果好、效率高，但是由于环形冷却通道的设计位置仅仅会对部分送粉通道有冷却效果，而对于激光熔覆喷头的高温区，即激光熔覆喷头底部并没有冷却效果，从而影响激光熔覆喷头的工作状态及使用寿命。

发明内容

为了避免现有技术中激光熔覆喷头的冷却部件加工复杂繁琐，激光熔覆喷头的冷却面积有限及冷却效果差的不足，本发明提出一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括水冷锥套、熔覆喷头，其特征在于水冷锥套还包括螺旋冷却通道、扰流螺纹、连接通道、出水口、进水口、激光孔、送粉孔，所述水冷锥套为圆环与圆锥一体结构的倒锥形体，水冷锥套上部分圆环内壁有螺纹，水冷锥套位于熔覆喷头下部，且与熔覆喷头螺纹连接，水冷锥套与熔覆喷头同轴，且完全包覆熔覆喷头底部；

所述水冷锥套壁内设有螺旋冷却通道，螺旋冷却通道环绕熔覆喷头轴向向上逐层增大，每层螺旋冷却通道之间通过连接通道连接相通，螺旋冷却通道内壁面设置扰流螺纹，用于强化换热冷却，水冷锥套底部中心开有激光孔，沿中心激光孔周向均匀分布有送粉孔，激光孔与熔覆喷头内激光通道对应相通，且激光孔直径大于激光通道端口直径，送粉孔与熔覆喷头的送粉通道对应相通，且送粉孔直径大于送粉通道直径，水冷锥套侧壁上有出水口和进水口分别与螺旋冷却通道上端口和下端口相连通，水冷锥套的出水口和进水口分别与外部的冷却系统连接。

所述水冷锥套的送粉孔为多个，且与熔覆喷头的送粉通道数量相同。

所述螺旋冷却通道截面为圆形结构。

所述熔覆喷头为锥形体结构，内腔为激光通道且与熔覆喷头同轴，熔覆喷头体内设有送粉通道，多个等直径送粉通道以熔覆喷头中轴线周向均匀分布，且送粉通道轴线的延长线汇聚于一点。

有益效果

本发明提出的一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置,采用带有扰流螺纹的螺旋冷却通道的水冷锥套，有效地增加了冷却效果。水冷锥套结构完全包覆激光熔覆喷头，螺旋冷却通道环绕整个激光熔覆喷头结构，提高对激光熔覆喷头底部的冷却效果，实现高效冷却激光熔覆喷头；水冷锥套底部覆盖激光熔覆喷头的底部，通过导热保护熔覆喷头；而且具有遮挡来自激光反射,以及熔池热辐射所带来的较高的热量的作用，增加激光熔覆喷头安全可靠性。在水冷锥套底部有激光孔和送粉孔与送粉通道和激光通道对应相通。熔覆喷头在螺旋冷却通道及扰流螺纹的强化冷却下导热，有效地避免由于激光熔覆喷头在高温影响下的变形而使粉末阻塞出粉口的情况，提高送粉的工作时间，提升熔覆效果。

本发明用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置,其水冷锥套结构与激光熔覆喷头装配连接，具有结构简单、加工方便、拆卸安装便捷的特点，降低其生产成本；适用于激光熔覆、激光三维制造、材料合成、激光修复及激光加工领域。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置作进一步详细说明。

图1为本发明用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置轴测图。

图2为本发明图1的A-A向剖视图。

图3为本发明用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置示意图。

图4为本发明图3的B-B向剖视图。

图5为本发明图3的C-C向剖视图。

图6为本发明的旋流环形通道局部结构示意图。

图7为本发明的水冷锥套与熔覆喷头配合连接后轴测图。

图8为本发明的水冷锥套与熔覆喷头配合连接后仰视图。

图9为图7的D-D向剖视图。

图中:

1.出水口 2.进水口 3.激光孔 4.送粉孔 5.螺旋冷却通道 6.送粉通道 7.激光通道8.水冷锥套 9.熔覆喷头 10.扰流螺纹 11.连接通道

具体实施方式

本实施例是一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置。

参阅图1～图9，本实施例用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，由水冷锥套8、熔覆喷头9组成；其中,水冷锥套8还包括螺旋冷却通道5、扰流螺纹10、连接通道11、出水口1、进水口2、激光孔3、送粉孔4，水冷锥套8为圆环与圆锥一体结构的倒锥形体，水冷锥套8上部分圆环内壁有螺纹，水冷锥套8位于熔覆喷头9下部，水冷锥套8与熔覆喷头9通过螺纹配合连接，水冷锥套8的中心轴线与熔覆喷头9的中心轴线相重合，且水冷锥套8结构完全包覆熔覆喷头底部。

水冷锥套8壁内设有螺旋冷却通道5，螺旋冷却通道5环绕熔覆喷头9轴向向上逐层增大，每层螺旋冷却通道5之间通过连接通道11连接相通，螺旋冷却通道5内壁面加工有扰流螺纹10，用于强化换热冷却；螺旋冷却通道5的中心轴线与熔覆喷头9的激光通道7的中心轴线相重合；螺旋冷却通道5截面为圆形结构。水冷锥套8底部中心加工有激光孔3，中心激光孔3的周向均匀分布有送粉孔4，激光孔3与熔覆喷头内激光通道7对应相通，且激光孔3的直径大于激光通道端口直径；送粉孔4与熔覆喷头的送粉通道6对应相通，且送粉孔4直径大于送粉通道6直径，保证送粉通道6和激光通道7的畅通。

本实施例中,水冷锥套的送粉孔4为三个等直径通孔，水冷锥套的送粉孔4的数量与熔覆喷头的送粉通道6的数量相同。螺旋冷却通道5半径、连接通道11角度和螺旋冷却通道5截面尺寸均需要根据熔覆喷头9的实际尺寸、水冷锥套8的厚度及冷却效果而定。

本实施例中,水冷锥套8侧壁上加工有出水口1和进水口2分别与螺旋冷却通道5的上端口和下端口相连通，水冷锥套8的出水口1和进水口2分别与外设的冷却系统连接。工作时，外部的冷却系统将冷却水由水冷锥套8下端的进水口2进入螺旋冷却通道5，冷却水环绕整个熔覆喷头9后，冷却系统再将冷却水从水冷锥套8上端的出水口1抽出，并通过外部的冷却系统回收，实现对熔覆喷头9的冷却。冷却水在流过整个螺旋冷却通道5的同时，由于螺旋冷却通道5内壁上的扰流螺纹10的作用，有效地强化冷却效果。水冷锥套8结构底部包覆熔覆喷头9的底部，通过导热对熔覆喷头9进行保护，同时具有遮挡来自激光反射,以及熔池热辐射所带来的较高的热量的作用。螺旋冷却通道5以及扰流螺纹10结构，使熔覆喷头9的温度分布散热、强化冷却，提升熔覆喷头9熔覆效果。

本实施例中，熔覆喷头9为倒锥形，上部分为台阶圆柱体、下部分为锥形体结构，内腔为激光通道7且与熔覆喷头9同轴，激光通道7为台阶圆锥孔。熔覆喷头9体内设有等直径送粉通道6，三个送粉通6道以熔覆喷头9中轴线周向均匀分布，且三个送粉通道6的轴线的延长线汇聚于一点，实现三孔同轴送粉。在熔覆喷头9工作之前，将带有螺旋冷却通道5的水冷锥套8与熔覆喷头9装配通过螺纹连接。由于水冷锥套8结构为单一整体部件，不会出现因装配不当影响冷却效果,或发生漏水现象。装配完成后，水冷锥套8结构完全包覆熔覆喷头9，水冷锥套8底部加工有激光孔3和送粉孔4分别与熔覆喷头9的激光通道7和送粉通道6相对应，且激光孔3和送粉孔4的直径大于激光通道端口直径和送粉通道6的直径；保证送粉通道6与激光通道7的畅通。当熔覆喷头9工作时，外部的冷却系统将冷却水由下端的进水口2送入旋流冷却通道，环绕整个激光熔覆喷头9后，冷却系统再将冷却水从上端的出水口1抽出，并通过外部的冷却系统回收。在经过整个螺旋冷却通道5的同时，通过扰流螺纹10的作用，有效地加强冷却效果。水冷锥套8底部覆盖激光熔覆喷头9的底部，通过导热及遮挡，保护受热辐射影响最大的熔覆喷头下缘。

Claims (4)

1.一种用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，包括水冷锥套、熔覆喷头，其特征在于:水冷锥套还包括螺旋冷却通道、扰流螺纹、连接通道、出水口、进水口、激光孔、送粉孔，所述水冷锥套为圆环与圆锥一体结构的倒锥形体，水冷锥套上部分圆环内壁有螺纹，水冷锥套位于熔覆喷头下部，且与熔覆喷头螺纹连接，水冷锥套与熔覆喷头同轴，且完全包覆熔覆喷头底部；

所述水冷锥套壁内设有螺旋冷却通道，螺旋冷却通道环绕熔覆喷头轴向向上逐层增大，每层螺旋冷却通道之间通过连接通道连接相通，螺旋冷却通道内壁面设置扰流螺纹，用于强化换热冷却，水冷锥套底部中心开有激光孔，沿中心激光孔周向均匀分布有送粉孔，激光孔与熔覆喷头内激光通道对应相通，且激光孔直径大于激光通道端口直径，送粉孔与熔覆喷头的送粉通道对应相通，且送粉孔直径大于送粉通道直径，水冷锥套侧壁上有出水口和进水口分别与螺旋冷却通道上端口和下端口相连通，水冷锥套的出水口和进水口分别与外部的冷却系统连接。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，其特征在于:所述水冷锥套的送粉孔为多个，且与熔覆喷头的送粉通道数量相同。

3.根据权利要求1所述的用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，其特征在于:所述螺旋冷却通道截面为圆形结构。

4.根据权利要求1所述的用于激光熔覆喷头的扰流螺纹旋流水冷装置，其特征在于:所述熔覆喷头为锥形体结构，内腔为激光通道且与熔覆喷头同轴，熔覆喷头体内设有送粉通道，多个等直径送粉通道以熔覆喷头中轴线周向均匀分布，且送粉通道轴线的延长线汇聚于一点。