CN107604355A - 一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴及其制造方法，该喷嘴包括上体、中间体、下体和吹气机构；上体包括压环、连接箍和调节螺母，中间体包括定位销、升降法兰、隔气套和连接盘，下体包括挡片、压盖、冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩，吹气机构包括与升降法兰的防飞溅气孔连接的吹气槽块和工作范围覆盖压盖上的矩形孔的吹气管。该喷嘴保证激光保护镜无污染，送粉稳定均匀，激光熔覆的粉末利用率高，冷却效果好，易于拆卸和装配，送粉宽度和角度可调，无级调节离焦量，适用于多种不同焦距和光斑大小的宽带式激光熔覆送粉。

Description

一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴及其制造 方法

技术领域

本发明属于激光材料加工技术领域，具体涉及一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴及其制造方法。

背景技术

激光熔覆是一种先进的制造技术，该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善机体材料表面的耐磨、耐蚀和抗氧化等性能。与电弧堆焊、常规热喷涂、等离子喷涂等表面工程技术相比，激光熔覆具有热影响区小、热变形小，熔覆区成分、浓度、形状和区域大小可控等诸多优点，广泛应用于汽轮机叶片、模具、曲轴、冶金轧辊、阀门等零部件的强化与再制造修复。

对于一些大型工件，如大型轴类零件表面、大面积平面激光熔覆等场合，需要采用宽带熔覆技术，其光束截面形状为长条矩形。目前，针对宽带激光熔覆用的送粉喷嘴存在下述不足：1)现有宽带激光熔覆用同轴送粉喷嘴装置的共同特点是粉末汇聚性差，粉末利用率低，难以在焦点处形成与激光束相匹配的粉末浓度分布；2)现有宽带侧向送粉喷嘴存在激光熔覆前后方向的熔覆性能不一致问题；3)现有激光熔覆用送粉喷嘴都缺少加工熔池熔渣的防飞溅功能，容易导致激光加工头的保护镜镜头受损；4)受送粉粉束为矩形的限制，导致现有的宽带激光熔覆用同轴或侧向送粉喷嘴都存在制造加工困难的问题，有些设计甚至无法加工装配，如授权公告号为CN 1139455C的发明专利“可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴”，其设计的中间矩形体无法进行装配，送粉座中的冷却水通道也无法加工出来。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴及其制造方法，该喷嘴保证激光保护镜无污染，送粉稳定均匀，激光熔覆的粉末利用率高，冷却效果好，易于拆卸和装配，送粉宽度和角度可调，无级调节离焦量，适用于多种不同焦距和光斑大小的宽带式激光熔覆送粉。

本发明所采用的技术方案是：

一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括上体、中间体、下体和吹气机构；

上体包括压环以及带有中心孔的连接箍和调节螺母，连接箍上部为与激光加工头连接的卡箍结构、中部设有轴向槽、下部设有凸缘，凸缘位于调节螺母的顶端沉台内，拼接式的压环固定在调节螺母上将凸缘轴向限位；

中间体包括定位销以及带有中心孔的升降法兰、隔气套和连接盘，升降法兰上部与连接箍中心孔配合、中部与调节螺母螺纹连接、下部为法兰，定位销固定在升降法兰上且与轴向槽配合，连接盘与法兰底面贴紧固定，隔气套配合在升降法兰和连接盘的中心孔内且固定在升降法兰上，升降法兰和隔气套上设有相互连通且连通至隔气套中心孔的防飞溅气孔，法兰侧壁上设有内层保护气孔和两个送粉孔，法兰底面设有沉台，沉台配合隔气套形成环形槽，内层保护气孔与环形槽连通，送粉孔出口均位于法兰底面，连接盘顶面设有两个与环形槽连通的连通孔、侧面设有两个外层保护气孔；

下体包括挡片、中部设有矩形孔的压盖以及两组对称的冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩，外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩固定形成介质通过体，介质通过体从外到内依次为外层保护气通道、送粉通道和内层保护气通道，封闭的冷却水罩围绕固定在介质通过体上并且与进出水组件连接，介质通过体顶部依次穿过压盖和连接盘并贴紧法兰底面，挡片固定在介质通过体上，压盖可拆卸的盖在连接盘底部并将挡片压紧，两个外层保护气孔、两个送粉孔和两个连通孔分别与两个外层保护气通道、两个送粉通道和两个内层保护气通道连通；

吹气机构包括与升降法兰的防飞溅气孔连接的吹气槽块和工作范围覆盖压盖上的矩形孔的吹气管。

进一步地，吹气管的出气口为长细缝，隔气套上的防飞溅气孔为长细缝。

进一步地，外层保护气通道、送粉通道和内层保护气通道均上部竖直、下部向内倾斜。

进一步地，送粉通道上部为等矩形截面、下部为逐渐收缩的矩形截面。

进一步地，外层保护气通道截面为由矩形组成的U形、内层保护气通道截面为矩形，外层保护气通道将送粉通道的外侧和前后两侧包围，内层保护气通道配合外层保护气通道将送粉通道的内外前后合围。

进一步地，压盖预留给介质通过体的安装槽在外侧多加了一道安装长槽。

进一步地，进出水组件包括水管连接套件、一端与水罐连接套件连接、一端伸入冷却水罩内的进水管、一端与进水管连接另一端伸至冷却水罩底部的进水管下管和与冷却水罩排水孔连接的出水管。

进一步地，卡箍结构中间开有两段定位横槽。

进一步地，压盖顶部内孔与连接盘底部台阶配合定位。

一种基于上述可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的制造方法，上体、中间体以及下体中压盖的材料均使用铸造铝合金，采用机械加工方法，下体中冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩的材料均使用紫铜材料，采用钣金制造工艺，钣金制造工艺步骤为：

1)根据所设计结构的尺寸，绘制出各部分的展开图；

2)根据展开图，对紫铜板进行线切割；

3)对线切割后的紫铜板进行划线处理，然后进行弯折，得到所需形状；

4)各部分制造完成后，将冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩焊接在一起形成介质通过体；

5)焊接完成后，对外层气罩、送粉罩、内层气罩的上端面进行平整处理，保证压盖压紧后外层气罩、送粉罩、内层气罩的上端面与升降法兰底面无缝接触，使得外层保护气通道、内层保护气通道和送粉通道相互隔离。

本发明的有益效果是：

1).采用三重熔池熔渣防飞溅措施，吹气管将从熔池中飞溅起来的熔渣吹散，从而改变熔渣的运动方向，吹气槽块进一步地将少量飞溅物吹走，矩形孔减小飞溅物的通过面积，结构简单，吹粉效果明显，达到激光保护镜100％无污染的目的。

2).采用内外双层保护气，在熔池周围形成良好的保护气氛围，有效防止加工过程中熔覆层的氧化问题，还可以对中间的粉束起到良好的整形作用，有效提高激光熔覆的粉末利用率。

3).定位销保证升降法兰及其以下部件上下运动而不产生旋转运动，保证宽带激光束与宽带送粉粉束方向的一致性，升降法兰与调节螺母配合实现上下无级调节离焦量，连接箍与激光加工头弹性连接，易于拆卸和装配，保证喷嘴和激光加工头的同轴度。

4).下体的各层隔罩固定为一整体，集成度高，通过挡片承受下体的重力作用，送粉宽度和角度可调，适用于多种不同焦距和光斑大小的宽带式激光熔覆送粉。

5).本发明采用对称的同轴送粉方式实现宽带激光熔覆的送粉，保证宽带激光熔覆前后方向的熔覆性能一致，送粉稳定均匀。

6).冷却水罩配合进出水组件完成冷却，冷却效果好。

附图说明

图1是本发明实施例的剖视图。

图2是图1的侧剖视图。

图3是图1中A-A剖视图。

图4是图3中的C-C局部剖视图。

图5是本发明实施例中内外层保护气通道和送粉通道的截面图。

图6是本发明实施例中压盖的结构示意图。

图7是本发明实施例中外层气罩的展开图。

图中：11-连接箍；12-压环；13-调节螺母；21-升降法兰；22-定位销；23-隔气套；24-连接盘；31-压盖；32-挡片；33-冷却水罩；34-外层气罩；35-送粉罩；36-内层气罩；37-端封罩；41-吹气管；42-气管连接套件；43-吹气槽块；51-激光束通道；52-冷却水腔；53-外层保护气通道；54-送粉通道；55-内层保护气通道；331-水管连接套件；332-进水管；333-进水管下管；334-出水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括上体、中间体、下体和吹气机构；上体包括压环12以及带有中心孔的连接箍11和调节螺母13，连接箍11上部为与激光加工头连接的卡箍结构、中部设有轴向槽、下部设有凸缘，凸缘位于调节螺母13的顶端沉台内，拼接式的压环12(压环12被切开为左右两半，便于装配)固定在调节螺母13上(压环12通过均布的六个螺钉与调节螺母13连接)将凸缘轴向限位；中间体包括定位销22以及带有中心孔的升降法兰21、隔气套23和连接盘24，升降法兰21上部与连接箍11中心孔配合、中部与调节螺母13螺纹连接、下部为法兰，定位销22固定在升降法兰21上且与轴向槽配合，连接盘24与法兰底面贴紧固定(升降法兰21和连接盘24通过周向均布的四个螺钉连接)，隔气套23配合在升降法兰21和连接盘24的中心孔内且固定在升降法兰21上(隔气套23通过紧定螺钉固定在升降法兰21上)，升降法兰21和隔气套23上设有相互连通且连通至隔气套23中心孔的防飞溅气孔，法兰侧壁上设有内层保护气孔和两个送粉孔，法兰底面设有沉台，沉台配合隔气套23形成环形槽，内层保护气孔与环形槽连通，送粉孔出口均位于法兰底面，连接盘24顶面设有两个与环形槽连通的连通孔(内层保护气经环形槽后再由连接盘24上的两个连通孔分流)、侧面设有两个外层保护气孔；下体包括挡片32、中部设有矩形孔的压盖31(矩形孔为宽带激光光束通道)以及两组对称的冷却水罩33、外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36和端封罩37，外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36和端封罩37固定形成介质通过体，介质通过体从外到内依次为外层保护气通道53、送粉通道54和内层保护气通道55，封闭的冷却水罩33围绕固定在介质通过体上并且与进出水组件连接，介质通过体顶部依次穿过压盖31和连接盘24并贴紧法兰底面，挡片32固定在介质通过体上，压盖31可拆卸的盖在连接盘24底部并将挡片32压紧(压盖31通过两个螺钉与连接盘24连接)，两个外层保护气孔、两个送粉孔和两个连通孔分别与两个外层保护气通道53、两个送粉通道54和两个内层保护气通道55连通；吹气机构包括与升降法兰21的防飞溅气孔连接的吹气槽块43和工作范围覆盖压盖31上的矩形孔的吹气管41。

采用三重熔池熔渣防飞溅措施，吹气管41将从熔池中飞溅起来的熔渣吹散，从而改变熔渣的运动方向，吹气槽块43进一步地将少量飞溅物吹走，矩形孔减小飞溅物的通过面积(矩形孔的尺寸根据宽带激光光束在此位置的大小而定，取1.5～2倍的光束尺寸，在本实施例中，激光光束在此位置的尺寸为3mm×12mm，矩形孔设为6mm×20mm)，结构简单，吹粉效果明显，达到激光保护镜100％无污染的目的；采用内外双层保护气，在熔池周围形成良好的保护气氛围，有效防止加工过程中熔覆层的氧化问题，还可以对中间的粉束起到良好的整形作用，有效提高激光熔覆的粉末利用率；定位销22保证升降法兰21及其以下部件上下运动而不产生旋转运动，保证宽带激光束与宽带送粉粉束方向的一致性，升降法兰21与调节螺母13配合实现上下无级调节离焦量，连接箍11与激光加工头弹性连接，易于拆卸和装配，保证喷嘴和激光加工头的同轴度；下体的各层隔罩固定为一整体，集成度高，通过挡片32承受下体的重力作用，送粉宽度和角度可调，适用于多种不同焦距和光斑大小的宽带式激光熔覆送粉；本发明采用对称的同轴送粉方式实现宽带激光熔覆的送粉，保证宽带激光熔覆前后方向的熔覆性能一致，送粉稳定均匀；冷却水罩33配合进出水组件完成冷却，冷却效果好。

在本实施例中，吹气管41(铜制)的出气口为长细缝(在本实施例中，出气口长细缝的长度为25mm)，隔气套23上的防飞溅气孔为长细缝(在本实施例中，长细缝宽度取1mm)，有利于形成高速气流。

如图1所示，在本实施例中，外层保护气通道53、送粉通道54和内层保护气通道55均上部竖直、下部向内倾斜。

在本实施例中，送粉通道54上部为等矩形截面、下部为逐渐收缩的矩形截面，这样圆形入口进入的粉末经一端较长的矩形通道后逐渐扩散均匀，载气气流逐渐变得平稳，然后进入到下部收缩式矩形通道，进一步地压缩载气气流，使粉末沿矩形方向上分布均匀。

如图5所示，在本实施例中，外层保护气通道53截面为由矩形组成的U形、内层保护气通道55截面为矩形，外层保护气通道53将送粉通道54的外侧和前后两侧包围，内层保护气通道55配合外层保护气通道53将送粉通道54的内外前后合围，外层保护气和内层保护气除对喷出的粉末粉束进行整形以及在熔池周围形成良好的保护气氛围防止加工过程中氧化之外，外层保护气还可吹散散落在熔覆层表面的合金粉末，从而有效防止熔覆层表面的粘粉问题。

如图6所示，在本实施例中，压盖31预留给介质通过体的安装槽在外侧多加了一道安装长槽，介质通过体整体稍微向外侧平移即可实现拆卸和更换，操作方便。

如图2所示，在本实施例中，进出水组件包括水管连接套件331、一端与水罐连接套件连接、一端伸入冷却水罩33内的进水管332、一端与进水管332连接另一端伸至冷却水罩33底部的进水管下管333和与冷却水罩33排水孔连接的出水管334。由此形成冷却水的循环，保证喷嘴长时间的工作稳定性。

在本实施例中，压环12与连接箍11间隙配合，凸缘与调节螺母13的沉台间隙配合(间隙为0.5mm)，调节螺母13和压环12可以相对连接箍11旋转。

在本实施例中，调节螺母13外表面设有滚花，便于旋转调节操作。

如图1和图2所示，在本实施例中，卡箍结构中间开有两段定位横槽，便于装配与拆卸，同时保证整个喷嘴与激光加工头的同轴度。

如图1、图2和图4所示，在本实施例中，压盖31顶部内孔与连接盘24底部台阶配合定位，可方便地实现更换。

在本实施例中，内层保护气通道55和外层保护气通道53中输送的气体为惰性气体。

一种基于上述可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的制造方法，上体、中间体以及下体中压盖31的材料均使用铸造铝合金，采用机械加工方法，下体中冷却水罩33、外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36和端封罩37的材料均使用紫铜材料，采用钣金制造工艺，钣金制造工艺步骤为：

1)根据所设计结构的尺寸，绘制出各部分的展开图；

2)根据展开图，对紫铜板进行线切割；

3)对线切割后的紫铜板进行划线处理，然后进行弯折，得到所需形状；

4)各部分制造完成后，将冷却水罩33、外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36和端封罩37焊接在一起形成介质通过体；

5)焊接完成后，对外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36的上端面进行平整处理，保证压盖31压紧后外层气罩34、送粉罩35、内层气罩36的上端面与升降法兰21底面无缝接触，使得外层保护气通道53、内层保护气通道55和送粉通道54相互隔离。

上体和中间体采用铝合金材料制造，在保证可加工性和工作稳定性后，尽量减小喷嘴的总质量，实现轻量化设计；因靠近激光加工熔池，熔池中大量的热辐射和部分反射激光造成下体的工作温度较高，因此必须采用热传导率高的材料，在所有金属材料中，铜的热传导系数最高，具有极好的的传热能力；考虑材料对激光的吸收、加工性、焊接性和导热性，由于下体的特殊结构要求，采用钣金制造工艺，由于紫铜的塑性韧性好，因此所述步骤3)中的弯折很容易做到，加工简单。

在本实施例中，紫铜材料均为厚度为1mm的紫铜板，焊接为氧焊或氩弧焊，焊接后各部分密封性好，不漏气、渗水。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：包括上体、中间体、下体和吹气机构；

上体包括压环以及带有中心孔的连接箍和调节螺母，连接箍上部为与激光加工头连接的卡箍结构、中部设有轴向槽、下部设有凸缘，凸缘位于调节螺母的顶端沉台内，拼接式的压环固定在调节螺母上将凸缘轴向限位；

中间体包括定位销以及带有中心孔的升降法兰、隔气套和连接盘，升降法兰上部与连接箍中心孔配合、中部与调节螺母螺纹连接、下部为法兰，定位销固定在升降法兰上且与轴向槽配合，连接盘与法兰底面贴紧固定，隔气套配合在升降法兰和连接盘的中心孔内且固定在升降法兰上，升降法兰和隔气套上设有相互连通且连通至隔气套中心孔的防飞溅气孔，法兰侧壁上设有内层保护气孔和两个送粉孔，法兰底面设有沉台，沉台配合隔气套形成环形槽，内层保护气孔与环形槽连通，送粉孔出口均位于法兰底面，连接盘顶面设有两个与环形槽连通的连通孔、侧面设有两个外层保护气孔；

下体包括挡片、中部设有矩形孔的压盖以及两组对称的冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩，外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩固定形成介质通过体，介质通过体从外到内依次为外层保护气通道、送粉通道和内层保护气通道，封闭的冷却水罩围绕固定在介质通过体上并且与进出水组件连接，介质通过体顶部依次穿过压盖和连接盘并贴紧法兰底面，挡片固定在介质通过体上，压盖可拆卸的盖在连接盘底部并将挡片压紧，两个外层保护气孔、两个送粉孔和两个连通孔分别与两个外层保护气通道、两个送粉通道和两个内层保护气通道连通；

吹气机构包括与升降法兰的防飞溅气孔连接的吹气槽块和工作范围覆盖压盖上的矩形孔的吹气管。

2.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：吹气管的出气口为长细缝，隔气套上的防飞溅气孔为长细缝。

3.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：外层保护气通道、送粉通道和内层保护气通道均上部竖直、下部向内倾斜。

4.如权利要求3所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：送粉通道上部为等矩形截面、下部为逐渐收缩的矩形截面。

5.如权利要求3或4所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：外层保护气通道截面为由矩形组成的U形、内层保护气通道截面为矩形，外层保护气通道将送粉通道的外侧和前后两侧包围，内层保护气通道配合外层保护气通道将送粉通道的内外前后合围。

6.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：压盖预留给介质通过体的安装槽在外侧多加了一道安装长槽。

7.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：进出水组件包括水管连接套件、一端与水罐连接套件连接、一端伸入冷却水罩内的进水管、一端与进水管连接另一端伸至冷却水罩底部的进水管下管和与冷却水罩排水孔连接的出水管。

8.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：卡箍结构中间开有两段定位横槽。

9.如权利要求1所述的可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于：压盖顶部内孔与连接盘底部台阶配合定位。

10.一种基于上述可调式防飞溅的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的制造方法，其特征在于：上体、中间体以及下体中压盖的材料均使用铸造铝合金，采用机械加工方法，下体中冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩的材料均使用紫铜材料，采用钣金制造工艺，钣金制造工艺步骤为，

1)根据所设计结构的尺寸，绘制出各部分的展开图；

2)根据展开图，对紫铜板进行线切割；

3)对线切割后的紫铜板进行划线处理，然后进行弯折，得到所需形状；

4)各部分制造完成后，将冷却水罩、外层气罩、送粉罩、内层气罩和端封罩焊接在一起形成介质通过体；

5)焊接完成后，对外层气罩、送粉罩、内层气罩的上端面进行平整处理，保证压盖压紧后外层气罩、送粉罩、内层气罩的上端面与升降法兰底面无缝接触，使得外层保护气通道、内层保护气通道和送粉通道相互隔离。