CN109332701B - 一种激光增材制造与修复用送粉喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光增材制造与修复用送粉喷头，包括内芯、外套、导磁铁芯、电磁线圈和送粉喷嘴；内芯中部贯穿设置有光路通道，外套套设于内芯外部，外套的外围周向设置有多个电磁通道和送粉通道，电磁通道内部穿设有导磁铁芯，导磁铁芯的外部缠绕有电磁线圈，送粉通道的顶部与粉末送入管路连接，送粉通道的底部与送粉喷嘴连接，物料粉末经过送粉通道由送粉喷嘴送出后汇聚成的粉斑位于电磁通道内的电磁线圈产生的磁场范围内；本发明整体结构紧凑，可实现送粉与电磁搅拌有效结合，具有磁场作用大、控制精度高的优点，利用磁场直接作用于激光熔池中的液态金属，可同时用于激光增材制造成形和修复工艺，且对成形和修复零件无尺寸和形状限制的优点。

Description

一种激光增材制造与修复用送粉喷头

技术领域

本发明涉及激光增材制造与修复装置技术领域，特别是涉及一种激光增材制造与修复用送粉喷头。

背景技术

激光增材制造技术是一种基于“增材”制造理念的先进材料制备技术，该技术充分发挥了激光熔覆技术中熔体金属非平衡凝固和快速原型技术逐点逐层成形三维实体零件的优点，可以实现复杂结构金属零件的快速高性能成形和修复。由于熔池金属的凝固过程具有近快速凝固特点，激光增材制造金属材料多具有组织细密、合金元素的过饱和程度大等特点，且由于是同成分合金粉末的逐点成形，激光立体成形制备的材料不存在合金元素的宏观偏析，该技术已广泛应用于航天航空、石油化工、电子信息、能源环境等行业。而在激光增材制造制备的材料中枝晶间仍存在合金元素的微观偏析，对合金性能造成不利影响。特别地，对于局部激光增材修复零件来说，考虑到零件受热变形以及锻件组织晶粒长大、沉淀强化相溶解等潜在风险，尤其是第二相强化型合金激光修复件不允许采用高温的均质化和固溶处理，此时修复区仍为沉积态铸态组织，这种组织对于第二相析出数量、位置以及尺寸具有决定性作用，决定了修复件的综合性能。此外，在激光增材的过程中，由于受到保护气流和成形系统的波动，成形件内部会存在气孔、熔合不良、夹杂等缺陷；而在对零件进行局部激光修复时，受到热应力作用，致使零件变形、开裂；熔池的快速凝固和超高的温度梯度，造成零件的晶粒形态、尺寸、晶体取向、化学成分的均匀性难于控制。

现有的激光增材制造送粉喷头大多只是实现了粉末的汇聚以及粉斑和光斑的重合，例如能够调节送粉宽度的侧向送粉喷嘴、能够调节粉末汇聚性的同轴送粉喷嘴等，有的送粉喷头可以实现金属粉末的特殊送入，例如适用于变光斑工艺的激光增材制造同轴送粉喷嘴，还有的从增强熔池金属保护角度出发设计出了增强气体保护氛围的带保护罩的激光增材制造同轴送粉喷嘴等。从使用来说，这些装置都只是从激光增材制造时送出的金属粉末流特性以及保护氛围方面改善了送粉喷头的形式，但是不具有对金属熔池辅助作用的能力，如不能直接作用于激光熔池中液体金属的流动。而相比于其他能量形式，电磁场对液态金属的作用可以显著加剧固液界面前端熔体的对流以及不稳定性，从而使合金元素的分布更加均匀，起到电磁搅拌的作用。基于此，有研究使用了静磁场对激光熔敷和修复过程中的熔池施加作用，结果显示熔敷金属中气孔等冶金缺陷明显减少，晶粒得到细化，且合金元素分布更加均匀。同时，有研究将电磁线圈却通过悬挂的方式附加在传统送粉喷头之上，让电磁线圈中的磁场作用于熔池，也得到了一定的效果。但是，此种方法具有较大的局限性。一是悬挂电磁线圈后送粉头加工区域受到限制，只能对较小尺寸试样或零件的成形修复施加电磁搅拌作用；二是由于电磁线圈间距离较大，其间电磁场强度较小，真正作用于熔池液态金属的磁场强度受到很大限制，所用效果受到影响；三是电磁线圈中强大电流会产生较多热量，设计没有考虑对线圈的冷却，线圈寿命受到限制。

基于此，目前尚没有一种同时考虑电磁线圈冷却、加工空间及电磁搅拌作用的具有电磁搅拌功能的激光增材制造与修复用送粉喷头。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光增材制造与修复用送粉喷头，以解决上述现有技术存在的问题，其整体结构紧凑、可用于任何尺寸试样和零件的激光增材制造及修复、磁场作用大且控制精度高，可以在激光增材制造的同时，利用磁场直接作用于激光熔池中的液态金属，实现了激光增材制造过程中送粉与电磁搅拌有效结合，达到对激光增材制造沉积态组织调控的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种激光增材制造与修复用送粉喷头，包括内芯、外套、导磁铁芯、电磁线圈和送粉喷嘴；所述内芯中部贯穿设置有光路通道，所述外套套设于所述内芯外部，所述外套的外围周向设置有多个电磁通道和送粉通道，所述电磁通道内部穿设有所述导磁铁芯，所述导磁铁芯的外部缠绕有所述电磁线圈，所述送粉通道的顶部与粉末送入管路连接，所述送粉通道的底部与所述送粉喷嘴连接，物料粉末经过所述送粉通道由所述送粉喷嘴送出后汇聚成的粉斑位于所述电磁通道内的所述电磁线圈产生的磁场范围内。

优选地，所述光路通道为顶部直径大于底部直径的倒锥形通道，所述外套的内部顶端设置有用于安装所述内芯的内芯安装槽，所述内芯安装槽的槽底开设有与所述光路通道衔接的倒锥形的光路出口。

优选地，所述内芯的外壁上周向设置有冷却水槽，所述冷却水槽与所述内芯安装槽的侧壁之间构成环形冷却空间，所述外套上还设置有与所述冷却空间连通的两个进出水口。

优选地，所述外套的外围设置有倒锥形轴肩，且所述轴肩的顶端面为外侧朝向所述外套底部倾斜的环形斜面，所述轴肩的底端面为内侧朝向所述外套顶部倾斜的环形斜面，所述电磁通道和所述送粉通道由所述轴肩的顶端面向底部倾斜开设并穿过所述轴肩底端面，且多个所述电磁通道的中心轴线形成的交点位于所述光路出口的底部，多个所述送粉通道送出的物料粉末交叉后形成的粉斑位于所述光路通道的中心轴线上。

优选地，所述电磁通道和所述送粉通道均设置有四个，且所述电磁通道和所述送粉通道交错布置，交错布置的所述电磁通道和所述送粉通道周向均布。

优选地，所述电磁通道的中心轴线与所述光路通道的中心轴线的夹角为60°，所述送粉通道的中心轴线与所述光路通道的中心轴线的夹角为45°。

优选地，所述导磁铁芯与所述电磁通道同轴设置，所述导磁铁芯底端穿过所述电磁通道的孔底伸出于所述电磁通道外部，所述导磁铁芯顶端由与所述电磁通道顶端螺纹连接的限位螺帽限位固定。

优选地，所述送粉喷嘴与所述送粉通道同轴设置，且所述送粉喷嘴与所述送粉通道螺纹连接。

优选地，所述外套和所述内芯均为紫铜材质。

优选地，所述导磁铁芯为硅钢铁芯。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的激光增材制造与修复用送粉喷头，将电磁场辅助装置与激光增材制造与修复用的送粉装置设计为一个整体，整体结构紧凑，可实现送粉与电磁搅拌有效结合，具有磁场作用大、控制精度高、适用于任何尺寸试样或零件的激光增材制造及修复的优点，既保证了激光增材制造中送粉过程，又辅助以外加电磁场直接作用于熔池，实现了激光增材制造过程中送粉与电磁搅拌有效结合，达到对激光增材制造沉积态组织调控的目的；适用于激光增材制造领域，尤其适用于调控激光立体成形及修复过程中沉积态组织调控、气孔等缺陷以及表面成形的控制。

2、本发明提供的激光增材制造与修复用送粉喷头，内部设置冷却空间，冷却空间内通入循环冷却液，能够对电磁线圈进行冷却，延长电磁线圈的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中激光增材制造与修复用送粉喷头的立体结构示意图；

图2为本发明中激光增材制造与修复用送粉喷头的俯视图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图2的B-B向剖视图；

图5为本发明中外套的立体结构示意图；

图6为本发明中外套的俯视图；

图7为图6的C-C向剖视图；

图8为图6的D-D向剖视图；

图9为本发明中内芯的正视图；

图10为图9的E-E向剖视图；

图中：1-内芯、2-外套、3-导磁铁芯、4-电磁线圈、5-送粉喷嘴、6-限位螺帽、7-冷却空间；

11-光路通道、12-冷却水槽；

21-内芯安装槽、22-光路出口、23-进出水口、24-轴肩、25-电磁通道、26-送粉通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种激光增材制造与修复用送粉喷头，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种激光增材制造与修复用送粉喷头，如图1-9所示，包括内芯1、外套2、导磁铁芯3、电磁线圈4和送粉喷嘴5；内芯1中部贯穿设置有光路通道11，外套2套设于内芯1外部，外套2的外围周向设置有多个电磁通道25和送粉通道26，电磁通道25内部穿设有导磁铁芯3，导磁铁芯3的外部缠绕有电磁线圈4，电磁场由电磁线圈4产生，由导磁铁芯3导出后作用于激光熔池；送粉通道26的顶部与粉末送入管路（图中未示出）连接，送粉通道26底部与送粉喷嘴5连接，实现物料粉末的送入和喷出；物料粉末经过送粉通道26由送粉喷嘴5送出后汇聚成的粉斑位于电磁通道25内的带有导磁铁芯3的电磁线圈4产生的磁场范围内，在激光增材制造成形或修复时可实现对熔池内液态金属的电磁搅拌作用。

本实施例中，光路通道11为顶部直径大于底部直径的倒锥形通道，外套2的内部顶端设置有用于安装内芯1的内芯安装槽21，内芯安装槽21的槽底开设有与光路通道11衔接的倒锥形的光路出口22，激光由光路通道11顶部射入并由光路出口22汇聚后射出。

为了能够实现电磁线圈4的冷却，延长电磁线圈4的使用寿命，本实施例中，在内芯1的外壁上周向设置有冷却水槽12，内芯1与外套2通过钎焊工艺连接为一整体后，冷却水槽12与内芯安装槽21的侧壁之间构成环形冷却空间7，相应地，在外套2的顶部与冷却空间7相对的位置还开设有与冷却空间7连通的两个进出水口23，由此在工作过程中实现冷却空间7内冷却液的不间断循环冷却。

本实施例中，外套2的外围设置有倒锥形轴肩24，且轴肩24的顶端面为外侧朝向外套2底部倾斜的环形斜面，轴肩24的底端面为内侧朝向外套2顶部倾斜的环形斜面，电磁通道25和送粉通道26由轴肩24的顶端面向底部倾斜开设并穿过轴肩24底端面，且多个电磁通道25的中心轴线形成的交点位于光路出口22的底部，多个送粉通道26送出的物料粉末交叉后形成的粉斑位于光路通道11的中心轴线上。

本实施例中的电磁通道25和送粉通道26均设置有四个，且电磁通道25和送粉通道26交错布置，交错布置的电磁通道25和送粉通道26周向均布；电磁通道25的中心轴线与光路通道11的中心轴线的夹角为60°，送粉通道26的中心轴线与光路通道11的中心轴线的夹角为45°。

本实施例中，导磁铁芯3为中部带有轴肩的实心轴体，导磁铁芯3与电磁通道25同轴设置，电磁线圈4均匀的缠绕在导磁铁芯3的轴肩上，轴肩底端的导磁铁芯3穿过电磁通道25的孔底伸出于电磁通道25外部，轴肩顶端的导磁铁芯3插接于一带有外螺纹的限位螺帽6内，限位螺帽6与电磁通道25顶端螺纹连接将导磁铁芯3顶紧。

本实施例中，送粉喷嘴5与送粉通道同轴设置，且送粉喷嘴5与送粉通道26螺纹连接。

本实施例中，外套2和内芯1均为导热性能良好的紫铜材质，电磁线圈4为硅钢铁芯。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：包括内芯、外套、导磁铁芯、电磁线圈和送粉喷嘴；所述内芯中部贯穿设置有光路通道，所述外套套设于所述内芯外部，所述外套的外围周向设置有多个电磁通道和送粉通道，所述电磁通道内部穿设有所述导磁铁芯，所述导磁铁芯的外部缠绕有所述电磁线圈，所述送粉通道的顶部与粉末送入管路连接，所述送粉通道的底部与所述送粉喷嘴连接，物料粉末经过所述送粉通道由所述送粉喷嘴送出后汇聚成的粉斑位于所述电磁通道内的所述电磁线圈产生的磁场范围内；

所述光路通道为顶部直径大于底部直径的倒锥形通道，所述外套的内部顶端设置有用于安装所述内芯的内芯安装槽，所述内芯安装槽的槽底开设有与所述光路通道衔接的倒锥形的光路出口；

所述内芯的外壁上周向设置有冷却水槽，所述冷却水槽与所述内芯安装槽的侧壁之间构成环形冷却空间，所述外套上还设置有与所述冷却空间连通的两个进出水口；

所述外套的外围设置有倒锥形轴肩，且所述轴肩的顶端面为外侧朝向所述外套底部倾斜的环形斜面，所述轴肩的底端面为内侧朝向所述外套顶部倾斜的环形斜面，所述电磁通道和所述送粉通道由所述轴肩的顶端面向底部倾斜开设并穿过所述轴肩底端面，且多个所述电磁通道的中心轴线形成的交点位于所述光路出口的底部，多个所述送粉通道送出的物料粉末交叉后形成的粉斑位于所述光路通道的中心轴线上。

2.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述电磁通道和所述送粉通道均设置有四个，且所述电磁通道和所述送粉通道交错布置，交错布置的所述电磁通道和所述送粉通道周向均布。

3.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述电磁通道的中心轴线与所述光路通道的中心轴线的夹角为60°，所述送粉通道的中心轴线与所述光路通道的中心轴线的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述导磁铁芯与所述电磁通道同轴设置，所述导磁铁芯底端穿过所述电磁通道的孔底伸出于所述电磁通道外部，所述导磁铁芯顶端由与所述电磁通道顶端螺纹连接的限位螺帽限位固定。

5.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述送粉喷嘴与所述送粉通道同轴设置，且所述送粉喷嘴与所述送粉通道螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述外套和所述内芯均为紫铜材质。

7.根据权利要求1所述的激光增材制造与修复用送粉喷头，其特征在于：所述导磁铁芯为硅钢铁芯。

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