CN110079797A - 一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴 - Google Patents

一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，包括激光头、套筒、同轴送粉头、送粉腔、水冷套、水冷腔，所述激光头下方连接套筒，套筒下方连接同轴送粉头；所述套筒上方设置有聚焦镜，同轴送粉头上端设置有保护镜；所述送粉腔为同轴送粉头外壁与水冷套之间所构成的锥形环状腔体；所述送粉腔通过隔离板和调整拨片分隔为内腔和外腔，水冷腔连接有进水口和出水口；所述调整拨片为多个，沿周向均匀分布，并连接于隔离板下端，调整拨片能够相对于同轴送粉头进行偏转。本发明的同轴送粉喷嘴采用气动方式实现了粉末流汇聚焦点调节，具有结构简单、反应灵敏、调节范围大等优点。

Description

一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴
技术领域
本发明属于激光先进制造领域，具体涉及一种可气动调节粉末汇聚焦点的同轴送粉喷嘴。
背景技术
在关键零件表面制备高性能合金涂层，对提高零件的使用寿命和机械产品的可靠性具有重要的意义。采用同步送粉式激光熔覆技术制备的合金涂层，具有结合强度高、稀释率小、零件的热影响区小和热变形小、材料适应性强、易于实现自动化生产等优点。因此，同步送粉式激光熔覆技术现已逐步成为一种应用广泛的材料表面改性技术。
在同步送粉式激光熔覆技术中，粉末的输送是工艺中的关键环节。同步送粉主要有侧轴式和同轴式两类。侧轴式送粉具有方向性，只适用于简单的二维熔覆轨迹。同轴送粉则具有无方向性的优点，适用于各种复杂熔覆轨迹。在送粉系统中，同轴送粉喷嘴是实现同轴送粉方式的关键部件。同轴送粉喷嘴主要依靠锥形环状送粉腔，以一定的出粉角度实现粉末流在喷嘴下方的汇聚。粉末流的汇聚焦点取决于喷嘴的结构参数，如送粉腔的锥角等。一般情况下粉末流的汇聚焦点是不可调节的，这就影响了同轴送粉方式在复杂形状表面的应用。由此，设计具有粉末流汇聚焦点调节功能的同轴送粉喷嘴对拓展激光熔覆技术的应用具有重要的意义。目前，可调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴是利用机械传动方式改变粉末流出射角度，是一种机械调节的方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，以实现粉末流汇聚焦点可调。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，包括激光头、套筒、同轴送粉头、送粉腔、水冷套、水冷腔，所述激光头下方连接套筒，套筒下方连接同轴送粉头；所述套筒上方设置有聚焦镜，用于平行激光束的聚焦；同轴送粉头上端设置有保护镜，用于防止悬浮微颗粒进入套筒内部污染激光头；所述送粉腔为同轴送粉头外壁与水冷套之间所构成的锥形环状腔体所述送粉腔通过隔离板和调整拨片分隔为内腔和外腔，内腔为隔离板内侧与同轴送粉头外壁所构成的环形腔体，外腔为隔离板外侧与送粉腔内侧所构成的环形腔体；所述内腔用于输送载粉气流，内腔上方与若干个间隔均匀分布的进粉口连接，进粉口用于与载粉气流管道连接，使载粉气流通过进粉口进入同轴送粉喷嘴的内腔；所述外腔为保护气体通道，外腔上方与若干个间隔均匀分布的进气口连接，进气口用于与保护气流管道连接，使保护气流通过进气口进入同轴送粉喷嘴的外腔；所述水冷腔为水冷套内壁与送粉腔外壁所构成的环状腔体，水冷腔连接有进水口和出水口；所述调整拨片为多个，沿周向均匀分布，并连接于隔离板下端，调整拨片能够相对于同轴送粉头进行偏转。
进一步的，所述送粉腔、套筒、激光头分别和同轴送粉头之间通过螺纹连接。
进一步的，所述隔离板为锥形套筒。
进一步的，所述调整拨片为梯形弧状片，垂直于梯形高度方向的断面呈现为弧状。
进一步的，所述调整拨片至少为3个。
进一步的，所述调整拨片通过机械铰链或固定结合的方式与隔离板连接，调整拨片的偏转方式为机械偏转或弹性偏转。
进一步的，相邻的调整拨片之间留有补偿间隔。
进一步的，所述调整拨片两侧的均有伸出部分，作为同步协调结构。
本发明的原理是：本发明中粉末流汇聚焦点的调节是以气动方式偏转调整拨片而实现的。在调整拨片的两侧分别有内腔的载粉气流和外腔的保护气流，不同的气体流速在调整拨片表面产生不同的压力，从而使调整拨片具有不同的偏转角度。也即，通过调节内腔载粉气流和外腔保护气体的流速实现调整拨片向内侧或外侧偏转，从而达到粉末入射角度改变的目的。具体地，当以一定的内腔载粉气流输送粉末时，调整拨片对应一个初始偏转角，同轴喷嘴下方的粉末流汇聚于一个初始汇聚焦点。随着外腔保护气流速的逐渐增大，调整拨片逐渐向外侧机械偏转或弹性偏转，从而使粉末流的汇聚焦点由初始汇聚焦点逐步下移。
有益效果：本发明和现有同轴送粉喷嘴相比，优点主要有：
1.本发明中的同轴送粉喷嘴采用气动方式实现对粉末汇聚焦点的调节。粉末流汇聚的控制方法简洁有效，响应速度快，可靠性和灵敏度高，粉末流汇聚焦点的调节范围大，同时可以实现对粉末流汇聚焦距的连续无级调节。
2.本发明中的同轴送粉喷嘴利用调整拨片的偏转控制粉末流汇聚焦点，使机械结构简单紧凑，体积小，重量轻，降低了安装同轴喷嘴的运动装置的惯性，有利于在较高速度下进行熔覆，提高了生产效率。
3.本发明中的同轴送粉喷嘴输送出的粉末流在内腔气流和外腔气流的协同作用下汇聚。外腔气流除防止粉末氧化和控制拨片偏转的作用以外，同时还对粉末流起到束粉的作用，粉末流在焦点位置的汇聚浓度高，提高了粉末利用率，降低了生产成本。
4.本发明中的同轴送粉喷嘴中调整拨片的偏转动作同时可以起到防止粉末堵塞喷嘴出口，具有自清洁的作用，有利于延长喷嘴的使用寿命。同时由于活动调节装置简单(尤其是弹性偏转方式)，喷嘴的维护保养方便。
5.本发明中的同轴送粉喷嘴的柔性高、对不同工况下的适应性强。在非平整表面或者复杂结构表面进行激光熔覆或激光修复时，需保证粉末汇聚焦点和熔覆位置的重合。配合熔池位置的反馈信号，本发明的同轴送粉喷嘴能够实现在加工中对粉末汇聚焦点的在线调控和闭环控制。
附图说明
图1为本发明同轴送粉喷嘴的结构示意图；
图2为调整拨片的立体图；
图3为图1在A-A处的俯视剖视图。
图中，附图标记为：
1-激光头、2-聚焦镜、3-套筒、4-保护镜、5-同轴送粉头、6-内腔、7-进粉口、8-隔离板、9-外腔、10-进气口、11-调整拨片、111-伸出部分、12-水冷套、13-进水口、14-水冷腔、15-出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和3所示，本发明的一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，包括激光头1、套筒3、同轴送粉头5、隔离板8、调整拨片11、送粉腔、以及水冷套12和水冷腔14。
激光头1下方连接套筒3，在本发明的一个优选实施例中，激光头1与套筒3之间通过周向分布均匀的4个螺栓连接。
套筒3下方连接同轴送粉头5，在本发明的一个优选实施例中，同轴送粉头5与套筒3之间通过周向分布均匀的4个螺栓连接。
套筒3上方设置有聚焦镜2，用于平行激光束的聚焦。
同轴送粉头5上端设置有保护镜4，用于防止悬浮微颗粒进入套筒3内部污染激光头1。
送粉腔为同轴送粉头5外壁与水冷套12之间所构成的锥形环状腔体送粉腔通过隔离板8和调整拨片11分隔为内腔6和外腔9。
内腔6为隔离板8内侧与同轴送粉头5外壁所构成的环形腔体。内腔6用于输送载粉气流，内腔6上方与4个均匀分布的进粉口7连接，进粉口7用于与载粉气流管道连接，使载粉气流通过进粉口7进入同轴送粉喷嘴的内腔6。
外腔9为隔离板8外侧与送粉腔内侧所构成的环形腔体.外腔9为保护气体通道，外腔9上方与4个均匀分布的进气口10连接，进气口10用于与保护气流管道连接，使保护气流通过进气口10进入同轴送粉喷嘴的外腔9。
水冷腔14为水冷套12内壁与送粉腔外壁所构成的环状腔体，水冷腔14连接有进水口13和出水口15，水冷套12中冷却水通过进水口13和出水口15在水冷腔14中流动，从而降低喷嘴出口位置的温度。
调整拨片11为多个(一般至少为3个)，沿周向均匀分布，并连接于隔离板8下端，调整拨片11能够相对于同轴送粉头5进行偏转。通过调整拨片11的偏转来实现粉末流汇聚焦点的调节。
调整拨片11通过机械铰链或固定结合的方式与隔离板8连接，对应调整拨片的偏转方式分别为机械偏转和弹性偏转，对应调整拨片材质分别具有高导热和高弹性的特点。在本发明的一个实施例中，调整拨片11与隔离板8通过铰链连接。
如图2所示，调整拨片11为梯形弧状片，垂直于梯形高度方向的断面呈现为弧状，与隔离板8连接的一端的边长大于其相对端边长。
为保证调整拨片11之间的运动不受干涉，相邻的调整拨片11之间留有1-2mm的补偿间隔。能够防止调整拨片11在连续偏转过程中发生相互阻碍或者交叉碰撞。
调整拨片11两侧的均有伸出部分111，作为同步协调结构，用来保证均匀分布的调整拨片11的偏转角度一致，起到相互约束的作用。
在本发明的一个优选实施例中，调整拨片11为4个。调整拨片11之间的补偿间隔为2mm；调整拨片11的上端和下端的厚度分别为0.4mm和0.2mm。调整拨片11的材质为紫铜T2。
隔离板8为锥形套筒，材质为耐高温材料，如耐热合金钢、高温合金、陶瓷材料等。在本发明的一个优选实施例中，隔离板材材质为高温合金GH1015，厚度选为0.5mm。隔离板8与同轴送粉头5之间通过螺纹连接。
在保持内腔6气粉流速恒定的情况下，通过调节外腔9内部保护气体的流速实现调整拨片11向内侧或外侧偏转，从而实现粉末流汇聚斑点的调节。具体地，随着外腔9保护气流速的逐渐增大，调整拨片11逐渐向外侧机械偏转，从而使粉末流的汇聚焦点由初始汇聚焦点逐步下移。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：包括激光头(1)、套筒(3)、同轴送粉头(5)、送粉腔、水冷套(12)、水冷腔(14)，所述激光头(1)下方连接套筒(3)，套筒(3)下方连接同轴送粉头(5)；所述套筒(3)上方设置有聚焦镜(2)，用于平行激光束的聚焦；同轴送粉头(5)上端设置有保护镜(4)，用于防止悬浮微颗粒进入套筒内部污染激光头(1)；所述送粉腔为同轴送粉头(5)外壁与水冷套(12)之间所构成的锥形环状腔体；所述送粉腔通过隔离板(8)和调整拨片(11)分隔为内腔(6)和外腔(9)，内腔(6)为隔离板(8)内侧与同轴送粉头(5)外壁所构成的环形腔体，外腔(9)为隔离板(8)外侧与送粉腔内侧所构成的环形腔体；所述内腔(6)用于输送载粉气流，内腔(6)上方与若干个间隔均匀分布的进粉口(7)连接，进粉口(7)用于与载粉气流管道连接，使载粉气流通过进粉口进入同轴送粉喷嘴的内腔(6)；所述外腔(9)为保护气体通道，外腔(9)上方与若干个间隔均匀分布的进气口(10)连接，进气口(10)用于与保护气流管道连接，使保护气流通过进气口进入同轴送粉喷嘴的外腔(9)；所述水冷腔(14)为水冷套(12)内壁与送粉腔外壁所构成的环状腔体，水冷腔(14)连接有进水口(13)和出水口(15)；所述调整拨片(11)为多个，沿周向均匀分布，并连接于隔离板(8)下端，调整拨片(11)能够相对于同轴送粉头(5)进行偏转。
2.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述送粉腔、套筒(3)、激光头(1)分别和同轴送粉头(5)之间通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述隔离板(8)为锥形套筒，材质为耐高温材料。
4.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述调整拨片(11)为梯形弧状片，垂直于梯形高度方向的断面呈现为弧状。
5.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述调整拨片(11)至少为3个。
6.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述调整拨片(11)通过机械铰链或固定结合的方式与隔离板(8)连接，调整拨片(11)的偏转方式为机械偏转或弹性偏转。
7.根据权利要求1、4、5或6所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：相邻的调整拨片(11)之间留有补偿间隔。
8.根据权利要求1、4、5或6所述所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述调整拨片(11)两侧的均有伸出部分(111)，作为同步协调结构。
9.根据权利要求1所述的采用气动方式调节粉末流汇聚焦点的同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述调整拨片(11)的材质为紫铜T2。
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