CN112126924B - 一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，结构简单，对粉末起到良好保护和防扩散作用。本实施例的喷嘴包括锥形喷嘴本体，锥形喷嘴本体设有激光腔；激光腔的外侧设有至少两个沿周向均匀布置的送粉通道和至少两个沿周向均匀布置的保护气通道，保护气通道位于送粉通道的外侧；保护气通道出口中线的汇集焦点位于所述送粉通道出口中线的汇集焦点的下方。本实施例中，保护气通道位于送粉通道的外侧，且保护气通道的汇集焦点位于所述送粉通道的汇集焦点的下方，保护气通道喷出的保护气体在送粉通道喷出的粉末外侧形成气体屏障，隔绝了粉末与外界氧气，同时防止粉末扩散，可以有效的改善粉末在高温环境下发生氧化，提高粉末利用率。

Description

一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体来说，涉及一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴。
背景技术
激光熔覆通过激光辐照在基体上形成熔池的同时在激光焦点上汇聚粉末，使金属粉末变为熔融状态，从而使金属粉末良好的与基体材料呈冶金结合状态，在需要进行表面改性或修复的区域逐层堆积，修复有缺陷的重要零件使其恢复为受损前的状态和性能，或对零件表面进行改性得到更好的机械性能及物理化学性能。
激光熔覆过程将粉末运输至被熔覆材料表面的方式主要有三种，分别是粉末预置法、侧向送粉法和同轴送粉法。同轴送粉这一送粉方式由于其优良的性能，被广泛应用于激光熔覆技术中。它与激光器联接在一起，可以实现粉末与激光的同步输送。该种送粉方式可以使基体材料与金属粉末同时与激光接触并同时熔化从而得到各向同性好、表面性能好的熔覆层。
激光熔覆同轴送粉喷嘴作为激光熔覆系统的重要零部件，其结构直接决定了粉末的汇聚性、粉末的利用率、粉末汇聚半径、粉末汇聚焦距等关键的送粉参数。同时，喷嘴的冷却效果对激光熔覆的精度有着很大的影响。
授权公告号为CN104694922B的中国专利公开了一种环孔式激光同轴送粉喷嘴。该发明提供一种结构简单、粉末流汇聚性高、在喷嘴一定倾斜时仍能获得均匀的粉末流、激光熔覆效率高的环孔式激光同轴送粉喷嘴。但是该装置的冷却系统存在缺陷，如图1所示，冷却水通过凹槽形成冷却通道，并且通过密封圈进行密封。首先，激光熔覆过程中的温度足以将密封圈熔化或者受到热胀冷缩作用而失效，一旦有水或者水蒸气进入激光和送粉作用区域，熔覆将会失败。除此之外，冷却系统不能在易热变形区域(即喷嘴底端)起到良好的冷却效果。
授权公告号为CN101264519B的中国专利公开了一种可调式激光同轴送粉喷嘴，该发明提供一种粉腔、气腔和焦距可调式激光同轴送粉喷嘴，具有较好的粉末汇聚效果、较高的粉末利用率、良好的水冷效果。但是该发明送粉装置存在问题，如图2所示，送粉管为均布的4-6根管道，但是下端却是锥形的，粉末喷出喷嘴的周向一致性很难受到控制。除此之外，保护气焦点在粉末焦点之上，所以在粉末还未聚焦之前已经被保护气吹散。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，结构简单，对粉末起到良好保护和防扩散作用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括锥形喷嘴本体，所述锥形喷嘴本体设有用于安装激光熔覆头的激光腔；所述激光腔的外侧周向设有至少两个送粉通道和至少两个保护气通道，所述保护气通道位于送粉通道的外侧；所述保护气通道的出口与送粉通道的出口均设在锥形喷嘴本体的小径端面；所述保护气通道出口中线的汇集焦点位于所述送粉通道出口中线的汇集焦点的下方。
作为本发明实施例的进一步改进，所述送粉通道和保护气通道的数量均为三个。
作为本发明实施例的进一步改进，所述保护气通道中设有锥形金属管。
作为本发明实施例的进一步改进，所述保护气通道出口中线与锥形喷嘴本体的小径端面形成的夹角为35°。
作为本发明实施例的进一步改进，所述送粉通道出口中线与锥形喷嘴本体的小径端面形成的夹角为19°。
作为本发明实施例的进一步改进，所述锥形喷嘴本体的小径端的外壁设有冷却件。
作为本发明实施例的进一步改进，所述冷却件为螺旋型金属管，所述螺旋型金属管套设在锥形喷嘴本体的小径端的外壁上。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括盖体，所述盖体同轴安装在锥形喷嘴本体的大径端。
作为本发明实施例的进一步改进，所述盖体上设有送粉口，所述送粉口与送粉通道的入口连通。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，结构简单，对粉末起到良好保护和防扩散作用。本实施例中，在锥形喷嘴本体上设置至少两个保护气通道，保护气通道位于送粉通道的外侧，且保护气通道出口中线的汇集焦点位于所述送粉通道出口中线的汇集焦点的下方，保护气通道喷出的保护气体在送粉通道喷出的粉末外侧形成气体屏障，隔绝了粉末与外界氧气，同时防止粉末扩散，可以有效的改善粉末在高温环境下发生氧化以及粉末汇聚不均匀的现象并提高粉末利用率。
附图说明
图1为现有技术的一种激光熔覆喷嘴的结构示意图；
图2为现有技术的另一种激光熔覆喷嘴的结构示意图；
图3为本发明实施例的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴的结构示意图。
图中有：盖体1，送粉口11，激光熔覆头2，锥形喷嘴本体3，冷却件31，锥形金属管32，送粉通道33，保护气通道34。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提出一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，如图3所示，包括锥形喷嘴本体3。锥形喷嘴本体3的中部设有激光腔，激光腔与激光熔覆头2适配。使用时，激光熔覆头2安装在激光腔中，并与锥形喷嘴本体3同轴设置。激光腔的外侧设有至少两个沿周向均匀布置的送粉通道33，以及至少两个沿周向均匀布置的保护气通道34，保护气通道34位于送粉通道33的外侧。保护气通道34的出口与送粉通道33的出口均设在锥形喷嘴本体3的小径端面，保护气通道34出口中线的汇集焦点位于送粉通道33出口中线的汇集焦点的下方。
上述实施例中，在锥形喷嘴本体3上设置至少两个保护气通道34，保护气通道34位于送粉通道33的外侧，保护气通道34的出口和送粉通道33的出口设置在锥形喷嘴本体3的小径端的端面上，且保护气通道34出口中线的汇集焦点位于送粉通道33出口中线的汇集焦点的下方。使用时，安装在激光腔中的激光熔覆头2的激光出口位于锥形喷嘴本体3的小径端，激光熔覆头2发射的激光从锥形喷嘴本体3的小径端射出。送粉通道33的出口喷出的粉末汇集到送粉通道33出口中线的汇集焦点处形成粉末焦点，保护气通道34的出口喷出的气体汇集到保护气出口中线的汇集焦点处形成保护气焦点，喷出的保护气位于喷出的粉末的外侧且保护气焦点位于粉末焦点的下方，保护气体在粉末外侧形成气体屏障，隔绝了粉末与外界氧气，可以有效的改善粉末在高温环境下发生氧化的现象，同时防止粉末扩散，提高粉末利用率。
作为优选例，保护气通道34中设有锥形金属管32。将锥形金属管32放置在保护气通道34中，锥形金属管32的小径端位于保护气通道34的出口处。锥形金属管32作为保护气的通道，保护气的通道的出口具有一定锥度，使得保护气在喷出时具有更大的速度，喷出后汇聚效果更好，起到更好的保护粉末和放置粉末扩散的作用。
保护气通道34出口中线的汇集焦点位于所述送粉通道33出口中线的汇集焦点的下方，可以采用以下结构来实现。保护气通道34出口中线与锥形喷嘴本体3的小径端面形成的夹角大于送粉通道33出口中线与锥形喷嘴本体3的小径端面形成的夹角，保护气通道34出口与锥形喷嘴本体3的轴线的距离大于送粉通道33出口与锥形喷嘴本体3的轴线的距离，这样使得保护气汇集形成的保护气焦点位于粉末汇集形成的粉末焦点的下方，保证保护气体在粉末外侧形成气体屏障。作为优选例，保护气通道34出口中线与锥形喷嘴本体3的小径端面形成的夹角为35°，送粉通道33出口中线与锥形喷嘴本体3的小径端面形成的夹角为19°。设置上述夹角，送粉效果最佳，保护气能够最大程度上防止粉末氧化并且最大程度上汇聚粉末，防止粉末飞溅。
作为优选例，锥形喷嘴本体3的小径端的外壁设有冷却件31。锥形喷嘴本体3的小径端是喷嘴易热变形区域，冷却件31设置在锥形喷嘴本体3的小径端对其进行冷却，起到较好的冷却效果。
作为优选例，冷却件31为螺旋型金属管，螺旋型金属管套设在锥形喷嘴本体3的小径端的外壁上。螺旋型金属管结构无缝隙，且套设在锥形喷嘴本体3的小径端上，与保护气通道34、送粉通道33和激光熔覆头2相隔绝，安全可靠。同时螺旋型金属管与喷嘴的接触面积大，冷却效果好。
作为优选例，本发明实施例的喷嘴还包括盖体1，盖体1同轴安装在锥形喷嘴本体3的大径端，用于固定安装在激光腔中的激光熔覆头2。安装时，将激光熔覆头2安装到激光腔中，将盖体1通过凸台定位到激光熔覆头2上，通过锥形喷嘴本体3顶部环形凸台与盖体1可靠定位，将盖体1与锥形喷嘴本体3固定连接。
作为优选例，盖体1上设有送粉口11，送粉口11与送粉通道33的入口连通。使用时，激光送粉器与送粉口11相连，粉末从送粉口11径送粉通道33从位于锥形喷嘴本体1的小径端面的出口喷出。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，包括锥形喷嘴本体(3)，所述锥形喷嘴本体(3)设有用于安装激光熔覆头(2)的激光腔；所述激光腔的外侧周向设有至少两个送粉通道(33)和至少两个保护气通道(34)，所述保护气通道(34)位于送粉通道(33)的外侧；所述保护气通道(34)的出口与送粉通道(33)的出口均设在锥形喷嘴本体(3)的小径端面；保护气通道(34)出口中线与锥形喷嘴本体(3)的小径端面形成的夹角大于送粉通道(33)出口中线与锥形喷嘴本体(3)的小径端面形成的夹角，保护气通道(34)出口与锥形喷嘴本体(3)的轴线的距离大于送粉通道(33)出口与锥形喷嘴本体(3)的轴线的距离；所述保护气通道(34)出口中线的汇集焦点位于所述送粉通道(33)出口中线的汇集焦点的下方；所述保护气通道(34)中设有锥形金属管(32)，锥形金属管(32)的小径端位于保护气通道(34)的出口处。
2.根据权利要求1所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述送粉通道(33)和保护气通道(34)的数量均为三个。
3.根据权利要求1所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述保护气通道(34)出口中线与锥形喷嘴本体(3)的小径端面形成的夹角为35°。
4.根据权利要求3所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述送粉通道(33)出口中线与锥形喷嘴本体(3)的小径端面形成的夹角为19°。
5.根据权利要求1所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述锥形喷嘴本体(3)的小径端的外壁设有冷却件(31)。
6.根据权利要求5所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述冷却件(31)为螺旋型金属管，所述螺旋型金属管套设在锥形喷嘴本体(3)的小径端的外壁上。
7.根据权利要求1所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，还包括盖体(1)，所述盖体(1)同轴安装在锥形喷嘴本体(3)的大径端。
8.根据权利要求7所述的具有外保护气结构的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述盖体(1)上设有送粉口(11)，所述送粉口(11)与送粉通道(33)的入口连通。
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