CN113818019B - 一种合适大送粉量的超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高速激光熔覆领域，提供了一种适合于大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺。本发明专利主要解决超高速激光熔覆喷嘴，一般只能在较小送粉量与光斑直径下进行稳定的熔覆过程，造成单层熔覆厚度较薄，熔覆效率偏低的问题。本发明专利一种适合于大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺主要由多个离散分布的送粉通道，水冷通道，密封圈、密封盖、喷嘴本体以及中间激光通道组成。本发明提供的这种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺，在一定工艺条件下能够实现单层熔覆厚度为1.5 mm。
Description
技术领域
本发明涉及超高速激光熔覆领域，涉及一种单层熔覆厚度显著增加的大送粉量超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺。
背景技术
超高速激光熔覆是一种金属增材制造技术，目前主要用于一些回转体件的表面强化处理，相比传统的激光熔覆，由于超高速激光熔覆是在空中形成粉末熔池，因此具备更高的熔覆效率，有利于高效的产业化推广应用。
超高速激光熔覆过程中，一般加热激光的反射或未熔粉末撞击基材的反射，将对喷嘴送粉尖端或喷嘴主体进行不断的加热，导致喷嘴内部的粉末流动性变差或喷嘴尖端位置烧损，影响熔覆喷嘴的粉末汇聚性，不利于高效的超高速激光熔覆过程进行。尤其，对于增大送粉量、激光功率与激光光斑直径，这种现象将更加明显。为了避免这些，一般主要采取较小的送粉量配合低的激光功率与光斑直径，进行超高速激光熔覆过程，但是却造成单层熔覆厚度薄，整体熔覆效率偏低的情况出现。因此设计一种适合于大送粉量，大激光功率与光斑直径的高效超高速激光熔覆喷嘴与工艺就有着紧迫且重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种增加单层熔覆厚度的大送粉量高效超高速激光熔覆喷嘴与熔覆工艺，该喷嘴与熔覆工艺能够有效的实现在较大粉斑直径与激光光斑直径的情况下，快速进行冷却散热并稳定长时间服役工作。
本发明提供的高效超高速熔覆喷嘴与熔覆工艺具体是这样实现的：
一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴主要由喷嘴本体、冷却通道、送粉通道、密封圈、激光通道与密封盖组成，其特征在于：
所述喷嘴本体为圆周周期对称结构，为加快喷嘴在熔覆过程中的辐射散热，喷嘴本体外侧面设计为花瓣式棱状结构，增加与外部空气的接触面积，加快喷嘴的对流，辐射等散热；
所述送粉通道为普通铜管，以喷嘴中心线为轴，向喷嘴底部中心位置汇聚，均匀离散分布于喷嘴的圆周侧面；
所述冷却通道主要由圆锥孔、进水口、出水口、密封盖、密封圈与送粉通道装配形成的多个均匀离散分布于喷嘴圆周内的独立腔室；送粉管道贯穿圆锥孔，底部采用密封圈防止冷却液泄露，顶部采用密封盖封闭圆锥孔，并在其上开设送粉管道入口，冷却液体入口与出口，其接触位置采用密封圈防漏；
所述激光通道主要由喷嘴中心轴线顶部的圆柱孔与底部的圆锥孔组合形成；
进一步优选的，为保证在一定的时间内具有足够的粉末量进入熔池，并不发生送粉通道的堵塞现象，送粉管道的直径取值在1.5-2.5mm之间，送粉通道数量在5-8个之间；
进一步优选的，为保证流动的粉末在喷嘴底部的空间位置上具有较好的汇聚性，送粉管道的汇聚角α取值在40˚-70˚之间。
进一步优选的，为防止熔覆过程中，飞溅的未熔化粉末或反射的激光直接撞击在熔覆头底部送粉出口位置，造成送粉通道堵塞，一般粉斑汇聚点距离喷嘴送粉出口位置大于20~30mm。
进一步优选的，为保证冷却腔室对送粉通道的良好冷却，离散分布的圆锥形冷却孔的轴线与送粉管道的轴线基本重合；
进一步优选的，为保证包裹送粉管道的圆锥冷却孔内，在每个时刻都具有足够量的循环冷却液体进行降温，圆锥孔的顶部直径取值在10-20mm之间，底部密封圈安装位置直径取值在4-7mm之间。
进一步优选的，为实现喷嘴中心轴线位置的圆锥形通道能够顺利通过较大直径的激光光斑，实现对喷嘴汇聚粉斑的熔化，喷嘴中心圆锥形通道倾斜角度β取值在12˚-18˚之间，激光通道底部的直径取值在7-12mm之间。
附图说明
为了清楚的说明本发明的具体实施方案，下面对具体实施方式用需要使用的图进行详细说明：
图1 本发明一种合适大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴纵截面示意图；
图2 本发明一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴主视图；
图3本发明一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴俯视图；
图4 本发明一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴粉斑汇聚示意图
其中，1.送粉入口通道；2.安装密封圈；3.密封盖；4.喷嘴本体；5. 冷却腔室；6.密封圈；7.送粉出口通道；8.冷却液体入口通道；9.激光通道；10.喷嘴本体外侧面；11.冷却液体出口通道；12.送粉通道；13.粉末束；14.粉斑；15.激光光斑；16.基材。
具体实施方式
本发明认为提高超高速激光熔覆单层熔覆厚度或熔覆效率的关键主要包括：1）增加超高速激光熔覆过程的送粉量、激光光斑直径与激光功率，使得单位时间内熔化的粉末量增加；2）有效解决增加激光功率与激光光斑直径对送粉管道内粉末流动性的影响，避免由于激光对喷嘴加热温度过高，造成粉末直接在送粉管道内熔化，影响送粉过程的流动性或出现喷嘴烧坏现象；3）避免随着送粉流量的增加，导致熔覆过程中，未熔化的粉末碰撞基材反射或激光通过粉末反射直接撞击在喷嘴底部送粉出口位置，造成喷嘴送粉口堵塞现象的出现。4）避免粉斑内的粉末在激光光斑内堆积，造成熔化过程中发生激光遮蔽，导致粉斑内大量未熔粉末的出现。因此通过圆周离散分布的送粉管道能够有效的控制送粉量；将送粉管道浸没在冷却通道的循环冷却液体内，能够有效的避免加大激光功率或光斑直径，造成对送粉管道内粉末的加热；增加汇聚粉斑的位置距离喷嘴送粉出口的距离，将能有效避免激光或未熔粉末反射撞击喷嘴底部送粉出口位置，造成送粉口的堵塞；控制多束粉末在汇聚粉斑内不发生完全融合，只是沿着圆周均匀分布在一定直径的光斑内，这将能有效避免粉末在粉斑内堆积，阻碍激光遮蔽现象出现。
具体请参阅图1至图4进行说明。
请参阅图1与图3所示，超高速激光熔覆喷嘴主要由送粉入口通道1，送粉出口通道7，送粉通道12，冷却腔室5，密封盖3，密封圈2 6，冷却液体入口通道8，冷却液体出口通道11与激光通道9组成。
请参阅图1所示，送粉通道主要由送粉入口通道1，送粉通道12与送粉出口通道7组成；送粉通道12道贯穿冷却腔室5，并通过密封盖3与密封圈6进行固定，为了让送粉通道12更好的与冷却腔室5内的冷却液快速的进行热量交换，一般送粉管道的材料为铜或铜合金。
所述的送粉通道，为保证超高速激光熔覆过程中有足够的粉末量进入空中熔池，并且不发生送粉通道的堵塞现象，一般送粉通道设计为圆形管道，其直径取值在1.5-2.5mm之间，送粉通道数量在5-8个之间。
请参阅图1与图4所示，为保证送粉通道运载的粉末在喷嘴底部的空中粉斑位置上具有较好的汇聚性，同时粉斑内的多束粉末均匀分布在一定直径的光斑内，避免粉末遮蔽激光的现象出现，送粉通道12的汇聚角α取值在40˚-70˚之间，送粉量控制在40-70g/min，载气量控制在8-13L/min；为不影响空中形成的熔池材料性能，载粉气流一般选择氩气，氦气等惰性气体。
请参阅图1、图2与图3所示，冷却通道主要由冷却液体入口通道8，冷却液体出口通道11与冷却腔室5组成；为了保证对送粉通道12的高效冷却，一般将冷却腔室5设计为圆锥孔，顶部直径取值在10-20mm之间，底部密封圈6的安装位置直径取值在4-7mm之间，并保证送粉通道12能贯穿冷却腔室5的底部。
所述冷却腔室5，为保证送粉通道12浸没在冷却液中，冷却腔室5的圆锥孔轴线与送粉通道12的孔直径重合，冷却液体在此不做具体限制，一般选择水作为冷却液。
请阅读图1所示，为保证汇聚均匀分布粉末的粉斑能够在激光光斑下全部熔化，并且大光斑的激光能够顺利通过喷嘴本体4中间的激光通道9，激光通道9设计为顶部圆柱孔与底部圆锥孔的组合形式；并且底部的圆锥孔倾斜角度β取值在12˚-18˚之间，激光通道9的底部圆锥孔直径取值在8-16mm之间，超高速激光熔覆过程中，激光功率一般设置3-20KW范围内。
请阅读图2所示，由于超高速激光熔覆过程中，喷嘴本体10将被激光通道9内的高功率激光加热，为了不影响熔覆喷嘴的送粉汇聚过程，一般除了考虑设计合适的冷却系统外，还应该增强喷嘴自生的散热能力，因此将喷嘴本体外侧面10设计为花瓣式棱状结构，增加与空气的接触面积，提高辐射对流速度，以加快喷嘴自身的散热。
进一步的为加快喷嘴的散热，本实施方式对喷嘴材料不做具体限制，但是一般选择铜或铜合金作为加工材料。
请阅读图4所示，为了避免随着喷嘴送粉流量的增加与激光功率的增大，导致熔覆过程中，未熔化的粉末碰撞基材后反射或激光加热粉末发生反射，最终反射的粉末或激光撞击在喷嘴底部送粉出口位置，造成喷嘴送粉出口通道7堵塞现象的出现，一般粉末汇聚点距离喷嘴送粉出口位置大于20~30mm。
进一步的，为了保证熔覆过程中的粉末流动汇聚性，具体粉末材料不做限制，一般使用15-50μm区间的金属粉末。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴，其喷嘴的主要组成部分包括送粉通道，冷却通道，密封圈、密封盖、激光通道与喷嘴本体组成，其特征在于：
所述送粉通道为以喷嘴中心线为轴的多个均匀离散分布的管道；
所述冷却通道为离散分布的圆锥形冷却通道，其由以喷嘴中心线为轴的多个均匀离散部分的圆锥孔与其顶部的密封盖组成；
送粉通道贯穿冷却通道，在与冷却通道接触的密封盖位置与底部位置，通过密封圈实现对冷却通道的密封，密封盖上分别开设一个进冷却液体通道与一个出冷却液体通道，实现冷却通道内的冷却液循环；
所述送粉通道被冷却通道内冷却液包裹环绕；
所述激光通道由喷嘴中线轴线顶部的圆柱孔与底部的圆锥孔组成；
所述喷嘴本体外侧面设计为花瓣式棱状结构，增加喷嘴外部的散热面积，提高喷嘴自身散热能力。
2. 根据权利要求1所述的一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴，所述送粉通道的直径取值在1.5-2.5mm之间，送粉通道数量在5-8个之间，为了保证送粉通道出口的粉末在喷嘴底部空间位置上具有较好的汇聚性并防止粉末与激光反射影响喷嘴送粉，送粉通道的汇聚角α取值在 40˚-70˚之间，粉末汇聚点距离喷嘴送粉出口位置大于20~30mm。
3.根据权利要求1所述的一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴，所述离散分布的圆锥形冷却通道的轴线与送粉通道的轴线重合，圆锥孔的顶部直径取值在10-20mm之间，底部密封圈安装位置直径取值在4-7mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种适合大送粉量的高效超高速激光熔覆喷嘴，所述激光通道设计为逐渐向喷嘴中间轴线聚拢的圆锥形，倾斜角度β取值在12˚-18˚之间，激光通道底部的直径取值在8-16mm之间。
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