CN114182253A - 一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，包括锁定环、喷嘴内环、喷嘴外环和环座；喷嘴内环外表面依次包括锥面出粉段、粉末发散段和螺纹连接段；螺纹连接段与环座上端口的螺纹连接；当转动喷嘴内环时，即改变其相对于喷嘴外环之间的距离，以调节锥面出粉段的外表面与锥形空腔之间的间隙；当确定锥面出粉段的外表面与锥形空腔之间的间隙后，通过旋紧锁定环使其定位。采用上述结构，调节锥面出粉段的外表面与锥形空腔之间的间隙，不仅可以控制出粉量，而且可以满足更多的加工工艺需求，适应更宽范围的粉末粒径，在确保有足够高的粉末利用率的同时，兼顾加工效率及加工精度，大大降低了加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光材料加工技术领域，尤其涉及一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置。
背景技术
在激光材料加工技术领域，激光熔覆和定向能量沉积都是指将所选用的涂层材料或打印材料在高能量密度的激光焦点作用下熔融或熔化，从而将材料添加到基材表面形成涂层或将材料熔化凝固堆叠后形成零件。
在加工应用过程中，根据实际的工艺或性能需求，往往会使用到不同的粉末粒径范围的材料。为确保环形同轴送粉式喷嘴的高粉末利用率，不同的粉末粒径范围往往对应着不同的出粉间隙；过大的出粉间隙，会降低对粉末的约束能力，使粉斑过大，降低粉末利用率，提高加工成本；过小的出粉间隙,对粉末的流动性要求高，粉末粒径范围要求苛刻，且极易发生堵塞,导致加工失败。
现阶段用户在使用环形同轴送粉式喷嘴进行激光加工时，对其加工精度、效率和成本均提出了更高的要求。常规的环形同轴送粉式喷嘴为保证高的粉末利用率，控制加工成本，往往只能在一较窄的粉末粒径范围内配合使用，很大程度上牺牲了效率和精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置。本发明内外环出粉间隙可调节，以适应更宽的粉末粒径范围，获得最优化的汇聚粉斑，并提高加工精度及效率的同时，有效降低使用成本。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，包括：
锁定环1、喷嘴内环2、喷嘴外环3和环座4；
所述喷嘴内环2的喷嘴本体外表面依次包括：锥面出粉段21、粉末发散段22和螺纹连接段23；
所述锥面出粉段21与粉末发散段22，位于环座4内部区域；所述螺纹连接段23与环座4上端口的螺纹连接；
所述粉末发散段22的外径小于环座4的内径，二者之间的间隙形成粉末碰撞发散腔；
所述喷嘴外环3的腰部25最大直径小于环座4的内径；
所述喷嘴外环3通过螺纹与环座4下端口的螺纹连接；所述喷嘴外环3的内部具有一与锥面出粉段21形状相适配的锥形空腔；所述锥形空腔与粉末碰撞发散腔连通；
在粉末碰撞发散腔与锥形空腔之间的通路上，具有一凸起的腰部25，腰部25的最大直径小于环座4的内径，便于粉末由粉末碰撞发散腔进入锥形空腔。
所述环座4的外周壁，安装有与粉末碰撞发散腔连通的多个供粉接口41；
当转动喷嘴内环2时，即改变其相对于喷嘴外环3之间的距离，以调节锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙，用于控制出粉量；锁定环1与螺纹连接段23螺纹配合，当确定锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙后，通过旋紧锁定环1使其定位。
所述喷嘴内环2、喷嘴外环3和环座4同轴设置；
所述喷嘴内环2的端部为通光孔26，内部为激光的光路和保护气的通道；
所述喷嘴外环3和喷嘴内环2之间的结合，使得激光加工作业时，形成粉末环包覆激光的同轴复合喷嘴。
所述喷嘴外环3与环座4的衔接端，为限位锥面结构43配合。
所述粉末发散段22是在喷嘴内环2外周面，布满的直线形或者曲线形的齿状凸起，该齿状凸起用于对粉末发生碰撞。
所述粉末发散段22与喷嘴内环2为分体式结构；该粉末发散段22是由两外表面呈齿形凸起的半圆环结构拼接而成。
所述锁定环1与环座4之间设有固定螺栓6，用于防止在激光加工作业过程中松动。
所述环座4内部还设有冷却水循环腔；环座4的外周壁上设置有与该冷却水循环腔连通的冷却水进出接口42。
在所述喷嘴内环2的尾部24，临近锁定环1的位置设有刻度标识5，用于标定锥面出粉段21与锥形空腔之间的间隙。
所述同轴送粉式喷嘴装置运行时：
先通过喷嘴内环2尾部24接入相应的激光加工系统；
设置在环座4上的冷却水进出接口通入冷却水，冷却水在环座4的内部循环，对同轴送粉式喷嘴装置整体进行冷却；
喷嘴内环2的内部通道，用于通入激光和保护气体；供粉接口接入供粉系统；
来自供粉系统的粉末进入粉末碰撞发散腔，与粉末发散段22的齿状凸起发生碰撞并均匀发散；
均匀发散后的粉末先经过凸起的腰部25扰流后，再进入喷嘴内环2与喷嘴外环3末端面装配形成的环状出粉间隙，即环状出粉间隙塑形汇聚成均匀的集中粉斑；最后通入同轴保护气并开启激光，激光经过喷嘴内环2的通光孔26后，与周围的粉末相遇，在激光光斑和粉斑的相互作用下，即可实现熔覆或定向能量沉积加工作业。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明同轴送粉式喷嘴装置，喷嘴内环2的喷嘴本体外表面依次包括：锥面出粉段21、粉末发散段22和螺纹连接段23；锥面出粉段21与粉末发散段22，位于环座4内部区域；螺纹连接段23与环座4上端口的螺纹连接；喷嘴外环3通过螺纹与环座4下端口的螺纹连接；所述喷嘴外环3的内部具有一与锥面出粉段21形状相适配的锥形空腔；粉末发散段22的外径小于环座4的内径，二者之间的间隙形成粉末碰撞发散腔；当转动喷嘴内环2时，即改变其相对于喷嘴外环3之间的距离，以调节锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙，用于控制出粉量；锁定环1与螺纹连接段23螺纹配合，当确定锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙后，通过旋紧锁定环1使其定位。如上所述，本发明喷嘴外环和喷嘴内环的出粉间隙可调，可根据不同的应用场景需求，选取不同的出粉间隙，具备更强的适用性。
本发明同轴送粉式喷嘴装置，在粉末碰撞发散腔与锥形空腔之间的通路上，具有一凸起的腰部25；腰部25的最大直径小于环座4的内径；腰部25的顶部采用弧面过渡结构，凸起的腰部两侧呈斜坡结构，使粉末经过时先扩后收进入锥形空腔，具有能量耗散作用，同时起到了扰流、防止粉末沉积和粉末发散更加均匀流畅等优点。
本发明同轴送粉式喷嘴装置，锁定环1、喷嘴内环2、喷嘴外环3和环座4，均为独立构件，可实现快速拆分组合；粉末发散段22可与喷嘴内环2一体结构或者分体式结构，分体式结构的优点在于可随时根据粉末的性质，更换不同形貌结构的粉末发散段22，比如曲线状、直线状或者颗粒状等结构。
若将粉末发散段22和喷嘴内环作为独立的工件进行加工，最后再进行整合，不仅可降低了整体加工的难度及成本，而且大大提高了选择性，以满足不同粒径粉末的要求，这对提高工件加工精度，提出了更好的方案。
本发明同轴送粉式喷嘴装置，安装座集成了光路、粉路、气路和水路通道，配合使用供粉或冷却水(快插管)接头，实现接口处的密封及快速操作。相较于传统喷嘴装置具有更好的紧凑型和冷却能力，大大提高了作业时工作可靠性及日常维护便利性。
本发明同轴送粉式喷嘴装置，通过对出粉间隙的调节，其汇聚粉斑最小可达1mm，粉末利用率可达90％以上。
附图说明
图1为本发明激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置分解示意图。
图2为图1装配整合后的结构示意图。
图3为锁定环结构示意图。
图4为粉末发散段，采用分体结构时的示意图。
图5为环座结构示意图。
图6为环座局部剖面示意图。
图7为喷嘴外环结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1-7所示。本发明公开了一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，包括：
锁定环1、喷嘴内环2、喷嘴外环3和环座4(安装座)；
所述喷嘴内环2的喷嘴本体外表面依次包括：锥面出粉段21、粉末发散段22和螺纹连接段23；
所述锥面出粉段21与粉末发散段22，位于环座4内部区域；所述螺纹连接段23与环座4上端口的螺纹连接；
所述粉末发散段22的外径小于环座4的内径，二者之间的间隙形成粉末碰撞发散腔；
在粉末碰撞发散腔与锥形空腔之间的通路上，具有一凸起的腰部25；腰部25的最大直径小于环座4的内径，便于粉末由粉末碰撞发散腔进入锥形空腔；腰部25的顶部采用弧面过渡结构，腰部两侧的斜坡结构，具有能量耗散作用，同时起到了防止粉末沉积，使粉末发散更加均匀。
所述喷嘴外环3通过螺纹与环座4下端口的螺纹连接；所述喷嘴外环3的内部具有一与锥面出粉段21形状相适配的锥形空腔；
所述环座4的外周壁，安装有与粉末碰撞发散腔连通的多个供粉接口41；
当转动喷嘴内环2时，即改变其相对于喷嘴外环3之间的距离，以调节锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙，用于控制出粉量；锁定环1与螺纹连接段23螺纹配合，当确定锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙后，通过旋紧锁定环1使其定位。
采用上述结构，调节锥面出粉段21的外表面与锥形空腔之间的间隙，不仅可以控制出粉量，而且可以满足更多的加工工艺需求，适应更宽范围的粉末粒径，在确保有足够高的粉末利用率的同时，兼顾加工效率及加工精度，大大降低了加工成本。
所述喷嘴内环2、喷嘴外环3和环座4同轴设置。
所述喷嘴内环2的端部为通光孔26，内部为激光的光路和保护气的通道；
所述喷嘴外环3和喷嘴内环2之间的结合，使得激光加工作业时，形成粉末环包覆激光的同轴复合喷嘴。
所述喷嘴外环3与环座4的衔接端，为限位锥面结构43配合。
所述粉末发散段22是在喷嘴内环2外周面，布满的直线形或者曲线形的齿状凸起，该齿状凸起用于对粉末发生碰撞；当然粉末发散段22与喷嘴内环2可也采用分体式结构，例如由两外表面呈齿形凸起的半圆环结构拼接而成。分体式结构的优点在于可随时根据粉末的性质，更换不同形貌结构的粉末发散段22，比如曲线状、直线状或者颗粒状等。
所述锁定环1与环座4之间设有固定螺栓6，用于防止在激光加工作业过程中松动。
所述环座4内部还设有冷却水循环腔；环座4的外周壁上设置有与该冷却水循环腔连通的冷却水进出接口42。
在所述喷嘴内环2的尾部24，临近锁定环1的位置设有刻度标识5，用于标定锥面出粉段21与锥形空腔之间的间隙。
锁定环1和喷嘴外环3的外周，可采用滚花结构，起到防滑作用，可以使操作者在不借住工具的情况下实现快速装配。
本发明同轴送粉式喷嘴装置，在加工作业时：
先通过喷嘴内环2尾部24接入相应的激光加工系统；
设置在环座4上的冷却水进出接口通入冷却水，冷却水在环座4的内部循环，对同轴送粉式喷嘴装置整体进行冷却；
喷嘴内环2的内部通道，用于通入激光和保护气体；供粉接口接入供粉系统；
来自供粉系统的粉末进入粉末碰撞发散腔，与粉末发散段22的齿状凸起发生碰撞并均匀发散；
均匀发散后的粉末先经过凸起的腰部25扰流后，再进入喷嘴内环2与喷嘴外环3末端面装配形成的环状出粉间隙，即环状出粉间隙塑形汇聚成均匀的集中粉斑；最后通入同轴保护气并开启激光，激光经过喷嘴内环2的通光孔26后，与(来自环状出粉间隙)周围的粉末相遇，在高能激光光斑和粉斑的相互作用下，即可实现熔覆或定向能量沉积加工作业。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于，包括：
锁定环(1)、喷嘴内环(2)、喷嘴外环(3)和环座(4)；
所述喷嘴内环(2)的喷嘴本体外表面依次包括：锥面出粉段(21)、粉末发散段(22)和螺纹连接段(23)；
所述锥面出粉段(21)与粉末发散段(22)，位于环座(4)内部区域；所述螺纹连接段(23)与环座(4)上端口的螺纹连接；
所述粉末发散段(22)的外径小于环座(4)的内径，二者之间的间隙形成粉末碰撞发散腔；
所述喷嘴外环(3)通过螺纹与环座(4)下端口的螺纹连接；所述喷嘴外环(3)的内部具有一与锥面出粉段(21)形状相适配的锥形空腔；所述锥形空腔与粉末碰撞发散腔连通；
在粉末碰撞发散腔与锥形空腔之间的通路上，具有一凸起的腰部(25)，腰部(25)的最大直径小于环座(4)的内径；
所述环座(4)的外周壁，安装有与粉末碰撞发散腔连通的多个供粉接口(41)；
当转动喷嘴内环(2)时，即改变其相对于喷嘴外环(3)之间的距离，以调节锥面出粉段(21)的外表面与锥形空腔之间的间隙，用于控制出粉量；锁定环(1)与螺纹连接段(23)螺纹配合，当确定锥面出粉段(21)的外表面与锥形空腔之间的间隙后，通过旋紧锁定环(1)使其定位。
2.根据权利要求1所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述喷嘴内环(2)、喷嘴外环(3)和环座(4)同轴设置；
所述喷嘴内环(2)的端部为通光孔(26)，内部为激光的光路和保护气的通道；
所述喷嘴外环(3)和喷嘴内环(2)之间的结合，使得激光加工作业时，形成粉末环包覆激光的同轴复合喷嘴。
3.根据权利要求2所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述喷嘴外环(3)与环座(4)的衔接端，为限位锥面结构(43)配合。
4.根据权利要求3所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述粉末发散段(22)是在喷嘴内环(2)外周面，布满的直线形或者曲线形的齿状凸起，该齿状凸起用于对粉末发生碰撞。
5.根据权利要求3所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述粉末发散段(22)与喷嘴内环(2)为分体式结构；该粉末发散段(22)是由两外表面呈齿形凸起的半圆环结构拼接而成。
6.根据权利要求4或5所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述锁定环(1)与环座(4)之间设有固定螺栓(6)，用于防止在激光加工作业过程中松动。
7.根据权利要求6所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：所述环座(4)内部还设有冷却水循环腔；环座(4)的外周壁上设置有与该冷却水循环腔连通的冷却水进出接口(42)。
8.根据权利要求7所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于：在所述喷嘴内环(2)的尾部(24)，临近锁定环(1)的位置设有刻度标识(5)，用于标定锥面出粉段(21)与锥形空腔之间的间隙。
9.根据权利要求2所述激光加工用环形同轴送粉式喷嘴装置，其特征在于，所述同轴送粉式喷嘴装置运行时：
先通过喷嘴内环(2)尾部(24)接入相应的激光加工系统；
设置在环座(4)上的冷却水进出接口通入冷却水，冷却水在环座(4)的内部循环，对同轴送粉式喷嘴装置整体进行冷却；
喷嘴内环(2)的内部通道，用于通入激光和保护气体；供粉接口接入供粉系统；
来自供粉系统的粉末进入粉末碰撞发散腔，与粉末发散段(22)的齿状凸起发生碰撞并均匀发散；
均匀发散后的粉末先经过凸起的腰部(25)扰流后，再进入喷嘴内环(2)与喷嘴外环(3)末端面装配形成的锥形空腔，即环状出粉间隙塑形汇聚成均匀的集中粉斑；最后通入同轴保护气并开启激光，激光经过喷嘴内环(2)的通光孔(26)后，与周围的粉末相遇，在激光光斑和粉斑的相互作用下，即可实现熔覆或定向能量沉积加工作业。
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