CN1319459A - 可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光材料加工技术领域,由相互联接的上体与下体两部分组成;该下体包括同轴设置的外圆锥体、中间矩形体、下部矩形锥体、可更换矩形喷头、由数组宽带送粉头和冷却水腔的构成的两组送粉座组成;中间矩形体设置在外圆锥体、中间矩形体之间,并向下延伸与可更换矩形喷头相连,该两组送粉座对称安装在外圆锥体下部及可更换矩形喷头外面的两侧。本发明具有实用化、多性能、使用方便的优点,特别适用于大面积送粉激光熔覆等广泛的应用领域。

Description

可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴

本发明属于激光材料加工技术领域，特别涉及大面积激光熔覆宽带送粉喷嘴结构设计。

激光加工是利用高能激光束进行加工的一种新型加工手段，是当代先进的材料加工方法。激光加工具有许多超过常规加工手段的明显优越性，其应用范围也非常广，如：激光表面处理(激光相变硬化、激光重熔、激光合金化、激光熔覆、激光微细处理、激光表面毛化)，激光焊接，激光切割，激光钻孔，激光标记，激光微加工等。激光熔覆是用高能激光束在金属材料表面获得高性能涂层的新方法，是指在激光束熔化材料局部表面的同时添加金属元素或合金而既改变材料表层微观组织又改变其成分的表面涂层方法，涂层材料自成冶金体系，与基体形成薄层冶金结合，基体对涂层的稀释很少，能实现极好的表面耐磨，耐蚀，耐冲刷，耐疲劳，抗高温氧化，减摩等多种性能；激光熔覆过程的热量输入少，热循环很短暂、对基体的热损害和热变形少，熔覆区成分、浓度、形状和区域大小可控制。激光熔覆层的综合性能明显优于常规热喷涂、等离子喷涂、堆焊等涂层，因而能广泛应用于模具的强化与修复、气门和阀类的强化与修复、冶金轧辊的强化与修复、叶片的强化与修复、贵重轴类零件的强化与修复、大型贵重零件的强化与修复、大型贵重铸件的局部修复、机动车关键摩擦副(缸套、活塞环、凸轮、曲轴、挺柱、气门等)的强化与修复、矿山机械关键零部件的强化与修复以及各类泵、压缩机、鼓风机部件、发电厂部件、纸张和硬纸板生产设备、纺织机械设备等领域，能明显增加零件的使用寿命，提高零件的性能，经济效益明显。

本发明人在本领域已发明“垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴”(申请号00100041.1，公开号CN 1255411A)，该发明喷嘴由内外套接的内锥筒、中间锥筒、外锥筒、冷却水挡板和喷头组成多层同心锥筒，包含同轴光路通道、粉路通道、保护气体通道和冷却水通道。其中粉末通道由中间锥筒与外锥筒构成，外锥筒上部包含四个切向人口将粉末引入，切向入口下面安置微孔漏筛。进入粉末通道的四路粉末流在输送气体的带动下迅速分散在筛环的圆周面上，再从微孔漏筛环圆周上均布的数十个微孔中均匀地漏下，沿粉末通道向下运动、聚后在出口处形成均匀的会聚同轴粉末锥流，使得激光熔覆各向同性，克服了单管侧向送粉熔覆各向异型性等一系列不足。该发明具有三层锥体同时冷却、灵活方便的垂直装卸、粉末流主动均匀化、光斑直径灵活调节、内锥头部可更换、端部抗激光反射和粉末回收等优点，适应于单道激光熔覆以及激光快速制造，激光合金化、激光相变硬化和激光焊接等用会聚窄光束的场合。

激光熔覆单道熔覆层的宽度往往较窄，一般不超过5mm，为实现较大的熔覆面积，需要多道横向搭接，搭接率一般不超过30％。由于激光熔覆层往往呈半椭圆形，多道搭接时一定程度上会影响涂层的表面平整性、熔覆效率和涂层的整体性能均匀性。因此，在激光功率足够和展宽线性光束条件下(激光器输出圆形光束，将其转变为线性或矩形宽光束的方式很多，如积分镜、组合境、扫描转镜、二元光学元件等)，采用宽带激光熔覆能明显改善熔覆层的平整性、性能均匀性和熔覆效率。宽带送粉需要一个性能良好的宽带喷嘴，而现有宽带喷头仅简单地用一个薄铁皮鸭型嘴，在使用中会经常出现喷头变形烧坏、粉末堵塞、粉末均匀性差、无法长时间工作等一系列问题，难以满足使用要求。

本发明的目的是为克服已有宽带熔覆技术的不足之处，设计出一种宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，使其具有灵活方便的垂直装卸、双向同时宽带送粉、关键部件的有效冷却、长时间稳定工作、无级调节离焦量、分级调节送粉宽度、适用多种聚焦镜焦距等多种良好的性能，具有实用化、多性能、使用方便的优点，特别适用于大面积送粉激光熔覆、大面积送粉激光合金化、大面积预置粉激光熔覆、大面积预置粉激光合金化、大面积激光重熔、大面积激光相变硬化等广泛的应用领域。

本发明提出的一种可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，由相互联接的上体与下体两部分组成；其特征在于，该下体包括同轴设置的外圆锥体、中间矩形体、下部矩形锥体、可更换矩形喷头、由数组宽带送粉头和冷却水腔的构成的两组送粉座组成；其中，所说的中间矩形体设置在外圆锥体、中间矩形体之间，并向下延伸与可更换矩形喷头相连，该两组送粉座对称安装在外圆锥体下部及可更换矩形喷头外面的两侧。

所说的送粉座内部可为楔形空腔，所说的矩形宽带送粉头的内部可为扇型结构，其出口具有不同宽度，其外部尺寸与送粉座内部为楔形空腔的尺寸相同与送粉座空腔紧密接触，所说的冷却水腔可设于粉座空腔外测。

所说的外圆锥体和下部矩形锥体之间形成空腔，该空腔为内部冷却水通道；所说的中间矩形体与下部矩形锥体之间形成矩形缝楔，该缝楔为轴向保护气通道；所说的中间矩形体中心为矩形锥体腔，该矩形锥体腔为光路通道。

所说的可更换矩形喷头和两侧送粉座下端可组成喷嘴端反向锥体结构。

所说的上体可由外螺纹套筒，套于其内的内螺纹套筒和设置在外层螺纹套筒中间的调节螺纹筒组成；该外螺纹套筒为整个喷嘴与激光加工工作头的联接件，外螺纹套筒、内螺纹套筒和调节螺纹组成垂直上下定向离焦量调节机构。

所说的上下体之间可采用扣瓣联接，该扣瓣的扣固定在上体内螺纹套筒的下端，瓣固定在下体外园锥体上。

所说上体内螺纹套筒下端可有一个凸台，下体园锥体中间上可有一个凹槽，安装时由它们实现精确定位。所说的上体螺纹套筒内侧中可有一个定位楔，内螺纹套筒外侧相应位置有一个定位槽。

本发明的功能及特点如下：

(1)本发明喷嘴主体采用外园内方的基本结构，包含了矩形光路通道、矩形轴向保护气通道和内部冷却水通道，通过内部冷却水路以及外部双侧送粉座的冷却水路，确保整个喷嘴各关键部分的有效冷却和喷嘴的长时间稳定工作；本发明在矩形光路通道端部专设一可更换的矩形喷嘴头，以便万一在端部受激光反射而烧毁时可更换继续使用，确保长时间工作。

(2)本发明特别采用双侧对称同时宽带送粉结构，保证宽带激光熔覆前后方向同性。双侧宽带送粉结构包含双侧矩形送粉座和多对矩形宽带送粉头。双侧送粉座与主体连接，结构坚实，外侧通水冷却。送粉座内部开楔形空腔，空腔内安放矩形宽带送粉头，送粉头上部为外部粉末入口，送粉头中心开有扇型楔缝，从送粉头上部进入的圆柱型粉末流经独特的扇型楔缝后形成均匀的线状宽带粉末流，从送粉头端部喷出。两侧对称的宽带粉末流汇聚后形成线性宽带粉末流，使得宽带激光熔覆前后方向熔覆性能一致。通过更换四组不同扇型楔缝出口宽度的送粉头实现分级宽带送粉。

(3)本发明采用双体分体结构，上体以螺纹实现与各种激光加工工作头的过渡联接，本喷嘴即可方便地与任何激光加工工作头实现连接。上下体之间采用扣瓣联接，实现灵活方便的分体垂直装卸功能，装卸时粉、气、水路管线不会缠绕。

(4)本发明喷嘴上体采用双层螺纹套筒基本结构，另置一调节螺纹于外层螺纹套筒中间，实现离焦量的无级调节；通过外层套筒中的一个定位楔和内层套筒中的定位槽确保调节时喷嘴下体垂直上下移动而不发生旋转，保证宽带送粉与宽带激光束的一致性。

(5)本发明宽带喷嘴的端部的喷嘴头以及两侧送粉座设计成一个面向被加工件的反向锥体结构，不仅能够将工件表面反射的有害激光能量重新反射聚焦回熔池，提高激光束能量的利用率，而且还能将工件表面反弹和溅射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。

(6)本发明宽带喷嘴由于其良好的水冷却性能，喷嘴可以在离工件较近的距离工作，中间轴向保护气体和两侧送粉惰性气体均能对高温熔池表面形成良好的气体保护环境。

本发明喷嘴的适用领域为大面积送粉激光熔覆、大面积送粉激光合金化、大面积预置粉激光熔覆、大面积预置粉激光合金化、大面积激光重熔、大面积激光相变硬化等广泛的应用领域。

附图简单说明

图1为本发明的双向可调宽带激光熔覆送粉喷嘴实施例结构剖面示意图。

图2为图1局部侧视图，其显示送粉座的结构。

本发明设计出一种双向对称送粉可调宽度的垂直装卸的分体式激光熔覆宽带送粉喷嘴，其实施例结合附图说明如下：

本实施例的主要结构如图1所示。本宽带喷嘴由上下两部分组成。喷嘴上体由外螺纹套筒11、内螺纹套筒12和调节螺纹筒13组成，喷嘴下体即喷嘴主体由外圆锥体21、中间矩形体22、下部矩形锥体23、可更换矩形喷头25、两侧对称送粉座24和其外侧冷却水腔27，数组宽带送粉头26组成。上下部分采用扣瓣联接。外螺纹套筒11为整个喷嘴与激光加工工作头的联接件，外螺纹套筒11、内螺纹套筒12和调节螺纹13组成垂直上下定向离焦量调节机构。中间矩形体22内锥腔和可更换矩形喷头25组成内部聚焦激光束通道30；中间矩形体22和下部矩形锥体23构成轴向保护气体通道31；外园锥体21和下部矩形锥体23组成内冷却水腔体32；宽带送粉头26为宽带送粉通道；可更换矩形喷头25和两侧送粉座下端组成喷嘴端反向锥体结构。

本实施例的功能及特点：

(1)本实施例喷嘴下体21采用外园内方的基本结构，包含了由中间矩形体22和可更换矩形喷头25组成内部聚焦激光束通道30；由中间矩形体22和下部矩形锥体23构成的矩形轴向保护气通道31；由外园锥体21和下部矩形锥体23组成内冷却水腔体通道32，两侧对称的两组送粉座24自配外侧冷却水腔27；通过内部冷却水路32以及外部双侧送粉座的冷却水路27，确保喷嘴下体中关键部分下部矩形锥体23、可更换矩形喷头25和两侧对称送粉座24的有效冷却从而保证本宽带喷嘴的长时间稳定工作；本发明在矩形光路通道端部专设一可更换的矩形喷嘴头25，以便万一在端部受激光反射而烧毁时可更换继续使用，确保长时间工作。

(2)本实施例采用双侧对称同时宽带送粉结构，保证宽带激光熔覆前后方向同性。双侧宽带送粉结构包含双侧矩形送粉座24和多对矩形宽带送粉头26，双侧送粉座24与主体21连接，结构坚实，内侧经内部冷却水腔32冷却，外侧由其自配冷却水通道27冷却，内外侧同时冷却宽带送粉头。送粉座24内部开楔形空腔，空腔内安放矩形宽带送粉头26，送粉头上部为外部粉末入口，送粉头中心开有扇型楔缝，从送粉头上部进入的圆柱型粉末流经独特的扇型楔缝28后形成均匀的线状宽带粉末流，从送粉头端部喷出。两侧对称的宽带粉末流汇聚后形成线性宽带粉末流，使得宽带激光熔覆前后方向熔覆性能一致。通过更换四组不同扇型楔缝28出口宽度的送粉头实现10～30mm分级宽带送粉。

(3)本实施例采用双体分体结构，上体以螺纹实现与各种激光加工工作头的过渡联接，本喷嘴即可方便地与任何激光加工工作头实现连接。上下体之间采用扣瓣联接，实现灵活方便的分体垂直装卸功能，喷嘴下体可方便地垂直脱离加工头进行必要的调整、清理、安装聚焦镜等，装卸时粉、气、水路管线不会缠绕。安装时由内螺纹套筒12下端的凸台与下体园锥体21中间上的凹槽实现精确定位。

(4)本实施例喷嘴上体采用双层螺纹套筒11和12基本结构，通过旋转调节螺纹13实现离焦量的无级调节±10mm；通过螺纹套筒11内侧中的定位楔和内螺纹套筒12中的定位槽确保调节时喷嘴下体垂直上下移动而不发生旋转，保证宽带送粉与宽带激光束的一致性。

(5)本实施例宽带喷嘴的端部喷嘴头25以及两侧送粉座26的下端设计成一个面向被加工件的反向锥体结构，不仅能够将工件表面反射的有害激光能量重新反射聚焦回熔池，提高激光束能量的利用率，而且还能将工件表面反弹和溅射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。

(6)本实施例宽带喷嘴下体由外园锥体21和下部矩形锥体23组成的内冷却水腔体32以及两侧对称送粉座24自配的外侧冷却水腔27，保证良好的水冷却性能，喷嘴可以在离工件较近的距离工作，由中间矩形体22和下部矩形锥体23构成的矩形轴向保护气通道31和两侧宽带送粉喷嘴26的惰性气体均能对高温熔池表面形成良好的气体保护环境。

Claims (6)

1、一种可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，由相互联接的上体与下体两部分组成；其特征在于，该下体包括同轴设置的外圆锥体、中间矩形体、下部矩形锥体、可更换矩形喷头、由数组宽带送粉头和冷却水腔构成的两组送粉座组成；其中，所说的中间矩形体设置在外圆锥体、下部矩形锥体之间，所说的下部矩形锥体向下延伸与可更换矩形喷头相连，所说的两组送粉座对称安装在外圆锥体下部及可更换矩形喷头外面的两侧。

2、如权利要求1所述的可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，其特征在于，所说的送粉座内部为楔形空腔，所说的数组矩形宽带送粉头的内部为扇型结构，其出口具有不同宽度，其外部尺寸与送粉座内部楔形空腔的尺寸相同并与送粉座空腔紧密接触，所说的冷却水腔设于送粉座空腔外侧。

3、如权利要求1所述的可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，其特征在于，所说的外圆锥体和下部矩形锥体之间形成空腔，该空腔为内部冷却水通道；所说的中间矩形体与下部矩形锥体之间形成矩形缝楔，该缝楔为轴向保护气通道；所说的中间矩形体中心为矩形锥体腔，该矩形锥体腔为光路通道。

4、如权利要求1所述的可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，其特征在于，所说的上体由外螺纹套筒，套于其内的内螺纹套筒和设置在外层螺纹套筒中间的调节螺纹筒组成；该外螺纹套筒、内螺纹套筒和调节螺纹组成垂直上下定向离焦量调节机构。

5、如权利要求1所述的可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，其特征在于，所说的上下体之间采用扣瓣联接，该扣瓣的扣固定在上体内螺纹套筒的下端，瓣固定在下体外园锥体上。

6、如权利要求1所述的可调宽带双向对称送粉激光熔覆喷嘴，其特征在于，所说上体内螺纹套筒下端有一个凸台，下体园锥体中间上有一个凹槽。

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