CN1570190A - 一种内置式激光熔覆喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式激光熔覆喷嘴，锥形筒体的筒壁内设有粉末通道、冷却水路和保护气通道；粉末通道出口均匀分布在锥形筒体的下端圆周上，其它出、入口均分布在上端圆周上；粉末通道的轴线与喷嘴中心轴线之间的夹角α在30－70°之间；在锥形筒体的底部壁内置有与冷却水路相通的冷却水环；横向保护气帘由进气口、连接通道、气箱、一组排气孔和出气口构成。本发明具有结构紧凑的特点，喷嘴无外露的水管、气管、粉管。横向气帘能有效保护聚焦镜系统，喷嘴底锥面抗激光和熔融金属热辐射能力强。本喷嘴既可用作旁轴送粉喷嘴，也可用作同轴送粉喷嘴，适用于激光合金化、激光焊接、激光熔覆、金属件的激光三维自由成型制造等方面。

Description

一种内置式激光熔覆喷嘴

技术领域

本发明属于激光加工应用领域，具体涉及一种激光熔覆喷嘴。

背景技术

激光加工作为一种先进制造技术，在工业生产中正得到越来越广泛的应用。激光加工技术涉及的领域很广泛，包括激光淬火、激光熔覆和激光焊接等。激光熔覆技术中最常用的方法是自动送粉法，即根据所需要的熔覆层厚度，采用自动送粉器将一定重量的合金粉末输送到工件表面的激光作用区。其中，自动送粉器中的喷嘴形状和尺寸是决定激光熔覆过程中熔覆层的均匀性和连续性、合金粉末利用率等参数的关键因素。激光熔覆自动送粉主要包括旁轴送粉方式和同轴送粉方式。

旁轴送粉(对应的喷嘴简称旁轴喷嘴)时，是将合金粉末从侧向送入激光熔池的前沿，粉末熔融后与基材结合，形成熔覆层。其优点是合金粉末的利用率高，且熔覆层表面光滑，质量稳定。只要选择合适的激光工艺参数，精确调整好自动送粉时粉末在零件表面的落点位置和激光光斑的位置，并注意将从喷嘴喷出的粉末速度控制在较低的范围，就很容易得到均匀连续的激光熔覆层，并且合金粉末的利用率很容易达到90％以上。

但是，现有的旁轴喷嘴有两个缺点：第一，喷嘴的位置必须靠手动精确调控，这在许多时候很不方便，如对大型机械零部件实行激光熔覆时，往往需要将工件表面预热，以减少裂纹或者提高熔覆速度。然而，零件表面过高的温度，或者过大的尺寸，使操作者难以挨近喷嘴进行手动操作。第二，送粉管和喷嘴所占的体积偏大，不仅对添加水冷系统带来不便，而且要对形状复杂的零件表面实行激光熔覆时，送粉管常常成为激光加工头的移动障碍，给加工过程带来不便。

同轴送粉(对应的喷嘴简称为同轴喷嘴)可以解决上述难题。因为，同轴送粉时，合金粉末与激光加工头集成于一体，不需要外置的送粉管，所占空间小，对于形状复杂的加工零件在调整合金粉末落点位置时不会在空间上产生困难。只要通过数控系统调节激光头的高度位置，使粉末的落点、光斑的辐照部位和工件的位置控制在预先设定的坐标，就可以方便地实现激光熔覆加工，不用在乎零件的尺寸大小和是否预热到较高的温度。特别是同轴送粉喷嘴没有方向性，正反两个方向都可以实现激光熔覆，因此特别适合激光快速制造金属零件的要求。

然而，同轴送粉法的明显不足之处在于激光熔覆层的外观质量较差。因为，激光熔覆的工艺过程为，激光光斑沿扫描方向的前端部分处于不断熔化过程中，而熔池的后端处于不断凝固过程中。另一方面，同轴送粉时，合金粉末从喷嘴的四周喷向熔池中心。这样，落在熔池前沿的合金粉末可以吸收充分的激光能量形成熔覆层，落在熔池后端的部分合金粉末因为得不到足够的激光能量而粘附在正在凝固的熔池表面，使得激光熔覆层的合金粉末利用率和表面质量降低。

必须指出，虽然现有同轴送粉喷嘴在不断改进与完善，但对激光熔覆层外表面容易粘附合金粉末的状况未能发生实质性的改进。而且，国内外的现有同轴喷嘴中，保护气体是沿光轴向下吹的，这对于使同轴喷嘴送出的粉末束流在激光光斑处聚集会产生很大干扰，不利于激光熔覆过程。有时，为了保证喷出粉末的稳定性，往往不得不将保护气体流量调到很小，这样对聚焦镜头的保护也不充分。现有同轴喷嘴的另外一个致命弱点是喷嘴系统中水路、气路、粉路集成度不高，冷却水路机构暴露在容易被反射的激光辐射到的位置，在长时间生产过程中存在隐患，难以从根本上满足工业化应用时的稳定性和可靠性要求。有鉴于此，设计一种内置式激光熔覆喷嘴有较大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有喷嘴的不足，提供一种内置式激光熔覆喷嘴，它兼具同轴送粉和旁轴送粉的优点，其送粉位置调控方便，送粉点准确，送粉时合金粉末的利用率高，熔覆层质量均匀稳定。

本发明提供的一种内置式激光熔覆喷嘴，其特征在于：锥形筒体的筒壁内设有粉末通道、冷却水路和保护气通道；粉末通道入口分布在锥形筒体的上端圆周上，粉末通道出口均匀分布在锥形筒体的下端圆周上；粉未通道与其入口相连部分的轴线与喷嘴中心轴线之间的夹角α在30-70°之间；在锥形筒体的底部壁内置有冷却水环，冷却水环与冷却水路相通；冷却水路出、入口分布在锥形筒体的上端圆周上；保护气通道由位于锥形筒体的上端圆周上的进气口和位于锥形筒体上部壁内的连接通道、气箱、一组排气孔以及出气口构成，气箱通过连接通道与进气口相通，出气口与排气孔的位置相对，保护气通道的出气口为倒梯形。。

上述锥形筒体由上锥筒和下锥筒构成，下锥筒由下内锥筒和其外套的下锥套筒构成，上锥筒和下锥套筒连接。

本发明的功能及特点如下：

(1)其多条送粉通道均内置于喷嘴内部，出口尺寸可以根据需要设计、加工。出口尺寸相同的旁轴喷嘴，既可以作为同轴喷嘴使用，也可以作为旁轴喷嘴使用。出口尺寸不同的旁轴喷嘴，可以满足不同送粉量要求的激光熔覆应用。

(2)横向保护气帘，可以充分保护聚焦系统，防止激光熔覆时熔池喷溅出的物质污染聚焦镜头。

(3)粉未通道入口、冷却水通道入口和横向保护气帘通道入口均位于锥形筒体上端圆周上，从根本上解决了激光熔覆时熔池反射的激光及热流对上述通道入口的外接软管的灼烧和损伤。

(4)其水路、气路、粉路都内置于喷嘴内部，使喷嘴具有耐高温、防烧损的特点，有利于激光熔覆技术的工业化应用。

(5)喷嘴适用于反射式聚焦系统，有利于降低聚焦系统的成本、提高聚焦系统的使用寿命，可以用于5kW或10kW以上的高功率激光熔覆。该喷嘴系统同样适用于透射式聚焦系统。

总之，本发明适用领域有自动送粉激光熔覆、自动送粉激光合金化、自动送粉激光焊接，金属件的激光三维自由成型等。

附图说明

图1为本发明的内置式激光熔覆喷嘴一种具体实施方式的结构示意图。

图2是图1的一个纵向剖面图。

图3是图2的俯视图

图4是图2的一个横向剖面图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步详细的说明。

如附图所示，锥形筒体的筒壁内设有粉末通道4、冷却水路10和保护气通道。锥形筒体由上、下二部分构成，即上锥筒1和由下内锥筒5和下锥套筒6构成的下锥筒。上锥筒1和下锥套筒6之间通过螺纹连接，并采用定位销定位。粉末通道入口3分布在上锥筒1的上端圆周上，粉末通道出口7均匀分布在下锥筒的下端圆周上。粉未通道4与其入口3相连部分的轴线与喷嘴中心轴线之间的夹角在30-70°之间。在下内锥筒5的底部内置有冷却水环12，冷却水环12与冷却水路相连。冷却水路在上、下锥筒的连接处采用密封圈11密封。冷却水路出、入口9、9’分布在上锥筒1的上端圆周上。保护气通道由位于上锥筒1的上端圆周上的进气口13和位于上锥筒内的连接通道14、气箱15、一组排气孔16以及出气口17构成，气箱15通过连接通道14与进气口13相通，出气口17为倒梯形，其位置与排气孔16相对。气体从进气口13进入气箱15内，通过排气孔16穿过锥形筒体内，再通过出气口17排出，形成一道横向保护气帘8，这样可以充分保护聚焦系统，防止激光熔覆时熔池喷溅出的物质污染聚焦镜头。

喷嘴的上锥筒1上设有连接螺纹2，连接螺纹2可外接专用的伸缩连接轴。

粉末通道出口7的口径大小可以相同或者不同。出口口径尺寸相同的旁轴喷嘴，既可以作为同轴喷嘴使用，也可以作为旁轴喷嘴使用。出口口径尺寸不同的旁轴喷嘴，可以满足不同送粉量和熔覆层宽度需要的激光熔覆应用。

在实际制作过程中，喷嘴的上锥筒1可以采用铝合金制造，喷嘴的下内锥筒5和下锥套筒6采用紫铜制造，这样既可以使喷嘴耐高温，又可以减轻喷嘴的重量，有利于激光熔覆的工业化应用。

本发明的关键在于喷嘴，其水路、气路、粉路都内置于喷嘴内部，这些水路、气路、粉路的入口全部位于喷嘴的顶部，喷嘴外部没有任何水路、气路、粉路的管道。这种设计具有结构紧凑、耐高温和防烧损的特点。

本发明并不局限于上述实现方式，本领域一般技术人员可以根据上述思路采用多种方式具体实现其技术方案。

Claims (3)

1、一种内置式激光熔覆喷嘴，其特征在于：锥形筒体的筒壁内设有粉末通道(4)、冷却水路(10)和保护气通道；粉末通道入口(3)分布在锥形筒体的上端圆周上，粉末通道出口(7)均匀分布在锥形筒体的下端圆周上；粉未通道(4)与其入口(3)相连部分的轴线与喷嘴中心轴线之间的夹角α在30-70°之间；在锥形筒体的底部壁内置有冷却水环(12)，冷却水环(12)与冷却水路(10)相通；冷却水路出、入口(9、9’)分布在锥形筒体的上端圆周上；保护气管道由位于锥形筒体上端圆周上的进气口(13)和位于锥形筒体上部壁内的连接通道(14)、气箱(15)、一组排气孔(16)以及出气口(17)构成，气箱(15)通过连接通道(14)与进气口(13)相通，出气口(17)与排气孔(16)的位置相对。

2、根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：锥形筒体由上锥筒(1)和下锥筒构成，其中下锥筒由下内锥筒(5)和其外套的下锥套筒(6)构成，上锥筒(1)和下锥套筒(6)连接。

3、根据权利要求1或2所述的喷嘴，其特征在于：保护气通道的出气口(17)为倒梯形。

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