CN1684791A - 用于手持激光粉末熔焊焊枪的粉末给料分离器 - Google Patents

Abstract

一种粉末给料分离器(100)，其可将粉末流以可预知、可调节和可靠的方式分离成两个或更多个粉末流，用于如焊接这样的材料加工过程中。外壳(102)包围着入口盘(106)，入口盘具有入口调节器(106)，该调节器最好是一个盘(106)，其具有进入管(110)，进入管(110)可相对于外壳(102)进行径向或横向调节。调节机构(120)可有选择地移动入口调节器(106)，以便对在多个粉末出口(130)内的粉末流进行调节。外壳(102)内的漏斗形腔体可具有可供选择的气体进入口，以便将另外的气体输送到分离的粉末流(10)中。可在内部粉末流分离器和外壳(102)之间形成单路配合。穿过该装置的光滑内表面可防止粉末发生紊流和产生阻塞。

Description

用于手持激光粉末熔焊焊枪的粉末给料分离器

【相关申请的交互参考】

本申请涉及2002年2月8日申请的题为“Hand-Held Powder-FedLaser Fusion Welding Torch”的美国专利申请10/071025，这里作为参考对其进行引用。

【技术领域】

本发明涉及粉末熔焊，更具体的是涉及一种可将单个粉末流变为多个粉末流的流体粉末流分离器。

【背景技术】

人们日益广泛地利用激光进行粉末熔焊来制造网状或近似网状的物品。这比铸造或其它部件制作工艺具有显著的优点。

在粉末熔焊过程中，将熔焊材料输送给焊接工具的有源聚焦点，通常是激光或其它能量源。粉末可包含包括金属微粒和塑料微粒在内的各种不同物质。通常，利用熔焊粉末贮罐将熔焊粉末输送到焊枪。在有些情况下，必须将粉末流分离成多个子流，以便通过多个不同的流动路径更好地将粉末流输送给焊枪。但如果需要使用多条粉末供应管线，就得使用单独的、相互独立的且通常是价格昂贵的粉末供应贮罐和系统。熔焊粉末通常通过加压气体或流体例如氦、氩或氮这样的惰性或不起反应的气体来输送到焊枪。

尽管激光焊枪喷嘴技术已有了长足的进步，但粉末流分离器技术还发展不足。由熔焊粉末流分离所引起的一些问题会使流动管线或系统发生失常或产生缺陷，从而使粉末发生粘结并阻碍粉末向前流动。长时间后，微粒会积聚在某一点处并形成阻塞。另外的问题是在粉末流分离过程中微粒内部摩擦会产生静电并且形成下游压力损失。

另外，在一种已知的分离器设计中，输出流不可调节，从而不能改变各个输出流之间的粉末和流体的流动。

传统的分离器具有与主缸体分离开的内凹孔，通道以向外的结构形式分叉开。分离器通常分成两个部件，并由螺栓或螺钉固定在一起，由于输入粉末流盖与输出分离器给料通道之间是松配合，因此这两个部件可相对运动。

在特定的情况下，该粉末给料分离器出现阻塞，从而对依赖于分离粉末供应的工艺过程造成显著的影响。当分离器发生阻塞时，粉末流减小，如果减小得过大，整个过程就必须停止，对分离器进行清洁并清除阻塞。这就要拆卸分离器，并中断依赖于分离粉末流的激光熔焊过程。

另外，在上述的传统分离器结构中未使用气体压力来增大粉末流。重力流只用于将粉末输送分离成单独的粉末流动路线。而且，由于粉末供应输出管线不是从粉末给料分离器直线向外延伸，而是以一定的角度向外发散，在粉末流线中会发生额外的阻塞。由于粉末给料分离器的两个组成部件之间是松配合，而且不能可靠地和有选择地来控制粉末分离部件内的输入粉末流，因此很难重新对准和调节这种已有的粉末给料分离器。

针对现有技术中所存在的前述缺陷，需要提供一种改进的粉末流分离器，以减小阻塞和/或可进行调节和/或增大或克服加压流体和粉末流的重力流。本发明就是为了克服一个或多个这些缺陷。

【发明内容】

本发明提供一种可靠和/或可调的粉末流分离器。具体地说，本发明的分离器减小了阻塞和/或可调节输出流和/或可在不管重力的情况下提供流体粉末流。更具体地说，仅仅作为示例，分离器可包括具有光滑内表面的分配组件，光滑内表面可避免粉末发生粘结或阻塞。分离器还可调节输出管道之间的粉末流分布，并有选择地控制粉末流分离器下游的压力。

在后面将要详细描述的一个实施例中，提供一种熔焊粉末流分离器，其可将一个熔焊粉末流按照操作需要有选择地分离成多个粉末流。该实施例还提供了一种包括本发明粉末分离器的粉末熔焊机。

在一个实施例中，分离器外壳形成部分外壳组件，并包括一个粉末供应盘中心孔，用于将粉末流输送到内部分离区域。分离器外壳基本上限定了一个纵向轴线，并接纳一个插入件，插入件通过定位销唯一地在主外壳缸体内安装定位。分离区域覆盖在插入件上，并利用漏斗状流动通道将粉末流动盘输送的粉末导入到用于流出分离器的相互分离的输出管道中。

分离器外壳可具有与内部分离器侧部中的孔或开口相通的气体进入孔，以便将具有压力的惰性或不起反应的气流传送给单独的熔焊粉末流。

粉末流给料调节器可设置在分离器缸体分支流线之间的中心位置处。调节机构可以是指旋螺钉或计算机控制的伺服机构，可便于使粉末入口盘(相对于外壳的纵向轴线)进行径向调节，从而使一个或多个输出粉末流通道可接纳更多或更少的输入粉末流。这种可调节的能力可按照焊接工艺或焊接机的性能使粉末流进行偏移。

粉末给料分离器内的光滑表面和在过渡表面之间的中间表面可使粉末平稳流动而降低发生阻塞或堵塞的风险。

另外，还可通过设置要对材料进行处理的粉末或其它流体状材料的贮罐来获得要由以分离方式供应的粉末进行处理的材料。然后，将粉末或流体贮罐输送给粉末给料或流体给料分离器，将输入的整体粉末或流体流分离到两个或更多个输出供应管道中。然后，待处理的材料可通过从粉末给料分离器伸出的分离管道接受粉末和/或流体流。可在从分离器伸出的输出管道中调节或分配该输出粉末流。

本发明其它的特点和优点可从下面结合附图对本发明优选实施例所进行的描述中清楚地得出，其中，附图只是通过具体例子来表示和反映出本发明的原理。

【附图说明】

图1是本发明粉末流分离器的正面侧视分解透视图。

图2是组装在一起的图1所示粉末流分离器的侧视图。

图3是组装在一起的图2所示粉末流分离器沿线3-3的横截面图。

图4是图1所示粉末流分离器的外部主缸体的侧视图，其中，内部的元件和表面由虚线表示。

图5是图4所示外部主缸体沿线5-5的后视横截面图。

图6是图1所示粉末流分离器的外部主缸体的前视平面图。

图7是图6所示外部主缸体沿线7-7的侧视横截面图。

图8是图6所示外部主缸体沿线8-8的侧视横截面图。

图9是图1所示粉末流分离器的外部主缸体的侧视平面图，其示出了位于气体入口相对两侧的指旋螺钉孔。

图10是与图9类似的外部主缸体的侧视平面图，其以虚线示出了位于外部主缸体内部的元件和表面。

图11是图1所示的粉末入口调节盘内部的表面和元件的侧视图。

图12是沿图11的圆圈12截取的图1中所示的粉末入口盘的后表面的放大图。

图13是图11所示的粉末入口盘的入口管的侧视图，其中，内部的表面和元件由虚线示出。

图14是图13和11中所示的入口管的顶部视图。

图15和16示出了分别沿圆圈15和16截取的图13所示入口管的顶部和底部入口和出口端。

图17是图1所示的内部分离缸的前视平面图。

图18是内部分离缸的侧视平面图。

图19是图18所示内部分离缸沿线19-19的侧视横截面图。

图20是图18所示的内部分离缸的后视平面图。

图21是图18所示的内部分离缸沿图20中的线21-21的侧视局部横截面图。

图22是图18所示内部分离缸的后部透视图。

【具体实施方式】

下面结合附图所进行的详细描述是对本发明优选实施例的说明，但并不表示是构成和/或使用本发明的唯一方式。说明书结合图示的实施例描述了本发明的功能以及构成和实施本发明的步骤工序。但是，应当理解，也可通过符合本发明宗旨并位于本发明精神和范围内的不同实施例来获得相同或等效的功能和结果。

如图1所示，本发明具体是一种用于手持或安装在地面上的激光粉末熔焊焊枪系统或类似系统的粉末给料分离器100。该分离器用于将来自单一输入管路的粉末流分离到两个或多个输出或流出管路中，在此实施例中是四个输出管路或流出管路。这时，由于单一输入管路的横截面面积需要与输出管路较大的累计流出横截面相适应，因此，可利用另外的气体对粉末流加压。另外，例如在手持激光焊枪以一个可使粉末流增大并通过较低的粉末流管路的角度倾斜时，可以一定的方式来调节输出管路中的粉末流分布以适应最终使用该粉末流的装置。应当理解，粉末给料分离器100可用于手持激光焊枪系统或固定安装在地面上的激光粉末熔焊机。

如图1所示，粉末给料分离器100具有外壳缸体102，外壳缸体102圆柱状围绕着一个可拆卸的内部分离缸104。密封粉末入口调节器或板106具有一个中心粉末流入口108，粉末通过该流入口流到内部分离缸104中，在该实施例中，密封粉末入口调节器或板为盘形。粉末流入管110可使粉末流喷入中心流入口108和内部分离缸104中。根据分离器100的几何形状和作用，可采用各种形状和结构的入口调节器。

外壳缸体102形成内部分离缸104的外壳。外壳缸体102使气流对准内部分离缸104，而且可进行调节并将气流连通到内部分离缸104上。

如图1所示，分离器具有一个调节机构。具体地说，两组相互对置布置的指旋螺钉120螺旋或相反地穿过后部指旋螺钉孔122以与密封入口盘106的平滑圆柱侧面124相啮合。也可采用通过电或机械啮合而产生运动的其它调节机构包括伺服马达来控制指旋螺钉。如图3所示，外壳缸体102具有后座126，入口盘106的后侧贴靠在后座上。正如下面所详细描述的那样，入口盘106贴靠着缸体后座126，从而大致形成气密的密封。但是，入口盘106的外径远小于外壳缸体102的内径。入口盘106的平滑圆柱侧面124并不是基本平齐无缝地贴靠着外壳缸体102的内部圆柱侧面128。这就可允许调节中心粉末流入口108的位置，从而使其偏离内部分离缸104的中心。因此，这样使得粉末有选择地偏移到内部分离缸104的四个流出管130中。

指旋螺钉靠近入口盘106的侧面124的端部140与盘的侧面124啮合，因此，可通过使用指旋螺钉120来调节密封入口盘106，从而使其可调节地相对于内部分离缸104布置。虽然图1中示出了指旋螺钉120，但本发明也易改进为通过可操纵指旋螺钉120的计算机或其它可控伺服马达或类似的调节装置对入口盘106进行自动调节和/或电动调节。

外壳缸体102还具有安装在定位孔152中的定位销钉150，定位孔152用于连接内部分离缸104并始终和唯一地将分离缸104定位在外壳缸体102的内部154中。

如图1所示，分离缸104在其后部158处设有定位槽156。如图3所示，定位销钉150插入到定位槽156中，以便使分离缸104相对于外壳缸体102每次都定位在相同的位置上。一旦定位，如图3所示，分离缸104就在压销160的作用下贴靠在入口盘106上，压销160通过螺纹或其它压销孔162螺纹连接在缸体102上并将分离缸104固定就位。

为将惰性气体或其它气体输送到分离缸104中，外壳缸体102具有环绕其内部128的内槽170。该内槽170与分离缸104的气体进入孔172相对应。下面将进一步详细地描述内部分离缸104的结构和工作过程。但图4通过虚线示出了与内槽170连通的气体流动通道或气体入口174。在将分离缸104定位在外壳缸体102的范围之内时，加压气体可进入气体内槽170中并通过其气体进入孔172流入到分离缸104中。必需另外通过气体进入孔172加入的气体稀释流过分离缸104的粉末。

外壳缸体102具有前孔180，分离缸104和入口盘106安装在前孔180内。后孔182小于前孔并形成后支承座126，入口盘106支承在后支承座126上。后支承座126可防止入口盘106进一步移动，如上所述，入口盘106的直径大于后孔182的直径但小于外壳缸体102的内部154的直径。为防止气体漏出外壳缸体102，内部分离缸104的外径通常只是最小限度地小于外壳缸体内部154的直径，因此，分离缸104可滑入缸体102中，但又可防止或避免气体从分离缸104和外壳缸体102之间流过。

图4-10是外壳缸体102可供选择的可视视图。

图11是密封入口盘106的局部侧视横截面图。如同本发明的其它部件一样，入口盘可由适当的材料例如弹性和可切削加工的金属制成。由于流动粉末可具有磨蚀性，因此，本发明所用的材料可包括可承受这种磨蚀或一旦磨蚀对这里的粉末给料分离器造成较大伤害时便于进行更换的材料。入口盘106具有中心孔108，外进入管110可安装或固定在中心孔108中。

如图12所示，入口盘106的后表面200可刻划有一系列以中心孔108为中心的同心圆202。这些同心圆可从粉末给料分离器100的后部透过外壳缸体102的后孔182观察到。同心的刻划圆202大约为万分之一英寸深，并相互间隔大约千分之一英寸的距离。同心圆202指示出入口盘106和分离缸104相互对中。入口盘偏离中心的程度由后支承座126所遮断的圆圈数来表示，如果不是入口盘106偏离中心，将会观察到这种遮断现象。槽202的深度足以供人进行视觉观察，且对于粉末给料分离器100而言，在刻划圆202之间的距离是一种可选择的和通用的结构。

通常，当入口盘106在分离缸104的范围内对中时，粉末流就均匀地分布到出口管130内。当入口盘偏离中心时，分布在多个管130内的粉末流通常根据与接受偏移量的输入粉末流的那些管而发生偏移。下面将结合附图17-21对分离缸104进行详细的描述。

图13-16是进入管110的相关视图，粉末流线与进入管相连以将流动粉末输入到粉末给料分离器100中。进入管110可以是带有倒角入口210和出口212的铜管。管110构造成可防止粉末流发生结块、堵塞或阻塞，以保证有最大的横截面供粉末流动之用。倒角入口210和出口212通常有助于抗结块、抗堵塞和/或抗阻塞性能。图14示出了沿进入管110中心截取的进入管110的形状。而图15和16分别示出了入口210和出口212。管110的倒角可将输入的粉末引导向内部通道214，而出口管212的倒角使粉末在接触分离缸104之前更平稳和良好地进行分散。

实际上如图17所示，分离缸104最好大致为圆筒形，并可具有倾斜的肩部220，该肩部介于具有较大直径的主体部分和分离缸104的较窄的前面之间，出口管130从该前面露出。出口管130的结构与进入管110类似。图19是分离缸104内部结构的横截面图。在分离缸104的后端222设有一系列的四个漏斗状或锥状的腔体或斗仓224，用于将粉末从入口盘孔108经过分离缸104内的中间内部通道226引导到出口管130。每个漏斗状腔体224与气体进入孔172相连。每个气体进入管172可向出口管130倾斜，以便于为气流进行导向并防止粉末流回流到气体进入孔172中。锥状腔体224相交于中心点228，中心点228形成一个最小的平表面，粉末可聚集在其上。而且还较好地将输入的单个粉末流分离到其中一个中间内部通道226中。当入口盘106相对于外壳缸体102对中时，中心孔180最好对准该中心点。当粉末经过腔体224时，腔体224的锥形形状可用于引导粉末。腔体224的锥形外形大致为正圆锥形，以便为流动粉末提供良好的漏斗形或引导作用。可在圆锥的相交点处改变腔体224的正圆形性质，以便在腔体224之间形成大致相等的横截面面积。

虽然可在任意两个腔体或斗仓224之间严格地进行分隔，但也可在腔体224之间设置内凹腔230(图21)，以便使粉末较好地分散到两个相邻的腔体224之间。

正如前面所述，可采用各种材料来制造本发明的粉末流分离器100。但不锈钢看起来更适合于制造该实施例的内部分离缸104和外壳缸体102。可采用钢或其它材料来制造指旋螺钉120或压销160，而铜看起来更适合于制造入口110和出口130的管。但是，正如除了圆筒形形状以外的其它形状也可用于本发明的外部102和内部104部分(包括方形、三角形及类似的形状)那样，本发明也可采用不同的材料，只要它们适合且可有效地形成本发明所必需的结构和几何形状即可。

另外，作为一个具有外壳缸体102的质量、特点和外形的外部壳体的内部插入件，内部分离缸104可具有各种的结构和/或几何形状。密封入口盘108也可采取板、其它平面结构或另外结构的型式，只要其可按照这里所描述的那样进行工作即可。而且，虽然在一个实施例中图示的气体流入口107为共面结构，但也可采用其它的结构型式。

组装时，入口盘106支承平靠在外壳缸体102的后支承座126上。进入管110从外壳缸体102向后伸出并离开后孔182。入口盘106可设置在指旋螺钉120和它们与入口盘106的平圆柱侧面124相接触的近端140的中间。内部分离缸104支承平靠在入口盘106和外壳缸体102的内侧面128上。在此情况下，内部分离缸104密封锥状腔体224，并且可防止粉末除了穿过中间内部通道226和出口管130以外进行其它的流动。

分离缸104使定位销钉150与其定位槽156相接合，因此，分离缸104相对于外壳缸体102通常具有唯一的一种操作接合构造。当分离缸104相对于外壳缸体102已适当定位且定位销钉150位于定位槽156中时，分离缸104的气体进入孔172与外壳缸体102的内部气槽170相对准并由其环绕。内部分离缸104和外壳缸体102的内部128之间相互平贴，从而基本上可密封内部气槽170并避免气体流出气槽170。然后，压销160在倾斜肩部220处或其周围与分离缸104相接合并将分离缸104压靠在入口盘106上。然后，出口管130伸过压销160并与另外的粉末流管道相连。这种粉末流管道实际上可以是柔性的，类似于与进入管110相连的管道，从而可向粉末流分离器100提供初始粉末流。

在组装好粉末流分离器100之后，可将惰性气体流、稀有气体流和/或适当的气体流经外壳缸体102的气体进入孔174(图4和9)通入到该装置中。该气体通常选择成可避免热的和/或熔态粉末发生氧化。然后，气体流入气槽170并通过分离缸气体进入孔172流入到出口管130中。然后，气体流经锥形漏斗形腔体224，并在通过出口管130流出之前流经中间内部通道226。在一个实施例中，分离缸气体进入孔172实际上可以是倾斜的，以便为气流提供一些背压。所用的通过外壳缸体气体进入孔174流入的气流可以与用于从主粉末贮罐(未示出)输送粉末的气流相同。另外的气体用于促使粉末通过给料分离器并进入需要粉末料的主体工具例如激光焊枪或其它激光熔焊装置中。输入另外的气体可更好地控制粉末流，并保证即使在多个出口管130中有效的总横截面面积可能比单个进入管110的横截面面积大的情况下也不会有压力损失。

然后，由气体驱动的粉末进入入口110并流入分离缸104中。如果入口盘106位于分离缸104的中心点228的中央范围，粉末就会基本上均匀地分布到多个锥形漏斗形腔体224中。如果流动进入孔108偏离中心点228，粉末流就基本上是偏移的，从而更多的粉末流被输送到与布置在进入孔108下方的锥形漏斗形腔体224相连的出口管130中，从而使锥形漏斗形腔体224接收更多的输入粉末流。内凹腔230可允许一些粉末迁移入和迁移出用于接受主要粉末流的腔体224。对于所有的腔体224也都可以发生这种迁移。

然后，由气体驱动的粉末传输到中间通道226，并在中间通道226中又被从分离缸气体进入孔172流入的气体加压。然后，粉末流传输到出口管130中并流出本发明的粉末给料分离器100。

本发明可进行一定的调节来增大粉末流，且本发明通常可设置光滑表面来减小紊流并减小粉末流的结块、堵塞或阻塞，从而降低维护成本并增强其性能。粉末流分离器100可接地以减轻由于粉末自身的摩擦或其它因素而产生的静电。分离器100可适用于多种不同类型的粉末，并不限于是细散的高熔点金属、磨细的钢料或钢屑、塑料颗粒和细小微粒及类似的粉粒。

由于该分离器具有可调节的性能，并且可以可预知和可靠的方式对部件进行拆卸和重新组装，因此，该分离器与现有技术的粉末给料分离器相比，具有独特的优点。本发明利用光滑表面和光滑表面过渡可减小紊流的发生，并防止流动粉末产生结块、堵塞或堆积。可在初始粉末流动积蓄阶段或在将更多的气体引入气体进入孔172和174时来调节粉末的密度。

尽管上面已结合优选实施例或特定实施例对本发明进行了描述，但应当理解，在不脱离本发明的范围或本发明宗旨的情况下，还可对本发明作出各种的变化和变型，并且还可对本发明的部件进行等效的替代。另外，在不脱离本发明根本范围的情况下，可作出多种变化使特定的情况或材料适应于本发明所给出的教导。因此，本发明并不局限于这里所公开的特定实施例，本发明应包括落在所附权利要求书范围内的所有实施方式。

Claims (5)

1.一种粉末给料分离器，其包括：

外壳，该外壳具有两个开口和一个位于两开口之间的内部表面；

内部插入件，该内部插入件限定一个第一漏斗形腔体，该腔体的形状大致从其一端到另一端变窄，该插入件的尺寸设计得可安装到外壳中；

与第一漏斗形腔体相连通的第一出口管，该管设置在腔体的窄端附近；

第一漏斗形腔体从较宽的区域收集粉末，以便将其输送到较窄的第一出口管中，由此，粉末可从第一漏斗形腔体流入到第一出口管。

2.根据权利要求1所述的粉末给料分离器，其中，第一腔体呈锥形。

3.根据权利要求1所述的粉末给料分离器，其中，该内部插入件限定第一气体流入口，使气体从内部插入件的外部流入到第一漏斗形腔体中；从而可将气体添加到从第一漏斗形腔体向第一出口管流动的粉末中。

4.根据权利要求1所述的粉末给料分离器，其还包括：

该内部插入件限定第二漏斗形腔体；

与第二漏斗形腔体相通的第二出口管；

第二漏斗形腔体从较宽的区域收集粉末，以便将其输送到较窄的第二出口管中，由此，粉末可从第二漏斗形腔体流入到第二出口管。

5.根据权利要求4所述的粉末给料分离器，其还包括：

该内部插入件具有第二气体流入口，使气体从内部插入件的外部流入到第二漏斗形腔体中；从而可将气体添加到从第二漏斗形腔体向第二出口管流动的粉末中。

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