CN201574192U - 一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，包括一送粉喷头筒体，所述筒体上方开设有入光口，其下方开设有出光口，所述筒体内面对入光口设有圆锥反射镜，与所述圆锥反射镜相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜，所述圆锥反射镜下方固定设有送粉管，所述送粉管下端连接有一喷粉嘴，所述喷粉嘴与射入的激光束同轴，其特征在于：所述喷粉嘴外围、位于所述圆锥反射镜与所述喷粉嘴出口处之间设有准直保护气套。本实用新型通过在喷粉嘴外围设置准直保护气套，实现了光、粉、气同轴输送，解决了现有技术中保护气使用存在的不足。

Description

一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工成形领域，具体涉及一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置。

背景技术

在现有技术中，金属材料同步送粉激光熔覆成形制造由专门的激光熔覆喷头完成，其方法和结构可参照欧洲专利WO2005028151、日本专利JP2005219060等，其基本原理为光束居中，金属粉末包围输送的方案，将激光器发出的圆柱形激光束聚焦成实心圆锥形激光束，加工表面置于焦点附近，在实心的圆锥形激光束外围布置多个相对光束轴线倾斜的粉末喷粉嘴，由多个喷粉嘴中喷射出的多根粉束的汇聚点正好也置于焦点附近。聚焦光斑和粉束都相对工件作二维或三维的扫描运动，金属粉末被不断实时添加到聚焦光斑中实现熔覆并凝固而形成熔道，并逐步堆积成形。在熔覆过程中，还有一个重要的工艺环节，就是需要不断地由喷头内向下方喷射出一定压力的惰性保护气体，这是因为在熔覆过程中熔池的上方会产生较多的热气流和粉尘等飞溅物，热气流与飞溅物可能顺着光路上升进而污染喷头内的光学镜片，造成输出功率下降和发热等故障，严重时甚至会引起镜片炸裂。另外，在熔池表面也覆盖上一层惰性保护气体保护熔池，使激光熔覆成形过程能够持续进行的必要措施。

现有的同步送粉激光熔覆以及保护气喷射方法如下：实心激光束聚焦于工件的表面，多根粉束包围激光束外围并相对激光束轴线倾斜布置，并在汇聚工件表面的聚焦光斑附近汇聚。为防止热气流与飞溅物上升进入喷头内部和污染光路上方的镜片，设置了保护气沿光束朝下喷射。由于保护气与倾斜布置的粉束不平行，当气压过大时将会吹开粉束，因此保护气只能采用较小的气压，但气压过小不能有效压制上升的热气流与飞溅物，也不能对工件表面的熔池形成有效保护，因此在粉束的外围又加上一圈保护气，与保护气组成双层保护气。然而现有方案存在较大的不足，粉末的轨迹为汇聚一发散的抛物面，当粉束喷出粉管时，粉末失去了管壁的约束，不同粒度和形状的粉粒运动参数将发生波动，粉粒在空中的运动轨迹和落点也会不一致，这些都造成粉粒跌落区域范围较大，汇聚精度很难稳定，粉束刚性差，易发散。从粉末中间喷射的保护气使粉束往外扩散，而保护气使粉束往内扩散，故双层保护气存在压力相互协调的问题，其大小调节控制非常敏感，粉束精确汇聚困难。由于进入熔池的粉末量不稳定，喷洒在熔池旁边的粉末在熔池凝固后未熔或未熔透，造成成形表面的物理和几何缺陷。熔覆实践证明，双层保护气在喷头附近的形成的气流一般都是紊流，加工时粉末四处飞溅，粉末利用率极低，环境污染很大。

综上可知，目前在激光熔覆成形制造过程中对保护气的使用存在较大的不足，极大的制约了激光熔覆成形制造的发展。

发明内容

本实用新型目的是提供一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，通过对结构的改进，实现了光、粉、气同轴输送，解决了现有技术中保护气使用存在的不足。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，包括一送粉喷头筒体，所述筒体上方开设有入光口，其下方开设有出光口，所述筒体内面对入光口设有圆锥反射镜，与所述圆锥反射镜相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜，所述圆锥反射镜下方固定设有送粉管，所述送粉管下端连接有一喷粉嘴，所述喷粉嘴与射入的激光束同轴，所述喷粉嘴外围、位于所述圆锥反射镜与所述喷粉嘴出口处之间设有准直保护气套。

上述技术方案中，所述准直保护气套沿圆周方向上开设有至少4个圆形出气孔，所述圆形出气孔孔径为0.4～1.5mm，所述圆形出气孔的轴线与所述喷粉嘴的轴线平行。

另一种技术方案，所述准直保护气套沿圆周方向上开设有至少3个圆弧形出气孔，所述圆弧形出气孔宽度为0.4～1.5mm，所述圆弧形出气孔的长度方向与所述喷粉嘴的轴线平行。

上文中，本实用新型在使用时，由激光器发射的圆形或环形截面的激光束由送粉喷头筒体的入光口沿筒体轴线进入筒体内，入射至安装于筒体内的圆锥反射镜镜面上，经过圆锥反射镜反射并扩束，扩束后的激光束入射至与所述圆锥反射镜相对并同轴设置的圆环形反射聚焦镜上，然后形成圆环形光束并反射至筒体出光口处某处聚焦。这样在焦点和圆环形反射聚焦镜之间形成一个圆环锥形聚焦光束，该光束中部形成一圆环锥形中空无光区。送粉管由筒体上部或侧面进入光束中部的圆锥形中空无光区，然后转向与聚焦光束同轴，送粉管下端安装有喷粉嘴，工作时由外部送粉器提供的粉末进入送粉管，再送入喷粉嘴喷出至聚焦光束中心。喷粉嘴外围设置准直保护气套，在喷粉嘴喷粉的同时，准直保护气套沿圆周方向上开设的出气孔喷射出准直保护气体形成准直保护气气帘，准直保护气呈一维运动，在适当压力下为层流或接近层流，对粉束能起到准直作用，这样光束中空，粉束可以居中，准直保护气气帘包围在粉束外围，实现了保护气与圆环锥形聚焦激光束以及喷粉嘴喷出的粉束三者同轴。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是：

1、由于本实用新型通过在喷粉嘴外围、位于圆锥反射镜与喷粉嘴出口处之间设置准直保护气套，激光束中空，粉束居中，准直保护气包围在粉束外围，实现了光、粉、气同轴输送，解决了现有技术中保护气使用存在的不足；

2、本实用新型的准直保护气呈一维流动，对粉束起到了较好的准直作用，获得细直、刚性好、发散小的粉束，提高了粉末的利用率，从而得到更高质量的成形表面；

3、本实用新型使用方便，易于实现，适合推广使用。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构剖视图；

图2为本实用新型实施例一中准直保护气套剖视放大图；

图3为本实用新型实施例二中准直保护气套剖视放大图。

其中：1、送粉喷头筒体；2、入光口；3、出光口；4、圆锥反射镜；5、圆环形反射聚焦镜；6、送粉管；7、喷粉嘴；8、准直保护气套；9、出气孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见图1、2所示，一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，包括一送粉喷头筒体1，所述筒体上方开设有入光口2，其下方开设有出光口3，所述筒体内面对入光口2设有圆锥反射镜4，与所述圆锥反射镜4相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜5，所述圆锥反射镜4下方固定设有送粉管6，所述送粉管6下端连接有一喷粉嘴7，所述喷粉嘴7与射入的激光束同轴，所述喷粉嘴7外围、位于所述圆锥反射镜4与所述喷粉嘴7出口处之间设有准直保护气套8，所述准直保护气套8沿圆周方向上开设有6个圆形出气孔9，所述圆形出气孔9孔径为0.4～1.5mm，所述圆形出气孔9的轴线与所述喷粉嘴的轴线平行。

使用时，激光束由筒体的入光口2沿筒体轴线进入筒体内，入射至圆锥反射镜4镜面上，经过圆锥反射镜4反射并扩束，扩束后的激光束入射至圆环形反射聚焦镜5上，然后形成圆环形光束并反射至筒体出光口3处某处聚焦，形成一圆环锥形聚焦光束，该光束中部形成一圆锥形中空无光区。送粉管6进入光束中部的圆锥形中空无光区，然后转向与聚焦光束同轴，送粉管6下端安装有喷粉嘴7，由外部送粉器提供的粉末进入送粉管6，再送入喷粉嘴7喷出至聚焦光束中心。喷粉嘴7外围设置准直保护气套8，在喷粉嘴7喷粉的同时，准直保护气套8上出气孔9喷射出气体形成准直保护气气帘，由于光束中空，粉束可以居中，准直保护气气帘包围在粉束外围，实现了准直保护气气帘与圆环锥形聚焦激光束以及喷粉嘴喷出的单根粉束三者同轴。

实施例二：参见图3所示，一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，包括一送粉喷头筒体，所述筒体上方开设有入光口，其下方开设有出光口，所述筒体内面对入光口设有圆锥反射镜，与所述圆锥反射镜相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜，所述圆锥反射镜下方固定设有送粉管，所述送粉管下端连接有一喷粉嘴7，所述喷粉嘴7与射入的激光束同轴，所述喷粉嘴7外围、位于所述圆锥反射镜与所述喷粉嘴7出口处之间设有准直保护气套8，所述准直保护气套8沿圆周方向上开设有3个圆弧形出气孔9，所述圆弧形出气孔9宽度为0.4～1.5mm，所述圆弧形出气孔的长度方向与所述喷粉嘴的轴线平行。其工作原理与实施例一相似。

Claims (3)

1.一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，包括一送粉喷头筒体(1)，所述筒体上方开设有入光口(2)，其下方开设有出光口(3)，所述筒体内面对入光口(2)设有圆锥反射镜(4)，与所述圆锥反射镜(4)相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜(5)，所述圆锥反射镜(4)下方固定设有送粉管(6)，所述送粉管(6)下端连接有一喷粉嘴(7)，所述喷粉嘴(7)与射入的激光束同轴，其特征在于：所述喷粉嘴(7)外围、位于所述圆锥反射镜(4)与所述喷粉嘴(7)出口处之间设有准直保护气套(8)。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，其特征在于：所述准直保护气套(8)沿圆周方向上开设有至少4个圆形出气孔(9)，所述圆形出气孔(9)孔径为0.4～1.5mm，所述圆形出气孔(9)的轴线与所述喷粉嘴的轴线平行。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆成形的光、粉、气同轴输送装置，其特征在于：所述准直保护气套(8)沿圆周方向上开设有至少3个圆弧形出气孔(9)，所述圆弧形出气孔(9)宽度为0.4～1.5mm，所述圆弧形出气孔(9)的长度方向与所述喷粉嘴(7)的轴线平行。

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