CN201823642U - 一种包含导向保护气流的激光熔覆同轴送粉喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括连接套、粉末套、导向保护气套、冷却水套，喷嘴芯，为多层的同心锥筒结构，连接套下端与喷嘴芯可拆卸连接，内部的锥孔与喷嘴芯内部的通孔相通，用作激光束及保护气体的共用通道；粉末套的内锥面与连接套的外锥面之间形成粉末通道；导向保护气套的内锥面与粉末套的外锥面之间形成导向保护气通道；冷却水套的内锥面与导向保护气套的外锥面之间形成冷却水通道；其中，激光束及保护气体的共用通道、粉末通道、导向保护气通道和冷却水通道同轴。本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，可及时冷却喷嘴端部，提供导向保护气流能够更好地保护激光熔池并汇聚粉末流，使得喷嘴工作更加稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料加工技术领域，涉及一种激光熔覆同轴送粉喷嘴，具体涉及一种包含导向保护气流的激光熔覆同轴送粉喷嘴。
背景技术
激光熔覆技术是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而改善基体材料表面性能的工艺方法。激光熔覆技术中最常用的是同步送粉方式，其中包括旁轴送粉方式和同轴送粉方式。
旁轴送粉方式由于粉末的出口和光的出口相距较远，粉末与光的可控性较好，不会出现因粉末过早熔化而阻塞出光口的现象，因而在激光熔覆技术的初期得到了广泛的应用。但旁轴送粉无法克服因激光束和粉末输入的不对称而带来的对扫描方向限制的缺点，因而不能实现在任意方向生成均匀的熔覆层，不适用熔覆轨迹复杂的熔覆。
同轴送粉方式中粉末流和激光同轴耦合输出，有效的克服了旁轴送粉方式对扫描方向限制的缺陷，能够适应全方位的熔覆需求。目前所使用的同轴喷嘴主要有两种形式：四管式同轴送粉喷嘴和锥环式同轴送粉喷嘴。美国Sandia国家实验室用于激光近净成形技术的同轴喷嘴采用了四管式同轴送粉喷嘴(美国专利U.S.Pat.4724299)，虽然实现了激光焦点位置与粉末焦点位置的可调，喷嘴内设有冷却水通道实现了很好地冷却，但没有专门的保护气体通道防止氧化；另一美国专利U.S.Pat.4743733的基本结构为多层同心锥环式，包含同轴光路系统、粉路系统和气路系统，粉末流采用三路或四路垂直进入方式，靠近端部有冷却装置，主要不足为喷嘴出口的粉末流均匀性相对较差；中国专利CN1255411A也采用了多层同心锥环式结构，但是结构复杂，加工难度较高。而且喷嘴端部采用了喷嘴芯内嵌结构，使粉末反溅到喷嘴内污染镜片；中国专利CN2510502Y提出的同轴送粉喷嘴包含了同轴的光束通道、粉末通道、冷却水通道及保护气通道，整个喷嘴分为上中下三个部分，并通过螺栓连接固定，在连接断面用密封环密封，但对密封性能要求很高；中国专利CN200954478Y及CN2707772Y设计的同轴送粉头包含了同轴的光束通道、粉末通道和冷却水通道。此类送粉喷嘴保护气体是沿光束通道向下吹送的，若保护气体过大则会对粉末流束的汇聚产生很大干扰，而保护气流量过小则起不到保护激光熔池的作用。冷却水通道布置在喷嘴的中部，则对靠近基体容易过热的喷嘴端部没有直接冷却，容易造成喷嘴的过热。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种可提高喷嘴对粉末的汇聚程度、能够及时冷却喷嘴、保证熔覆过程稳定性且结构简单的同轴送粉喷嘴。
本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括连接套、粉末套、导向保护气套、冷却水套，喷嘴芯，为多层的同心锥筒结构，其中，
所述连接套上端用于连接激光器，内部存在锥孔，下端与所述喷嘴芯可拆卸连接，以便更换喷嘴芯，所述锥孔与所述喷嘴芯内部的通孔相通，用作激光束及保护气体的共用通道；
所述粉末套套接在所述连接套外部，所述粉末套的内锥面与所述连接套的外锥面之间形成开放的粉末通道，所述粉末套上均匀设置数个送粉通孔，与粉末通道上部相通；
所述导向保护气套套接在所述粉末套外部，所述导向保护气套的内锥面与所述粉末套的外锥面之间形成开放的导向保护气通道，所述导向保护气套上均匀设置数个进气孔，与导向保护气通道上部相通；
所述冷却水套套接在所述导向保护气套外部，所述冷却水套的内锥面与所述导向保护气套的外锥面之间形成密闭的冷却水通道，所述冷却水套上设置一个进水孔、一个出水孔，与所述冷却水通道相通；
且所述激光束及保护气体的共用通道、所述粉末通道、所述导向保护气通道和所述冷却水通道同轴。
根据本实用新型的一优选实施例，所述连接套上端与激光器采用螺纹连接，连接部位设有光斑调节装置，用于调节激光光斑大小以及光斑的焦点位置。该装置为喷嘴与激光器的连接件，其上端由螺钉固定于激光工作头上，下端与喷嘴的连接套采用螺纹连接，该调节装置为两个内外套接的螺纹套筒，可通过调节两套筒的位置使得喷嘴整体垂直上下移动以调节喷嘴出口光斑的大小以及光斑焦点相对于喷嘴的位置。
根据本实用新型的一优选实施例，所述粉末套与所述连接套采用螺钉连接。
根据本实用新型的一优选实施例，所述粉末套上部周向均布2～6个送粉通孔。
根据本实用新型的一优选实施例，在所述粉末通道末端粉末出口处，所述粉末套的内锥面与所述连接套的外锥面间的距离为1～3cm。
根据本实用新型的一优选实施例，所述送粉通孔斜设在所述粉末套的侧壁上与粉末通道相通，用以延长送粉通道的距离，使得粉末进入喷嘴后汇聚均匀。
根据本实用新型的一优选实施例，所述的导向保护气套与粉末套采用螺纹连接。
根据本实用新型的一优选实施例，所述导向保护气套上周向均布2～6个进气孔。
根据本实用新型的一优选实施例，所述冷却水套和导向保护气套焊接在一起，内部形成密闭的冷却水通道。
根据本实用新型的一优选实施例，所述进水孔与所述出水孔对称设置。
本实用新型对现有的同轴送粉喷嘴进行了改善，其优点在于：添加了外部的导向保护气流，即可对粉末流起到导向束流的作用，提高粉末流的汇聚程度，又可以对激光熔池提供很好的保护。注重了喷嘴靠近加工工件部分的冷却，使得冷却水直接冷却喷嘴的端部，提高喷嘴的冷却效率，延长喷嘴的使用寿命
附图说明
图1为本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴的剖面结构示意图。
图2为本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴的使用状态示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本实用新型而非用于限制本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括连接套14、粉末套13、导向保护气套9、冷却水套7，喷嘴芯11，为多层的同心锥筒结构。
所述连接套14上端用于连接激光器(图未示)，优选的，所述连接套14上端与激光器采用螺纹连接。如图2所示，连接部位为光斑调节装置，该装置为喷嘴与激光器的连接件，其上端由螺钉固定于激光工作头上，下端与喷嘴的连接套14采用螺纹连接，该调节装置为两个内外套接的螺纹套筒，可通过调节两套筒的位置使得喷嘴整体垂直上下移动以调节喷嘴出口光斑的大小以及光斑焦点相对于喷嘴的位置。所述连接套14内部存在锥孔1，下端与所述喷嘴芯11可拆卸连接，以便更换喷嘴芯11，所述锥孔1与所述喷嘴芯11内部的通孔6相通，作为激光束及保护气体的共用通道。
所述粉末套13套接在所述连接套14外部，优选的，所述的粉末套13与所述连接套14采用螺钉连接。所述粉末套13的内锥面与所述连接套14的外锥面之间形成开放的粉末通道2，优选的，在所述粉末通道2末端粉末出口处，所述粉末套13的内锥面与所述连接套14的外锥面间的距离为1～3cm。所述粉末套13上均匀设置数个送粉通孔12，与粉末通道2上部相通，优选的，所述粉末套13上部周向均布四个送粉通孔12，所述送粉通孔12斜设在所述粉末套13的侧壁上与粉末通道2相通，增长了送粉通道2的距离，可使得粉末进入喷嘴后汇聚得更均匀。
所述导向保护气套9套接在所述粉末套13外部，优选的，所述的导向保护气套9与粉末套13采用螺纹连接。所述导向保护气套9的内锥面与所述粉末套13的外锥面之间形成开放的导向保护气通道3，所述导向保护气套9上均匀设置数个进气孔10，与导向保护气通道3上部相通，优选的，所述导向保护气套9上周向均布四个进气孔10。
所述冷却水套7套接在所述导向保护气套9外部，所述冷却水套7的内锥面与所述导向保护气套9的外锥面之间形成密闭的冷却水通道5，优选的，所述冷却水套7和导向保护气套9焊接在一起，内部形成密闭的冷却水通道5。所述冷却水套7上设置一个进水孔4、一个进水孔8，与所述冷却水通道5相通，优选的，所述进水孔4与所述进水孔8对称设置。
所述激光束及保护气体的共用通道、粉末通道2、导向保护气通道3和冷却水通道5同轴。
如图2所示，本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，激光束17由位于喷嘴上方的积分镜16折射后经光斑调节装置15开始汇聚，经所述连接套14内部的锥孔1输出，激光束最终汇聚于距喷嘴出口约10mm的光斑焦点处，粉末经环形的粉末通道2输出，由于喷嘴送粉通道的倾斜角度而汇聚于激光光斑焦点处，达到粉末流和激光同轴耦合输出，实现同轴送粉熔覆。轴向保护气体通过连接套14内部的锥孔1输出，保护聚焦镜片不受熔覆过程中反溅粉末的污染；外部的保护气体通过导向保护气通道3输出，对输出的粉末流起束流整形的作用，以提高粉末流的汇聚程度，同时保护激光熔池。向冷却水通道5通入循环冷却水，使得较热的喷嘴端部得到直接的冷却，提高冷却效率，防止由于喷嘴过热而造成的喷嘴堵粉和损坏，提高喷嘴的使用寿命。
Claims (10)
1.一种激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，包括连接套、粉末套、导向保护气套、冷却水套，喷嘴芯，为多层的同心锥筒结构，其中，
所述连接套上端用于连接激光器，内部存在锥孔，下端与所述喷嘴芯可拆卸连接，以便更换喷嘴芯，所述锥孔与所述喷嘴芯内部的通孔相通，用作激光束及保护气体的共用通道；
所述粉末套套接在所述连接套外部，所述粉末套的内锥面与所述连接套的外锥面之间形成开放的粉末通道，所述粉末套上均匀设置数个送粉通孔，与粉末通道上部相通；
所述导向保护气套套接在所述粉末套外部，所述导向保护气套的内锥面与所述粉末套的外锥面之间形成开放的导向保护气通道，所述导向保护气套上均匀设置数个进气孔，与导向保护气通道上部相通；
所述冷却水套套接在所述导向保护气套外部，所述冷却水套的内锥面与所述导向保护气套的外锥面之间形成密闭的冷却水通道，所述冷却水套上设置一个进水孔、一个出水孔，与所述冷却水通道相通；
且所述激光束及保护气体的共用通道、所述粉末通道、所述导向保护气通道和所述冷却水通道同轴。
2.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述连接套上端与激光器采用螺纹连接，连接部位设有光斑调节装置，用于调节激光光斑大小以及光斑的焦点位置。
3.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述粉末套与所述连接套采用螺钉连接。
4.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，在所述粉末通道末端粉末出口处，所述粉末套的内锥面与所述连接套的外锥面间的距离为1～3cm。
5.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述送粉通孔斜设在所述粉末套的侧壁上与粉末通道相通，用以延长送粉通道的距离，使得 粉末进入喷嘴后汇聚均匀。
6.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述的导向保护气套与粉末套采用螺纹连接。
7.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述导向保护气套上周向均布2～6个进气孔。
8.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述冷却水套（7）和导向保护气套焊接在一起，内部形成密闭的冷却水通道。
9.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述进水孔与所述出水孔对称设置。
10.如权利要求1所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述粉末套上部周向均布2～6个送粉通孔。
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