专利名称：垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明属于激光材料加工技术领域，特别涉及激光熔覆同轴送粉喷嘴结构设计。
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。激光熔覆是指在高能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，其强化效果最为显著。通过多层垂直叠加，激光熔覆还具有快速柔性地直接制造金属零件的独特性能。激光熔覆的主要特点包括(1)可以完全改变材料表面的性能；(2)涂层与基体形成牢固的冶金结合，显微组织细；(3)合金粉末选择范围广，能实现耐磨损、耐腐蚀、耐冲蚀、耐疲劳、抗高温氧化等多种性能；(4)热量输入少，热循环很短暂、对基体的热损害和热变形少，晶粒不易长大；(5)基体对熔覆层的稀释程度可控，熔覆层性能保证；(6)可控制熔层成分，浓度，形状和区域大小；(7)无机械接触。金属或合金的添加方法主要有预涂粉末法，侧向送粉法和同轴送粉法，其中以同轴送粉法为最优。同轴送粉激光熔覆必需同轴送粉喷嘴，性能良好的喷嘴能适用于激光熔覆、激光合金化以及送粉激光焊接等。
鉴于目前常用的侧向送粉激光熔覆的各向异性，无法满足不断发展的激光熔覆快速直接制造金属零件的研究以及激光熔覆原位修复已磨损关键零件的需求，并随着激光熔覆技术向更高层次的发展，激光熔覆同轴送粉喷嘴得到了西方发达国家研究机构的普遍高度重视和研究，英、美、法、德已开发各自的同轴送粉喷嘴。其基本结构均采用多层同心锥筒形式，包含同轴光路通道、粉路通道和气路通道，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。例如，美国专利U.S.Pat.5477026，其结构如
图1所示，主要包括由上部螺纹联接筒11、内锥筒12和内喷头13上下套接构成内层锥筒，该内层锥筒形成的内空间组成光路通道101，由内锥筒12、内喷头13与套接其外且经螺纹上下连接的外锥筒14和外喷头16构成同心中层锥筒，该中层锥筒形成的环形内空间组成同轴粉路通道102，外锥筒14上开有4个均布的入口17与粉末流通道102连通，4路粉末流经四个入口17沿垂直圆周方向直接进入粉末流通道102，粉末流经较短的通道从喷头喷出；外锥筒14内部含有一个气体通道，它与其下端相连的外喷头16内部的气体通道一起构成保护气路环形通道103；冷却水挡板15固定在外锥筒的外周，它与外锥筒14的外壁之间形成的环形空间组成冷却水路104，冷却水路冷却外锥筒14，内锥筒和内喷头没有得到良好冷却。粉路、气路和进出水路均通过塑料管路分别与外部送粉器、气源和水源相连。整个喷嘴经上部螺纹联接筒11的螺纹与激光加工工作头联接，外锥筒14也采用螺纹与上部螺纹联接筒联接。内喷头13和外喷头16分别与内锥筒12、外锥筒14的下部螺纹联接，形成分离可更换式，以便在其头部被激光烧坏时更换。喷嘴整体固定联接，不能对聚焦激光束的焦斑进行调节。其他同轴送粉喷嘴的结构基本与之相类似。
现有同轴喷嘴的主要不足表现为(1)现有同轴喷嘴均为整体结构，主要通过螺纹与激光熔覆工作头连接，由于同轴喷嘴包含粉、气、水路等许多管路，旋转装卸时往往使得这些管路缠绕在一起，必须先拔掉所有管线，就位后再装回，使用极不方便；(2)现有同轴喷嘴所采用的4路沿圆周垂直进粉方式，使得粉末在入口处密度高，其他地方密度低，粉末流的初始分布不均匀，而喷嘴的粉末通道往往较短，因而喷嘴出口的粉末流均匀性相对较差，不易满足精密均匀同轴送粉的要求；(3)现有同轴喷嘴往往只对喷嘴外锥端部进行水冷，而内锥没有直接冷却，但喷嘴在长时间工作时由于内筒与高能激光束及粉末流最接近，在反射光的作用下内锥往往加热和升温最快、最容易烧坏，内锥一旦局部受热变形将会改变粉末流的均匀性，严重时局部熔化将会堵塞邻近的粉末流通道而引起同轴喷嘴的失效；因此，优先冷却内锥对于喷嘴的长期有效工作是极为重要的；(4)现有同轴喷嘴头部大多采用圆锥结构，有的采用端部水平小挡板结构，均不具备将反射激光束和反射粉末二次利用的功能。(5)现有喷嘴自身不具备焦斑直径的调节能力。
本发明的目的是针对现有国际上同轴送粉喷嘴的不足，设计出一种垂直装卸的分体式同轴喷嘴，使其不但具有内锥筒强化冷却及三层锥体同时冷却、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、喷嘴端部抗激光反射和粉末反射回收等诸多优点，还能适用于多种聚焦的聚焦透镜并适用于激光熔覆、激光合金化、激光相变硬化和激光焊接等多种场合。
本发明设计的一种垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴，由含有同轴光路通道、粉路通道、保护气体通道和冷却水路通道的内外套接的内锥筒、中间锥筒、外锥筒、冷却水挡板和连于其下的喷头组成的多层同心锥筒结构；其特征在于，所说的外锥筒和冷却水挡板之间还设置一保护气导向锥筒，所说的冷却水路包括设置在内锥筒与中间锥筒之间的内锥冷却水路及设置在保护气导向锥筒和冷却水挡板之间的外层冷却水路；所说的外锥筒和中间锥筒构成粉末流通道，所说的外锥筒与保护气导向锥筒之间构成保护气路。
本发明还可包括在所说的多层同心锥筒上端采用可垂直装卸的扣瓣结构连接一与激光加工工作头联接的上体，所说的上体由可更换的螺纹活动筒和套在该活动筒外与之螺纹连接的上筒组成。所说的上筒可由螺纹调节筒和与之上下螺合的上筒座组成。
所说的外锥筒上可开有多个切向粉末入口，在所说的切向入口的下面的粉末流通道内环周可设置有微孔漏筛，该微孔漏筛沿圆周均布数十个微孔。
所说的外锥筒可由可装卸的上外锥筒和下粉末导向锥筒两部分组成，所说的保护气导向锥筒与下粉末导向锥筒相连，所说的冷却水挡板连于该粉末导向锥筒外侧。
所说的内锥筒内的上部可设置一个可放置短聚焦透镜的凹槽。
所说的喷嘴下端部可形成表面光洁的反向锥体状。
本发明的功能及特点如下(1)本发明设计的内锥冷却水路及外锥水路冷却，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(2)本发明采用双体分体结构，上体以可更换的螺纹活动筒的内螺纹实现与各种激光加工工作头的过渡联接。只要改变其直径和螺距，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，获得垂直装卸功能及实现精确定位。
(3)本发明采用多管切向进粉方式，即多路粉末沿喷嘴圆周的多个切向入口进入喷嘴主体，紧靠在切向入口下面的是一个微孔筛环，由于输运气体的压力，进入喷嘴主体的粉末流很快均匀地分散在微孔筛环的圆周面上，粉末从微孔筛环圆周面上的均布微孔均匀地漏入粉末流通道上，再经较长的粉末通道从喷头喷出，其均匀性明显优于多路垂直进粉方式。
(4)本发明喷嘴主体内部设置一个可放置短聚焦透镜的凹槽，并利用内锥冷却水路冷却聚焦镜，使聚焦镜得到有效冷却。因此本喷嘴所适用的聚焦镜焦距范围可为100～300mm。离焦量调节范围可从0到+60，粉末流焦点处的光斑直径调节范围可从焦点光斑到7mm。喷嘴上体的螺纹套筒设计，实现了外部直接无级调节聚焦光斑直径的功能(5)本发明的端部设计成一个面向被加工件的表面光洁的反向锥体结构，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。其效果明显优于单纯圆锥或小挡板结构。
本发明喷嘴的适用领域为送粉激光熔覆、送粉激光合金化、送粉激光焊接、预置粉激光熔覆和激光合金化、激光重熔和激光相变硬化以及激光焊接和切割等。
附图简单说明图1为已有技术的一种激光熔覆同轴送粉喷嘴结构示意图。
图2为本发明的激光熔覆同轴送粉喷嘴实施例结构示意图。
本发明设计出一种垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴的实施例，结合附图详细说明如下；本实施例的结构如图2所示。本喷嘴由上下两部分组成。喷嘴上体由螺纹活动筒23、螺纹调节筒24和上筒座25组成，喷嘴下体即喷嘴主体由内锥筒26、中间锥筒28、多孔漏筛29、外锥筒210、粉末流导向锥筒211、保护气导向锥筒212、可分离喷头213和冷却水挡板214组成。上下部分首次采用扣瓣联接。螺纹活动筒23为整个喷嘴与激光加工工作头的联接件，螺纹活动筒23、螺纹调节筒24和上筒座25组成喷嘴的调节机构。螺纹活动筒23、内锥筒26和喷头213组成内部聚焦激光束通道；中间锥筒28、外锥筒210、粉末流导向锥筒211和喷头213构成同轴会聚粉末流通道；内锥筒26和中间锥筒28组成内锥冷却水路，保护气导向锥筒212和冷却水挡板214组成端部冷却水路；内锥筒26和喷头213组成轴向保护气路，粉末流导向锥筒211和保护气导向锥筒212组成外围保护气路；多孔漏筛29为粉末均匀化元件，喷头213为可更换喷头，喷头213、粉末流导向锥筒211、和保护气导向锥筒212的端部组成喷嘴反向锥结构。
本实施例的功能及特点(1)本发明喷嘴采用双体分体结构，上体由螺纹活动筒23、螺纹调节筒24和上筒座25组成，以螺纹活动筒23的内螺纹与激光加工工作头的外螺纹22旋转联接，上体联接好后即固定不动。只要改变螺纹活动筒23的直径和螺距，即可方便地与任何激光加工工作头连接。喷嘴的主体由26-214构成，粉路、气路和冷却水路所用的输入输出管线均在喷嘴主体上。上下体之间采用扣瓣联接，扣瓣的扣固定在上筒座25的下端，瓣固定在喷嘴主体外锥筒28上，喷嘴主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，而不象现有的喷嘴一样必须将所有管线拆卸后才能旋转卸下整体喷嘴。上筒座25下端有一个凸台，中间锥筒28上有一个凹槽，安装时由它们实现精确定位。
(2)本实施例设计的内锥冷却水路，能使整个内锥体得到有效冷却。冷却水从中间锥筒28上的入口进入，首先直接从侧面和下面双向冷却内锥筒26上的聚焦镜镜座，然后沿内锥筒26和中间锥筒28构成的水路通道往下冷却内锥筒26特别是26的端部，该端部与可分离喷头213紧密接触，使得喷头213得到强化冷却，冷却水绕26端部流动一周，再从内锥筒26和中间锥筒28构成的水路通道往上流动，冷却内锥筒和镜座，然后从中间锥筒28上的出口流出。保护气导向锥筒212和冷却水挡板214构成另一路冷却水通道，强化冷却212端部的反向锥面，并通过喷嘴所用的高热导率材料和紧密接触使得粉末导向锥筒211也得到良好冷却。这样，本发明喷嘴的几个关键易受热部件均得到了有效的冷却，真正确保喷嘴的长时间稳定工作。
(3)本实施例使四路粉末经四个铜管沿外锥筒210上的4个切向入口215进入喷嘴主体外锥筒210和中间锥筒28构成的粉末流通道中。微孔漏筛29安置在切向入口215的下面。进入粉末通道的四路粉末流在输送气体的带动下会迅速分散在筛环的圆周面上，再从微孔漏筛环29圆周上均布的数十个微孔中均匀地漏下，经中间锥筒28、外锥筒210、粉末导向锥筒211和喷头213构成的粉末通道会聚后在出口处形成均匀的会聚同轴粉末锥流，实现同轴粉末流的主动均匀化功能。
(4)本实施例喷嘴端部反向锥体由喷头213、粉末导向锥筒211和保护气导向锥筒212的端部构成，表面光洁度较高。在冷却水路的有效冷却下，其表面在较长时间工作过程中能保持光洁。这样就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，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。
(5)本实施例喷嘴上体的螺纹活动筒23的内螺纹与激光加工工作头联接，23的外螺纹配合喷嘴上体螺纹调节筒24的内螺纹，由24的旋转使得喷嘴自身的长度能够方便地变化，24与上筒座25保持活动联接。实现了外部直接无级调节聚焦光斑直径的功能，离焦量可以从0调节到+60，喷嘴出口粉末流焦点处的光斑直径从焦点光斑调节到7mm。这一调节范围年全面适应激光熔覆、激光合金化、激光相变硬化和激光焊接的功率密度要求。
(6)本实施例的聚焦透镜21通常位于激光加工头22上，由激光头的专用冷却水路冷却，通用采用200mm焦距的透镜，焦点位于喷嘴出口下方。借助于上述调节机构可适用于焦距300mm的聚焦镜，这样能满足送粉法和非送粉发激光熔覆、激光合金化、激光相变硬化对激光功率密度和焦斑直径的通用要求。在主体内锥筒26内还设计了一个短聚焦透镜位置，焦点仍位于喷嘴出口下方处，利用内锥筒26的冷却水路冷却聚焦镜27，使聚焦镜得到有效冷却。将轴向保护气体入口216安置在透镜以下。这样本喷嘴就能用于送粉和一般激光焊接以及激光切割。所以本喷嘴所适用的聚焦镜焦距范围为100～300mm，适用领域为送粉激光熔覆、送粉激光合金化、送粉激光焊接、预置粉激光熔覆和激光合金化、激光重熔和激光相变硬化以及一般激光焊接和激光切割多种功能。
权利要求
1.一种垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴，由含有同轴光路通道、粉路通道、保护气体通道和冷却水路通道的内外套接的内锥筒、中间锥筒、外锥筒、冷却水挡板和连于其下的喷头组成的多层同心锥筒结构；其特征在于，所说的外锥筒和冷却水挡板之间还设置一保护气导向锥筒，所说的冷却水路包括设置在内锥筒与中间锥筒之间的内锥冷却水路及设置在保护气导向锥筒和冷却水挡之间的外层冷却水路；所说的外锥筒和中间锥筒构成粉末流通道，所说的外锥筒与保护气导向锥筒之间构成保护气路。
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，还包括在所说的多层同心锥筒上端采用可垂直装卸的扣瓣结构连接一与激光加工工作头联接的上体，所说的上体由可更换的螺纹活动筒和套在该活动筒外与之螺纹连接的上筒组成。
3.如权利要求2所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所说的上筒由螺纹调节筒和与之上下螺合的上筒座组成。
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，所说的外锥筒上开有多个切向粉末入口，在所说的切向入口的下面的粉末流通道内环周设置有微孔漏筛，该微孔漏筛沿圆周均布数十个微孔。
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，所说的外锥筒由可装卸的上外锥筒和下粉末导向锥筒两部分组成，所说的保护气导向锥筒与下粉末导向锥筒相连，所说的冷却水挡板连于该粉末导向锥筒外侧。
6.如权利要求1、2、3或4所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所说的内锥筒内的上部设置一个可放置短聚焦透镜的凹槽。
7.如权利要求1、2、3或4所述的激光熔覆同轴送粉喷嘴，其特征在于，所说的喷嘴下端部形成表面光洁的反向锥体状。
全文摘要
本发明属于激光材料加工技术领域,由含有同轴光路通道、粉路通道、保护气体通道和冷却水路通道的内外套接的内锥筒、中间锥筒、外锥筒、冷却水挡板和喷头组成的多层同心锥筒;冷却水路包括内锥冷却水路及外层冷却水路。本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,还能适用于激光熔覆、激光合金化、激光相变硬化和激光焊接等多种场合。
文档编号B23K26/14GK1255411SQ0010004
公开日2000年6月7日 申请日期2000年1月7日 优先权日2000年1月7日
发明者钟敏霖, 刘文今 申请人:清华大学