同轴送粉装置的制作方法

文档序号:3245901阅读:355来源:国知局
专利名称:同轴送粉装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种同轴送粉装置,属于激光加工设备的配套装置。可用 于金属和非金属激光熔覆、表面合金化、破损零件修复及零件激光快速成 型的粉末输送。
背景技术
激光加工是利用高能激光束进行加工的一种新型材料加工方法。激光 加工具有许多超过常规加工手段的优越性,其应用范围广泛,如激光表 面改性(激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光表面毛化)、激光快 速成型、激光修复、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光打标等。激光 熔覆亦称激光包覆或激光熔敷,是材料表面改性技术的一种重要的方法, 它是利用高能激光束在材料基体表面辐照,通过迅速熔化、扩展和迅速凝 固,在表面熔覆一层能够提高使用性能的材料,从而构成一种新的复合材 料,以弥补基体所缺少的性能。激光合金化是金属材料表面局部改性处理 的一种新方法,激光合金化属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能 量激光束的照射下,使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金化元素同时快速熔化、混合,形成厚度为10-1000um的表面熔化层,熔化层在 凝固时获得的冷却速度可达105-108 。C/S,相当于急冷淬火技术所能达到的 冷却速度,又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现 象,使材料表面仅仅在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合 金化层,这种合金化层由于具有高于基体材料的某些性质,所以就达到了 表面改性的目的。激光快速成形技术是通过CAD将图纸转化为数值模型或 者用三维数字化仪将实体零件转化为数值模型;用分层软件将数值模型在 高度方向上分成一系列具有一定厚度的二维薄层;根据二维薄层的几何信 息用数控系统控制激光束和工作台的运动,选择性地固化或粘结某一区域, 成形出实体零件水平方向上的二维层面,后续材料与已固化层粘结,逐渐 堆积而成一个三维实体零件。在激光熔覆、表面合金化、破损零件修复及
金属零件激光快速成型等方面都需要输送粉末,目前常用的同轴送粉头有 以下不足激光束轴线和粉束轴线的同轴性无法进行微调,使金属粉末不 能准确的送入激光熔池,从而降低了金属粉末的利用率,并对工艺过程产 生不利影响;为了满足长距离送粉,现有送粉器所采用的载粉气体压力较 大,容易使粉末在送粉头出口处被吹散,同样降低了金属粉末的利用率, 影响生产效率;现有同轴送粉嘴多采用水平方向将粉末送入送粉头,容易 在入口处产生积粉,造成送粉不均匀;(4)现有同轴送粉头的各连接部位 通过螺纹连接,由于同轴送粉头上有粉、气、水等许多管路,旋转装卸时 必须先拔掉所有管线,使用不方便。 发明内容为了克服现有技术存在的上述不足,本发明提供一种同轴送粉装置, 该装置包括调节粉束轴线位置的调节装置、调节载粉气体压力的减压装置、 将一路送粉分成四路的分粉器、与送粉通道平行送粉的同轴送粉头的同轴 送粉装置。适用于激光熔覆、破损零件修复、表面合金化及金属零件激光 快速成型等需要输送金属粉末的激光加工工艺。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是同轴送粉装置由激光束 保护筒、减压器、分粉器、调节装置与同轴送粉头组成。其中,减压器用 支架固定在激光束保护筒上,其上端粉末入口通过送粉管与送粉器相连,减 压器下端粉末出口通过送粉管与分粉器上端的粉末入口相连,分粉器下端 分出四路粉末出口通过送粉管与同轴送粉头上端的四个粉末入口相连;激 光束保护筒与调节装置上的保护筒法兰螺纹连接调节装置的上筒体法兰又 与同轴送粉头的上筒体螺纹连接。减压器的支架和托板连接,旋转螺帽与上盖通过螺纹连接,外套筒通 过凸台分别与上盖和下盖连接在一起;上环装配在上盖的环形槽内,下环 通过台阶装配在下盖的孔中,锥形体分别与上环的下端和下环的上端连接 在一起,可调送粉管与上盖中心孔螺纹连接,并置于旋转螺帽、上盖、锥 形体、上环和下环形成的腔体之中。旋转螺帽和上盖开有相同的等半径半 环形通槽,下盖和托板上开有气体出口;外套筒上开气体入口。锥形体为 中空呈倒锥形锥台,上开有四个均布倒梯形通口,通口底面倾斜至锥形体底部。下环呈T形,上下表面均为圆柱,中心孔为阶梯孔,下段带螺纹。分粉器的有锥形腔的上体与带有分流锥体和四个锥形粉道的下体通过 螺纹连接,上体和下体之间用垫圈密封。上体外表面呈圆柱形,中心有通 孔,通孔上部为带螺纹的粉末入,粉末入口下为锥台形空腔,上体内部的 锥台形空腔的锥度9=20° 90°。下体外表面呈圆柱形,下体的下部均布四 个带螺纹的粉末出口,粉末出口与四个倒锥台形空腔相连通,下体的上部 为纵向被四个圆柱切割后有四个豁口的锥体。调节装置由上筒体连接法兰、调整帽组成,上筒体连接法兰在保护筒 连接法兰与调整帽螺纹连接形成空腔中,保护筒连接法兰上有均匀分布的 四个螺孔可放置螺钉,调整帽上面和侧面上各有均匀分布的四个螺孔,用 于放置垂直调节螺钉和水平调节螺钉。同轴送粉头是由含有同轴光路通道、粉末通道、保护气体通道、冷却 水通道的上筒体、下筒体、内锥筒、外锥筒、套筒、外锥筒喷头及保护气 体导向头组成。上筒体和调节装置用螺纹连接,上筒体、下筒体及内锥筒 螺纹连接构成了同轴光路通道,内锥筒和外锥筒用螺钉连接构成粉末通道, 外锥筒和套筒焊接构成冷却水通道,外锥筒喷头和保护气体导向头都用螺 纹连接在外锥筒上构成保护气体通道,内锥筒凸台上均匀开有四个倾斜孔 作为粉路通道的进粉口 ,套筒上开有两个孔作为冷却水进水口和出水口 , 外锥筒上开有环形槽作为保护气体的腔体,并开有与环形槽相通的保护气 体入口。所述同轴送粉头的外锥筒外部上呈倒锥台形,下呈圆盘形;外锥筒内表 面上部的锥度为a二50。 90° ,下部的锥角为3=25° 50° ;外锥筒 下部圆盘开有环形槽,环形槽螺纹与外锥筒喷头和保护气体导向头螺纹连 接;外锥筒与套筒焊接形成的空腔用于通冷却水,空腔靠近激光反射较强的 下部,可以同时冷却外锥体喷头和保护气体导向头。内锥筒上部为带凸台 的圆筒呈法兰形,下部为锥筒;内锥筒下端在外锥筒喷头和保护气体导向 头之上。同轴送粉头的上筒体可更换,外锥筒喷头和保护气体导向头与外
锥筒是可拆分的。本发明的有益效果是本发明可将送粉时较大的载粉气压减小,使粉 末在合适的气压下喷粉,在送粉头出口处粉末不被吹散,从而提高了有效 利用率。并可将过细粉尘随减压气体吹出锥形体通口,避免过细粉尘吸附 在送粉管道上,造成管路堵塞。并且本设计有调节粉束轴线的能力,可以 粉束轴线与激光束轴线重合,使金属粉末准确的送入激光熔池,送粉时将 一路送粉均匀分成四路,可使送入同轴送粉头的各路粉量均匀,满足了同 轴送粉时精密均匀的要求。提高了粉末的有效利用率,保证了工艺过程的 稳定性。而同轴送粉头粉末入口与送粉通道平行,又避免入口处积粉,外 锥筒内壁有角度变化,上部靠近进粉口处通道截面比下部通道截面大,使 粉末进入送粉通道后有充分的弥散空间,保证了送粉的连续性和均匀性。 本设计同轴送粉头上可以更换的上筒体,可以适合不同焦距的聚焦镜,而 可以拆分的外锥筒喷头及保护气体导向头,也避免了烧损后锥筒的整体更 换。本设计的冷却水腔体,靠近激光反射较强的下部,可以同时冷却外锥 体喷头和保护气体导向头,可确保同轴送粉头关键部件的有效冷却,使其 能够长时间的稳定工作。同轴送粉装置适用于激光熔覆、破损零件修复、 表面合金化、金属零件快速成型等广泛领域。


图1是同轴送粉装置的结构示意图;图2是同轴送粉装置的减压装置结构示意图;图3是同轴送粉装置的减压装置锥形体结构示意图;图4是同轴送粉装置的分粉器结构示意图;图5是同轴送粉装置的调节装置结构示意图;图6是同轴送粉装置的同轴送粉头结构示意图。在上述附图中,l.激光束保护筒,2.减压装置,3.分粉器,4.调节装 置,5.同轴送粉头,201.可调送粉管,202.旋转螺帽,203.上环,204.外 套筒,205.锥形体豁口, 206.下环,207.气体出口, 208.支架,209.托板, 210.下盖,211.气体入口, 212.上盖,213.半环形通槽,214.锥形体,301.
粉末入口, 302.上体,303.垫圈,304.下体,305.粉末出口, 401.防护筒 连接法兰,402.螺钉,403.调整帽,404.垂直调节螺钉,405.水平调节螺 钉,406.上筒体连接法兰,501.上筒体,502.下筒体,503进粉口, 504. 螺钉,505.套筒,506.出水口, 507.保护气体入口, 508.保护气体导向头, 509.保护气体通道,510.外锥筒喷头,511.冷却水腔,512.入水口, 513. 外锥筒,514.粉末通道,515.内锥筒,516.光路通道。
具体实施方式
图1是本发明公开的一个实施例,同轴送粉装置由激光束保护筒1、减 压装置2、分粉器3、调节装置4和同轴送粉头5五部分组成,其中减压 器2用支架208固定在激光束保护筒1上,送粉管6与减压器2的可调送 粉管201连通,减压器2下端粉末出口通过送粉管7与分粉器3上端的粉 末入口 301相连,分粉器3下端分出四路粉末出口通过送粉管8与同轴送 粉头5的四个粉末入口 503相连;激光束保护筒1与调节装置4上的保护 筒法兰螺纹连接,调节装置4的上筒体法兰又与同轴送粉头5的上筒体螺 纹连接。激光从激光器射出经反射进入激光束保护筒l,从内锥筒515底端 射出。金属粉末从送粉器吹出,经由送粉管6、可调送粉管201、减压器装 置2、送粉管7、分粉器3、送粉管8、粉末通道514,最后从外锥筒513底 端吹出,在激光束焦点形成熔池。减压装置2由可调送粉管201、旋转螺帽202、上环203、外套筒204、 下环206、支架208、托板209、下盖210、上盖212和锥形体214组成(见 图2)。旋转螺帽202和上盖212上均开有半环形孔213;锥形体214上开 有四个均布的通口 205、外套筒204上开有清理粉尘的气体入口 211,下盖 210和托板209上开有清理粉尘的气体出口 207。可调送粉管201与送粉器 相连,旋转螺帽202与上盖212通过螺纹连接,上盖212通过凸台与外套 筒204连接在一起,下盖210通过凸台与外套筒204连接在一起的,下环 206通过台阶装配在下盖210的孔中,托板209与支架208通过螺栓连接, 支架208与防护筒1通过拧紧螺栓连接,上环203装配在上盖212的环形 槽内,锥形体214与上环203、下环206粘结在一起。在使用时,旋转可调
送粉管201,可调节其下端与锥形体214内壁之间、与下环206内孔之间的 间隙,同时转动旋转螺帽202,改变旋转螺帽202与上盖212之间的相对位 置,调节半环形孔213的开通大小,释放出一部分载粉气体,可调节送粉 压力。过细粉尘随着释放的气体经过通口 205吹到锥形体214夕卜,落入下 环206与外套筒204之间,粉尘过多时可用气体通过入口 211将其吹出出 口 207。分粉器3由上体302、垫圈303、下体304组成(见图3)。上体302与 下体304通过螺纹连接,上体302上的粉末入口 301用塑料管与减压器2 的出口相连,下体304上的粉末出口 305与同轴送粉头5上的粉末入口 503 通过塑料管相连。在使用时,粉末在上体302的锥形腔和下体304的分流 锥体的共同作用下均匀分流到下体304的四个锥形粉道内,将一路送粉均 匀分成四路。根据粉末性质、细度、送粉量不同,可以更换具有不同角度 锥形腔的上体302。调节装置4 (见图4)由上筒体连接法兰406、四个压紧上筒体连接法 兰的螺钉402、调整帽403、四个垂直调节螺钉404、四个水平调节螺钉405、 防护筒连接法兰401所组成。激光束保护筒1与防护筒连接法兰401通过 螺纹连接,调整帽403与防护筒连接法兰401通过螺纹连接,上筒体连接 法兰406与上筒体501通过螺纹连接。在使用时,调节四个水平调节螺钉 405,可使上筒体连接法兰406在水平方向移动位置;调节四个垂直调节螺 钉404,可使上筒体连接法兰406与上筒体501—起改变角度;最终实现粉 束轴线与激光束轴线同轴。送粉头5 (见图5)由上筒体501、下筒体502、套筒505、保护气体导 向头508、外锥筒喷头510、外锥筒513、内锥筒515组成。其结构特征在 于上筒体501、下筒体502及内锥筒515共同构成了光路通道516,内锥筒 515和外锥筒513构成粉末通道514,外锥筒513和套筒505构成冷却水通 道511,外锥筒喷头510及保护气体导向头508构成保护气体通道509。内 锥筒515凸台上均匀开有四个倾斜孔503作为粉路通道514的进粉口;套 筒505上开有两个孔作为冷却水进水口 512、出水口 506;外锥筒513上开
有环形槽作为保护气体的腔体,并开有与环形槽相通的保护气体入口 507。 上筒体501与激光束防护筒连接法兰406通过螺纹连接,下筒体502与上 筒体501通过螺纹连接,内锥筒515与下筒体502通过螺纹连接,外锥筒 513与内锥筒515通过螺钉连接,套筒505与外锥筒513焊接形成冷却水腔, 外锥筒喷头510及保护气导向头508均与外锥筒513通过螺纹连接。光路 通道、粉路通道、保护气体通道在一个轴线上,送粉头也称为同轴送粉头。调节装置4的粉束轴线的调节,可以通过调节四个水平调节螺钉405, 使上筒体连接法兰401在水平方向移动位置;可以通过调节四个垂直调节 螺钉404,使上筒体连接法兰401与上筒体501 —起改变角度;最终实现粉 束轴线与激光束轴线同轴,使粉末准确的送入激光熔池。减压器2的载粉气体压力调节,可以通过转动旋转螺帽202的位置, 调节半环形孔213的开通大小和可调送粉管201调节其下端与下环206内 孔的间隙,从而实现调节送粉压力,使金属粉末在送粉头出口处不被吹散; 过细粉尘可以通过窗口 205吹出锥体214,避免过细粉尘吸附在送粉管道和 送粉头上,造成堵塞;沉积在下环206与外套筒204之间的粉尘,气体吹 入入口 211将其从出口 207吹出。分粉器3将一路送粉均匀分成四路,送来的粉末在上体302的锥形腔 和下体304的分流锥体的共同作用下均匀分流到下体304的四个锥形粉道 内,实现将一路送粉均匀分成四路,可使送入同轴送粉头的各路粉量均匀。同轴送粉头采用四路与送粉通道平行的粉末入口 503,避免入口处积 粉。同轴送粉头的上筒体501可以更换,对于不同焦距的聚焦镜只需更换 相应的上筒体。同轴送粉头的外锥筒喷头510及保护气体导向头508在烧 损后可以更换,避免锥筒的整体更换。同轴送粉头的外锥筒内壁上部锥度为60。下部锥度为45。靠近进粉口 处通道截面比下部通道截面大,使粉末进入送粉通道后有充分的弥散空间。冷却水腔体511靠近激光反射较强的下部,可以同时冷却外锥体喷头 和保护气体导向头,确保了同轴送粉头关键部件的有效冷却。
权利要求
1.一种同轴送粉装置,包括激光束保护筒(1)、减压器(2)、分粉器(3)、调节装置(4)和同轴送粉头(5),其特征在是减压器(2)用支架(208)固定在激光束保护筒(1)上,送粉管(6)与减压器(2)的可调送粉管(201)连通,减压器(2)下端粉末出口通过送粉管(7)与分粉器(3)上端的粉末入口(301)相连,分粉器(3)下端分出四路粉末出口通过送粉管(8)与同轴送粉头(5)的四个粉末入口(503)相连;激光束保护筒(1)与调节装置(4)上的保护筒法兰螺纹连接,调节装置(4)的上筒体法兰又与同轴送粉头(5)的上筒体螺纹连接。
2. 根据权利要求1所述的同轴送粉装置,其特征是所述减压器(2)的 旋转螺帽(202)与上盖(212)通过螺纹连接,外套筒(204)通过凸台分别与上 盖(212)和下盖(210)连接在一起;上环(203)装配在上盖(212)的环形槽内, 下环(206)通过台阶装配在下盖(210)的孔中,锥形体(214)分别与上环(203) 的下端和下环(206)的上端连接在一起,可调送粉管(201)与上盖(212)中心 孔螺纹连接,并置于旋转螺帽(202)、上盖(212)、锥形体(214)、上环(203) 和下环(206)形成的腔体之中。
3. 根据权利要求2所述同轴送粉装置,其特征是旋转螺帽(202)和上 盖(212)开有相同的等半径半环形通槽(213),下盖(210)和托板(209)上开 有气体出口 (207),外套筒(204)上开气体入口 (211)。
4. 根据权利要求2所述的调节载粉气体压力的减压器(2),其特征是 所述锥形体(214)为中空呈倒锥形锥台,上开有四个均布倒梯形通口(205), 通口 (205)底面倾斜至锥形体底部。
5. 根据权利要求1所述的同轴送粉装置,其特征是所述分粉器(3) 带有锥形腔的上体(302)与带有分流锥体和四个锥形粉道的下体(304)通过 螺纹连接,上体(302)外表面呈圆柱形,中心通孔为带螺纹的粉末入口 (301),粉末入口(301)下为锥台形空腔,上体(302)内部的锥台形空腔的锥 度6=20。 90° 。
6. 根据权利要求5所述的分粉器,其特征是下体(304)外表面呈圆柱 形,下体(304)的下部均布四个带螺纹的粉末出口(305),粉末出口(305)与 四个倒锥台形空腔相连通,下体(304)的上部为纵向被四个圆柱切割后有四 个豁口突起的锥体。
7. 根据权利要求1所述的同轴送粉装置,其特征是所述调节装置(4) 的上筒体连接法兰(406)在保护筒连接法兰(401)与调整帽(403)螺纹连接 形成空腔中;保护筒连接法兰(401)上有均匀分布的四个螺钉(402);调整 帽(403)上面和侧面上各有均匀分布的四个垂直调节螺钉(404)和水平调节 螺钉(405)。
8. 根据权利要求1所述的同轴送粉装置,其特征是所述同轴送粉头 (5)的上筒体(501)和调节装置(4)用螺纹连接;上筒体(501)、下筒体(502) 及内锥筒(515)螺纹连接构成了同轴光路通道(516);内锥筒(515)和外锥筒 (513)用螺钉(504)连接构成粉末通道(514);内锥筒(515)凸台上均匀开有 四个倾斜的进粉口 (503);外锥筒(513)和套筒(505)焊接构成冷却水腔体 (511);套筒上(505)开有两个孔作为冷却水进水口 (512)和出水口 (506); 外锥筒喷头(510)和保护气体导向头(508)都用螺纹连接在外锥筒(510)上 构成保护气体通道(509);外锥筒(513)上开有环形槽作为保护气体的腔体, 并开有与环形槽相通的保护气体入口 (507)。
9. 根据权利要求8所述同轴送粉装置,,其特征是外锥筒(513)外部 上呈倒锥台形,下呈圆盘形;外锥筒(20)内表面上部的锥度为ci二50。 90 ° ,下部的锥角为3=25° 50° ;外锥筒(513)下部圆盘开有环形槽,环 形槽与外锥筒喷头(510)和保护气体导向头(508)螺纹连接。
10. 根据权利要求8所述同轴送粉装置,其特征是内锥筒(515)为 带凸台的圆筒呈法兰形,下部为锥筒,内锥筒(515)下端在外锥筒喷头(510) 和保护气体导向头(508)之上。
全文摘要
本发明公开一种同轴送粉装置,属于激光加工设备的配套装置。其特征是减压器(2)用支架(208)固定在激光束保护筒(1)上,送粉管(6)与减压器(2)的可调送粉管(201)连通,减压器(2)下端粉末出口通过送粉管(7)与分粉器(3)上端的粉末入口(301)相连,分粉器(3)下端分出四路粉末出口通过送粉管(8)与同轴送粉头(5)的四个粉末入口(503)相连;激光束保护筒(1)与调节装置(4)上的保护筒法兰螺纹连接,调节装置(4)的上筒体法兰又与同轴送粉头(5)的上筒体螺纹连接。本发明可调节送粉压力大小,送粉连续、均匀,从而提高了有效利用率;粉束轴线与激光束轴线重合,使金属粉末准确的送入激光熔池,提高了粉末的有效利用率;冷却水腔体确保同轴送粉头关键部件的有效冷却,使其能够长时间的稳定工作。
文档编号C23C24/10GK101158040SQ20071018523
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者咸士玉, 力 尤, 谭天宇, 高士友 申请人:燕山大学
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