专利名称：一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷嘴系统，特别是一种用于激光快速成形的同轴喷嘴 系统，主要应用于金属粉末激光快速成形系统中。
背景技术：
激光是二十世纪最伟大的科学发明之一，具有巨大的技术潜力。激光 加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技 术，其中激光熔覆技术是目前最活跃的激光加工技术之一。快速成形技术 是八十年代末兴起并得到迅速发展的崭新制造技术，被认为是近二十年来 制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相 比。激光快速成形技术是将激光熔覆技术与快速成形技术相结合，以金属 粉末为原料，采用高功率激光熔覆技术，利用快速成形分层制造思想，制 造出金属功能零件。此项技术因能够直接成形金属功能零件而倍受人们的 关注，并且取得了长足的发展。激光快速成形系统除了大功率激光器外，主要还包括导光装置、数控 加工装置和金属粉末送给装置等，其中金属粉末送给是一项关键技术。目 前，金属粉末送给方式主要有以下三种预置粉末法、侧向同步送粉法和 同轴送粉法。目前使用较多的是采用同轴送粉法的同轴粉末喷嘴，而且大 多数同轴粉末喷嘴均采用同轴环形锥套的结构。这种同轴粉末喷嘴虽然结 构紧凑、小巧、粉末喷出均匀，但是仍然具有如下问题1. 结构复杂。同轴粉末喷嘴是聚焦激光、汇聚粉末、汇聚保护气 的同轴输出口，又包括复杂冷却水道，因此结构设计特别复杂。2. 加工工艺难度较大。为了避免熔池热辐射烧伤喷嘴，喷嘴材料 一般选择热传导率较高的紫铜，由于粉末喷射锥轴线、激光束轴线以及保 护气喷射锥轴线同轴，因此采用紫铜作为喷嘴材料的加工工艺难度较大。3. 气体保护不充分。为避免污染聚焦透镜，激光出口需要输出保护气；为避免粉末熔化后与空气接触，在粉末喷射锥外层设置保护气喷射 锥；为使金属粉末流动顺畅，采用气载方式送粉。这些气体及粉末颗粒在 喷嘴出口的狭窄空间里流动形式极端复杂， 一方面严重影响了粉末喷射锥 的形状，另一方面无法实现充分、稳定的保护气氛围。4. 冷却不充分。由于粉末喷嘴距离上千度高温的激光熔池很近， 所以喷嘴冷却一直是同轴送粉技术的主要问题之一，冷却不充分时会造成 粉末在喷出口处烧熔粘结现象发生，更严重时会发生喷嘴烧熔变形甚至脱 落。同轴粉末喷嘴由于其结构复杂、空间狭小，所以难于设计和制造出大 腔体的冷却水道，冷却效果不好。
发明内容
为了解决上述同轴粉末喷嘴所存在的诸多问题，本发明提供一种用于 激光快速成形的同轴喷嘴系统，该系统可以实现四只粉末喷嘴喷射粉末汇 聚成一点、聚焦激光束沿同轴喷嘴系统轴线输出、在稳定的保护气氛围下 和高效的水冷却环境下进行激光快速成形加工操作。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是 一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，包括侧壁冷却水罩组件(1)、顶部冷却水罩组件(2) 和喷嘴组件(6)。顶部冷却水罩组件(2)处于侧壁冷却水罩组件(1)内， 喷嘴组件(6)固定在顶部冷却水罩组件(2)上。 本发明的优点及有益效果为1. 本发明通过设计圆柱形同轴喷嘴腔体系统，形成一定成形高度 和成形面积下稳定的惰性气体保护氛围，实现惰性气体充分保护。2. 本发明采用标准化的紫铜喷嘴，工艺性好、互换性好、喷嘴直径可根据金属粉末的粒度情况加以更换。3. 本发明采用聚焦激光束沿同轴喷嘴系统轴线输出方式，激光焦 点汇聚在同轴喷嘴系统轴线上，实现二维平面内全方位成形加工。4. 本发明采用圆周内轴对称均布的四只喷嘴汇聚喷射金属粉末至 激光焦点，使系统结构大为简化。5. 本发明的各主要零部件均采用黄铜材料，工件材料切削加工性能优良，加工工艺简单。6. 本发明采用顶部冷却水罩和侧壁冷却水罩，实现除底面基体之 外的全方位水冷却，降低成形区域温度、消除激光反射污染及伤害。7. 本发明采用激光束输入口作为惰性气体输入口， 口径大、气流平稳、容易实现稳定的惰性气体保护氛围。8. 本发明采用气载方式送粉， 一方面使粉末以一定的挺度喷射，另一方面吹散成形区域多余的金属粉末。9. 本发明采用基体平面与侧壁冷却水罩底面之间的微隙、顶部冷 却水罩与侧壁冷却水罩之间的微隙作为惰性气体的输出口 ，使成形区域的气压略高于大气压，空气无法进入成形区域。
图l为本发明的剖视图；图2为侧壁冷却水罩组件的结构示意图；图3为顶部冷却水罩组件的结构示意图；图4为喷嘴组件的结构示意图。
具体实施方式
参看图l-图4， 一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，包括侧壁冷 却水罩组件1、顶部冷却水罩组件2和喷嘴组件6。顶部冷却水罩组件2 处于侧壁冷却水罩组件1内，喷嘴组件6固定在顶部冷却水罩组件2上。所述侧壁冷却水罩组件1包括外冷却水套7、冷却水输入口 8、内冷 却水套9、侧壁底面支撑球10和冷却水输出口 12。所述顶部冷却水罩组件2包括上冷却水套13、喷嘴套筒14、冷却水 输入口 15、下冷却水套17、冷却水输出口 18和紧固螺钉19。所述喷嘴组件6包括喷嘴体20和喷嘴头21。下面结合附图对本发明作进一步详述。参看图1，侧壁冷却水罩组件1、顶部冷却水罩组件2以及底面基体 围成的圆柱腔体即为成形区域。顶部冷却水罩组件2通过螺纹与垂直的激 光束筒3相连，调整好位置后通过紧固螺母4固定，激光束筒3带动顶部冷却水罩组件2实现水平面内和垂直方向上的三维成形运动。侧壁冷却水 罩组件1随顶部冷却水罩组件2在水平面内运动，同时保持其底面间隙不 变。聚焦激光束与惰性气体均从激光束筒3输入，激光束聚焦形成激光熔 池5。惰性气体经顶部冷却水罩组件2的外缘与侧壁冷却水罩组件1的内 壁之间微隙以及基体平面与侧壁冷却水罩组件1的底面之间微隙输出。4 只喷嘴组件6关于激光束轴线对称并且均匀分布在顶部冷却水罩组件2的 圆周上，喷嘴组件6喷射的金属粉末均汇聚在激光熔池5处。参看图2，侧壁冷却水罩组件1主要由外冷却水套7、冷却水输入口 8、 内冷却水套9、侧壁底面支撑球10和冷却水输出口 12组成。外冷却水套 7和内冷却水套9围成冷却水腔体11。冷却水输入口 8和冷却水输出口 12 处于冷却水腔体11内。冷却水从冷却水输入口 8输入，经过冷却水腔体 ll后带走成形区域的热量并由冷却水输出口 12输出。侧壁底面支撑球IO 处于冷却水罩组件1的底部，用于将侧壁冷却水罩组件1支撑在基体上，调节其直径可改变间隙的大小。参看图3，顶部冷却水罩组件2由上冷却水套13、喷嘴套筒14、冷却 水输入口 15、下冷却水套17、冷却水输出口 18和紧固螺钉19组成。上 冷却水套13和下冷却水套17围成冷却水腔体16。冷却水输入口 15及冷 却水输出口 18处于上冷却水套13上。冷却水从冷却水输入口 15输入， 经过冷却水腔体16后带走成形区域的热量并由冷却水输出口 18输出。喷 嘴套筒14焊接在上冷却水套13和下冷却水套17上，用于支撑喷嘴组件6， 调整好喷嘴组件6后，用紧固螺钉19固定。参看图4，喷嘴组件6由喷嘴体20和喷嘴头21组成。喷嘴头21通过 螺纹与喷嘴体20相连，喷嘴头21的孔径可根据金属粉末的粒度情况加以 更换。本发明技术指标参考-1. 成形区域体积①200X50 150mm3。2. 成形零件最大尺寸①100X100mm3。3. 喷嘴孔径系列00.5、①1.0、①1.5、 。2.0。
权利要求
1. 一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，其特征在于，包括侧壁冷却水罩组件(1)、顶部冷却水罩组件(2)和喷嘴组件(6)；顶部冷却水罩组件(2)处于侧壁冷却水罩组件(1)内，喷嘴组件(6)固定在顶部冷却水罩组件(2)上。
2、 如权利要求1所述的一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，其 特征在于，冷却水罩组件(1)主要由外冷却水套(7)、冷却水输入口 (8)、 内冷却水套(9)、侧壁底面支撑球(10)和冷却水输出口(12)组成；外冷却 水套(7)和内冷却水套(9)围成冷却水腔体(ll);冷却水输入口 (8)和冷却 水输出口(12)处于冷却水腔体(11)内；侧壁底面支撑球(10)处于冷却水 罩组件(1)的底部。
3、 如权利要求1所述的一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，其 特征在于，顶部冷却水罩组件(2)由上冷却水套(13)、喷嘴套筒(14)、 冷却水输入口 (15)、下冷却水套(17)、冷却水输出口(18)和紧固螺钉(19) 组成。上冷却水套(13)和下冷却水套(17)围成冷却水腔体(16);冷却水输 入口 (15)及冷却水输出口 (18)处于上冷却水套(13)上；喷嘴套筒(14) 焊接在上冷却水套(13)和下冷却水套(17)上；紧固螺钉(19)通过螺纹固 定在喷嘴套筒(14)上。
4、 如权利要求1所述的一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，其 特征在于，喷嘴组件(6)由喷嘴体(20)和喷嘴头(21)组成；喷嘴头(21) 通过螺纹与喷嘴体(20)相连；喷嘴组件(6)通过紧固螺钉(19)固定在 喷嘴套筒(14)内。
全文摘要
一种用于激光快速成形的同轴喷嘴系统，包括侧壁冷却水罩组件(1)、顶部冷却水罩组件(2)和喷嘴组件(6)。顶部冷却水罩组件(2)处于侧壁冷却水罩组件(1)内，喷嘴组件(6)固定在顶部冷却水罩组件(2)上。本发明可以实现四只粉末喷嘴喷射粉末汇聚成一点、聚焦激光束沿同轴喷嘴系统轴线输出、在稳定的保护气氛围下和高效的水冷却环境下进行激光快速成形加工操作。
文档编号C23C24/10GK101274390SQ20081001147
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者尚晓峰, 王志坚 申请人:沈阳航空工业学院