专利名称：一种气帘保护式三维同轴激光送粉头的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光熔覆领域，具体是一种适合于激光熔覆工艺的合金粉 末出粉的激光加工装置，通过双路水冷、气帘保护和四路送粉，实现送粉 器输送的合金粉末均匀分配、定点聚焦和三维激光熔覆。
背景技术：
激光熔覆技术是一种新型的加工制造技术，金属粉末及基材在激光束 的辐照下同时发生熔化——凝固，达到冶金结合。激光熔覆的送粉方式可 分为预置式和同步式，预置式激光熔覆是将熔覆材料预先添加在基体材料 的表面，然后采用激光束辐射扫描熔化；同步式激光熔覆则是瑢覆材料直 接送入激光束中，供料和熔覆同步完成。同步送粉也有几种不同的类型， 单侧送粉和同轴送粉，单侧送粉装置一般不采用辅助气体送粉，主要依靠 粉末自重并辅以微振输送粉末，具有送粉精度高、送粉均匀和送粉范围大 等优点。此种送粉的局限性在于送粉只是一个方向，这使得当加工面是平 面时加工轨迹只能是一条直线，而不能走诸如圆、方形等这些曲线，无法 实现二维或三维激光熔覆。而采用同轴送粉头，则克服了单侧送粉的缺点， 能够在激光束外围先将粉末分散成环，然后再汇聚，将汇聚的粉末送入聚 焦的激光束中，可实现二维激光熔覆工艺；但是，该同轴送粉头存在粉末 汇聚性不高(利用率低)以及粉末流轴向刚度不足的问题，在实施三维送 粉过程中，当激光束偏离竖直方向时，在出粉口至激光熔覆位置之间的粉 末流呈抛物线状，送达激光熔覆位置的粉末不稳定，导致激光熔层不均匀， 激光熔覆效果不佳。
发明内容
为了将合金粉末同轴送达激光聚焦后的合适位置，并满足三维激光熔 覆的工艺要求，本发明设计一种带气帘保护的三维同轴激光送粉头。
本发明送粉头技术方案为五层结构，由内向外依次为激光束、内腔冷 却层、载粉气流层，保护气层，外腔冷却层；具体结构如下
激光束，从位于中部内嘴的内孔中央通过；
内腔冷却层，位于激光束外围，配有带进、出水接口的内腔水冷管； 载粉气流层，为倒锥形空腔结构，位于内腔冷却层外围，与聚焦激光 束同轴；配有进粉接口的进粉管；
保护气层，位于载粉气流层外围，空腔结构，配有带进气接口的进气管，空腔的下端为垂直边缘；
外腔冷却层，位于保护气层外围，为密封腔结构，配有带进、出水接 口的外腔水冷管。
其中所述进粉套、锥嘴套和进气套均同轴，整体呈下窄上宽圆台形 结构，进粉套与内嘴的结合处高于锥嘴套和进气套的下边缘；所述内嘴和 锥嘴套的下边缘为向上内縮式结构。
本发明具有如下特点
1. 本发明采用载气粉流外加保护气结构，具有二次压縮粉末流的作用， 粉末流的刚性好；
2. 本发明采用内外双冷却通道结构，对送粉头内层和外层都进行冷却， 减少加工过程中反射光对送粉头造成的影响；
3. 本发明内嘴和锥嘴套下边缘采用内縮式结构，增加了下边缘的壁厚。
图1为本发明三维激光熔覆送粉头结构示意图。 图2为图1的左视图。
图中l为水冷套；2为外腔水冷管；3为进气套；4为锥嘴套、5为进 粉套；6为内腔水冷管；7为连接套；8为进气管；9为进粉管；IO为内嘴; ll为激光束；12为工件。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。 如图l-2所示，本发明送粉头包括
激光束11:为聚焦式，光路从位于中部的、与连接套7 (用于连聚焦 系统)相连的内嘴10的内孔中央通过，聚焦焦点位于为外腔冷却层下边缘 与工件12表面之间；
内腔冷却层为内嘴10侧壁和进粉套5形成的密封腔(内嘴10与进 粉套5的结合部为焊接)，在进粉套5上设置带有进、出水接口的两个内腔 水冷管6，对称分布；直接冷却内嘴10和进粉套5，间接冷却载粉气流层 的锥嘴套4;
载粉气流层为倒锥形结构，在内腔冷却层外围，与激光束ll同轴； 由进粉套5外壁和锥嘴套4内壁组成，为倒锥形空腔结构(进粉套5和锥 嘴套4的结合部为螺纹连接)，带有进粉接口的四个进粉管9安装在进粉套 5上，粉末流从倒锥形空腔的下端流出，并在激光束11外围形成倒锥形载 粉气流层，汇聚于激光束11的中心轴线上，粉末的汇聚点位于工件12表 面上。
保护气层位于载粉气流层外围，为锥嘴套4外壁和进气套3内壁组
成的空腔(锥嘴套4和进气套3的结合部为螺纹连接)，空腔的下端为垂直边缘，带有进气接口的两个进气管8安装在进气套3上；保护气从空腔的 下端流出并在载粉气流层外围形成保护气帘，用于载粉气流二次压縮，实 现粉末的高度汇聚；
外腔冷却层位于保护气层外围，为进气套3的外壁和水冷套1内壁 形成的密封腔(进气套3和水冷套1的结合部为焊接)，带有进出、水接口 的两个外腔水冷管2安装在水冷套1上，对称分布；直接冷却进气套3和 水冷套l，间接冷却锥嘴套4。
其中进粉套5、锥嘴套4和进气套3均同轴，整体呈下窄上宽圆台形结 构，进粉套5与内嘴10的结合处高于锥嘴套4和进气套3的下边缘；所述 内嘴10和锥嘴套4下边缘向上内縮式，使内嘴10和锥嘴套4下边缘的壁 厚增加，避免了薄壁尖端烧损现象。
本发明具体工作方式
激光束11从内嘴10中央的通孔内穿过，粉末汇聚点位于工件12表面 上，激光束11焦点位于外腔冷却层下边缘与工件12之间的任意一点；同 时，载粉气流分四路从进粉管9进入载粉气流层的倒锥形空腔上端，经倒 锥形空腔的汇聚作用，在下端形成倒锥形载粉气流，汇聚于工件12表面(位 于水冷套1下边缘垂直距离20mm的位置)，该汇聚点就是激光的熔池位置； 与此同时，保护气从进气管8进入保护气层的空腔，经保护气层的导向作 用，在载粉气流层外侧形成保护气帘，使载粉气流在外围形成强烈的压縮， 增加粉末流的刚度和汇聚性。
为了避免局部热积累造成送粉头的损坏，本发明送粉头(除连接座外) 全部采用导热能力很强的紫铜制作，并通过两路冷却水带走热量，避免送 粉头的整体热积累造成流道的变形；第一路冷却水从内腔冷却层一侧的内 腔水冷管6的进入，吸收热量后从另一侧的内腔水冷管6流出；第二路冷 却水从外腔冷却层一侧的外腔水冷管2的进入外腔，吸收热量后从另一侧 的外腔水冷管2流出；实现空腔腔体各部位的直接和间接冷却。
本发明气帘保护式三维同轴激光送粉头的主要技术参数指标
1. 送粉头总重量lkg;
2. 载粉气流汇聚直径2 6mm;
3. 载粉气流汇聚焦距20mm;
4. 粉末束倾斜角±90。；
综上，本发明送粉头通过外加保护气气帘压縮粉末，增强粉末束的刚
度和汇聚性；采用双层水冷结构，实现内腔和外腔同时冷却，减少加工过 程中反射光对送粉头造成影响。
权利要求
1.一种气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征包括激光束(11)，光路从位于中部的、与连接套(7)相连的内嘴(10)的内孔中央通过；内腔冷却层，位于激光束(11)外围，设置有带有进、出水接口的内腔水冷管(6)；载粉气流层，为倒锥形空腔结构，在内腔冷却层外围，与激光束(11)同轴；配有进粉接口的进粉管(9)，粉末流从倒锥形空腔的下端流出，并在聚焦激光束(11)外围形成倒锥形载粉气流层，汇聚于激光束(11)的中心轴线上；保护气层，位于载粉气流层外围，空腔结构，配有带进气接口的进气管(8)，空腔的下端具有垂直边缘；保护气从空腔的下端流出并在载粉气流层外围形成保护气帘，用于载粉气流二次压缩，实现粉末的高度汇聚；外腔冷却层，位于保护气层外围，为密封腔结构，配有带进出、水接口的外腔水冷管(2)；直接冷却进气套(3)和水冷套(1)，间接冷却锥嘴套(4)。
2. 根据权利要求1所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是其中进粉套(5)、锥嘴套(4)和进气套(3)均同轴，整体呈下窄上宽圆 台形结构，进粉套(5)与内嘴(10)的结合处高于锥嘴套(4)和进气套 (3)的下边缘。
3. 根据权利要求l所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是 所述内嘴(10)和锥嘴套(4)下边缘向上内縮式结构；使内嘴(10)和锥 嘴套(4)下边缘的壁厚增加，避免了薄壁尖端烧损现象。
4. 根据权利要求l所述气帘保护式三维同轴激光送粉头，其特征是所述内、外腔冷却层的内腔水冷管(6)、外腔水冷管(2)对称分布。
全文摘要
本发明公开一种气帘保护式三维同轴激光送粉头，包括激光束；位于激光束外围，设置有带有进、出水接口的内腔水冷管的内腔冷却层；倒锥形空腔结构的载粉气流层，与聚焦激光束同轴；配有进粉接口的进粉管；位于载粉气流层外围的空腔结构的保护气层；位于保护气层外围的密封腔结构的外腔冷却层。本发明可为三维激光熔覆工艺提供合适的同轴汇聚粉；采用保护气帘，使载粉气流进行二次压缩，实现粉末的高度汇聚；载粉气流采用倒锥形汇聚，实现与激光束同轴聚焦，保证在斜面、立面及不同方向上进行三维激光熔覆工艺的实施；通过双冷却结构实现送粉头主体内外腔的冷却，保证送粉头稳定工作，避免热积累和局部烧损。
文档编号C23C24/10GK101643900SQ20081001265
公开日2010年2月10日 申请日期2008年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者宫铭辉, 张翼飞, 朋 杨, 飞 邢 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司