激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴的制作方法

本发明所述的激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴，涉及增材制造领域，具体为一种用于激光直接成形的光粉主动调节喷嘴。

背景技术：

随着航空航天、核能源、海洋工程制造业对精密复杂零部件的需求日益迫切，目前兴起的增材制造技术以其灵活、高效的特点，在复杂零部件制造中快速发展。现有金属激光增材制造主要有以下三种方式：铺粉式、同轴送粉式和旁轴送粉式，而同轴送粉式与其他两种方式相比，具有灵活、快速、成形质量好等优势。激光同轴送粉式增材制造效率和质量取决于激光功率、光斑尺寸等激光工艺参数和粉管角度、粉斑尺寸等气粉流工艺参数。然而当激光光斑尺寸大于粉斑尺寸时，会造成能量密度过大，容易产生气孔等缺陷，影响增材制造零件质量；当激光光斑尺寸小于粉斑尺寸时，会造成气粉流无法完全输送至熔池，粉末利用率低，降低增材制造效率。

目前，现有同轴送粉喷嘴分为多通道同轴送粉喷嘴和锥环式同轴送粉喷嘴，其中西安交通大学用于变光斑工艺的同轴送粉喷嘴(cn103060801b)采用了锥环形同轴送粉喷嘴，可以通过调节激光离焦量实现激光光斑尺寸的调节，但是该设计内流道结构复杂，喷嘴出口气粉流均匀性、汇聚性差，气粉流入射角度无法调节，无法根据光斑尺寸调节粉斑尺寸。美国通用公司的专利(us7358457)采用了多通道同轴送粉喷嘴，其保护气结构设计巧妙，但是该设计粉管内小型梯度孔加工困难，无法调节粉管入射角度，适用性有限。西安交通大学用于激光直接成形角度可调式四管同轴送粉喷嘴(cn1025540371a)解决了粉管角度无法调节的问题，可以通过调节粉末离焦量实现粉斑尺寸的调节，但是无法根据粉斑尺寸调节光斑尺寸，结构复杂，四个粉管角度无法同步调节。综上所述，现有的同轴送粉喷嘴无法同时实现粉末离焦量和激光离焦量的主动调节，无法适应零件制造特征的要求，导致光斑尺寸与粉斑尺寸不匹配，造成粉末材料浪费，影响增材制造零件质量，降低加工效率。因此，如何主动调节同轴送粉喷嘴粉末离焦量和激光离焦量是发展同轴送粉增材制造技术亟待解决的难题。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴。用以实现粉末离焦量和激光离焦量的同时主动调节，来适应零件制造特征的要求，实现光斑尺寸与粉斑尺寸的匹配，节约粉末材料，提高增材制造零件质量，提高加工效率。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明所述的用于激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴，其特征在于用于激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴包括：激光离焦量调节机构、连接套和粉末离焦量调节机构；激光离焦量调节机构装于连接套内侧上部；粉末离焦量调节机构装于连接套的外侧中部和下部；

本发明所述的连接套的内侧中部加工有安装台，外侧中部加工有上环台和下环台；上环台上加工有通孔，下环台上加工有安装孔，通孔与安装孔同轴加工；

本发明所述的激光离焦量调节机构包括：透镜、镜座、调节螺套和保护镜；调节螺套与连接套的顶部螺纹连接，并可自由旋转；透镜装于镜座上部的内环台上，镜座与调节螺套通过螺纹连接，通过调节螺套的旋转带动镜座与透镜做垂直上下运动，调节激光离焦量从而调节光斑尺寸；保护镜装于连接套内侧的安装台上；

本发明所述的粉末离焦量调节机构包括：行星齿轮组、凸轮连杆机构、传动轴、粉管、喷嘴水冷套；行星齿轮组装于连接套外壁及上环台上；凸轮连杆机构装于下环台上，传动轴穿过上环台上的通孔将行星齿轮组和凸轮连杆机构相连接，传动轴的底部安装在下环台的安装孔内；行星齿轮组包括：外齿轮套和齿轮组；外齿轮套套装在连接套上，并置于上环台上；齿轮组为两个齿轮组成，齿轮组装于传动轴上，置于上环台上，并与外齿轮套啮合；凸轮连杆机构包括：凸轮、凸轮连杆和滑块；凸轮装于传动轴上并置于下环台上，凸轮连杆的一端与凸轮连接；滑块装于凸轮连杆上。通过旋转外齿轮套带动齿轮组转动，通过传动轴使凸轮同步转动，凸轮连杆跟随凸轮转动，带动粉管绕着铰链转动，调节粉末离焦量从而调节粉斑尺寸；粉管角度和镜座高度均可单独调节，从而实现激光离焦量和粉末离焦量主动调节，实现光斑尺寸和粉斑尺寸的匹配；喷嘴水冷套装于连接套的底部；粉管的底部通过铰链与粉管铰接，上部与凸轮连杆机构相连接。

本发明所述的粉管和凸轮均为4个，均布在连接套4周围，凸轮旋转角度为360°，粉管与垂直方向的角度随凸轮转动而改变。

本发明所述的粉管上设置有外层保护气通道和气粉流通道，均平行于粉管轴线。粉管的底部通过铰链与喷嘴水冷套铰接，顶端与滑块相连接。

本发明所述的喷嘴水冷套内部设置有冷却流道；下部有冷却流道入口，上部有冷却流道出口。

本发明所述的喷嘴水冷套的材料采用铜，连接套的材料采用不锈钢，喷嘴水冷套和连接套采用多材料增材制造或者焊接制造从而保证密封和冷却效果。

本发明所述的连接套上设置有保护气入口，由保护气入口通保护气体，防止粉尘对于光路的影响。

本发明所述的凸轮连杆外部和镜座外部均设置刻度，用以精确调节粉管角度和镜座高度。

本发明在安装喷嘴前测试粉斑尺寸与粉管角度的关系、光斑尺寸与镜座高度的关系，根据实际情况调节激光离焦量和粉末离焦量，从而实现粉斑和光斑尺寸的匹配。

本发明的使用过程简单易行：

通过调节螺套的旋转带动镜座上的透镜垂直运动，调节激光离焦量从而调节光斑尺寸；通过旋转外齿轮套带动齿轮组转动，通过传动轴使凸轮同步转动，凸轮连杆跟随凸轮运动，带动粉管绕着铰链转动，调节粉末离焦量从而调节粉斑尺寸；粉管角度和镜座高度均可单独调节，从而实现激光离焦量和粉末离焦量主动调节，实现光斑尺寸和粉斑尺寸的匹配。

冷却水从冷却水入口进入，经过冷却流道，从冷却水出口流出，对喷嘴水冷套进行冷却，保证喷嘴的长时间工作。

保护气由保护气入口进入，防止粉尘对于光路的影响；同时保护气从外层保护气通道进入，既能提高气粉流汇聚性又能防止成形件氧化。

本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

1、由于粉末材料和粒度影响气粉流汇聚性，本发明喷嘴可以针对不同粉末调节不同入射角度，适用性较强，粉管角度的调节可以为后续工艺参数选择提供合理的方案，通过连杆上刻度准确调节粉管角度。

2、仅仅通过转动外齿轮套便可以实现四个粉管的同步转动，方便快捷，使用外齿轮套上的紧固螺钉固定，可以使整个机构位置稳定可靠。

3、转动调节螺套，通过螺纹连接使透镜随着透镜座上升或者下降，通过透镜座上的刻度控制上升下降的高度，这种方法快捷稳定，可以随时调节激光离焦量。

4、调节镜座高度后，激光离焦量在垂直方向上改变，同时调节粉末离焦量，使二者进行主动调节，更有利于调整零件制造工艺参数，提高效率、降低成本。

5、该设计粉管不易堵粉，使用寿命长，粉管易更换，不必更换整个喷嘴，降低更换成本。

6、该粉管设计由气粉流通道和外层保护气通道组成，气粉流通道作用是运输粉末到达熔池，保护气通道作用是提高气粉流汇聚性和防止成形件氧化，提高成形件质量。

7、喷嘴水冷套的材料采用铜，连接套材料采用不锈钢。喷嘴热源主要来源于金属粉末熔池的热辐射，铜的辐射吸收率小，采用铜作为喷嘴水冷套材料可以最大限度减小热辐射对喷嘴的影响。不锈钢导热系数小，中间由冷却水流道隔热，因而大大减少热源对透镜以及激光器的影响。

8、采用多种材料增材制造方式，对铜水冷套和不锈钢连接套进行增材制造，不仅可以使喷嘴密封性更好，而且可以减少螺纹、密封圈的设计与使用。

9、采用保护镜加保护气设计，保护气防止粉尘对光路的影响，保护镜可阻挡粉尘，从而保护透镜不被损坏，增长使用寿命。

10、本发明可用于金属和非金属激光熔覆、表面合金化、破损零件的修复、激光金属直接成形等领域。

本发明具有结构新颖、加工简便、使用方便、光斑与粉斑单独调节、实现光斑与粉斑尺寸匹配等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本发明共有3幅附图,其中：

附图1是本发明光粉主动调节同轴送粉喷嘴的示意图。

附图2是本发明光粉主动调节同轴送粉喷嘴的三维示意图。

附图3是激光离焦量(光斑)、粉末离焦量(粉斑)主动调节的示意图。

在图中：1、透镜2、镜座201、内环台3、调节螺套4、连接套401、安装台402、上环台403、下环台5、外齿轮套6、紧固螺钉7、保护镜8、齿轮组9、传动轴10、凸轮11、凸轮连杆12、滑块13、保护气入口14、粉管15、外层保护气通道16、冷却流道17、气粉流通道18、喷嘴水冷套19、铰链20、激光21、气粉流22、基板。

具体实施方式

本发明的具体实施例如附图1、2所示，用于激光直接成型的光粉主动调节同轴送粉喷嘴包括：激光离焦量调节机构、连接套4和粉末离焦量调节机构；激光离焦量调节机构装于连接套4内侧上部；粉末离焦量调节机构装于连接套4的外侧中部和下部；

连接套4的内侧中部加工有安装台401，外侧中部加工有上环台402和下环台403；上环台402上加工有通孔，下环台403上加工有安装孔，通孔与安装孔同轴加工；

激光离焦量调节机构包括：透镜1、镜座2、调节螺套3和保护镜7；调节螺套3与连接套4的顶部螺纹连接，并可自由旋转；透镜1装于镜座2上部的内环台201上，镜座2与调节螺套3通过螺纹连接，通过调节螺套3的旋转带动镜座2与透镜1做垂直上下运动，调节激光离焦量从而调节光斑尺寸；保护镜7装于连接套4内侧的安装台401上；

粉末离焦量调节机构包括：行星齿轮组、凸轮连杆机构、传动轴9、粉管14、喷嘴水冷套18；行星齿轮组装于连接套4外壁及上环台402上；凸轮连杆机构装于下环台403上，传动轴9穿过上环台402上的通孔将行星齿轮组和凸轮连杆机构相连接，传动轴9的底部安装在下环台403的安装孔内，通过旋转外齿轮套带动齿轮组转动，通过传动轴使凸轮同步转动，凸轮连杆跟随凸轮转动，带动粉管14绕着铰链转动，调节粉末离焦量从而调节粉斑尺寸粉管角度和镜座高度均可单独调节，从而实现激光离焦量和粉末离焦量主动调节，实现光斑尺寸和粉斑尺寸的匹配；喷嘴水冷套18装于连接套4的底部；粉管14的底部通过铰链19与粉管14铰接，上部与凸轮连杆机构相连接。

行星齿轮组包括：外齿轮套5和齿轮组8；外齿轮套5套装在连接套4上，并置于上环台402上；齿轮组8为两个齿轮组成，齿轮组8装于传动轴9上，置于上环台402上，并与外齿轮套5啮合。

凸轮连杆机构包括：凸轮10、凸轮连杆11和滑块12；凸轮10装于传动轴9上并置于下环台403上，凸轮连杆11的一端与凸轮10连接；滑块12装于凸轮连杆11上。

粉管14的底部通过铰链19与喷嘴水冷套18铰接，顶端与滑块12相连接。

粉管14上设置有外层保护气通道15和气粉流通道17；保护气从外层保护气通道15进入，既能提高气粉流汇聚性又能防止成形件氧化。。

喷嘴水冷套18内部设置有冷却流道16；下部有冷却流道入口，上部有冷却流道出口；冷却水从冷却水入口进入，经过冷却流道16，从冷却水出口流出，对喷嘴水冷套18进行冷却，保证喷嘴的长时间工作。

喷嘴水冷套18的材料采用铜，连接套4的材料采用不锈钢，喷嘴水冷套18和连接套4采用多材料增材制造或者焊接制造从而保证密封和冷却效果。

粉管14和凸轮10均为4个，均布在连接套4周围，凸轮10旋转角度为360°，粉管14与垂直方向的角度随凸轮转动而改变。

连接套4上设置有保护气入口13，由保护气入口13通保护气体，防止粉尘对于光路的影响。

凸轮连杆11外部和镜座2外部均设置刻度，用以精确调节粉管角度和镜座高度。

安装喷嘴前测试粉斑尺寸与粉管14角度的关系、光斑尺寸与镜座2高度的关系，根据实际情况调节激光离焦量和粉末离焦量，从而实现粉斑和光斑尺寸的匹配。

如图3a部分所示，粉管14出口与喷嘴中心线距离为d，与喷嘴中心线夹角为θ1，图3b部分所示，透镜1上升△h，粉管14与喷嘴中心线夹角θ1和粉管14出口与喷嘴中心线距离d不变，激光离焦量变小，激光20到达基板22的光斑尺寸小于气粉流21到达基板22的粉斑尺寸，需要将粉管14与喷嘴中心线夹角改为θ2，调节粉末离焦量，同时将基板22向上调节△h，如图3c部分所示，主动调节激光离焦量与粉末离焦量，从而实现光斑尺寸与粉斑尺寸的匹配。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。