专利名称：多功能同轴式激光喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明揭示一种多功能同轴式激光喷嘴之激光材料加工装置，应用之技术领域如激光披覆处理、三维快速成形及激光粉末焊接等精密加工工艺。
背景技术：
激光披覆处理为激光材料加工之重要工艺技术，其应用范围主要包含材料表面改质(如增加工件之耐蚀或耐磨性)与工件之再生(如破损工件之焊补及三维之快速成形)。一般激光披覆处理，是添加合金粉末于基材表面(如预敷、重力式送粉、流体式送粉)，经由激光照射使粉末与表层基材熔融，形成冶金键结之表面涂层或焊补层。在不同激光披覆处理工艺中，以与激光同轴或近似同轴之送粉方式，配合多轴CNC机台，可进行三维金属组件快速成形制作或焊补。应用激光同轴或近似同轴披覆加工技术，适合少量多样化组件之快速成形制造及昂贵的损伤零组件之再生。由于激光具有高能量密度特性，故激光披覆处理比一般传统工艺有还低的热输入量，工件之热影响区及变形量可降至最低程度，且可获得较细凝固组织之披覆层。因此，激光披覆处理工艺在工业应用上已相当普及，如各种阀座密封面之耐磨层之焊接、航空叶片低应力区之成形焊补、叶片之快速成形制造或再生处理等。
以往发展之激光披覆处理喷嘴，依设计之原理可区分为重力式、近似同轴保护环气式、同轴式、旋气混粉式、同轴单环气切式及同轴式金属堆积喷嘴等[参考Sulzer Innotec，HB/Laser Surface Engineering05/20/97技术数据，J.Lin & W.M.Steen，Designcharacteristic and development of a nozzle forcoaxial laser cladding，Journal of LaserApplications 04/1998，P.55-63及美国专利US 6534745B1]。不同型式之激光喷嘴中，以同轴或近似同轴喷嘴，较迅速且有效率地进行三维快速成形再生或焊补；其中以单环气切式同轴喷嘴及同轴式金属堆积喷嘴之堆积效率最高，分别可达40％及43.7％[J.Lin，A simple modeof powder catchment in coaxial laser cladding，Optics & Laser Technology 31(1999)，P.233-238]。惟激光喷嘴粉末之堆积效率，直接影响工艺效率与成本，因此设计具有高堆积效率之激光喷嘴为一重要课题。
此外，激光喷嘴于激光粉末焊接之应用研究包括GE公司、MTS公司及Trump公司[US Pattern 5486676、USPattern 6696664B2及J.Arnold and R.Volz，，Laserpowder technology for cladding and welding，Journalof Thermal Spray Technology，Vol.8(2)，June，1999，P.243-248]均应用侧向送粉原理进行宽间隙(Wide gap)之结构组件激光焊接，惟侧向送粉焊接过程具有方向性之限制，应用上须耗费较高之成本建构激光头转向系统。
发明内容
本发明之目的是提供一种多功能同轴式激光喷嘴，使用双环气及中心气所形成之层流式气束作用使粉末流束在喷嘴出口具有拘束紧缩之作用，可大幅提高粉末之集中性(减低散射角度)，进而增加激光喷嘴之披覆处理及粉末焊接工艺之粉末堆积效率，提高加工速度。
本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种多功能同轴式激光喷嘴，其包含有喷嘴位置调整组件，可调整喷嘴高低位置使激光之聚焦焦点位于喷嘴内部或外部，位于喷嘴结构上方；及具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构，以双环气及中心气于喷嘴内产生层流式气束作用，其中，内环气出口至外环气出口在喷嘴中心线之垂直距离范围大于0，上述喷嘴位置调整组件与具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构属一同轴式结构，可施行高效能之多功能激光加工应用。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述之多功能同轴式激光喷嘴的喷嘴结构包含有喷嘴镜座及外部管路入口分布组件，连接喷嘴位置调整组件、支撑及固定隔离保护镜片、分配与连接粉末流道入口、中心气流道入口、环气流道入口、保护气流道入口及喷嘴水冷流道；粉末流道，是以气体输送粉末进入喷嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；双环气束层流产生装置及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口组件上方环气流道入口导引气体，经由内环气束组件、外环气束组件、内环气层流流道与外气罩组件排列将该气体隔离分为内环气及外环气；中心气层流产生装置及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口组件上方中心气流道入口导引中心气经过中心气层流流道，其中，该中心气层流流道位于中心气流道入口末端；及保护气流道，导引保护气进入喷嘴，经由外部管路入口组件与外气罩组件形成保护气流道。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的内环气层流流道为外环气束组件上之开槽或孔洞，其数量包含一个以上。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的内环气层流流道还包含数个孔洞或通过螺纹之平面间隙构成。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的中心气层流流道还包含数个孔洞或通过螺纹之平面间隙构成。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的粉末流道出口与喷嘴出口水平面夹角范围，为61度至89度。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的环气流道之内环气出口与喷嘴出口水平面夹角范围为40度至85度，环气流道之外环气出口与喷嘴出口水平面夹角范围为20度80度。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的喷嘴位置调整组件所调整喷嘴高低位置，是指喷嘴相对于焦点位置调整之范围为正负15mm。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其还包含有一组以上之喷嘴外罩冷却水道组件，其组件置于喷嘴外罩内；以及具有表面喷覆绝热涂层之喷嘴外罩及喷嘴本体组件，可于高温环境中施行高效能之多功能激光加工应用。
前述之多功能同轴式激光喷嘴，其中所述的喷焊绝热涂层包含介层(Bond coats)及面层(Top coats)；上述介层可为MCrAlY或镍铝粉末材料，介层喷焊厚度可介于50至250μm；上述面层为含有6至8％Y2O3之氧化锆粉末或具有绝热之陶瓷粉末，面层喷焊厚度可介于100至400μm，使喷焊绝热涂层结构具有高温隔热特性。
本发明之多功能同轴式激光喷嘴，使用双环气及中心气所形成之层流式气束作用使粉末流束在喷嘴出口具有拘束紧缩之作用，可大幅提高粉末之集中性(减低散射角度)，进而增加激光喷嘴之披覆处理及粉末焊接工艺之粉末堆积效率，提高加工速度。本发明激光多功能喷嘴通过喷嘴位置调整组件调整，使激光焦点位于喷嘴内部或外部，可进行激光披覆处理、三维快速成形或激光粉末焊接等激光加工工艺。本激光喷嘴具备有多功能选择性，其中粉末流束、激光喷嘴与激光束为同轴。
图1多功能同轴式激光喷嘴结构图。
图2双环气层流之产生装置。
图3中心气层流之产生装置。
图4多功能同轴式激光喷嘴于高温环境应用之结构图。
图5(a)为调整多功能同轴式激光喷嘴使试片表面成为离焦(Under focus)模式与(b)为调整喷嘴使试片表面成为激光聚焦(Just focus)模式。
图6(a)传统同轴式激光喷嘴之粉末黏附喷嘴出口示意图，(b)多功能同轴式激光喷嘴之内环气束避免粉末黏附喷嘴出口示意图(粉末流道出口与内环气出口距离较长)，(c)多功能同轴式激光喷嘴之内环气束避免粉末黏附喷嘴出口示意图(粉末流道出口与内环气出口距离较短)与(d)多功能同轴式激光喷嘴之双环气束使粉末集中效应示意图。
图7本发明多功能同轴式激光喷嘴之粉末流束集中示意图。
图8粉末流束图像测量装置示意图。
图9Dp/Dn(粉末流束直径/喷嘴出口直径)比值与距喷嘴出口位置之关系。
图10Dp/Ds1(粉末流束直径/激光与粉末作用之流束直径)比值与距喷嘴出口位置之关系。
图11多功能同轴式激光喷嘴在双环气束作用下，不同组合之走速及工件距喷嘴出口距离之堆积效率。
图12(a)为应多功能同轴式激光喷嘴中心气以氦气配合添加纯镍粉末进行粉末焊接焊道之横截面巨观金相照片，(b)不添加粉末之激光焊件之焊道金相与(c)应用本发明喷嘴配合添加纯镍粉进行激光粉末焊接之焊道金相。
附图主要标记说明10粉末流道出口与喷嘴出口水平面夹角12双环气束之内环气束流道出口与喷嘴出口水平面夹角14双环气束之外环气束流道出口与喷嘴出口水平面夹角16激光束与粉末隔离组件出口直径18喷嘴出口直径
20内环气出口与外环气出口之垂直距离22镜座及外部管路入口分布组件23中心气产生层流组件24外气罩组件26内环气束组件28激光束与粉末隔离组件30外环气束组件32喷嘴水冷流道33喷嘴位置调整组件34激光束36激光聚焦镜37隔离保护镜片38披覆处理焊道39粉末焊接焊道40披覆或粉末焊接处理工件41激光焦点
42粉末流道43粉末流道入口44环气流道45环气流道入口46保护气流道47保护气流道入口48中心气流道49中心气流道入口50中心气束51粉末流束52双环气束56喷嘴外罩之冷却水道组件66喷嘴本体组件70外罩组件78保护镜片85喷嘴喷焊之绝热涂层
220中心气体与双环气束作用之粉末流束222近似单环气切式粉末流束224发散之粉末流束300喷嘴出口306熔融粉末黏附喷嘴出口312内环气313内环气层流流道314外环气330集中之粉末流束340中心气层流流道350窄缝面光源352椭圆镜354微焦数字取像装置356聚焦式投射光358喷嘴出口距离(Stand-off distance)360粉末与激光交互作用流束
具体实施例方式
本发明之多功能同轴式激光喷嘴(图1，该喷嘴是沿中心轴呈左右对称之结构)，其包含有(1)喷嘴位置调整组件33，可调整喷嘴高低位置使激光之聚焦焦点位于喷嘴内部或外部，位于喷嘴结构上方；及(2)具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构，以双环气及中心气于喷嘴内产生层流式气束作用，其中，内环气出口至外环气出口在喷嘴中心线之垂直距离范围大于0，其中，喷嘴位置调整组件所调整喷嘴位置范围为正负15mm，调整喷嘴高低位置使激光焦点位于喷嘴内部或外部，而该具有层流式气束之喷嘴结构，还包含有喷嘴镜座及外部管路入口分布组件22，连接喷嘴位置调整组件33、支撑及固定隔离保护镜片37、分配与连接粉末流道入口43、中心气流道入口49、环气流道入口45、保护气流道入口47及喷嘴水冷流道32；粉末流道42，是引导流体形式之粉末流束进入喷嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；双环气束层流产生装置及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口分布组件上方环气流道入口导引环气，经由内环气束组件26、外环气束组件30与内环气层流流道313组合排列将该输入气流隔离分为内环气312及外环气314，其中，该内环气层流流道为外环气束组件上，数量包含一个以上之开槽或孔洞，且配合通过螺纹之平面间隙所构成(图2)；中心气层流产生组件及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口组件上方中心气流道入口导引中心气经过中心气层流流道340，其中，该中心气层流流道位于中心气流道入口49末端，并于中心气出口与粉末流束及双环气束产生交互作用，该中心气层流流道还包含有数个孔洞或通过螺纹之平面间隙所构成(图3)；及保护气流道，引导保护气进入喷嘴，经由外部管路入口分布组件与外气罩组件形成保护气流道。
此外，于上述之多功能同轴式激光喷嘴，经由增加一组以上喷嘴外罩之冷却水道组件56及配合喷嘴本体组件66与外罩组件70表面喷焊绝热涂层85(图4)，可于高温下进行披覆处理或高温粉末焊接等工艺，其中，喷嘴外罩之冷却水道组件，其组件置于喷嘴外罩内，而喷嘴喷焊之绝热涂层85区分为介层及面层，介层(Bondcoats)材料为MCrAlY或镍铝粉末材料，其喷焊厚度为50至250μm，面层(Top coats)材料为含有6至8％Y2O3之氧化锆粉末，其喷焊厚度为100至400μm。
上述多功能同轴式激光喷嘴之整体结构组成(图1)及功能包括有(1)镜座及外部管路入口分布组件22主要为连接喷嘴位置调整组件33、支撑及固定隔离保护镜片37及分配与连接粉末流道入口43、中心气流道入口49、环气流道入口45、保护气流道入口47及喷嘴水冷流道32。
(2)粉末流道42导引粉末在喷嘴内部形成粉末流道42，并于喷嘴出口形成粉末流束。
(3)双环气流道44导引环气在喷嘴内部形成环气流道，经由内环气束组件26、外环气束组件30与内环气层流流道313组合排列将该环气隔离区分为内环气312及外环气314，并于喷嘴出口形成双环气束，拘束粉末流束以形成集中之粉末流束，以利激光披覆处理或粉末焊接应用。双环气具有防止粉末黏附喷嘴出口及冷却外环气束组件30之功能。
(4)喷嘴水冷流道32导引冷却水进入喷嘴形成喷嘴水冷管道，防止喷嘴因披覆处理或粉末焊接过程温度升高而损伤。
(5)喷嘴位置调整组件33调整喷嘴，使激光焦点41位于喷嘴出口内部或外部，以进行激光披覆处理或粉末焊接应用。
(6)中心气流道48导引中心气进入喷嘴，并经由中心气产生层流组件23，使中心气均匀冷却保护镜片，防止粉末进入喷嘴内部并保护焊道防止氧化。
(7)中心气产生层流组件23使中心气进入喷嘴中心时产生层流之流体效果，均匀冷却保护镜片。
(8)外气罩组件24作为喷嘴之外气罩，隔离激光加工过程之高热，防止喷嘴本体过热。与内环气束组件26及外环气束组件30形成双环气流道。
(9)激光束与粉末隔离组件28隔离同轴之中心气(或激光)与粉末流束，并使粉末流束于喷嘴出口与同轴之激光产生交互作用。
(10)内环气束组件26与外环气束组件30导引环气与外气罩组件24形成双环气流道，在喷嘴出口形成双环气束，拘束粉末形成集中之流束，并与中心气及激光产生交互作用。
(11)保护气流道46导引保护气进入喷嘴，经由外部管路入口分布组件22与外气罩组件24形成保护气流道46，于喷嘴出口形成保护气幕防止披覆处理或粉末焊接过程焊道氧化。
(12)粉末流道42出口与喷嘴出口水平面夹角10影响粉末焦点位置及激光与粉末之交互作用时间。
(13)双环气束之内环气束流道出口与喷嘴出口水平面夹角12影响粉末在喷嘴内部受环气拘束之程度及粉末焦点之变化，并具有防止粉末流束黏附喷嘴出口及冷却外环气束组件30。
(14)双环气束之外环气束流道出口与喷嘴出口水平面夹角14影响粉末在喷嘴外部受环气拘束之程度及粉末焦点之变化。
(15)喷嘴出口直径18及激光束与粉末隔离组件28出口直径16两者直径之变化影响粉末流束之集中程度，并须与粉末流道42出口与喷嘴出口水平面夹角10及双环气束之内、外环气束流道出口与喷嘴出口水平面夹角12、14互相匹配。
(16)内环气出口与外环气出口距离20其影响粉末流束之集中程度、粉末与激光交互作用时间及披覆工艺之堆积效率。
本发明的多功能同轴式激光喷嘴，通过喷嘴位置调整组件33调整喷嘴出口与激光焦点41之相对位置，进行不同激光加工工艺之应用，如调整喷嘴使试片表面成为离焦(Under focus)模式(即调整喷嘴位置使激光焦点41位于喷嘴内部，图5(a)所示)，激光34与中心气束50、粉末流束51及双环气束52在喷嘴内部即产生交互作用，可进行不同工件之激光披覆处理(Laser cladding)或三维快速成形；若调整喷嘴使试片表面为激光聚焦点(Just focus)模式(即调整喷嘴位置使激光焦点41位于喷嘴外部，图5(b)所示)，激光34与中心气束50、粉末流束51及双环气束52在喷嘴外部产生交互作用，可进行不同工件之激光粉末焊接。经由喷嘴位置调整组件33进行喷嘴相对于焦点位置调整之范围为正负15mm(正号指over focus；负号指under focus)。
本发明中，具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构，其层流式气束产生机制及作用分别叙述如下(1)双环气流之层流作用对于传统同轴式喷嘴(如图6(a))，粉末自粉末流道42流出，通过喷嘴出口300，因无环气冷却喷嘴之内缘，因此以相同之喷嘴出口孔径进行披覆处理易产生熔融粉末306黏附喷嘴出口300内部之情况。本发明多功能同轴式激光喷嘴(图6(b)及图6(c))内环气312可冷却喷嘴外环气束组件30之内缘加上内环气之层流紧缩作用，防止粉末之粘附于喷嘴内缘及出口，由于冷却效应与粉末流束受到紧缩作用可缩小喷嘴之孔径，并可获得还集中之粉末流束330。另外，经由层流式内环气312、外环气314及中心气50之交互作用使粉末流束之直径产生集中而具有聚焦作用(图6(d))。其中，还可经由变换激光束与粉末隔离组件28、内环气束组件26、外环气束组件30及外气罩组件24(图1)之形状进行调整内环气出口至外环气出口之距离20、双环气与喷嘴出口水平面夹角(12与14)及内环气与粉末流道42出口之夹角变化(夹角10减夹角12之值)拘束粉末流束之集中程度及浓度变化(即粉末流束与激光束交互作用之时间)。因此，内环气出口与喷嘴出口水平面夹角12角度变化可自40度至85度，外环气出口与喷嘴出口水平面夹角14角度变化可自20度至80度。喷嘴出口直径18范围因加工工艺需求及装设激光种类之不同，可调整范围自1.5mm至12mm，激光束与粉末隔离组件28出口直径16之调整范围自1mm至10mm。
(2)中心气流之层流作用导引进入喷嘴之中心气，经由中心气产生层流组件23，进入具有倾斜角之喷嘴内部中心气孔洞340，使中心气产生均匀层流式气流冷却保护镜片，防止粉末进入喷嘴内部并保护焊道防止氧化(图3)。
此外，本发明喷嘴上方之聚焦镜可视光道之设计不同，使用铜聚焦镜或透镜式聚焦镜，若采用铜聚焦镜，则可移动隔离保护镜片(平光镜)于铜聚焦镜之上方光道，以隔离光道之冷却气与激光披覆处理或粉末焊接工艺之中心气。若使用透镜式聚焦镜，则采用图1之导光方式配置之隔离保护镜片(平光镜)。
影响激光披覆处理堆积效率，主要因素包含喷嘴粉末集中程度及激光与粉末交互作用时间之影响，就粉末集中程度而言，该多功能同轴式激光喷嘴之中心气(例如氦气)与双环气(例如氩气)对粉末流束集中程度之影响示意图如图7所示，由该图显示粉末由输送气体输送流经喷嘴出口(外气罩组件24)后，其发散之粉末流束224相当大。若粉末经输送气体及中心气体共同作用流经喷嘴出口(外气罩组件24)后，则呈现较为集中粉末流束222(即近似单环气切式粉末流束)。若粉末依本发明以输送气体、中心气体与双环气束作用流经喷嘴出口(外气罩组件24)后，呈现未发散且还为集中之粉末流束220。
再者，就气体输送流量对于粉末流束与激光束交互作用之实验，于2.5KW激光作用下(IN625粉末)，当多功能同轴式激光喷嘴粉末流束在粉末输送气体、双环气与中心气均为1.5升/分(LPM)之作用下，粉末流束中心之流速较低(约为2至1.5公尺/秒(m/s))，单位体积之粉末浓度较高(最大值为22公斤/公尺3(Kg/m3))，经由粉末流速与激光能量交互作用估算粉末流速与粉末温度关系，由于该粉末流速较慢，增加粉末与激光交互作用之时间使粉末温度达3138℃，且粉末集中性佳，故实测堆积效率可达82.65％。若粉末流束以3升/分(LPM)粉末输送气、5升/分(LPM)环气及5升/分(LPM)中心气体流量作用时，粉末流束自喷嘴出口向喷嘴中心产生集中，粉末流束中心速度为3.4至4.2公尺/秒(m/s)，且单位体积之最高粉末浓度变为15公斤/公尺3(Kg/m3)，粉末温度为2210℃，其粉末之堆积效率可达52％。若粉末流束以3升/分(LPM)粉末输送气、5升/分(LPM)环气及10升/分(LPM)中心气体流量作用时，其粉末之集中程度变化不大，惟导致粉末之流速增加(为4.5至5.2公尺/秒(m/s))及粉末浓度下降(最大值为9公斤/公尺3(Kg/m3))，粉末因与激光交互作用时间减少而导致粉末温度降低(约为2020℃)，使粉末之堆积效率变为46％。
为了解距喷嘴出口不同距离之粉末流束及激光与粉末交互作用直径之变化，以粉末流束图像测量装置(图8)进行距喷嘴出口不同距离之粉末流束及激光与粉末交互作用直径之变化测量。粉末测量装置之组成包括窄缝面光源350经由椭圆镜352聚焦成细平行面光，垂直投射于距喷嘴出口24不同距离位置358之粉末流束220，并由距喷嘴出口下方200mm处架设高分辨率之微焦数字取像装置354，截取粉末流束图像，经图像处理后测量距喷嘴出口不同距离之粉末流束横截面直径。此外，以较强之聚焦式投射光356投射于粉末与激光交互作用之反应流束360，并经由另一侧面之高分辨率微焦数字取像装置354取像后，经图像处理测量粉末与激光交互作用流束360直径变化，即由上述粉末流束图像测量装置测量粉末流束距喷嘴不同高度(简称喷嘴出口距离，Stand-off distance，简称SD)之直径变化。以上述粉末流束图像测量装置测量喷嘴在(1)粉末输送气体(CG)，(2)粉末输送气体加中心气体(CG+COG)，(3)粉末输送气体、中心气体加双环气体(CG+COG+DSG)作用下，不同喷嘴出口距离之粉末流束直径与喷嘴出口直径(Dp/Dn)比值关系，如图9所示。由图9显示在送粉气流、中心气流与双环气流作用下，粉末流束直径在喷嘴出口距离25mm以内，其Dp/Dn比值小于1，且其d/D(披覆融池直径/粉末流束直径)比值随距喷嘴距离增加由小于1变化至接近1，即经双环气束作用后粉末流束直径较披覆融池直径小或接近相等，由此可知本发明激光喷嘴具有优异之粉末流束集中性。又经激光与粉末交互作用测试，以图像处理测量装置测量Dp/Ds1(粉末流束直径/激光与粉末作用之流束直径)比值与距喷嘴出口距离之关系，如图10所示，在喷嘴出口距离25mm以内，其Dp/Ds1比值经测试结果由大于1变化至接近1与小于1，即粉末流束直径由大于变为相近或稍小于激光光轴直径。由此显示本发明之同轴式多功能激光喷嘴其进行披覆处理或三维快速成形，喷嘴相对于激光焦点位置调整可由喷嘴位置调整组件33进行调整，范围为正负15mm。经由上述结果显示使用本发明之多功能同轴式激光喷嘴，集中之粉末流束自喷嘴出口即为激光束所覆盖，因此粉末与激光束交互作用时间较长及粉末熔融量亦较多。
在激光披覆处理方面，以本发明之多功能同轴式激光喷嘴，进行不同功率及扫描速度之激光披覆处理测试，披覆处理测试激光功率以1KW为基础，激光扫瞄速度分别为300mm/min.及180mm/min.为基准。披覆试片采用304不锈钢试片(厚1mm)，试片披覆测试距离200mm，披覆粉末使用IN625粉末(粒度45μm至90μm)，粉末经输送气体(carrier gas)由流体式送粉机送入多功能同轴式激光喷嘴，经披覆测试结果如图11所示，不同走速及距喷嘴不同距离下其堆积效率之变化，整体而言其堆积效率平均值高于50％以上，最高甚至可达70％。
在三维成形测试方面，以本发明之多功能同轴式激光喷嘴进行测试，测试所用之粉末为H13模具钢用粉末(粒度范围45μm至75μm)，成形区域为60mm×25mm，每道堆焊宽度3mm，成形焊道重迭1.2mm，每层成形堆焊厚度0.67mm，经成形堆焊15层厚度10.05mm，送粉率7.86g/min.，经由3D成形试片成形前后重量变化及成形过程所耗费时间计算本发明喷嘴之成形堆积效率为74％，远高于Mathew等人发展之同轴式金属堆积喷嘴(美国专利US 6534745 B1)其三维成形堆积效率43.7％。
在粉末焊接方面，应用多功能同轴式激光喷嘴于2205不锈钢之粉末焊接，板厚为3mm之2205不锈钢试片以3.5至3KW激光功率，走速1100至700mm/min.进行同轴送粉基本走焊激光焊接，喷嘴出口相对激光焦点位置为过焦(over focus)15mm，中心气以氦气或氮气，其流量约15至20LPM，配合添加适量之纯镍粉末进行粉末焊接(视焊接板厚而定，其添加量约为1至15g/min)，送粉焊接后针对不同条件试片之焊道以铁素体含量测量仪(Ferrite Scope)测量铁素体含量，使焊道铁素体/奥氏体相比值为1，改善焊道之抗蚀性、冲击韧性与延性，可大幅改善一般激光或电子束焊接，在焊道产生过量铁素体，而降低焊道之冲击韧性等问题。图12(a)所示为多功能同轴式激光喷嘴之中心气以氦气配合添加纯镍粉末进行2205不锈钢粉末焊接焊道之横截面巨观金相照片，图中可知钥孔焊接过程因粉末之添加吸收部份激光焊接能量，而使焊道之形状为高脚酒杯状。若仅以激光束进行钥孔焊接之焊道横截面金相组织(图12(b))，显示焊道产生过量之铁素体相。应用本发明喷嘴配合添加纯镍粉进行钥孔粉末焊接之焊道横截面光学金相(图12(c))，显示使用本发明喷嘴经由镍粉添加，经由双环气束及中心气束之层流作用造成粉末集中性，改变焊道铁素体/奥氏体比值为1，可改善双相不锈钢之焊道特性。
以上所公开的仅为本发明之应用实例，并非用以限定本发明之应用范围，任何还动与改进，在不脱离本发明之基本精神下，均应属于本发明之适用范围，因此本发明之保护范围以权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于包含有(1)喷嘴位置调整组件，可调整喷嘴高低位置使激光之聚焦焦点位于喷嘴内部或外部，位于喷嘴结构上方；及(2)具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构，以双环气及中心气于喷嘴内产生层流式气束作用，其中，内环气出口至外环气出口在喷嘴中心线之垂直距离范围大于0，上述喷嘴位置调整组件与具有双环气及中心气所产生层流式气束之喷嘴结构属同轴式结构，可施行高效能之多功能激光加工应用。
2.如权利要求1所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，该喷嘴结构，包含有喷嘴镜座及外部管路入口分布组件，是连接喷嘴位置调整组件、支撑及固定隔离保护镜片、分配与连接粉末流道入口、中心气流道入口、环气流道入口、保护气流道入口及喷嘴水冷流道；粉末流道，是以气体输送粉末进入喷嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；双环气束层流产生装置及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口组件上方环气流道入口导引气体，经由内环气束组件(26)、外环气束组件(30)、内环气层流流道(313)与外气罩组件(24)排列将该气体隔离分为内环气及外环气；中心气层流产生装置及流道，为自喷嘴镜座及外部管路入口组件上方中心气流道入口导引中心气经过中心气层流流道，其中，该中心气层流流道位于中心气流道入口(49)末端；及保护气流道，导引保护气进入喷嘴，经由外部管路入口组件与外气罩组件形成保护气流道。
3.如权利要求2所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，该内环气层流流道为外环气束组件上之开槽或孔洞，其数量包含一个以上。
4.如权利要求3所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，该内环气层流流道还包含数个孔洞或通过螺纹之平面间隙构成。
5.如权利要求2所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，该中心气层流流道还包含数个孔洞或通过螺纹之平面间隙构成。
6.如权利要求2所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，粉末流道出口与喷嘴出口水平面夹角范围，为61度至89度。
7.如权利要求2所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，环气流道之内环气出口与喷嘴出口水平面夹角范围为40度至85度，环气流道之外环气出口与喷嘴出口水平面夹角范围为20度至80度。
8.如权利要求1所述之多功能同轴式激光喷嘴，其中，喷嘴位置调整组件所调整喷嘴高低位置，是指喷嘴相对于焦点位置调整之范围为正负15mm。
9.如权利要求1至8中任一项所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于还包含有一组以上之喷嘴外罩冷却水道组件，其组件置于喷嘴外罩内；以及具有表面喷覆绝热涂层之喷嘴外罩及喷嘴本体组件，可于高温环境中施行高效能之多功能激光加工应用。
10.如权利要求9所述之多功能同轴式激光喷嘴，其特征在于，喷焊绝热涂层包含介层(Bond coats)及面层(Top coats)；上述介层可为MCrAlY或镍铝粉末材料，介层喷焊厚度可介于50至250μm ；上述面层为含有6至8％Y2O3之氧化锆粉末或具有绝热之陶瓷粉末，面层喷焊厚度可介于100至400μm，使喷焊绝热涂层结构具有高温隔热特性。
全文摘要
本发明揭示一种多功能同轴式激光喷嘴，配合激光焦点相对于喷嘴出口位置之调整，可应用于激光披覆处理或激光粉末焊接工艺。使用此喷嘴进行激光披覆处理或激光粉末焊接工艺，可提高粉末之集中性与堆积效率，并可应用于工件局部区域之激光表面喷覆处理。当粉末经由本发明喷嘴之中心气束及其外围双环气束作用，呈现未发散之粉末流束。经由中心气与双环气流量之调整，可控制粉末流束形状，配合调控激光与粉末之交互作用程度，可进行上述工艺之应用。上述激光喷嘴经表面涂覆耐高温涂层及增加冷却系统亦可使用于高温环境下。应用本发明之多功能同轴式激光喷嘴，可进行昂贵的及一般组件之激光披覆处理、三维成形再生处理与2205双相不锈钢之粉末焊接等应用，极具经济效益与便利性。
文档编号C23C24/10GK1781611SQ20041009644
公开日2006年6月7日 申请日期2004年12月1日 优先权日2004年12月1日
发明者陈钧, 吴宪政 申请人:陈钧, 吴宪政