一种可调粉末汇聚性的激光同轴粉管式送粉喷嘴的制作方法

本发明涉及一种可调粉末汇聚性的激光同轴粉管式送粉喷嘴。

背景技术：

随着激光熔覆技术的不断发展和工业用途的增加，加工零件的几何形状越来越复杂，使得加工过程中需要改变熔覆轨迹的宽度。在加工过程中，通过直接在竖直方向移动激光熔覆头，改变激光光束焦点的位置，可以改变工件表面光斑的大小。现有一种新型的变焦激光熔覆头，通过移动激光熔覆头内部的移动镜头组系统，即可在加工过程中随时改变加工零件表面光斑的大小，在线改变熔覆轨迹宽度。

普通的激光同轴送粉喷嘴并不能根据激光光束焦点的位置实时调整粉末汇聚点直径，使得零件表面光斑的大小与粉末汇聚点直径的大小不匹配，不能实现高精度、高质量、性能良好的熔覆层，成型效率、粉末利用率不高，这无疑限制了激光熔覆技术的推广应用，激光熔覆行业需要一种经济、高效的激光熔覆结构来满足实际的需求。

技术实现要素：

为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种粉末汇聚点的直径大小可以根据加工零件表面的光斑直径实时动态调整的可调粉末汇聚性的激光同轴粉管式送粉喷嘴。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种可调粉末汇聚性的激光同轴粉管式送粉喷嘴，包括熔覆头，所述熔覆头沿竖直方向的上方设有激光入口，所述熔覆头沿竖直方向的下方设有激光出口；所述熔覆头外设有送粉装置，送粉装置通过可调节粉末汇聚性的调节装置安装在熔覆头四周；

所述送粉装置包括上送粉部和下送粉部；所述调节装置包括固定套设在熔覆头上的套筒和可转动地套设在熔覆头上的转盘，且套筒位于所述转盘的上方；所述上送粉部固定设置在套筒上，所述下送粉部固定设置在转盘上；

所述上送粉部包括若干根间隔排列在套筒外周的上送粉管，所述上送粉管向套筒的上部延伸，所述上送粉管包括用于与送粉器连接的第一进口和用于与下送粉部对接的第一出口；所述第一进口位于套筒的上方，所述第一出口位于套筒的下方；

所述下送粉部位于转盘的的下方，所述下送粉部包括若干组下送粉管组，上送粉部与其中任意一组下送粉管组连通，且每组下送粉管组包括若干根用于一一对接上送粉管的下送粉管；组内下送粉管孔径相同，任意两组的下送粉管的孔径不同；下送粉管的延长线与熔覆头的中轴线的延长线相交，以保证来自激光出口的激光与来自下送粉管的出口的粉体汇聚；

下送粉管包括用于与第一出口对接的第二进口和向熔覆头靠拢的第二出口，且第一出口和第二进口通过开设在转盘上的通孔连通，通孔上下贯通转盘，且通孔包括用于与第二进口连通的底口和用于与第一出口连通的顶口，

所述转盘还连接有驱动装置，所述驱动装置包括沿转盘的外周边设置的齿轮段和与所述齿轮段相配合的主动齿轮，所述主动齿轮设置在转盘的一侧，且主动齿轮与电机的输出轴固定相连；

还包括用于监测电机的转动角度的角度监测装置和中央控制器，所述中央控制器与驱动装置、角度监测装置一一相连。

进一步，所述角度监测装置为设置在电机输出轴上的角位移传感器，所述角位移传感器将监测到电机的转动角度信息输送给中央控制器，中央控制器根据接收到的电机的转动角度信息计算出转盘的转动角度，且中央控制器根据转盘的转动角度控制电机的启停。

进一步，上送粉管通过连杆设置在套筒的外周边上，所述连杆向套筒外辐射，连杆的一端固定在套筒外壁面上，另一端设有套孔，所述上送粉管固定套设在所述套孔内。

进一步，所述通孔为螺纹孔，且下送粉管的第二进口与通孔螺接，且通孔的底口直径与第二进口相同，通孔的顶口直径与第一出口相同。

进一步，套筒和转盘之间设有转盘的限位装置，以克服转盘的惯性，所述限位装置包括相配合的扣部和卡部，所述扣部的固定端固定在套筒上，扣部的自由端向转盘延伸，且扣部的自由端具有球形扣头；所述卡部包括若干个一一对应组内各下送粉管的定位浅球槽，所述定位浅球槽设置在转盘的上表面上，定位浅球槽的个数与下送粉管组的组数相同，且相邻两个定位浅球槽的圆心角与相邻两个对应的下送粉管的圆心角相等。

进一步，转盘与熔覆头通过轴承相连。

进一步，组内下送粉管的数量与上送粉管的数量相同，且所述上送粉管沿套筒外周等间距排列。

进一步，所述电机通过支架固定在熔覆头的一侧。

进一步，第一出口紧贴转盘的上表面。

进一步，上送粉部包括3根等间距排列在套筒外周的上送粉管，下送粉部包括3组下送粉管组，且下送粉管组包括管径分别大于、等于和小于上送粉管管径的3根下送粉管。

本发明的有益效果主要表现在：

1、通过旋转转盘可更换不同管径的下送粉管，调节粉末汇聚性，获得不同大小直径的粉末汇聚点以与光斑直径匹配。

2、本发明具有多种不同管径的送粉管出口，可以满足不同密度及粒度的送粉要求，适应熔覆不同种类的粉末，适应不同激光器的需要，应用具有广泛性。

3、采用同轴阵列粉管式送粉，能确保粉末流汇聚的均匀性。

4、粉末流在载气的作用下，能在熔覆区形成均匀的“粉末帘”，能确保粉末的均匀性、稳定性。

5、结构简单合理，在制造工艺上易于实现。

附图说明

图1是本发明的轴测图

图2是本发明的正视图

图3是送粉装置和调节装置的结构示意图

图4是图3的俯视图

图5是图4中A-A向剖视图

图6是转盘轴测图

图7是转盘正视图

图8是图7中B-B向剖视图

图9是管径小于上送粉管的下送粉管与上送粉管贯通的结构示意图

图10是管径与上送粉管的管径相同的下送粉管与上送粉管贯通的结构示意图

图11是管径大于上送粉管的下送粉管与上送粉管贯通的结构示意图

具体实施方式

参照附图，一种可调粉末汇聚性的激光同轴粉管式送粉喷嘴，包括熔覆头14，所述熔覆头14沿竖直方向的上方设有激光入口，所述熔覆头14沿竖直方向的下方设有激光出口；所述熔覆头14外设有送粉装置，送粉装置通过可调节粉末汇聚性的调节装置安装在熔覆头14四周；

所述送粉装置包括上送粉部和下送粉部；所述调节装置包括固定套设在熔覆头14上的套筒12和可转动地套设在熔覆头14上的转盘5，且套筒12位于所述转盘5的上方；所述上送粉部固定设置在套筒12上，所述下送粉部固定设置在转盘5上；

所述上送粉部包括若干根间隔排列在套筒12外周的上送粉管13，所述上送粉管13向套筒12的上部延伸，所述上送粉管13包括用于与送粉器连接的第一进口和用于与下送粉部对接的第一出口；所述第一进口位于套筒12的上方，所述第一出口位于套筒12的下方；

所述下送粉部位于转盘5的的下方，所述下送粉部包括若干组下送粉管组，上送粉部与其中任意一组下送粉管组连通，且每组下送粉管组包括若干根用于一一对接上送粉管的下送粉管6、7、8；组内下送粉管管径相同，任意两组的下送粉管的管径不同；下送粉管6、7、8的延长线与熔覆头14的中轴线的延长线相交，以保证来自激光出口的激光与来自下送粉管6、7、8的出口的粉体汇聚；

下送粉管6、7、8包括用于与第一出口对接的第二进口和向熔覆头14靠拢的第二出口，且第一出口和第二进口通过开设在转盘上5的通孔连通，通孔上下贯通转盘5，且通孔包括用于与第二进口连通的底口和用于与第一出口连通的顶口；

所述转盘5还连接有驱动装置，所述驱动装置包括沿转盘5的外周边设置的齿轮段和与所述齿轮段相配合的主动齿轮4，所述主动齿轮4设置在转盘5的一侧，且主动齿轮4与电机2的输出轴固定相连；

还包括用于监测电机2的转动角度的角度监测装置和中央控制器，所述中央控制器与驱动装置、角度监测装置一一相连，中央控制器通过监测电机2的转动角度来间接计算出转盘5的转动角度，以控制转盘5的转动角度，以确保确保上送粉管13与预定的下送粉管精确对准。

所述角度监测装置为设置在电机2输出轴上的角位移传感器1，所述角位移传感器1将监测到电机2的转动角度信息输送给中央控制器，中央控制器根据接收到的电机2的转动角度信息计算出转盘5的转动角度，且中央控制器根据转盘5的转动角度控制电机2的启停。

上送粉管13通过连杆设置在套筒12的外周边上，所述连杆向套筒12外辐射，连杆的一端固定在套筒12外壁面上，另一端设有套孔，所述上送粉管13固定套设在所述套孔内。

所述通孔为螺纹孔，且下送粉管6、7、8的第二进口与通孔螺接，且通孔的底口直径与第二进口相同，通孔的顶口直径与第一出口相同。

套筒12和转盘5之间设有转盘5的限位装置，以克服转盘的惯性，所述限位装置包括相配合的扣部和卡部，所述扣部的固定端固定在套筒12上，扣部10的自由端向转盘5延伸，且扣部10的自由端具有球形扣头；所述卡部包括若干个一一对应组内各下送粉管的定位浅球槽，所述定位浅球槽设置在转盘5的上表面上，定位浅球槽的个数与下送粉管组的组数相同，且相邻两个定位浅球槽的圆心角与相邻两个对应的下送粉管的圆心角相等。

中央控制器驱动转盘5转过预设的角度时，由于转盘5存在转动惯性，可能使上送粉管13与预定的下送粉管无法正好对准，而限位装置中的卡部10在随着转盘5转过预设的角度后，与预定的其中一个定位浅球槽正好扣合，以克服转盘5的惯性，确保上送粉管13与预定的下送粉管精确对准。

转盘5与熔覆头14通过轴承11相连；且熔覆头14上设有阻挡轴承11向下运动的止推环9，所述止推环9和激光熔覆头14螺纹连接。

组内下送粉管的数量与上送粉管13的数量相同，且所述上送粉管沿套筒12外周等间距排列。

所述电机2通过支架3固定在熔覆头14的一侧。

第一出口紧贴转盘5的上表面。

上送粉部包括3根等间距排列在套筒12外周的上送粉管13，下送粉部包括3组下送粉管组，且下送粉管组包括管径分别大于、等于和小于上送粉管管径的3根下送粉管6、7、8。

角位移传感器1：角位移传感器1安装在电机2的输出轴上，中央控制器通过检测电机2的转角，间接测量转盘5转过的角度，形成半闭环控制系统。角位移传感器1与电机2可形成一个整体，以简化结构，安装调试方便。

电机2：电机2为伺服电机，并通过螺钉固定在支架3上；接收电信号而运动，并带动主动齿轮4旋转。

支架3：承载电机2，并通过螺钉固定在激光熔覆头14侧面。

主动齿轮4：由电机2驱动，并与转盘5形成齿轮传动。

转盘5：转盘5的边缘具有齿轮段，与主动齿轮4形成齿轮传动；且各种管径的下送粉管6、7、8螺纹连接在转盘5上。

上送粉管13：管径为4mm，用于输送金属粉末，供激光熔覆使用。

下送粉管组：包括3组下送粉管组，每组都包括3根下送粉管6、7、8，分别是管径6mm的送粉管6、管径4mm的送粉管7和管径2mm的送粉管8；且管径6mm的送粉管6与管径4mm的送粉管7的圆心角为25°，管径4mm的送粉管6与管径2mm的送粉管7的圆心角为20°；对应地，分别与管径6mm的送粉管6、管径4mm的送粉管7相对应的相邻两个定位浅球槽的圆心角为25°；分别与管径4mm的送粉管7、管径2mm的送粉管8相对应的相邻两个定位浅球槽的圆心角为20°，如附图7所示。

管径6mm的送粉管6：与上送粉管13配合形成扩张出口，粉末汇聚浓度较低，粉末汇聚性较差，形成的粉末汇聚点管径最大，如图11所示。

管径4mm的送粉管7：与上送粉管13配合形成平行出口，粉末汇聚浓度一般，粉末汇聚性一般，形成的粉末汇聚点管径中等，如图10所示。

管径2mm的送粉管8：与上送粉管13配合形成收缩出口，粉末汇聚浓度较高，粉末汇聚性好，形成的粉末汇聚点管径最小，如图9所示。

止推环9：用于轴承11在激光熔覆头14上的定位，阻止轴承11向下运动，止推环9和激光熔覆头14通过螺纹连接。

卡部10：转盘5转过一定的角度，卡部10的卡头在弹力的作用下进入定位浅球槽，用于转盘5的辅助定位，可以获得较高的定位精度；卡部10的固定端通过螺钉连接在套筒12上。

轴承11：转盘5通过轴承11套装在激光熔覆头14相对转动，轴承11的内圈套装在激光熔覆头14上，外圈装在转盘5的中心孔内。

套筒12：用于承载上送粉管13，上送粉管13和套筒12间隙配合，套筒12和激光熔覆头14间隙配合。

激光熔覆头14：根据零件要求，在加工过程中移动激光熔覆头14内部的镜头组系统，改变激光光束焦点的位置，从而改变工件表面光斑的大小，在线改变熔覆轨迹宽度。

在加工过程中，熔覆轨迹的宽度往往需要改变。现有一种新型的变焦激光熔覆头，通过移动激光熔覆头内部的移动镜头组系统，可以在加工过程中随时改变激光光束焦点的位置，从而改变加工零件表面光斑的大小，在线改变熔覆轨迹宽度。粉末汇聚点直径也应该根据加工零件表面光斑直径的大小实时动态调整，本发明配置有管径不同的多组下送粉管6、7、8，可以通过旋转转盘5来更换各种不同管径的送粉管出口，调整输出粉末的汇聚性，得到直径大小不同的粉末汇聚点并与光斑直径匹配。

粉末自下送粉管6、7、8的出口流出后开始逐渐汇聚，浓度逐渐增加，最终形成粉末汇聚点。在相同初始条件下，粉末流经过收缩出口(下送粉管8与上送粉管13相贯通)后的汇聚浓度会远大于平行出口(下送粉管7与上送粉管13相贯通)的汇聚浓度，挺度较好，粉末汇聚性好，形成的粉末汇聚点直径最小，在激光熔覆成形过程中粉末利用率较高。粉末流经过扩张出口(下送粉管6与上送粉管13相贯通)后的汇聚浓度小于平行出口(送粉管7与上送粉管13相贯通)的汇聚浓度，挺度较差，粉末汇聚性较差，形成的粉末汇聚点直径最大。

通过以上分析可以看出选择不同管径的下送粉管6、7、8，可以调整粉末汇聚性，得到直径不同的粉末汇聚点。所以在改变加工零件表面光斑的大小时，通过旋转转盘5可以选取不同管径的下送粉管6、7、8，调整输出粉末的汇聚性，得到直径大小不同的粉末汇聚点并与光斑直径匹配，获得高质量的熔覆层。

转盘5的中心孔和轴承11的外圈形成同轴配合，转盘5上分布有螺纹孔，螺纹孔孔径大小不同，用来安装不同管径的下送粉管6、7、8，下送粉管组均匀分布在激光熔覆头外侧，并聚焦于光束轴上。转盘5的外圆周设有部分的齿轮，与主动齿轮4形成齿轮传动，主动齿轮4往复运动即可带动转盘5往复旋转，上送粉管13和不同管径的下送粉管6、7、8配合。转位圆盘上还附有3个定位浅球槽，当上送粉管13和下送粉管6、7、8的其中一个对准时，卡部的卡头靠弹力进入定位浅球槽，即使磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度，用来辅助定位。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。