專利名稱：一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光加工應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種激光熔覆噴嘴。
背景技術(shù)：
激光加工作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中正得到越來越廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)涉及的領(lǐng)域很廣泛，包括激光淬火、激光熔覆和激光焊接等。激光熔覆技術(shù)中最常用的方法是自動送粉法，即根據(jù)所需要的熔覆層厚度，采用自動送粉器將一定重量的合金粉末輸送到工件表面的激光作用區(qū)。其中，自動送粉器中的噴嘴形狀和尺寸是決定激光熔覆過程中熔覆層的均勻性和連續(xù)性、合金粉末利用率等參數(shù)的關(guān)鍵因素。激光熔覆自動送粉主要包括旁軸送粉方式和同軸送粉方式。
旁軸送粉(對應(yīng)的噴嘴簡稱旁軸噴嘴)時，是將合金粉末從側(cè)向送入激光熔池的前沿，粉末熔融后與基材結(jié)合，形成熔覆層。其優(yōu)點是合金粉末的利用率高，且熔覆層表面光滑，質(zhì)量穩(wěn)定。只要選擇合適的激光工藝參數(shù)，精確調(diào)整好自動送粉時粉末在零件表面的落點位置和激光光斑的位置，并注意將從噴嘴噴出的粉末速度控制在較低的范圍，就很容易得到均勻連續(xù)的激光熔覆層，并且合金粉末的利用率很容易達(dá)到90％以上。
但是，現(xiàn)有的旁軸噴嘴有兩個缺點第一，噴嘴的位置必須靠手動精確調(diào)控，這在許多時候很不方便，如對大型機械零部件實行激光熔覆時，往往需要將工件表面預(yù)熱，以減少裂紋或者提高熔覆速度。然而，零件表面過高的溫度，或者過大的尺寸，使操作者難以挨近噴嘴進(jìn)行手動操作。第二，送粉管和噴嘴所占的體積偏大，不僅對添加水冷系統(tǒng)帶來不便，而且要對形狀復(fù)雜的零件表面實行激光熔覆時，送粉管常常成為激光加工頭的移動障礙，給加工過程帶來不便。
同軸送粉(對應(yīng)的噴嘴簡稱為同軸噴嘴)可以解決上述難題。因為，同軸送粉時，合金粉末與激光加工頭集成于一體，不需要外置的送粉管，所占空間小，對于形狀復(fù)雜的加工零件在調(diào)整合金粉末落點位置時不會在空間上產(chǎn)生困難。只要通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光頭的高度位置，使粉末的落點、光斑的輻照部位和工件的位置控制在預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)，就可以方便地實現(xiàn)激光熔覆加工，不用在乎零件的尺寸大小和是否預(yù)熱到較高的溫度。特別是同軸送粉噴嘴沒有方向性，正反兩個方向都可以實現(xiàn)激光熔覆，因此特別適合激光快速制造金屬零件的要求。
然而，同軸送粉法的明顯不足之處在于激光熔覆層的外觀質(zhì)量較差。因為，激光熔覆的工藝過程為，激光光斑沿掃描方向的前端部分處于不斷熔化過程中，而熔池的后端處于不斷凝固過程中。另一方面，同軸送粉時，合金粉末從噴嘴的四周噴向熔池中心。這樣，落在熔池前沿的合金粉末可以吸收充分的激光能量形成熔覆層，落在熔池后端的部分合金粉末因為得不到足夠的激光能量而粘附在正在凝固的熔池表面，使得激光熔覆層的合金粉末利用率和表面質(zhì)量降低。
必須指出，雖然現(xiàn)有同軸送粉噴嘴在不斷改進(jìn)與完善，但對激光熔覆層外表面容易粘附合金粉末的狀況未能發(fā)生實質(zhì)性的改進(jìn)。而且，國內(nèi)外的現(xiàn)有同軸噴嘴中，保護氣體是沿光軸向下吹的，這對于使同軸噴嘴送出的粉末束流在激光光斑處聚集會產(chǎn)生很大干擾，不利于激光熔覆過程。有時，為了保證噴出粉末的穩(wěn)定性，往往不得不將保護氣體流量調(diào)到很小，這樣對聚焦鏡頭的保護也不充分?，F(xiàn)有同軸噴嘴的另外一個致命弱點是噴嘴系統(tǒng)中水路、氣路、粉路集成度不高，冷卻水路機構(gòu)暴露在容易被反射的激光輻射到的位置，在長時間生產(chǎn)過程中存在隱患，難以從根本上滿足工業(yè)化應(yīng)用時的穩(wěn)定性和可靠性要求。有鑒于此，設(shè)計一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴有較大的實際應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有噴嘴的不足，提供一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴，它兼具同軸送粉和旁軸送粉的優(yōu)點，其送粉位置調(diào)控方便，送粉點準(zhǔn)確，送粉時合金粉末的利用率高，熔覆層質(zhì)量均勻穩(wěn)定。
本實用新型提供的一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴，其特征在于錐形筒體的筒壁內(nèi)設(shè)有粉末通道、冷卻水路和保護氣通道；粉末通道入口分布在錐形筒體的上端圓周上，粉末通道出口均勻分布在錐形筒體的下端圓周上；粉未通道與其入口相連部分的軸線與噴嘴中心軸線之間的夾角α在30-70°之間；在錐形筒體的底部壁內(nèi)置有冷卻水環(huán)，冷卻水環(huán)與冷卻水路相通；冷卻水路出、入口分布在錐形筒體的上端圓周上；保護氣通道由位于錐形筒體的上端圓周上的進(jìn)氣口和位于錐形筒體上部壁內(nèi)的連接通道、氣箱、一組排氣孔以及出氣口構(gòu)成，氣箱通過連接通道與進(jìn)氣口相通，出氣口與排氣孔的位置相對，保護氣通道的出氣口為倒梯形。。
上述錐形筒體由上錐筒和下錐筒構(gòu)成，下錐筒由下內(nèi)錐筒和其外套的下錐套筒構(gòu)成，上錐筒和下錐套筒連接。
本實用新型的功能及特點如下(1)其多條送粉通道均內(nèi)置于噴嘴內(nèi)部，出口尺寸可以根據(jù)需要設(shè)計、加工。出口尺寸相同的旁軸噴嘴，既可以作為同軸噴嘴使用，也可以作為旁軸噴嘴使用。出口尺寸不同的旁軸噴嘴，可以滿足不同送粉量要求的激光熔覆應(yīng)用。
(2)橫向保護氣簾，可以充分保護聚焦系統(tǒng)，防止激光熔覆時熔池噴濺出的物質(zhì)污染聚焦鏡頭。
(3)粉未通道入口、冷卻水通道入口和橫向保護氣簾通道入口均位于錐形筒體上端圓周上，從根本上解決了激光熔覆時熔池反射的激光及熱流對上述通道入口的外接軟管的灼燒和損傷。
(4)其水路、氣路、粉路都內(nèi)置于噴嘴內(nèi)部，使噴嘴具有耐高溫、防燒損的特點，有利于激光熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
(5)噴嘴適用于反射式聚焦系統(tǒng)，有利于降低聚焦系統(tǒng)的成本、提高聚焦系統(tǒng)的使用壽命，可以用于5kW或10kW以上的高功率激光熔覆。該噴嘴系統(tǒng)同樣適用于透射式聚焦系統(tǒng)。
總之，本實用新型適用領(lǐng)域有自動送粉激光熔覆、自動送粉激光合金化、自動送粉激光焊接，金屬件的激光三維自由成型等。


圖1為本實用新型的內(nèi)置式激光熔覆噴嘴一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的一個縱向剖面圖。
圖3是圖2的俯視圖圖4是圖2的一個橫向剖面圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實例和附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如附圖所示，錐形筒體的筒壁內(nèi)設(shè)有粉末通道4、冷卻水路10和保護氣通道。錐形筒體由上、下二部分構(gòu)成，即上錐筒1和由下內(nèi)錐筒5和下錐套筒6構(gòu)成的下錐筒。上錐筒1和下錐套筒6之間通過螺紋連接，并采用定位銷定位。粉末通道入口3分布在上錐筒1的上端圓周上，粉末通道出口7均勻分布在下錐筒的下端圓周上。粉未通道4與其入口3相連部分的軸線與噴嘴中心軸線之間的夾角在30-70°之間。在下內(nèi)錐筒5的底部內(nèi)置有冷卻水環(huán)12，冷卻水環(huán)12與冷卻水路相連。冷卻水路在上、下錐筒的連接處采用密封圈11密封。冷卻水路出、入口9、9’分布在上錐筒1的上端圓周上。保護氣通道由位于上錐筒1的上端圓周上的進(jìn)氣口13和位于上錐筒內(nèi)的連接通道14、氣箱15、一組排氣孔16以及出氣口17構(gòu)成，氣箱15通過連接通道14與進(jìn)氣口13相通，出氣口17為倒梯形，其位置與排氣孔16相對。氣體從進(jìn)氣口13進(jìn)入氣箱15內(nèi)，通過排氣孔16穿過錐形筒體內(nèi)，再通過出氣口17排出，形成一道橫向保護氣簾8，這樣可以充分保護聚焦系統(tǒng)，防止激光熔覆時熔池噴濺出的物質(zhì)污染聚焦鏡頭。
噴嘴的上錐筒1上設(shè)有連接螺紋2，連接螺紋2可外接專用的伸縮連接軸。
粉末通道出口7的口徑大小可以相同或者不同。出口口徑尺寸相同的旁軸噴嘴，既可以作為同軸噴嘴使用，也可以作為旁軸噴嘴使用。出口口徑尺寸不同的旁軸噴嘴，可以滿足不同送粉量和熔覆層寬度需要的激光熔覆應(yīng)用。
在實際制作過程中，噴嘴的上錐筒1可以采用鋁合金制造，噴嘴的下內(nèi)錐筒5和下錐套筒6采用紫銅制造，這樣既可以使噴嘴耐高溫，又可以減輕噴嘴的重量，有利于激光熔覆的工業(yè)化應(yīng)用。
本實用新型的關(guān)鍵在于噴嘴，其水路、氣路、粉路都內(nèi)置于噴嘴內(nèi)部，這些水路、氣路、粉路的入口全部位于噴嘴的頂部，噴嘴外部沒有任何水路、氣路、粉路的管道。這種設(shè)計具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐高溫和防燒損的特點。
本實用新型并不局限于上述實現(xiàn)方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以根據(jù)上述思路采用多種方式具體實現(xiàn)其技術(shù)方案。
權(quán)利要求1.一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴，其特征在于錐形筒體的筒壁內(nèi)設(shè)有粉末通道(4)、冷卻水路(10)和保護氣通道；粉末通道入口(3)分布在錐形筒體的上端圓周上，粉末通道出口(7)均勻分布在錐形筒體的下端圓周上；粉未通道(4)與其入口(3)相連部分的軸線與噴嘴中心軸線之間的夾角α在30-70°之間；在錐形筒體的底部壁內(nèi)置有冷卻水環(huán)(12)，冷卻水環(huán)(12)與冷卻水路(10)相通；冷卻水路出、入口(9、9’)分布在錐形筒體的上端圓周上；保護氣管道由位于錐形筒體上端圓周上的進(jìn)氣口(13)和位于錐形筒體上部壁內(nèi)的連接通道(14)、氣箱(15)、一組排氣孔(16)以及出氣口(17)構(gòu)成，氣箱(15)通過連接通道(14)與進(jìn)氣口(13)相通，出氣口(17)與排氣孔(16)的位置相對。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴，其特征在于錐形筒體由上錐筒(1)和下錐筒構(gòu)成，其中下錐筒由下內(nèi)錐筒(5)和其外套的下錐套筒(6)構(gòu)成，上錐筒(1)和下錐套筒(6)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴嘴，其特征在于保護氣通道的出氣口(17)為倒梯形。
專利摘要本實用新型公開了一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴，錐形筒體的筒壁內(nèi)設(shè)有粉末通道、冷卻水路和保護氣通道；粉末通道出口均勻分布在錐形筒體的下端圓周上，其它出、入口均分布在上端圓周上；粉末通道的軸線與噴嘴中心軸線之間的夾角α在30－70°之間；在錐形筒體的底部壁內(nèi)置有與冷卻水路相通的冷卻水環(huán)；橫向保護氣簾由進(jìn)氣口、連接通道、氣箱、一組排氣孔和出氣口構(gòu)成。本實用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，噴嘴無外露的水管、氣管、粉管。橫向氣簾能有效保護聚焦鏡系統(tǒng)，噴嘴底錐面抗激光和熔融金屬熱輻射能力強。本噴嘴既可用作旁軸送粉噴嘴，也可用作同軸送粉噴嘴，適用于激光合金化、激光焊接、激光熔覆、金屬件的激光三維自由成型制造等方面。
文檔編號C23C4/00GK2705236SQ20042001794
公開日2005年6月22日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者胡乾午, 曾曉雁 申請人:華中科技大學(xué)