專利名稱：切割頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切割頭，所述切割頭使用磨料顆粒產(chǎn)生磨料水射流， 所述磨料顆粒在氣體、蒸汽或液體中被運(yùn)送到切割頭。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)的磨料水射流切割頭(稱為AWJ切割頭)，通過噴口將 大約4000bar ( 400Mpa)的超高壓水排出以形成水射流，所述水射流以 超過兩倍空氣中的聲速運(yùn)動(dòng)。水射流以40-80倍水射流射流直徑射出 穿過腔室，從而進(jìn)入聚集管孔。通過水射流將懸浮在空氣中的磨料顆 粒引入到腔室內(nèi)，所述水射流把帶有磨料顆粒的空氣帶到聚集管入口 通道和聚集管孔內(nèi)。在聚集管內(nèi)，動(dòng)量從水射流轉(zhuǎn)移到磨料顆粒以在 管出口產(chǎn)生切割射流。
在關(guān)閉斷流閥以停止高速水射流時(shí)的瞬變現(xiàn)象引起水射流噴口內(nèi) 的水流/氣流的瞬間反轉(zhuǎn)，所述水流/氣流能把磨料顆粒運(yùn)送通過噴口 。 在重新啟動(dòng)水流時(shí)，這樣的顆粒高速經(jīng)過噴口并可侵蝕噴口，而且撞 擊在噴口邊緣上的顆?？梢饑娍谑?。加壓水中的顆粒到達(dá)噴口也 會(huì)造成嚴(yán)重的邊緣損傷。特別麻煩的是，所述失效是不可預(yù)知的并且 造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)損失。
水射流噴口位于能夠承受超高水壓的堅(jiān)固承載器的正面。水壓起 到把噴口壓在承載器之上并將噴口密封到承載器上的作用。在射流進(jìn) 入腔室之前沿承載器內(nèi)的狹窄通路射出大約10倍射流直徑的水射流能 夠極大地減少到達(dá)水射流噴口附近的磨料顆粒數(shù)量。
在停止水射流之前切斷流向切割頭的磨料流一段時(shí)間以從切割頭 清除磨料，使得磨料顆粒損壞水射流噴口的危險(xiǎn)減到最小。因?yàn)樵谇?割頭腔室內(nèi)的空氣和磨料的再循環(huán)，所以需要4艮長的時(shí)間延遲以從切 割頭清除磨料。這個(gè)時(shí)間延遲與接通水射流后建立磨料流的時(shí)間延遲 相結(jié)合，防止了現(xiàn)有技術(shù)的磨料水射流用于要求迅速接通和切斷切割 射流的機(jī)加工，并且排除了所述水射流供多種應(yīng)用的使用。
美國專利申i青2005/0017091描述了一種AWJ切割頭，其中，從大
氣將空氣吸入到噴口下游的通路以避免運(yùn)送磨料顆粒的空氣到達(dá)水射 流噴口 。雖然提供這樣的氣流能防止磨料顆粒到達(dá)并損壞噴口以及噴 口保持器，但是這使切割頭的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜而且不利地影響可用于把 磨料顆粒運(yùn)送到切割頭的空氣量。
英國專利申請第GB2422566A號描述了 一種產(chǎn)生磨料水射流的方 法，所述方法使用蒸汽作為載流流體以將磨料顆粒輸送到切割頭，用 于在聚集管內(nèi)凝聚蒸汽。凝聚的蒸汽在聚集管進(jìn)口之前可能需要在上 述切割頭內(nèi)最小化，而且這要求聚集管進(jìn)口在大約20倍水射流產(chǎn)生裝 置的直徑范圍內(nèi)。懸浮在蒸汽中的磨料流動(dòng)越過水射流裝置的出口面。 因?yàn)槟チ项w粒與水射流產(chǎn)生裝置直接接觸，所以在停止水流時(shí)以及當(dāng) 沒有水流流經(jīng)水射流產(chǎn)生裝置時(shí)在運(yùn)送磨料顆粒的蒸汽流動(dòng)到切割頭 時(shí)的流動(dòng)瞬變期間，顆粒被運(yùn)送到水射流產(chǎn)生裝置的上游。
為了通過將磨料顆粒巻吸到高速水射流中以產(chǎn)生直徑小于300 ju m 的磨料水射流，必須使磨料顆粒懸浮在流向切割頭的水中，而不是像 用于AWJ切割頭那樣在流動(dòng)空氣中動(dòng)態(tài)地運(yùn)送顆粒。因?yàn)椴涣嫉那懈?頭性能，使懸浮在水中的磨料巻吸到高速水射流之中還沒有用于精密 加工。
使用水作為磨料載流流體的現(xiàn)有技術(shù)切割頭的幾何結(jié)構(gòu)，在稠密 的磨料/水混合物進(jìn)入聚集管孔之前，在水射流和所述稠密的磨料/水 混合物之間導(dǎo)致不利的流體動(dòng)力學(xué)相互作用。避免不利的流體動(dòng)力學(xué) 相互作用的要求是水射流產(chǎn)生裝置的出口在大約20倍聚集管進(jìn)口的水 射流直徑的范圍內(nèi)。這造成磨料顆粒流動(dòng)越過水射流產(chǎn)生裝置的出口 ， 導(dǎo)致在水流停止時(shí)以及在磨料混合物進(jìn)入切割頭而加壓水不流經(jīng)水射 流產(chǎn)生裝置時(shí)，磨料顆粒到達(dá)水射流產(chǎn)生裝置的進(jìn)口側(cè)。
特別重要的是，使用磨料/水混合物的切割頭具有水射流產(chǎn)生裝 置，所述水射流產(chǎn)生裝置能夠傳送磨料懸浮液而沒有過度的磨損。用 于這些切割頭的磨料靜態(tài)地懸浮在水中，所以在停止水流之前不容易 從水射流產(chǎn)生裝置的附近將其清除。代替地，磨料的連續(xù)存在是有益 的，因?yàn)榭梢悦棵攵啻螁?dòng)和4亭止切割射流以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的才幾加工。當(dāng) 以動(dòng)態(tài)切割模式操作切割頭時(shí)，磨料滲透到水射流產(chǎn)生裝置之內(nèi)的受 控滲透可以是有利的，其在于，在重新啟動(dòng)水流時(shí)立刻開始切割，避 免了薄脆工件材料的扭曲、破裂和分層。
AWJ切割頭射出距離為40-80水射流直徑的水射流穿過腔室，從而 向聚集管進(jìn)口抽吸低于大氣壓的空氣。為了把足夠的空氣抽吸到聚集 管內(nèi)，與空氣進(jìn)入聚集管相比，基本上使更多的空氣流向聚集管。朝 聚集管運(yùn)動(dòng)的過量空氣在腔室內(nèi)高能地再循環(huán)，隨其運(yùn)送侵蝕腔壁和 水射流噴口保持器的磨料顆粒。再循環(huán)的空氣可能包含已經(jīng)被水滴潤 濕的顆粒。因?yàn)轭w粒變濕，磨料顆?？筛街絿娍趦?nèi)的通道壁及其保 持器上，并且當(dāng)切斷水流使水/氣流反轉(zhuǎn)時(shí)，所述磨料顆?？梢苿?dòng)通過 噴口。
如果拖帶磨料顆粒的空氣進(jìn)入由可控壓力差驅(qū)動(dòng)的聚集管，那么 就可以改善AWJ切割頭的切割性能，并且減少腔室和聚集管的磨損。 高于大氣壓力lbar左右的靜壓力促使空氣在聚集管孔的起始處加速到 聲速?？諝夂湍チ项w粒到聚集管之內(nèi)的有效加速要求水射流產(chǎn)生裝置 的出口和聚集管進(jìn)口之間的距離是磨料顆粒平穩(wěn)流到聚集管進(jìn)口之內(nèi) 所需的最小值。這使得磨料顆粒流動(dòng)越過水射流產(chǎn)生裝置的出口，并 且在水流停止時(shí)透入到水射流產(chǎn)生裝置的上游。
在用于水射流產(chǎn)生裝置時(shí)，金剛石具有比其他超硬材料明顯更長 的壽命。由金剛石制成的現(xiàn)有技術(shù)的水射流噴口可以設(shè)置在承載器內(nèi) 的燒結(jié)金屬上。燒結(jié)金屬和金剛石之間的連接不良，并且燒結(jié)金屬在 受到拉力時(shí)相對較弱，因此金剛石件的保持和密封依賴于由承載器提 供給燒結(jié)金屬的支撐，所述承載器由鋼或其他堅(jiān)固金屬制成。在燒結(jié) 金屬上裝入金剛石或其他超硬材料不能滿足在本專利申請中所描述的 磨料水射流切割頭的需要，因?yàn)樵谒淞鳟a(chǎn)生裝置和聚集管之間的空 間不足以充分地支撐燒結(jié)金屬并保護(hù)燒結(jié)金屬免受侵蝕。

發(fā)明內(nèi)容
因此，能夠提供一種能夠傳送磨料和其他顆粒而沒有損傷的水射 流產(chǎn)生裝置具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，所述裝置被定位、連接和密封到承載器的 出口上。在本專利申請中，所要描述的是如何將傳送磨料顆粒時(shí)不容 易受損的水射流噴嘴連接并密封到承載器的出口上，從而經(jīng)受住可超 過4000bar的水壓。另外，所述水射流產(chǎn)生裝置可以覆蓋其承載器的 正面，從而防止磨料顆粒損傷承載器。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種噴嘴組件，所述噴嘴組件適
于產(chǎn)生供磨料水射流切割頭使用的水射流或懸浮在水中的磨料顆粒射
流，所述噴嘴組件包括承載器裝置，可安裝到切割頭并具有從中穿 過的細(xì)長(或伸長的)通道裝置；以及噴嘴元件，所述噴嘴元件包括 通過軟焊或硬焊連接裝置密封地安裝到承載器裝置的超硬材料并具有 從中穿過的細(xì)長成形孔，所述成形孔連接到通道裝置使得水或水中的 磨料顆粒的懸浮液在壓力下可流動(dòng)經(jīng)過通道裝置和所述成形孔以產(chǎn)生 所述射流。
優(yōu)選地，所述通道裝置和所述成形孔在其匯合的位置處具有基本 上相同的直徑。
有利地，所述成形孔從連接于通道裝置的第一端部向適于噴出射 流的第二端部逐漸變細(xì)。
所述連接裝置的至少一部分可基本上垂直于通道裝置的縱向軸線 延伸。
優(yōu)選地，在通道裝置和成形孔匯合的位置處，連接裝置的面積至 少為通道裝置的橫截面面積的約10倍，可選地，至少是所述橫截面面 積的20倍。
優(yōu)選地，超硬材料具有9-10的莫氏硬度。
有利地，超硬材料包括金剛石、立方氮化硼、碳化硼、碳化鎢、 碳化硅或氧化鋁。
超硬材料可包括多晶金剛石、單晶金剛石、天然金剛石或由化學(xué) 氣相沉積生成的金剛石中的至少一種。
優(yōu)選地，噴嘴元件包括金剛石塊或其他超硬材料塊。
有利地，所述超硬塊設(shè)置有反應(yīng)性結(jié)合于其上的材料的涂層，可 選地，該材料為金屬，例如鈦，或者稀土元素，例如镥。
所述超硬塊可以整體地結(jié)合到碳化鵠或其他超硬材料制成的支撐 元件，支撐元件通過所述連接裝置安裝到承載器裝置。
所述超硬塊可設(shè)置有硬金屬或不同超硬材料制成的外殼裝置，所 述連接裝置把外殼裝置和超硬塊連接到承載器裝置。
超硬材料可包括支撐在噴嘴元件本體上的涂層，優(yōu)選為金剛石涂 層，可選地，所述涂層覆蓋成形孔的內(nèi)表面，并且噴嘴元件的表面面 向遠(yuǎn)離承載器裝置的方向。
通過化學(xué)氣相沉積可以使超硬材料涂層生長到具有成形孔所需形
狀的模型上以形成厚膜，然后模型被蝕刻掉，并且超硬材料或金屬沉 積在厚膜上以產(chǎn)生噴嘴元件本體。
優(yōu)選地，所述連接裝置包括延性填充金屬，所述延性填充金屬反 應(yīng)性結(jié)合到噴嘴元件，并且反應(yīng)性結(jié)合或金屬化結(jié)合到承載器裝置。
有利地，連接裝置包括活性軟焊料，所述活性軟焊料包括錫-銀-鈦合金，可選地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素，例如镥、鉺和鈰。
連接裝置可包括活性軟焊料，所述活性軟焊料包括鋅-銀-鋁合金， 可選地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素。
連接裝置可包括活性硬焊料，所述活性硬焊料包括銀-銅-鈦基， 可選地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素，例如鉿和鋯。
承載器裝置優(yōu)選包括熱膨脹系數(shù)類似于噴嘴元件的金剛石或其他 超硬材料的熱膨脹系數(shù)的材料。
有利地，具有相似熱膨脹系數(shù)的材料包括層狀體，噴嘴元件被軟 焊或硬焊到所述層狀體上，使用熔化溫度比用于把噴嘴元件安裝到所 述層狀體上的軟焊料或硬焊料更高的軟焊料或硬焊料來將所述層狀體 軟焊或硬焊到承載器裝置的剩余部分。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種磨料水射流切割頭，包括如上 述第 一方面所述的噴嘴組件。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種生產(chǎn)用于磨料水射流切割頭的
噴嘴組件的方法，包括以下步驟提供可安裝到切割頭的承載器裝置； 提供噴嘴元件，所述噴嘴元件包括超硬材料，例如金剛石；以及，通 過軟焊或硬焊接縫把噴嘴元件密封地安裝到承載器裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種大致圓筒形的承載器，所述承 載器具有成型中央通路，所述成型中央通路連接超硬材料塊中的成型 孔，所述超硬材料塊通過軟焊或硬焊接縫連接并密封到所述承載器上， 這樣使得所述超硬材料塊上的流體載荷減到最小。
所述超硬材料中的進(jìn)口的直徑在理論上與所述承載器中的接合通 道的直徑相同，使得如果噴嘴孔被阻塞，噴嘴到承載器的接縫所承受 的最大流體載荷取決于作用在噴嘴孔進(jìn)口區(qū)域上的流體壓力。
所迷接縫可包括超硬材料和填充金屬之間的反應(yīng)性結(jié)合以及填充 金屬和承載器之間的反應(yīng)性/金屬化結(jié)合。
所述接縫的形成可包括施加單軸或等靜壓力以引起擴(kuò)散粘結(jié)。
承載器可具有密封裝置以將其密封到加壓流體源上。 所述超硬材料塊中的孔大體上從接收加壓水的進(jìn)口向排出水的出 口收縮以形成高速水射 流o
如果加壓水包含很大數(shù)量的磨料顆粒，那么離開噴嘴的射流形成 磨料水射流。
超硬材料優(yōu)選是金剛石、立方碳化硼、碳化鎢、碳化硅或其他超 硬材料，所述其他超硬材料的硬度大于或等于氧化鋁的硬度。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種具有縱向通道的圓筒形的承載 器，所述縱向通道從圓筒的第一端部通向連接并密封在所述承載器的 第二端部的表面上的超硬材料塊。在所述超硬材料中機(jī)加工出縱向通 道，并且所述縱向通道與承載器內(nèi)的縱向通道對齊，從而在加壓水或 加壓水/磨料顆粒懸浮液供給到承載器的第一端部時(shí)產(chǎn)生水射流或磨 料水射流。
有利地，超硬噴嘴材料是金剛石，或者可選擇為立方碳化硼、碳
化鴒、碳化硅或其他材料，所述其他材料的莫氏硬度為9或者更大。 金剛石可以是多晶金剛石(PCD)、單晶金剛石、化學(xué)氣相沉積(CVD)
金剛石或天然金剛石的形式。
有利地，所述超硬材料塊可以被預(yù)涂敷或噴涂金屬，優(yōu)選涂有包
含例如鈦的金屬或例如镥的稀土元素的涂層，所述涂層反應(yīng)性結(jié)合到
超硬材料上。
可以通過化學(xué)氣相沉積過程預(yù)涂敷所述超硬材料塊，所述化學(xué)氣 相沉積過程使用有助于朝承載器形成接縫的碳化鴒或其他合適的材料。
可以在金剛石塊上形成噴嘴孔，所述金剛石塊整體地結(jié)合到碳化 鴒支撐件或其他超硬材料支撐件上，使得接縫通過超硬材料形成到承 載器上。
噴嘴可以是由硬金屬或超硬材料的殼體支撐的金剛石的成形件， 所述殼體生長或沉積在金剛石上，金剛石和/或殼體通過活性接縫連接 到噴嘴承載器上。
金剛石或其他超硬材料可以裝入到支撐件和接縫內(nèi)，所述支撐件 包括金屬或另一種超硬材料，所述接縫通過金剛石或其他超硬材料和/ 或其支撐件形成到承載器上。
優(yōu)選使用活性軟焊或硬焊材料形成超硬材料和噴嘴承載器之間的 接縫，所述活性軟焊或硬焊材料與超硬材料的表面反應(yīng)，在超硬材料 和延性金屬填充材料之間形成完全粘結(jié)的過渡區(qū)。在延性金屬填充材 料和金屬或超硬承載器之間形成金屬連接。
活性軟焊料可包括錫-銀-鈦基合金，摻有其他金屬和/或活性稀土
元素，例如镥(Lu)、鉺(Er)和鈰(Ce)。
活性軟焊料可包括鋅-銀-鋁基合金，摻有其他金屬和/或活性稀土 元素。
活性硬焊料可包括銀-銅-鈦基金屬，摻有其他金屬和/或活性稀土 元素，所述活性稀土元素可包含鉿和鋯。
有利地，接縫連接面積大于IO倍的承受水壓的進(jìn)口噴嘴的面積。 噴嘴承載器可設(shè)置有將其密封到連接于承載器進(jìn)口的流動(dòng)管道的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種切割頭組件，包括
具有內(nèi)部通道的圓筒形噴嘴承載器，所述內(nèi)部通道將進(jìn)口連接到
超硬材料塊上，所述超硬材料通過連接裝置連接并密封在進(jìn)口反端的
的承載器上；
在超硬材料所連接的端部，所述噴嘴承載器一般在外表面上具有 精確直徑；
在所述超硬材料上的成型孔，其準(zhǔn)確地位于噴口本體的外表面上 的精確直徑的中心線上。
在導(dǎo)管和承載器進(jìn)口之間實(shí)現(xiàn)流體密封的裝置，所述導(dǎo)管把加壓 水或水中的磨料懸浮液供給到噴嘴承載器；
具有精確噴孔的切割頭本體，所述噴嘴承載器本體可以設(shè)置在所 述精確噴孔之內(nèi)；
所述切割頭本體設(shè)置有基本上垂直于切割頭本體的縱向軸線的接 縫，用于使運(yùn)送磨料顆粒的載流流體進(jìn)入；
超硬的聚集管，其裝入到相對于噴嘴承載器的切割頭噴孔的反端 之內(nèi)；
插入體，位于噴嘴和聚集管之間的切割頭本體噴孔之內(nèi)，具有把 所述噴嘴的出口連接到聚集管進(jìn)口的通路，以及把切割頭本體內(nèi)的磨 料/載流流體入口接縫連接到噴嘴和聚集管進(jìn)口之間的通路的通路；和
在切割頭本體內(nèi)獨(dú)立地設(shè)置并固定噴嘴承載器、插入體和聚集管 的裝置。
超硬噴嘴材料優(yōu)選是金剛石。
優(yōu)選在真空或惰性氣體爐中使用金屬合金通過軟焊或硬焊將金剛 石噴嘴連接到噴嘴本體，所述金屬合金包含鈦或其他活性元素，所述 活性元素與金剛石和噴嘴承載器基底反應(yīng)以使得在金屬合金和金剛石 和承載器之間形成化學(xué)鍵。
承載器可以是例如鉬、科瓦合金(Kovar)、因瓦合金(Invar ) 或銅/鴒合金這樣的材料，具有與用于噴嘴的金剛石或其他超硬材料相 似的熱膨脹系數(shù)。
可以使用熔化溫度比用于把噴嘴軟焊或硬焊到材料上的軟焊料或 硬焊料更高的軟焊料或硬焊料將具有與噴嘴材料兼容(或一致)的熱 膨脹系數(shù)的材料的薄段軟焊或硬焊到承載器上。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種切割頭，可更換的水射流噴嘴 組件和聚集管被裝配到所述切割頭本體之內(nèi)，從而使切割頭構(gòu)造成操 作在氣體、蒸汽、或蒸汽/氣體混合物或液體中運(yùn)送的磨料顆粒。如果 磨料顆粒以加壓液體中的懸浮液流向切割頭，那么可以移除切割頭本 體、插入體和聚集管以允許噴嘴組件用作切割頭。


現(xiàn)在將舉例并參考附圖描述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的噴嘴和切割頭的例子， 在附圖中
圖la-le示出了噴嘴組件； 圖2和3示出了巻吸切割頭； 圖4示出了間隔器； 圖5示出了磨料懸浮液切割頭； 圖6和7示出了巻吸切割頭；和 圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)的切割頭。
具體實(shí)施例方式
為了理解現(xiàn)有的AWJ技術(shù)，首先參看圖8，水射流噴口 101定位并 密封在堅(jiān)固承載器102正面，所述承載器102位于切割頭本體103之
內(nèi)。承載器102上的底座104與管105接合并與其形成金屬對金屬的 密封，所述管105向噴口 IOI供給超高壓水。水射流110在穿過腔室 107并進(jìn)入聚集管108的孔109之前流經(jīng)承載器102內(nèi)的中央通路106。 由水射流110流經(jīng)腔室107引起的拖拽力使空氣拖動(dòng)磨料顆粒進(jìn)入到 通路lll，而且朝聚集管108加速并進(jìn)入聚集管108。朝聚集管進(jìn)口 112 運(yùn)動(dòng)的空氣量大于能夠進(jìn)入孔109的空氣量，并且過量的空氣在腔室 107內(nèi)再循環(huán)，所述過量的空氣以具有^L強(qiáng)的渦流分量的不穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn) 送磨料顆粒。在聚集管孔109內(nèi)，動(dòng)量從水射流轉(zhuǎn)移到磨料顆粒，從 而產(chǎn)生切割射流113。
噴口 101由藍(lán)寶石、紅寶石或金剛石制成。藍(lán)寶石、紅寶石和金 剛石極其堅(jiān)硬，^旦也是易碎的，因此噴口的邊緣可能^皮高速運(yùn)動(dòng)的顆 粒損壞。定位噴口 1Q1使得水射流11G流經(jīng)狹窄通道106,在水流停止 時(shí)的瞬變現(xiàn)象期間，相當(dāng)大地減小磨料顆粒到達(dá)噴口附近并運(yùn)動(dòng)到噴 口上游的危險(xiǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)的有利特征在于，水射流產(chǎn)生裝置101的位置在承載器 102的正面之上，使得水壓起到把所述裝置保持并密封在承載器上的作 用。現(xiàn)有技術(shù)切割頭的進(jìn)一步有利特征在于，金剛石塊的尺寸只需要 足夠承載水壓壓縮載荷，因此使用高質(zhì)量的天然或合成金剛石是經(jīng)濟(jì) 實(shí)用的。
然而，當(dāng)水射流產(chǎn)生裝置在承載器的正面之上時(shí)，就不能防止切 割頭內(nèi)的不利的流體動(dòng)力學(xué)作用，或者不能引起所希望的流體動(dòng)力學(xué) 作用。不利的流體動(dòng)力學(xué)作用過于劇烈以致于現(xiàn)有技術(shù)的巻吸切割頭 不能有效地作用于水或蒸汽內(nèi)運(yùn)送的磨料。
現(xiàn)在描述具有成型孔的水射流產(chǎn)生噴嘴如何連接并密封到承載器 的出口以經(jīng)受住可超過400MPa的水壓，所述水射流產(chǎn)生噴嘴由金剛石 或其他超硬材料制成，所述成型孔不易#:磨料顆粒損壞。400MPa的載 荷大約是用于金剛石與金屬或其他超硬材料的連接方法的抗張強(qiáng)度的 IO倍左右?？紤]到來自循環(huán)水壓的極度疲勞載荷，理想的是連接面積 是承受水壓的噴嘴面積的20倍左右。關(guān)鍵地，為了防止加壓水進(jìn)入到 接縫而增大對接縫的流動(dòng)載荷，連接材料必須在承載器和噴嘴之間形 成不透水的密封。
通過軟焊或硬焊來連接超硬材料和金屬或其他超硬材料在本領(lǐng)域是公知的。然而，如果水透入到接縫之內(nèi)，那么由超高水壓引起的極 度拉伸載荷以及載荷的嚴(yán)重增大意味著對于水射流材料和承載器材料
的每種組合，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以建立軟焊和硬焊方法。
金剛石因其磨耗特性而是優(yōu)選的，但是更強(qiáng)的接縫可用碳化鴒和 其他超硬材料制成，并且這些材料可更易于機(jī)加工以產(chǎn)生噴嘴孔，也 更易于軟焊或硬焊。因此，理想的是根據(jù)許多因素來旋轉(zhuǎn)超硬噴嘴材料。
為了進(jìn)行示例說明，描述了使用軟焊或硬焊來連接金剛石和金屬 或其他超硬材料，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以使用類似的連接方法將其他超 硬噴嘴材料連接到金屬或另 一種超硬材料。
為了清楚起見，超硬材料在此定義成具有在莫氏硬度計(jì)上為9或 更高硬度的材料。
參看圖la,示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的噴嘴組件，水射流噴嘴1具有承 載器2,其進(jìn)口3通向通道4，通道4向金剛石材料塊內(nèi)的成型孔7收 縮，所述金剛石材料塊呈坯體的形式形成噴嘴5。噴嘴5通過接縫6連 接并密封到承載器2上。為了使接縫6上的流動(dòng)載荷最小，承載器2 內(nèi)的流動(dòng)通道4的外徑一般選擇為最小實(shí)用值，其與在承載器2的材 料的侵蝕速度以下的水流速度以及與實(shí)現(xiàn)鉆孔和拋光操作以形成噴嘴 孔7的要求相符合。
使用摻有活性元素的軟焊或硬焊合金實(shí)現(xiàn)金剛石坯體5和噴嘴承 載器2之間的接縫6。這種軟焊的例子是具有活性元素鈦(Ti )、鎵(Ga ) 和鈰(Ce)的錫(Sn)-銀(Ag)合金。活性硬焊合金的例子是具有鈦 (Ti )和其他活性元素的銀(Ag )-銅(Cu )合金?；钚栽嘏c氧化層 和表面反應(yīng)以允許潤濕。良好的接縫在軟焊或硬焊材料、金剛石和承 載器材料之間具有大范圍的化學(xué)鍵接，不需要的界面化合物和易碎層 及其他連接弱化層的形成是最少的。
雖然軟焊料一般定義為具有低于約45 (TC的熔點(diǎn)，但有利的是在更 高溫度下實(shí)施軟焊周期中的一部分。在這種情況下，在降低溫度之前 可以使用高達(dá)850。C左右的溫度進(jìn)行潤濕以形成接縫，所述接縫比由硬 焊點(diǎn)(超硬材料的硬焊一般包括高于70(TC的固相線溫度)產(chǎn)生的接縫 具有更^f氐的殘余熱致應(yīng)力。
在連接噴嘴5的坯體之前可以完全機(jī)加工承載器2，使承載器上的
連接面具有機(jī)加工后的表面結(jié)構(gòu)以使連接強(qiáng)度最大化。 一般在真空或
惰性氣體爐中實(shí)施批量噴嘴的硬焊。在保持器2和金剛石坯體5之間 定位由金屬薄片切割的軟焊或硬焊預(yù)成形片。使用軟焊或硬焊的溫度/ 時(shí)間周期保證良好的連接特性并使易碎金剛石內(nèi)的殘余應(yīng)力最小化。 硬焊提供更強(qiáng)的接縫并且優(yōu)選用于連接在高于800。C的硬焊溫度下熱 穩(wěn)定的金剛石。超聲或其他振動(dòng)裝置可有助于獲得令人滿意的接縫。
濕是與:間有2的。不良的潤濕特性可、以用作成功的接縫形成的指標(biāo)。 軟焊或硬焊阻焊劑的中心孔被大致機(jī)加工成大于通道4的出口。在軟 焊或硬焊周期之后，在接縫6和承載器通道孔4之間可以觀察到接縫 材料的成功流動(dòng)以形成關(guān)鍵的密封。
有利的是，不拋光CVD金剛石的生長面，并使用金剛石的粗糙生 長面作為接縫表面，以便增大接縫結(jié)合的面積。
為了質(zhì)量控制并使成本最小化，理想的是具有僅僅一個(gè)操作以產(chǎn) 生能夠經(jīng)受住極度壓力和疲勞載荷的接縫。然而，如果在與特殊金剛 石噴嘴坯體5形成接縫時(shí)出現(xiàn)問題，所述坯體可以預(yù)先涂有鈦基涂層 或其他涂層，所述鈦基涂層或其他涂層與坯體反應(yīng)生成化學(xué)鍵并在軟 焊或硬焊期間潤濕。替代性地，可以使用有助于向承載器形成接縫的 碳化鴒或其他合適材料通過化學(xué)氣相沉積來預(yù)涂敷坯體。
為了產(chǎn)生直徑高達(dá)400 ium左右的水射流以及直徑低于200 n m左 右的磨料懸浮液水射流，厚度為l-3mni且直徑為3-6mm的金剛石或其 他超硬材料坯體是適用的。
在噴嘴坯體5內(nèi)機(jī)加工的孔7的形狀取決于應(yīng)用。使加壓水中的 磨料懸浮液經(jīng)過的噴嘴的孔7 —般具有簡單的圓形或錐形進(jìn)口，其長 度等于4倍左右的孔徑，其后接有近似恒定直徑的10-20倍孔徑長度 的孔。
在水射流噴嘴出口附近的每個(gè)孔徑上的摩擦損失是在切割頭進(jìn)口 處的水力的2%左右。目的是使噴嘴內(nèi)的摩擦能量損耗和產(chǎn)生的水射流 特性平衡，所述水射流特性在將磨料顆粒巻吸到聚集管之內(nèi)并將動(dòng)能 從水射流轉(zhuǎn)移到聚集管內(nèi)的顆粒時(shí)是有效的。對于把磨料巻吸成水中 的懸浮液的切割頭，噴嘴出口和聚集管之間的距離可以僅為幾個(gè)水射 流直徑，使得有利于使射流在從噴嘴離開時(shí)的巻吸能力最大化。在水
射流噴嘴出口之前，使用接有大約兩個(gè)平行區(qū)段的15。C左右的錐形收 縮實(shí)現(xiàn)這個(gè)最大化，這個(gè)幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有因氣穴和摩擦形成的湍流 表面的射流。
對于在空氣中運(yùn)送到切割頭的磨料顆粒，水射流在進(jìn)入聚集管之 前可行進(jìn)10倍或更多的射流直徑。在這個(gè)情況下，噴嘴的近似平行的 出口的長度只需要足夠使噴嘴出口經(jīng)受住水壓載荷和顆粒撞擊。
圖lb、 lc、 ld和le示出了替代性的承載器和噴嘴布置。
圖lb示出了由金剛石制成的噴嘴80，所述金剛石在硬焊6到承載 器/保持器2上的碳化鎢或其他基底82上形成為整體層81。
圖lc示出了包括一塊金剛石(例如PCD) 83的噴嘴，金剛石83 裝入到碳化鴒84中，所述噴嘴通過金剛石83和碳化鴒84硬焊到承載 器2上。碳化鴒殼體84的外部88與噴嘴保持器直徑8 —樣可被機(jī)加 工到極限公差，允許預(yù)先鉆出保持器2中的孔4和金剛石83中的孔7 并在硬焊期間準(zhǔn)確接合。碳化鴒殼體84可以生長或沉積到金剛石83 之上。在一些情況下，可以使用硬金屬代替碳化鴒或類似的超硬材料。
圖ld示出特別適用于微型切割頭的噴嘴布置，在其中難以提供合 適的流動(dòng)通道以使水中的磨料混合物到達(dá)噴嘴出口 。金剛石塊86被硬 焊到噴嘴的進(jìn)口面上以提供與大部分流體載荷的水密封，所述流體載 荷由金剛石的側(cè)面上硬焊接縫87承載。金剛石可以具有矩形或其他的 橫截面。
圖le示出由本體91之內(nèi)的孔7中的CVD金剛石或其他超硬材料 層90的沉積或生長形成的噴嘴，所述本體通過接縫6連接并密封到承 載器2。超硬材料層90可延伸超過本體91的出口面，從而保護(hù)承載器 2免受磨料顆粒的侵蝕。接縫6可以形成到超硬材料90上，也可形成 到本體91上。
代替在孔7之內(nèi)生長CVD金剛石或其他超硬材料的是，可以在具 有所期望的孔7的形狀的模型上生長厚膜，模型被蝕刻掉，并且在厚 膜的外部之上沉積或生長金屬或超硬材料殼體，從而形成本體91。
可以從板材切下用于噴嘴5、 80和83的PCD及其他金剛石或超硬 材料坯體，其具有包括特征的外部形狀，所述特征形成通道的一部分， 用于載流流體內(nèi)的磨料流動(dòng)并巻吸到水射流出口 7之內(nèi)。
在碳化鴒用作超硬材料時(shí)， 一種特別合適的形式是以注冊商標(biāo)為R0CTEC出售的混合碳化物，如美國明尼蘇達(dá)州特拉弗斯市的肯納硬質(zhì) 金屬有限公司(Kennametal Inc of Traverse City， Minnesota, USA) 用于磨料水射流聚集管的混合碳化物。
圖2示出用于巻吸在載流流體內(nèi)運(yùn)送的磨料顆粒的切割頭。如圖 la-le中任一幅圖所示的水射流噴嘴1位于切割頭的本體10內(nèi)，并且 被螺紋13連接本體10和準(zhǔn)直管12所施加的載荷密封在準(zhǔn)直管12上 的底座ll之上。切割頭本體IO具有孔14,其位于水射流噴嘴1的外 徑8的外部，并且間隔器15和聚集管16被裝配到所述孔14之內(nèi)。通 過密封件19密封到本體10的定位裝置17相對于本體10內(nèi)的通路18 安置間隔器15。帶有螺紋22的壓蓋螺母21裝上密封保持環(huán)23以保持 和密封本體10的孔14內(nèi)的聚集管16。
流向準(zhǔn)直管12的加壓水源25經(jīng)由通路3和4流向噴嘴孔7以產(chǎn) 生水射流9。水射流9流經(jīng)在間隔器15內(nèi)形成的腔室29并進(jìn)入聚集管 16的進(jìn)口 20和孔24。載流流體26內(nèi)的磨料顆粒通過連接部27流向 切割頭本體10內(nèi)的通道18,進(jìn)入到腔室29內(nèi)并進(jìn)入到聚集管16的進(jìn) 口 20之內(nèi)。在聚集管孔24內(nèi)，動(dòng)能從水射流9轉(zhuǎn)移到磨料顆粒以在 聚集管16的出口提供切割射流25。通過孔7和孔24的孔軸與它們的 直徑同心且它們的外徑在本體10的孔14內(nèi)具有精密公差，實(shí)現(xiàn)了水 射流噴嘴1內(nèi)的孔7和聚集管16內(nèi)的孔24的的縱向?qū)?zhǔn)。連接部27 通過密封件28密封到本體10。
圖3示出緊湊的切割頭，其具有直接連接到準(zhǔn)直管12的噴嘴承載 器30,準(zhǔn)直管12向切割頭供給加壓水。切割頭的流體動(dòng)力學(xué)基本上與 圖2中的切割頭的流體動(dòng)力學(xué)相同。噴嘴承載器30相對于圖1中的承 載器2在其進(jìn)口端部上延伸，并且具有含有內(nèi)螺紋32和外螺紋31的 區(qū)段。在承載器30的收縮孔內(nèi)設(shè)置承載器30和準(zhǔn)直管12之間的金屬 對金屬的密封件39。切割頭本體33通過布置圖中的螺紋31連接到噴 嘴承載器30。聚集管35固定在承載器34內(nèi)。在帶有螺紋31的噴嘴承 載器30之上的螺絲本體33把聚集管承載器34和間隔器36保持就位。
載流流體26中的磨料顆粒流以一定角度進(jìn)入通道37，從而保持對 本體33的連接遠(yuǎn)離從工件反射的磨料。噴嘴承載器通過密封件46密 封到切割頭本體33。
圖4示出適用于圖3所示的切割頭的間隔器40。間隔器40具有進(jìn)
口收縮部41和計(jì)量區(qū)44，所述進(jìn)口收縮部41連接到切割頭本體33內(nèi) 的通路37。計(jì)量區(qū)44連接腔室43，水射流9通過所述腔室43從噴嘴 7流向聚集管35。間隔器40上的扁平部42或其他特征可與切割頭本 體33上的特征相配，/人而相對于通路37定位通道41。替代性地，通 道37和腔室39可以機(jī)加工到聚集管承載器34和聚集管35之內(nèi)。
圖5示出噴嘴布置59,其特別適合于產(chǎn)生小直徑的磨料水射流。 加壓磨料/水源50通過準(zhǔn)直管51內(nèi)的通路53流向噴嘴保持器52內(nèi)的 通道56到達(dá)噴嘴5。噴嘴承載器52通過螺紋54保持在準(zhǔn)直管51之上 并通過密封件55密封到準(zhǔn)直管51上。通路53和56之間的界面使得 磨料顆粒不能積聚在死區(qū)之內(nèi)?？蛇x擇用于噴嘴5的金剛石坯體的直 徑以在磨料水射流58從工件反射時(shí)保護(hù)保持器52不受磨料的影響。
圖6示出具有如圖5所示的噴嘴組件59的巻吸切割頭，以及適合 在磨料顆粒載流流體是空氣時(shí)使用的間隔器61。噴嘴承載器52上的直 徑57與噴嘴5的孔同心，并且位于切割頭本體60的孔65之內(nèi)，間隔 器61和聚集管16裝在孔65之內(nèi)。間隔器61具有與本體60內(nèi)的通道 66對準(zhǔn)的通道62。通道66連接于在載流流體中懸浮的磨料顆粒源26。
當(dāng)所需進(jìn)入到聚集管16之內(nèi)的載流流體流不足以從磨料顆粒源向 通道66輸送磨料顆粒時(shí)，連接于通道66本體60內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)通道 67可用于排出載流流體流26。通道66可#1成型以增大經(jīng)過通道67的 顆粒動(dòng)量，并從而使進(jìn)入通道67的磨料顆粒最少。通過通道67排出 載流流體特別有利于在載流流體是空氣時(shí)產(chǎn)生直徑小于5 00 p m的切割 射流。
在大約100ym的聚集管孔徑以下，噴嘴孔和聚集管孔的校準(zhǔn)必須 保持在5nm左右。圖7示出特別適合于獲得噴嘴和聚集管孔的良好校 準(zhǔn)的布置。聚集管35位于承載器74內(nèi)，承載器74的延伸段75緊密 配合在噴嘴承載器1的外徑77上。通過定位噴嘴孔相對于外徑77以 及聚集管孔相對于延伸段75的內(nèi)孔的位置，可以獲得優(yōu)于5ym的校 準(zhǔn)。
噴嘴承載器1被本體72保持，本體72通過螺紋71連接于套管70。 套管70通過螺紋73連接于準(zhǔn)直管12。連接本體72和套管70的螺紋 71可被快速釋放的間歇式螺紋或其他快速釋放機(jī)構(gòu)代替，使得通過稍 微檸松套管70以釋放噴嘴承載器1和準(zhǔn)直管12之間的載荷，本體72 可4皮旋轉(zhuǎn)幾圈并祐:松開。
聚集管35可通過收縮配合、粘合劑、硬焊或其他的連接密封手段 保持在聚集管承載器74內(nèi)。密封件76把聚集管承載器72密封到本體 72上。定位螺釘78保持聚集管承載器74,使得聚集管承載器內(nèi)的通 道79對準(zhǔn)通道80。本體72內(nèi)的通道80連接于載流流體內(nèi)的磨沖+顆粒 源26。這個(gè)切割頭的流體動(dòng)力學(xué)作用大致如參考圖2所述的一樣。
權(quán)利要求
1.一種噴嘴組件，所述噴嘴組件適于產(chǎn)生供磨料水射流切割頭使用的水射流或懸浮在水中的磨料顆粒射流，所述噴嘴組件包括承載器裝置，可安裝到切割頭并具有從中穿過的細(xì)長通道裝置；以及噴嘴元件，所述噴嘴元件包括通過軟焊或硬焊連接裝置密封地安裝到承載器裝置的超硬材料并具有從中穿過的細(xì)長成形孔，所述成形孔連接到通道裝置使得水或水中的磨料顆粒的懸浮液在壓力下可流動(dòng)經(jīng)過通道裝置和所述成形孔以產(chǎn)生所述射流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于所述通道裝置 和所述成形孔在其匯合的位置處具有基本上相同的直徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 所述成形孔從連接于通道裝置的第一端部向適于噴出射流的第二端部 逐洋斤變細(xì)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于所 述連接裝置的至少一部分基本上垂直于通道裝置的縱向軸線延伸。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于在 通道裝置和成形孔匯合的位置處，連接裝置的面積至少為通道裝置的 橫截面面積的約10倍，可選地，至少是所述橫截面面積的20倍。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于超 硬材料具有9-10的莫氏硬度。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于超 硬材料包括金剛石、立方氮化硼、碳化硼、碳化鎢、碳化硅或氧化鋁。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于超 硬材料包括多晶金剛石、單晶金剛石、天然金剛石或由化學(xué)氣相沉積 生成的金剛石中的至少一種。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于噴嘴元件包括金剛石塊或其他超硬材料塊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴嘴組件，其特征在于所述超硬塊設(shè)置有反應(yīng)性結(jié)合于其上的材料的涂層，可選地，該材料為金屬，例 如鈦，或者稀土元素，例如镥。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴嘴組件，其特征在于所述超硬塊 整體地結(jié)合到碳化鴒或其他超硬材料制成的支撐元件，并且支撐元件 由所述連接裝置安裝到承載器裝置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴嘴組件，其特征在于所述超硬塊 設(shè)置有硬金屬或不同超硬材料制成的外殼裝置，并且所述連接裝置把外殼裝置和所述超硬塊連接到承載器裝置。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 超硬材料包括支撐在噴嘴元件本體上的涂層或厚膜，優(yōu)選為金剛石涂 層或厚膜，可選地，所述涂層或厚膜覆蓋或形成成形孔的內(nèi)表面，并 且噴嘴元件的表面面向遠(yuǎn)離承載器裝置的方向。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 所述連接裝置包括延性填充金屬，所述延性填充金屬反應(yīng)性結(jié)合到噴 嘴元件，并且反應(yīng)性結(jié)合或金屬化結(jié)合到承載器裝置。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 連接裝置包括活性軟焊料，所述活性軟焊料包括錫-銀-鈦合金，可選 地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素例如镥、鉺和鈰。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于連接裝置包括活性軟焊料，所述活性軟焊料包括鋅-銀-鋁合金，可選 地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 連接裝置可包括活性硬焊料，所述活性硬焊料包括銀-銅-鈦基，可選 地，摻有其他金屬和/或活性稀土元素，例如鉿和鋯。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴嘴組件，其特征在于 承載器裝置包括熱膨脹系數(shù)類似于噴嘴元件的金剛石或其他超硬材料 的熱膨脹系數(shù)的材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的噴嘴組件，其特征在于具有相似熱 膨脹系數(shù)的材料包括層狀體，噴嘴元件被軟焊或硬焊到所述層狀體上， 使用熔化溫度比用于把噴嘴元件安裝到所述層狀體上的軟焊料或硬焊 料更高的軟焊料或硬焊料來將所述層狀體軟焊或硬焊到承載器裝置的 剩余部分。
20. —種磨料水射流切割頭，包括前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的 噴嘴組件。
21. —種生產(chǎn)用于磨料水射流切割頭的噴嘴組件的方法，包括以 下步驟提供可安裝到切割頭的承載器裝置；提供噴嘴元件，所述噴 嘴元件包括超硬材料，例如金剛石；以及，通過軟焊或硬焊接縫把噴 嘴元件密封地安裝到承載器裝置。
全文摘要
一種噴嘴組件(1)，其產(chǎn)生供磨料水射流切割頭使用的水射流或懸浮在水中的磨料顆粒射流(9)。噴嘴組件(1)包括噴嘴元件(5、80、84、86、91)，噴嘴元件具有從中穿過的錐形孔(7)，噴嘴元件安裝到承載器(2、52)上，使得孔(7)通過承載器(2、52)同軸地連接于通道(4)，孔(7)和通道(4)在其匯合處優(yōu)選具有相同的直徑。噴嘴元件包括呈固體本體(5、81、83、86)或涂層(90)形式的超硬材料，例如金剛石。噴嘴元件通過硬焊或軟焊接縫(6)安裝到承載器(2、52)，硬焊或軟焊接縫垂直地延伸到通道(4)和孔(7)的縱向軸線。
文檔編號B24C5/00GK101351304SQ200680040752
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者D·S·米勒 申請人:法因卡特公司