專利名稱：一種可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光金屬直接制造用噴嘴，特別涉及一種激光同軸送 粉噴嘴，屬于激光加工和激光快速制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光金屬直接制造技術(shù)融合了快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，是快速 成形基本原理和激光加工技術(shù)精華的集成。以"離散一堆積"成形原理為 基礎(chǔ)。首先在計算機中生成最終功能零件的三維CAD模型；然后將該模型按一定的厚度分層切片，控制成形系統(tǒng)采用激光同軸送粉噴嘴按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料；最終形成三維凈成形實體零件。目前，激光金屬直接制造技術(shù)主要有三種供粉方法鋪粉法、側(cè)向送 粉法和同軸送粉法。鋪粉法需要在激光熔化前把粉末預(yù)鋪在工件表面，經(jīng) 激光熔覆堆積成形。主要問題是容易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，稀釋率難以 控制。側(cè)向送粉可實現(xiàn)粉末和基體同時熔化，但激光束與送粉區(qū)重合程度 不易控制，容易出現(xiàn)激光掃描方向各向異性，影響熔覆成形質(zhì)量。同軸送 粉可解決上述問題，調(diào)整激光聚焦點與粉末匯聚點重合，獲得粉末的最大利用率和最小的稀釋率。目前同軸送粉噴嘴主要有兩種形式四管式同軸送粉噴嘴和錐環(huán)式同 軸送粉噴嘴。美國Sandia國家實驗室用于激光工程化凈成形技術(shù)(LENS) 的同軸噴嘴采用了四管式同軸送粉噴嘴(美國專利11.8. 化4724299)，雖然 激光焦點位置與粉末焦點可以調(diào)節(jié)，噴嘴內(nèi)通有冷卻水而得到很好冷卻， 但粉末很難在周向均勻噴入激光熔池，且沒有專門的保護氣體防止氧化。 另一美國專利11.8. 化5477026的基本結(jié)構(gòu)為多層同心錐筒形式，包含同軸光路通道、粉路通道和氣路通道，粉末流采用三路或四路垂直進入方式.靠 近端部有冷卻裝置。主要不足為噴嘴出口的粉末流均勻性相對較差，不能 滿足精密制造均勻同軸送粉的要求，噴嘴自身不具備調(diào)節(jié)匯聚直徑的能力。清華大學(xué)采用垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴(CN1390649A)， 華南理工大學(xué)研制的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴(CN2707772Y)，后三種同軸 送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)基本相似。發(fā)明內(nèi)容鑒于激光金屬直接制造對同軸送粉噴嘴提出了更高的要求，要求同軸送粉噴嘴所送出的粉末，周向分布更加均勻，具有良好的匯聚性為了延 長噴嘴的使用壽命，要求同軸送粉噴嘴具有良好的冷卻效果；因此本發(fā)明 的目的在于克服現(xiàn)有噴嘴在激光熔覆過程出現(xiàn)的粉末匯聚效果較差、粉末 利用率偏低等缺陷，提供一種粉腔、氣腔和焦距可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴， 具有較好的粉末匯聚效果、較高的粉末利用率、良好的水冷效果，整個噴 嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，加工工藝性好，且操作方便。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 一種可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，包括激光頭及保護鏡、保護鏡水冷套、 上部的圓柱激光腔體、中部由激光套內(nèi)層構(gòu)成的同軸圓錐激光腔體，激光 腔體外下部設(shè)置有粉腔、次外層保護氣腔和最外層水冷腔。其特征在于所 述粉腔由激光套與一個粉末腔體套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之間形成；所述 的次外層保護氣腔由粉末腔體套與一個保護氣套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之 間形成；所述粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯(lián)結(jié)在1 3mm之間可調(diào)； 所述粉腔和保護氣腔的圓錐上部周圍分別設(shè)置有多個均布的送粉管和多個 均布的送氣管。上述方案中，粉腔與同軸圓錐激光腔體軸線的夾角為15 30° ;保護 氣腔與同軸圓錐激光腔體軸線的夾角為20 45。。所述多個送粉管和多個送 氣管均可為4 6個。所述最外層水冷腔由保護氣套與噴嘴水冷套焊接后在二者之間形成。水冷腔內(nèi)設(shè)置有螺旋分水塊。螺旋分水塊內(nèi)側(cè)設(shè)有進水通 道，外側(cè)設(shè)有螺旋出水通道。所述上部的圓柱激光腔體外側(cè)可設(shè)置有由升降外套筒、升降內(nèi)套筒組 成離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)，該離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)下部設(shè)置有由調(diào)節(jié)底座、調(diào)節(jié)螺釘 組成的激光套對中調(diào)節(jié)機構(gòu)；升降內(nèi)套筒聯(lián)結(jié)保護鏡水冷套。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點 (1 )本發(fā)明送粉腔的環(huán)錐形通道厚度可以通過調(diào)節(jié)聯(lián)結(jié)螺紋得到理想 的粉末流態(tài)和匯聚直徑，具有調(diào)節(jié)匯聚直徑大小的能力，可適應(yīng)輸送不同 粒度的粉末。依據(jù)噴嘴尺寸大小設(shè)置4 6個送粉管，具有足夠長的送粉通 道，有利于提高粉末在匯聚點處的均勻性。粉末匯聚直徑最小可達lmm。(2) 本發(fā)明設(shè)計的水冷腔中設(shè)有螺旋分水塊，螺旋分水塊內(nèi)側(cè)開有進 水通道，外側(cè)開有螺旋出水通道，冷卻水腔中由于螺旋分水塊的存在，能 迅速帶走熱量，使激光送粉噴嘴的熱端得到均勻冷卻。避免了冷卻水出現(xiàn)"短路"現(xiàn)象，有效地提高了冷卻效果。(3) 保護氣套與粉末腔體套通過螺紋聯(lián)結(jié)組成保護氣腔，保護氣套圓 周上(依據(jù)噴嘴尺寸大小)均勻分布有4 6個進氣管，調(diào)節(jié)保護氣腔的厚 度，可促進粉末匯聚，能有效地保護熔池不被氧化。(4) 粉末腔的錐體與激光腔體軸心線的夾角為15 30° ，保護氣腔的 錐體與激光腔體軸心線之間的夾角為20 45。。從送粉管和送氣管末端經(jīng) 粉末腔和保護氣腔到送粉噴嘴和氣體出口處的直線距離較長，有利于粉末 和氣體的均勻混合。水冷腔、保護氣腔和粉腔的下錐體，可沿粉末腔的內(nèi) 錐頭與激光套分離，使水冷腔、保護氣腔和粉腔的下錐體易于更換。(5) 內(nèi)外升降筒組成送粉噴嘴的升降機構(gòu)，升降機構(gòu)用于調(diào)節(jié)粉末焦 點與激光焦點的重合或離焦，可以滿足激光熔覆成形對聚焦光斑直徑的不 同要求。調(diào)節(jié)離焦量過程中，噴嘴的其它部件不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，噴嘴外接的各 種管道不會纏繞，操作十分便捷。本發(fā)明噴嘴所適用的聚焦鏡焦距范圍可 為100 300mm。(6)粉末匯聚點相對于激光焦點的位置不僅可通過離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)垂 直無級調(diào)整，且可通過對中調(diào)節(jié)機構(gòu)進行徑向調(diào)整，用來調(diào)整粉末匯聚點 與激光焦點的對中與重合。此外，本發(fā)明激光套的內(nèi)部采用階梯形的激光通路，比錐形激光通路 更便于加工，制造成本進一步降低。綜上，本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可使粉 末周向分布均勻，使激光不受熔覆方向限制，噴嘴保持良好的冷卻性能， 熔覆層組織致密、有光澤、輪廓整潔，能有效提高激光直接制造金屬零件 的尺寸精度和組織性能。本發(fā)明既可適用于單金屬粉末或陶瓷粉末，又可適用于雙金屬粉末或 陶瓷粉末的激光金屬直接快速制造，也可用于一般表面激光熔覆、激光修復(fù)和激光焊接等。本發(fā)明可使用于波長為1.06微米的Nd: YAG激光器， 也可使用于波長為10.6微米的CCV激光器。


圖1為本發(fā)明激光同軸送粉噴嘴總體結(jié)構(gòu)圖。 圖2為圖1中的螺旋分水塊進水通道和螺紋出水通道的放大圖。 圖3為圖1中的螺旋分水塊、水冷套、粉腔和氣腔結(jié)構(gòu)的放大圖。 圖1至圖3中1、噴嘴水冷套；2、螺旋分水塊；3、冷卻水管；4、 保護氣套；5、送氣管；6、粉末腔體套；7、送粉管；8、激光套；9、鎖緊 螺母；10、調(diào)節(jié)螺釘；11、調(diào)節(jié)底座；12、升降內(nèi)套筒；13、升降外套筒; 14、升降螺母；15、壓緊螺母；16、保護鏡水冷套；17、保護鏡水冷套進 水管；18、激光頭；19、保戶鏡；20、進水通道；21、螺旋出水通道；22、 環(huán)形槽。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。如附圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的特征在于，同軸送粉噴嘴的下部由噴嘴水冷套l、保護氣套4、粉末腔體套6和激光套8組成，同軸送粉噴 嘴的上部由對中調(diào)節(jié)底座11、升降內(nèi)、外套筒12、 13、保護鏡水冷套16 和兩螺紋夾具組成。噴嘴水冷套1在其圓柱部分焊接有冷卻水進、出管道3。 噴嘴水冷套1、保護氣套4組成水冷腔。為了防止冷卻水在水冷腔中出現(xiàn)"短 路循環(huán)"現(xiàn)象，水冷腔內(nèi)設(shè)置了分水螺旋塊2，分水螺旋塊2呈錐環(huán)形，內(nèi) 側(cè)開有進水通道，外側(cè)開有螺旋出水通道，強迫冷卻水進行對流熱交換。 冷卻水管3 (進、出水管)相差180°。分水螺旋塊2上的進水通道進口和 螺旋出水通道出口，分別與進水管和出水管相對應(yīng)。保護氣套4與粉末腔體套6通過螺紋連接組成保護氣腔，保護氣腔的 厚度在1 3mm之間可調(diào)，保護氣腔上均布4 6個送氣管5，在送氣管5 出口處保護氣套4錐面上開有一個環(huán)形槽22，該環(huán)形槽22可促進保護氣在 氣腔內(nèi)的均勻分布。保護氣腔與激光腔體軸線的夾角為20 45。。粉末腔體 套6與激光套8通過螺紋聯(lián)結(jié)組成粉腔，粉腔的厚度在1 3mm之間可調(diào)， 調(diào)節(jié)時可實現(xiàn)無級可調(diào)，也可通過標(biāo)準(zhǔn)墊圈調(diào)節(jié)。在粉腔上同樣均布著4 6送粉管7。粉腔與激光腔體軸線的夾角為15 30°。送粉管7、送氣管5 的軸線分別與粉腔、保護氣腔相切，有利于粉末和保護氣從噴嘴中噴出， 同時保護氣腔和粉腔具有足夠的長度，為粉末和保護氣均勻引出噴嘴提供 了保證。激光套8末端內(nèi)側(cè)采用階梯型結(jié)構(gòu)形成激光通道，從生產(chǎn)工藝上降低 了生產(chǎn)制造的難度。激光套8上部采用法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭盤與調(diào)節(jié)底座11構(gòu) 成了對中調(diào)節(jié)機構(gòu)的主體，調(diào)節(jié)底座11上對應(yīng)于法蘭的高度處有四個調(diào)節(jié) 螺釘10，利用調(diào)節(jié)螺釘10以激光光束為中心對噴嘴激光套進行對中調(diào)節(jié)， 用鎖緊螺母9進行鎖緊。此調(diào)節(jié)機構(gòu)保證了激光焦點和粉末焦點之間的對 中性。調(diào)節(jié)底座11通過螺紋聯(lián)結(jié)與升降內(nèi)套筒12相聯(lián)，升降內(nèi)套筒12、 升降外套筒13、升降螺母14和壓緊螺母15四者之間形成了一個變形的絲 杠螺母機構(gòu)，即噴嘴中的升降機構(gòu)，此機構(gòu)保證激光焦點與粉末匯聚點的 重合與離焦量的調(diào)節(jié)。具體的結(jié)構(gòu)是在升降外套筒13上開四個均布的溝槽，相應(yīng)地在升降內(nèi)套筒12的頂部外圓周上伸出四個短爪，工作時四個短 爪在四個溝槽內(nèi)運動，升降內(nèi)套筒12的外徑與升降外套筒12的內(nèi)徑是間 隙配合，升降外套筒13的外部開有螺紋，升降螺母14和壓緊螺母15擰在 升降外套筒13上，升降內(nèi)套筒12的四個短爪位于升降螺母14和壓緊螺母 15之間?？紤]材料對激光的吸收、加工性、焊接性和導(dǎo)熱性，本發(fā)明送粉噴嘴 的制造材料主要使用了紫銅或黃銅(銅對激光的反射率極高，導(dǎo)熱性極佳， 且易于加工和焊接)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，包括激光頭及保護鏡、保護鏡水冷套、上部的圓柱激光腔體、中部由激光套內(nèi)層構(gòu)成的同軸圓錐激光腔體，激光腔體外下部設(shè)置有粉腔、次外層保護氣腔和最外層水冷腔；其特征在于，所述粉腔由激光套與一個粉末腔體套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之間形成；所述的次外層保護氣腔由粉末腔體套與一個保護氣套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之間形成；所述粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯(lián)結(jié)在1～3mm之間可調(diào)；所述粉腔圓錐上部周圍設(shè)置有多個均布的送粉管；保護氣腔的圓錐上部周圍設(shè)置有多個均布的送氣管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，粉腔 與同軸圓錐激光腔體軸線的夾角為15 30° ;保護氣腔與同軸圓錐激光腔體 軸線的夾角為20 45。。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，所述 多個送粉管和多個送氣管均為4 6個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，所述 最外層水冷腔由保護氣套與噴嘴水冷套悍接后在二者之間形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，所述 的水冷腔內(nèi)設(shè)置有螺旋分水塊，其內(nèi)側(cè)設(shè)有進水通道，外側(cè)設(shè)有螺旋出水通 道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，所述 上部的圓柱激光腔體外側(cè)設(shè)置有由升降外套筒、升降內(nèi)套筒組成離焦量調(diào)節(jié) 機構(gòu)，該離焦量調(diào)節(jié)機構(gòu)下部設(shè)置有由調(diào)節(jié)底座、調(diào)節(jié)螺釘組成的激光套對 中調(diào)節(jié)機構(gòu)；升降內(nèi)套筒聯(lián)結(jié)保護鏡水冷套。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在于，在送 氣管出口處的保護氣套錐面上開有一個環(huán)形槽。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，其特征在 于，所述圓錐激光腔體為階梯形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)式激光同軸送粉噴嘴，包括激光頭及保護鏡、保護鏡水冷套、上部的圓柱激光腔體、中部由激光套內(nèi)層構(gòu)成的同軸圓錐激光腔體，激光套外下部設(shè)置有粉腔、次外層保護氣腔和最外層水冷腔；粉腔由激光套與一個粉末腔體套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之間形成；次外層保護氣腔由粉末腔體套與一個保護氣套通過螺紋聯(lián)結(jié)后在二者之間形成；粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯(lián)結(jié)在1～3mm之間可調(diào)；粉腔和保護氣腔的圓錐上部周圍分別設(shè)置有4～6個送粉管和4～6個送氣管。本發(fā)明同軸送粉噴嘴所適用的聚焦鏡焦距范圍為100～300mm，具有裝卸方便、粉末流速均勻、粉末匯聚直徑調(diào)節(jié)靈活、下部同軸圓錐體(粉腔、氣腔和水腔部分)易于更換等優(yōu)點。
文檔編號B22F3/105GK101264519SQ20081001790
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者盧秉恒, 哲 孫, 張安峰, 李滌塵, 趙萬華 申請人:西安交通大學(xué)