一種可調式激光同軸送粉噴嘴制造技術

本發明專利技術公開了一種可調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、中部由激光套內層構成的同軸圓錐激光腔體，激光套外下部設置有粉腔、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結后在二者之間形成；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結后在二者之間形成；粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯結在１～３ｍｍ之間可調；粉腔和保護氣腔的圓錐上部周圍分別設置有４～６個送粉管和４～６個送氣管。本發明專利技術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、粉末匯聚直徑調節靈活、下部同軸圓錐體（粉腔、氣腔和水腔部分）易于更換等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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域。
技術介紹
激光金屬直接制造技術融合了快速成形技術和激光熔覆技術，是快速 成形基本原理和激光加工技術精華的集成。以"離散一堆積"成形原理為 基礎。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主要有三種供粉方法鋪粉法、側向送 粉法和同軸送粉法。鋪粉法需要在激光熔化前把粉末預鋪在工件表面，經 激光熔覆堆積成形。主要問題是容易產生氣孔、夾雜等缺陷，稀釋率難以 控制。側向送粉可實現粉末和基體同時熔化，但激光束與送粉區重合程度 不易控制，容易出現激光掃描方向各向異性，影響熔覆成形質量。同軸送 粉可解決上述問題，調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(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節，噴嘴內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的基本結構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，噴嘴自身不具備調節匯聚直徑的能力。清華大學采用垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴(CN1390649A)， 華南理工大學研制的環式同軸激光熔覆噴嘴(CN2707772Y)，后三種同軸 送粉噴嘴的結構基本相似。
技術實現思路
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；因此本專利技術 的目的在于克服現有噴嘴在激光熔覆過程出現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 嘴結構設計合理，加工工藝性好，且操作方便。為達到以上目的，本專利技術是采取如下技術方案予以實現的 一種可調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、中部由激光套內層構成的同軸圓錐激光腔體，激光 腔體外下部設置有粉腔、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結后在二者之間形成；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結后在二者之 間形成；所述粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯結在1 3mm之間可調； 所述粉腔和保護氣腔的圓錐上部周圍分別設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。水冷腔內設置有螺旋分水塊。螺旋分水塊內側設有進水通 道，外側設有螺旋出水通道。所述上部的圓柱激光腔體外側可設置有由升降外套筒、升降內套筒組 成離焦量調節機構，該離焦量調節機構下部設置有由調節底座、調節螺釘 組成的激光套對中調節機構；升降內套筒聯結保護鏡水冷套。本專利技術與現有技術相比有如下優點 (1 )本專利技術送粉腔的環錐形通道厚度可以通過調節聯結螺紋得到理想 的粉末流態和匯聚直徑，具有調節匯聚直徑大小的能力，可適應輸送不同 粒度的粉末。依據噴嘴尺寸大小設置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) 本專利技術設計的水冷腔中設有螺旋分水塊，螺旋分水塊內側開有進 水通道，外側開有螺旋出水通道，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"短路"現象，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結組成保護氣腔，保護氣套圓 周上(依據噴嘴尺寸大小)均勻分布有4 6個進氣管，調節保護氣腔的厚 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 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 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) 內外升降筒組成送粉噴嘴的升降機構，升降機構用于調節粉末焦 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。調節離焦量過程中，噴嘴的其它部件不發生旋轉，噴嘴外接的各 種管道不會纏繞，操作十分便捷。本專利技術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節機構垂 直無級調整，且可通過對中調節機構進行徑向調整，用來調整粉末匯聚點 與激光焦點的對中與重合。此外，本專利技術激光套的內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，本專利技術結構設計合理，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。本專利技術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、激光修復和激光焊接等。本專利技術可使用于波長為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。附圖說明圖1為本專利技術激光同軸送粉噴嘴總體結構圖。 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、粉腔和氣腔結構的放大圖。 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、調節螺釘；11、調節底座；12、升降內套筒；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、 環形槽。具體實施方式以下結合附圖及實施例對本專利技術作進一步的詳細說明。如附圖1、圖2和圖3所示，本專利技術的特征在于，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 嘴的上部由對中調節底座11、升降內、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組成本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可調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、中部由激光套內層構成的同軸圓錐激光腔體，激光腔體外下部設置有粉腔、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結后在二者之間形成；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結后在二者之間形成；所述粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯結在１～３ｍｍ之間可調；所述粉腔圓錐上部周圍設置有多個均布的送粉管；保護氣腔的圓錐上部周圍設置有多個均布的送氣管。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張安峰，孫哲，李滌塵，趙萬華，盧秉恒，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：87[中國|西安]