[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810017901.6
[51]Int.CI.
B22F 3/105 (2006.01)
[43]公开日2008年9月17日[22]申请日2008.04.08[21]申请号200810017901.6
[71]申请人西安交通大学
地址710049陕西省西安市咸宁路28号[72]发明人张安峰 孙哲 李涤尘 赵万华 卢秉恒
[11]公开号CN 101264519A
[74]专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司
代理人朱海临
权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页
[54]发明名称
一种可调式激光同轴送粉喷嘴
[57]摘要
本发明公开了一种可调式激光同轴送粉喷嘴，包括激光头及保护镜、保护镜水冷套、上部的圆柱激光腔体、中部由激光套内层构成的同轴圆锥激光腔体，激光套外下部设置有粉腔、次外层保护气腔和最外层水冷腔；粉腔由激光套与一个粉末腔体套通过螺纹联结后在二者之间形成；次外层保护气腔由粉末腔体套与一个保护气套通过螺纹联结后在二者之间形成；粉腔和保护气腔的厚度通过螺纹联结在1～3mm之间可调；粉腔和保护气腔的圆锥上部周围分别设置有4～6个送粉管和4～6个送气管。本发明同轴送粉喷嘴所适用的聚焦镜焦距范围为100～300mm，具有装卸方便、粉末流速均匀、粉末汇聚直径调节灵活、下部同轴圆锥体(粉腔、气腔和水腔部分)易于更换等优点。
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权 利 要 求 书
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1.一种可调式激光同轴送粉喷嘴，包括激光头及保护镜、保护镜水冷套、上部的圆柱激光腔体、中部由激光套内层构成的同轴圆锥激光腔体，激光腔体外下部设置有粉腔、次外层保护气腔和最外层水冷腔；其特征在于，所述粉腔由激光套与一个粉末腔体套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述的次外层保护气腔由粉末腔体套与一个保护气套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述粉腔和保护气腔的厚度通过螺纹联结在1～3mm之间可调；所述粉腔圆锥上部周围设置有多个均布的送粉管；保护气腔的圆锥上部周围设置有多个均布的送气管。
2.根据权利要求1所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，粉腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为15～30°；保护气腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为20～45°。
3.根据权利要求1所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述多个送粉管和多个送气管均为4～6个。
4.根据权利要求1所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述最外层水冷腔由保护气套与喷嘴水冷套焊接后在二者之间形成。 5.根据权利要求4所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述的水冷腔内设置有螺旋分水块，其内侧设有进水通道，外侧设有螺旋出水通道。
6.根据权利要求1所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述上部的圆柱激光腔体外侧设置有由升降外套筒、升降内套筒组成离焦量调节机构，该离焦量调节机构下部设置有由调节底座、调节螺钉组成的激光套对中调节机构；升降内套筒联结保护镜水冷套。
7.根据权利要求1所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，在送气管出口处的保护气套锥面上开有一个环形槽。
8.根据权利要求1至7任一所述的可调式激光同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述圆锥激光腔体为阶梯形。
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说 明 书
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一种可调式激光同轴送粉喷嘴
技术领域
本发明涉及一种激光金属直接制造用喷嘴，特别涉及一种激光同轴送粉喷嘴，属于激光加工和激光快速制造领域。背景技术
激光金属直接制造技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术，是快速成形基本原理和激光加工技术精华的集成。以“离散-堆积”成形原理为基础。首先在计算机中生成最终功能零件的三维CAD模型；然后将该模型按一定的厚度分层切片，控制成形系统采用激光同轴送粉喷嘴按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料；最终形成三维净成形实体零件。
目前，激光金属直接制造技术主要有三种供粉方法：铺粉法、侧向送粉法和同轴送粉法。铺粉法需要在激光熔化前把粉末预铺在工件表面，经激光熔覆堆积成形。主要问题是容易产生气孔、夹杂等缺陷，稀释率难以控制。侧向送粉可实现粉末和基体同时熔化，但激光束与送粉区重合程度不易控制，容易出现激光扫描方向各向异性，影响熔覆成形质量。同轴送粉可解决上述问题，调整激光聚焦点与粉末汇聚点重合，获得粉末的最大利用率和最小的稀释率。
目前同轴送粉喷嘴主要有两种形式：四管式同轴送粉喷嘴和锥环式同轴送粉喷嘴。美国Sandia国家实验室用于激光工程化净成形技术(LENS)的同轴喷嘴采用了四管式同轴送粉喷嘴(美国专利U.S.Pat.4724299)，虽然激光焦点位置与粉末焦点可以调节，喷嘴内通有冷却水而得到很好冷却，但粉末很难在周向均匀喷入激光熔池，且没有专门的保护气体防止氧化。另一美国专利U.S.Pat.5477026的基本结构为多层同心锥筒形式，包含同轴
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光路通道、粉路通道和气路通道，粉末流采用三路或四路垂直进入方式.靠近端部有冷却装置。主要不足为喷嘴出口的粉末流均匀性相对较差，不能满足精密制造均匀同轴送粉的要求，喷嘴自身不具备调节汇聚直径的能力。清华大学采用垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴(CN1390649A)，华南理工大学研制的环式同轴激光熔覆喷嘴(CN2707772Y)，后三种同轴送粉喷嘴的结构基本相似。发明内容
鉴于激光金属直接制造对同轴送粉喷嘴提出了更高的要求，要求同轴送粉喷嘴所送出的粉末，周向分布更加均匀，具有良好的汇聚性：为了延长喷嘴的使用寿命，要求同轴送粉喷嘴具有良好的冷却效果；因此本发明的目的在于克服现有喷嘴在激光熔覆过程出现的粉末汇聚效果较差、粉末利用率偏低等缺陷，提供一种粉腔、气腔和焦距可调式激光同轴送粉喷嘴，具有较好的粉末汇聚效果、较高的粉末利用率、良好的水冷效果，整个喷嘴结构设计合理，加工工艺性好，且操作方便。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的： 一种可调式激光同轴送粉喷嘴，包括激光头及保护镜、保护镜水冷套、上部的圆柱激光腔体、中部由激光套内层构成的同轴圆锥激光腔体，激光腔体外下部设置有粉腔、次外层保护气腔和最外层水冷腔。其特征在于所述粉腔由激光套与一个粉末腔体套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述的次外层保护气腔由粉末腔体套与一个保护气套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述粉腔和保护气腔的厚度通过螺纹联结在1～3mm之间可调；所述粉腔和保护气腔的圆锥上部周围分别设置有多个均布的送粉管和多个均布的送气管。
上述方案中，粉腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为15～30°；保护气腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为20～45°。所述多个送粉管和多个送气管均可为4～6个。所述最外层水冷腔由保护气套与喷嘴水冷套焊接后在
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二者之间形成。水冷腔内设置有螺旋分水块。螺旋分水块内侧设有进水通道，外侧设有螺旋出水通道。
所述上部的圆柱激光腔体外侧可设置有由升降外套筒、升降内套筒组成离焦量调节机构，该离焦量调节机构下部设置有由调节底座、调节螺钉组成的激光套对中调节机构；升降内套筒联结保护镜水冷套。 本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明送粉腔的环锥形通道厚度可以通过调节联结螺纹得到理想的粉末流态和汇聚直径，具有调节汇聚直径大小的能力，可适应输送不同粒度的粉末。依据喷嘴尺寸大小设置4～6个送粉管，具有足够长的送粉通道，有利于提高粉末在汇聚点处的均匀性。粉末汇聚直径最小可达1mm。 (2)本发明设计的水冷腔中设有螺旋分水块，螺旋分水块内侧开有进水通道，外侧开有螺旋出水通道，冷却水腔中由于螺旋分水块的存在，能迅速带走热量，使激光送粉喷嘴的热端得到均匀冷却。避免了冷却水出现“短路”现象，有效地提高了冷却效果。
(3)保护气套与粉末腔体套通过螺纹联结组成保护气腔，保护气套圆周上(依据喷嘴尺寸大小)均匀分布有4～6个进气管，调节保护气腔的厚度，可促进粉末汇聚，能有效地保护熔池不被氧化。
(4)粉末腔的锥体与激光腔体轴心线的夹角为15～30°，保护气腔的锥体与激光腔体轴心线之间的夹角为20～45°。从送粉管和送气管末端经粉末腔和保护气腔到送粉喷嘴和气体出口处的直线距离较长，有利于粉末和气体的均匀混合。水冷腔、保护气腔和粉腔的下锥体，可沿粉末腔的内锥头与激光套分离，使水冷腔、保护气腔和粉腔的下锥体易于更换。 (5)内外升降筒组成送粉喷嘴的升降机构，升降机构用于调节粉末焦点与激光焦点的重合或离焦，可以满足激光熔覆成形对聚焦光斑直径的不同要求。调节离焦量过程中，喷嘴的其它部件不发生旋转，喷嘴外接的各种管道不会缠绕，操作十分便捷。本发明喷嘴所适用的聚焦镜焦距范围可为100～300mm。
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(6)粉末汇聚点相对于激光焦点的位置不仅可通过离焦量调节机构垂直无级调整，且可通过对中调节机构进行径向调整，用来调整粉末汇聚点与激光焦点的对中与重合。
此外，本发明激光套的内部采用阶梯形的激光通路，比锥形激光通路更便于加工，制造成本进一步降低。综上，本发明结构设计合理，可使粉末周向分布均匀，使激光不受熔覆方向限制，喷嘴保持良好的冷却性能，熔覆层组织致密、有光泽、轮廓整洁，能有效提高激光直接制造金属零件的尺寸精度和组织性能。
本发明既可适用于单金属粉末或陶瓷粉末，又可适用于双金属粉末或陶瓷粉末的激光金属直接快速制造，也可用于一般表面激光熔覆、激光修复和激光焊接等。本发明可使用于波长为1.06微米的Nd:YAG激光器，也可使用于波长为10.6微米的CO2激光器。附图说明
图1为本发明激光同轴送粉喷嘴总体结构图。
图2为图1中的螺旋分水块进水通道和螺纹出水通道的放大图。 图3为图1中的螺旋分水块、水冷套、粉腔和气腔结构的放大图。 图1至图3中：1、喷嘴水冷套；2、螺旋分水块；3、冷却水管；4、保护气套；5、送气管；6、粉末腔体套；7、送粉管；8、激光套；9、锁紧螺母；10、调节螺钉；11、调节底座；12、升降内套筒；13、升降外套筒；14、升降螺母；15、压紧螺母；16、保护镜水冷套；17、保护镜水冷套进水管；18、激光头；19、保户镜；20、进水通道；21、螺旋出水通道；22、环形槽。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。 如附图1、图2和图3所示，本发明的特征在于，同轴送粉喷嘴的下部
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由喷嘴水冷套1、保护气套4、粉末腔体套6和激光套8组成，同轴送粉喷嘴的上部由对中调节底座11、升降内、外套筒12、13、保护镜水冷套16和两螺纹夹具组成。喷嘴水冷套1在其圆柱部分焊接有冷却水进、出管道3。喷嘴水冷套1、保护气套4组成水冷腔。为了防止冷却水在水冷腔中出现“短路循环”现象，水冷腔内设置了分水螺旋块2，分水螺旋块2呈锥环形，内侧开有进水通道，外侧开有螺旋出水通道，强迫冷却水进行对流热交换。冷却水管3(进、出水管)相差180°。分水螺旋块2上的进水通道进口和螺旋出水通道出口，分别与进水管和出水管相对应。
保护气套4与粉末腔体套6通过螺纹连接组成保护气腔，保护气腔的厚度在1～3mm之间可调，保护气腔上均布4～6个送气管5，在送气管5出口处保护气套4锥面上开有一个环形槽22，该环形槽22可促进保护气在气腔内的均匀分布。保护气腔与激光腔体轴线的夹角为20～45°。粉末腔体套6与激光套8通过螺纹联结组成粉腔，粉腔的厚度在1～3mm之间可调，调节时可实现无级可调，也可通过标准垫圈调节。在粉腔上同样均布着4～6送粉管7。粉腔与激光腔体轴线的夹角为15～30°。送粉管7、送气管5的轴线分别与粉腔、保护气腔相切，有利于粉末和保护气从喷嘴中喷出，同时保护气腔和粉腔具有足够的长度，为粉末和保护气均匀引出喷嘴提供了保证。
激光套8末端内侧采用阶梯型结构形成激光通道，从生产工艺上降低了生产制造的难度。激光套8上部采用法兰结构，法兰盘与调节底座11构成了对中调节机构的主体，调节底座11上对应于法兰的高度处有四个调节螺钉10，利用调节螺钉10以激光光束为中心对喷嘴激光套进行对中调节，用锁紧螺母9进行锁紧。此调节机构保证了激光焦点和粉末焦点之间的对中性。调节底座11通过螺纹联结与升降内套筒12相联，升降内套筒12、升降外套筒13、升降螺母14和压紧螺母15四者之间形成了一个变形的丝杠螺母机构，即喷嘴中的升降机构，此机构保证激光焦点与粉末汇聚点的重合与离焦量的调节。具体的结构是：在升降外套筒13上开四个均布的沟
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槽，相应地在升降内套筒12的顶部外圆周上伸出四个短爪，工作时四个短爪在四个沟槽内运动，升降内套筒12的外径与升降外套筒12的内径是间隙配合，升降外套筒13的外部开有螺纹，升降螺母14和压紧螺母15拧在升降外套筒13上，升降内套筒12的四个短爪位于升降螺母14和压紧螺母15之间。
考虑材料对激光的吸收、加工性、焊接性和导热性，本发明送粉喷嘴的制造材料主要使用了紫铜或黄铜(铜对激光的反射率极高，导热性极佳，且易于加工和焊接)。
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说 明 书 附 图
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