專利名稱：可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大面積激光熔覆寬帶送粉噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
激光加工是利用高能激光束進(jìn)行加工的一種新型加工手段，是當(dāng)代先進(jìn)的材料加工方法。激光加工具有許多超過常規(guī)加工手段的明顯優(yōu)越性，其應(yīng)用范圍也非常廣，如激光表面處理(激光相變硬化、激光重熔、激光合金化、激光熔覆、激光微細(xì)處理、激光表面毛化)，激光焊接，激光切割，激光鉆孔，激光標(biāo)記，激光微加工等。激光熔覆是用高能激光束在金屬材料表面獲得高性能涂層的新方法，是指在激光束熔化材料局部表面的同時(shí)添加金屬元素或合金而既改變材料表層微觀組織又改變其成分的表面涂層方法，涂層材料自成冶金體系，與基體形成薄層冶金結(jié)合，基體對涂層的稀釋很少，能實(shí)現(xiàn)極好的表面耐磨，耐蝕，耐沖刷，耐疲勞，抗高溫氧化，減摩等多種性能；激光熔覆過程的熱量輸入少，熱循環(huán)很短暫、對基體的熱損害和熱變形少，熔覆區(qū)成分、濃度、形狀和區(qū)域大小可控制。激光熔覆層的綜合性能明顯優(yōu)于常規(guī)熱噴涂、等離子噴涂、堆焊等涂層，因而能廣泛應(yīng)用于模具的強(qiáng)化與修復(fù)、氣門和閥類的強(qiáng)化與修復(fù)、冶金軋輥的強(qiáng)化與修復(fù)、葉片的強(qiáng)化與修復(fù)、貴重軸類零件的強(qiáng)化與修復(fù)、大型貴重零件的強(qiáng)化與修復(fù)、大型貴重鑄件的局部修復(fù)、機(jī)動車關(guān)鍵摩擦副(缸套、活塞環(huán)、凸輪、曲軸、挺柱、氣門等)的強(qiáng)化與修復(fù)、礦山機(jī)械關(guān)鍵零部件的強(qiáng)化與修復(fù)以及各類泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)部件、發(fā)電廠部件、紙張和硬紙板生產(chǎn)設(shè)備、紡織機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域，能明顯增加零件的使用壽命，提高零件的性能，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
本發(fā)明人在本領(lǐng)域已發(fā)明“垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴”(申請?zhí)?0100041.1，公開號CN 1255411A)，該發(fā)明噴嘴由內(nèi)外套接的內(nèi)錐筒、中間錐筒、外錐筒、冷卻水擋板和噴頭組成多層同心錐筒，包含同軸光路通道、粉路通道、保護(hù)氣體通道和冷卻水通道。其中粉末通道由中間錐筒與外錐筒構(gòu)成，外錐筒上部包含四個切向人口將粉末引入，切向入口下面安置微孔漏篩。進(jìn)入粉末通道的四路粉末流在輸送氣體的帶動下迅速分散在篩環(huán)的圓周面上，再從微孔漏篩環(huán)圓周上均布的數(shù)十個微孔中均勻地漏下，沿粉末通道向下運(yùn)動、聚后在出口處形成均勻的會聚同軸粉末錐流，使得激光熔覆各向同性，克服了單管側(cè)向送粉熔覆各向異型性等一系列不足。該發(fā)明具有三層錐體同時(shí)冷卻、靈活方便的垂直裝卸、粉末流主動均勻化、光斑直徑靈活調(diào)節(jié)、內(nèi)錐頭部可更換、端部抗激光反射和粉末回收等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于單道激光熔覆以及激光快速制造，激光合金化、激光相變硬化和激光焊接等用會聚窄光束的場合。
激光熔覆單道熔覆層的寬度往往較窄，一般不超過5mm，為實(shí)現(xiàn)較大的熔覆面積，需要多道橫向搭接，搭接率一般不超過30％。由于激光熔覆層往往呈半橢圓形，多道搭接時(shí)一定程度上會影響涂層的表面平整性、熔覆效率和涂層的整體性能均勻性。因此，在激光功率足夠和展寬線性光束條件下(激光器輸出圓形光束，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性或矩形寬光束的方式很多，如積分鏡、組合境、掃描轉(zhuǎn)鏡、二元光學(xué)元件等)，采用寬帶激光熔覆能明顯改善熔覆層的平整性、性能均勻性和熔覆效率。寬帶送粉需要一個性能良好的寬帶噴嘴，而現(xiàn)有寬帶噴頭僅簡單地用一個薄鐵皮鴨型嘴，在使用中會經(jīng)常出現(xiàn)噴頭變形燒壞、粉末堵塞、粉末均勻性差、無法長時(shí)間工作等一系列問題，難以滿足使用要求。
本發(fā)明的目的是為克服已有寬帶熔覆技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，使其具有靈活方便的垂直裝卸、雙向同時(shí)寬帶送粉、關(guān)鍵部件的有效冷卻、長時(shí)間穩(wěn)定工作、無級調(diào)節(jié)離焦量、分級調(diào)節(jié)送粉寬度、適用多種聚焦鏡焦距等多種良好的性能，具有實(shí)用化、多性能、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大面積送粉激光熔覆、大面積送粉激光合金化、大面積預(yù)置粉激光熔覆、大面積預(yù)置粉激光合金化、大面積激光重熔、大面積激光相變硬化等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明提出的一種可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，由相互聯(lián)接的上體與下體兩部分組成；其特征在于，該下體包括同軸設(shè)置的外圓錐體、中間矩形體、下部矩形錐體、可更換矩形噴頭、由數(shù)組寬帶送粉頭和冷卻水腔的構(gòu)成的兩組送粉座組成；其中，所說的中間矩形體設(shè)置在外圓錐體、中間矩形體之間，并向下延伸與可更換矩形噴頭相連，該兩組送粉座對稱安裝在外圓錐體下部及可更換矩形噴頭外面的兩側(cè)。
所說的送粉座內(nèi)部可為楔形空腔，所說的矩形寬帶送粉頭的內(nèi)部可為扇型結(jié)構(gòu)，其出口具有不同寬度，其外部尺寸與送粉座內(nèi)部為楔形空腔的尺寸相同與送粉座空腔緊密接觸，所說的冷卻水腔可設(shè)于粉座空腔外測。
所說的外圓錐體和下部矩形錐體之間形成空腔，該空腔為內(nèi)部冷卻水通道；所說的中間矩形體與下部矩形錐體之間形成矩形縫楔，該縫楔為軸向保護(hù)氣通道；所說的中間矩形體中心為矩形錐體腔，該矩形錐體腔為光路通道。
所說的可更換矩形噴頭和兩側(cè)送粉座下端可組成噴嘴端反向錐體結(jié)構(gòu)。
所說的上體可由外螺紋套筒，套于其內(nèi)的內(nèi)螺紋套筒和設(shè)置在外層螺紋套筒中間的調(diào)節(jié)螺紋筒組成；該外螺紋套筒為整個噴嘴與激光加工工作頭的聯(lián)接件，外螺紋套筒、內(nèi)螺紋套筒和調(diào)節(jié)螺紋組成垂直上下定向離焦量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
所說的上下體之間可采用扣瓣聯(lián)接，該扣瓣的扣固定在上體內(nèi)螺紋套筒的下端，瓣固定在下體外園錐體上。
所說上體內(nèi)螺紋套筒下端可有一個凸臺，下體園錐體中間上可有一個凹槽，安裝時(shí)由它們實(shí)現(xiàn)精確定位。所說的上體螺紋套筒內(nèi)側(cè)中可有一個定位楔，內(nèi)螺紋套筒外側(cè)相應(yīng)位置有一個定位槽。
本發(fā)明的功能及特點(diǎn)如下(1)本發(fā)明噴嘴主體采用外園內(nèi)方的基本結(jié)構(gòu)，包含了矩形光路通道、矩形軸向保護(hù)氣通道和內(nèi)部冷卻水通道，通過內(nèi)部冷卻水路以及外部雙側(cè)送粉座的冷卻水路，確保整個噴嘴各關(guān)鍵部分的有效冷卻和噴嘴的長時(shí)間穩(wěn)定工作；本發(fā)明在矩形光路通道端部專設(shè)一可更換的矩形噴嘴頭，以便萬一在端部受激光反射而燒毀時(shí)可更換繼續(xù)使用，確保長時(shí)間工作。
(2)本發(fā)明特別采用雙側(cè)對稱同時(shí)寬帶送粉結(jié)構(gòu)，保證寬帶激光熔覆前后方向同性。雙側(cè)寬帶送粉結(jié)構(gòu)包含雙側(cè)矩形送粉座和多對矩形寬帶送粉頭。雙側(cè)送粉座與主體連接，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，外側(cè)通水冷卻。送粉座內(nèi)部開楔形空腔，空腔內(nèi)安放矩形寬帶送粉頭，送粉頭上部為外部粉末入口，送粉頭中心開有扇型楔縫，從送粉頭上部進(jìn)入的圓柱型粉末流經(jīng)獨(dú)特的扇型楔縫后形成均勻的線狀寬帶粉末流，從送粉頭端部噴出。兩側(cè)對稱的寬帶粉末流匯聚后形成線性寬帶粉末流，使得寬帶激光熔覆前后方向熔覆性能一致。通過更換四組不同扇型楔縫出口寬度的送粉頭實(shí)現(xiàn)分級寬帶送粉。
(3)本發(fā)明采用雙體分體結(jié)構(gòu)，上體以螺紋實(shí)現(xiàn)與各種激光加工工作頭的過渡聯(lián)接，本噴嘴即可方便地與任何激光加工工作頭實(shí)現(xiàn)連接。上下體之間采用扣瓣聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)靈活方便的分體垂直裝卸功能，裝卸時(shí)粉、氣、水路管線不會纏繞。
(4)本發(fā)明噴嘴上體采用雙層螺紋套筒基本結(jié)構(gòu)，另置一調(diào)節(jié)螺紋于外層螺紋套筒中間，實(shí)現(xiàn)離焦量的無級調(diào)節(jié)；通過外層套筒中的一個定位楔和內(nèi)層套筒中的定位槽確保調(diào)節(jié)時(shí)噴嘴下體垂直上下移動而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，保證寬帶送粉與寬帶激光束的一致性。
(5)本發(fā)明寬帶噴嘴的端部的噴嘴頭以及兩側(cè)送粉座設(shè)計(jì)成一個面向被加工件的反向錐體結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)⒐ぜ砻娣瓷涞挠泻す饽芰恐匦路瓷渚劢够厝鄢兀岣呒す馐芰康睦寐?，而且還能將工件表面反彈和濺射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。
(6)本發(fā)明寬帶噴嘴由于其良好的水冷卻性能，噴嘴可以在離工件較近的距離工作，中間軸向保護(hù)氣體和兩側(cè)送粉惰性氣體均能對高溫熔池表面形成良好的氣體保護(hù)環(huán)境。
本發(fā)明噴嘴的適用領(lǐng)域?yàn)榇竺娣e送粉激光熔覆、大面積送粉激光合金化、大面積預(yù)置粉激光熔覆、大面積預(yù)置粉激光合金化、大面積激光重熔、大面積激光相變硬化等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
附圖簡單說明圖1為本發(fā)明的雙向可調(diào)寬帶激光熔覆送粉噴嘴實(shí)施例結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖2為圖1局部側(cè)視圖，其顯示送粉座的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種雙向?qū)ΨQ送粉可調(diào)寬度的垂直裝卸的分體式激光熔覆寬帶送粉噴嘴，其實(shí)施例結(jié)合


如下本實(shí)施例的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。本寬帶噴嘴由上下兩部分組成。噴嘴上體由外螺紋套筒11、內(nèi)螺紋套筒12和調(diào)節(jié)螺紋筒13組成，噴嘴下體即噴嘴主體由外圓錐體21、中間矩形體22、下部矩形錐體23、可更換矩形噴頭25、兩側(cè)對稱送粉座24和其外側(cè)冷卻水腔27，數(shù)組寬帶送粉頭26組成。上下部分采用扣瓣聯(lián)接。外螺紋套筒11為整個噴嘴與激光加工工作頭的聯(lián)接件，外螺紋套筒11、內(nèi)螺紋套筒12和調(diào)節(jié)螺紋13組成垂直上下定向離焦量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。中間矩形體22內(nèi)錐腔和可更換矩形噴頭25組成內(nèi)部聚焦激光束通道30；中間矩形體22和下部矩形錐體23構(gòu)成軸向保護(hù)氣體通道31；外園錐體21和下部矩形錐體23組成內(nèi)冷卻水腔體32；寬帶送粉頭26為寬帶送粉通道；可更換矩形噴頭25和兩側(cè)送粉座下端組成噴嘴端反向錐體結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的功能及特點(diǎn)(1)本實(shí)施例噴嘴下體21采用外園內(nèi)方的基本結(jié)構(gòu)，包含了由中間矩形體22和可更換矩形噴頭25組成內(nèi)部聚焦激光束通道30；由中間矩形體22和下部矩形錐體23構(gòu)成的矩形軸向保護(hù)氣通道31；由外園錐體21和下部矩形錐體23組成內(nèi)冷卻水腔體通道32，兩側(cè)對稱的兩組送粉座24自配外側(cè)冷卻水腔27；通過內(nèi)部冷卻水路32以及外部雙側(cè)送粉座的冷卻水路27，確保噴嘴下體中關(guān)鍵部分下部矩形錐體23、可更換矩形噴頭25和兩側(cè)對稱送粉座24的有效冷卻從而保證本寬帶噴嘴的長時(shí)間穩(wěn)定工作；本發(fā)明在矩形光路通道端部專設(shè)一可更換的矩形噴嘴頭25，以便萬一在端部受激光反射而燒毀時(shí)可更換繼續(xù)使用，確保長時(shí)間工作。
(2)本實(shí)施例采用雙側(cè)對稱同時(shí)寬帶送粉結(jié)構(gòu)，保證寬帶激光熔覆前后方向同性。雙側(cè)寬帶送粉結(jié)構(gòu)包含雙側(cè)矩形送粉座24和多對矩形寬帶送粉頭26，雙側(cè)送粉座24與主體21連接，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，內(nèi)側(cè)經(jīng)內(nèi)部冷卻水腔32冷卻，外側(cè)由其自配冷卻水通道27冷卻，內(nèi)外側(cè)同時(shí)冷卻寬帶送粉頭。送粉座24內(nèi)部開楔形空腔，空腔內(nèi)安放矩形寬帶送粉頭26，送粉頭上部為外部粉末入口，送粉頭中心開有扇型楔縫，從送粉頭上部進(jìn)入的圓柱型粉末流經(jīng)獨(dú)特的扇型楔縫28后形成均勻的線狀寬帶粉末流，從送粉頭端部噴出。兩側(cè)對稱的寬帶粉末流匯聚后形成線性寬帶粉末流，使得寬帶激光熔覆前后方向熔覆性能一致。通過更換四組不同扇型楔縫28出口寬度的送粉頭實(shí)現(xiàn)10～30mm分級寬帶送粉。
(3)本實(shí)施例采用雙體分體結(jié)構(gòu)，上體以螺紋實(shí)現(xiàn)與各種激光加工工作頭的過渡聯(lián)接，本噴嘴即可方便地與任何激光加工工作頭實(shí)現(xiàn)連接。上下體之間采用扣瓣聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)靈活方便的分體垂直裝卸功能，噴嘴下體可方便地垂直脫離加工頭進(jìn)行必要的調(diào)整、清理、安裝聚焦鏡等，裝卸時(shí)粉、氣、水路管線不會纏繞。安裝時(shí)由內(nèi)螺紋套筒12下端的凸臺與下體園錐體21中間上的凹槽實(shí)現(xiàn)精確定位。
(4)本實(shí)施例噴嘴上體采用雙層螺紋套筒11和12基本結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺紋13實(shí)現(xiàn)離焦量的無級調(diào)節(jié)±10mm；通過螺紋套筒11內(nèi)側(cè)中的定位楔和內(nèi)螺紋套筒12中的定位槽確保調(diào)節(jié)時(shí)噴嘴下體垂直上下移動而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，保證寬帶送粉與寬帶激光束的一致性。
(5)本實(shí)施例寬帶噴嘴的端部噴嘴頭25以及兩側(cè)送粉座26的下端設(shè)計(jì)成一個面向被加工件的反向錐體結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)⒐ぜ砻娣瓷涞挠泻す饽芰恐匦路瓷渚劢够厝鄢?，提高激光束能量的利用率，而且還能將工件表面反彈和濺射的粉末流重新反射回熔池，提高粉末的利用率。
(6)本實(shí)施例寬帶噴嘴下體由外園錐體21和下部矩形錐體23組成的內(nèi)冷卻水腔體32以及兩側(cè)對稱送粉座24自配的外側(cè)冷卻水腔27，保證良好的水冷卻性能，噴嘴可以在離工件較近的距離工作，由中間矩形體22和下部矩形錐體23構(gòu)成的矩形軸向保護(hù)氣通道31和兩側(cè)寬帶送粉噴嘴26的惰性氣體均能對高溫熔池表面形成良好的氣體保護(hù)環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，由相互聯(lián)接的上體與下體兩部分組成；其特征在于，該下體包括同軸設(shè)置的外圓錐體、中間矩形體、下部矩形錐體、可更換矩形噴頭、由數(shù)組寬帶送粉頭和冷卻水腔構(gòu)成的兩組送粉座組成；其中，所說的中間矩形體設(shè)置在外圓錐體、下部矩形錐體之間，所說的下部矩形錐體向下延伸與可更換矩形噴頭相連，所說的兩組送粉座對稱安裝在外圓錐體下部及可更換矩形噴頭外面的兩側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，其特征在于，所說的送粉座內(nèi)部為楔形空腔，所說的數(shù)組矩形寬帶送粉頭的內(nèi)部為扇型結(jié)構(gòu)，其出口具有不同寬度，其外部尺寸與送粉座內(nèi)部楔形空腔的尺寸相同并與送粉座空腔緊密接觸，所說的冷卻水腔設(shè)于送粉座空腔外側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，其特征在于，所說的外圓錐體和下部矩形錐體之間形成空腔，該空腔為內(nèi)部冷卻水通道；所說的中間矩形體與下部矩形錐體之間形成矩形縫楔，該縫楔為軸向保護(hù)氣通道；所說的中間矩形體中心為矩形錐體腔，該矩形錐體腔為光路通道。
4.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，其特征在于，所說的上體由外螺紋套筒，套于其內(nèi)的內(nèi)螺紋套筒和設(shè)置在外層螺紋套筒中間的調(diào)節(jié)螺紋筒組成；該外螺紋套筒、內(nèi)螺紋套筒和調(diào)節(jié)螺紋組成垂直上下定向離焦量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，其特征在于，所說的上下體之間采用扣瓣聯(lián)接，該扣瓣的扣固定在上體內(nèi)螺紋套筒的下端，瓣固定在下體外園錐體上。
6.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)寬帶雙向?qū)ΨQ送粉激光熔覆噴嘴，其特征在于，所說上體內(nèi)螺紋套筒下端有一個凸臺，下體園錐體中間上有一個凹槽。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域,由相互聯(lián)接的上體與下體兩部分組成;該下體包括同軸設(shè)置的外圓錐體、中間矩形體、下部矩形錐體、可更換矩形噴頭、由數(shù)組寬帶送粉頭和冷卻水腔的構(gòu)成的兩組送粉座組成;中間矩形體設(shè)置在外圓錐體、中間矩形體之間,并向下延伸與可更換矩形噴頭相連,該兩組送粉座對稱安裝在外圓錐體下部及可更換矩形噴頭外面的兩側(cè)。本發(fā)明具有實(shí)用化、多性能、使用方便的優(yōu)點(diǎn),特別適用于大面積送粉激光熔覆等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B23K26/14GK1319459SQ0111013
公開日2001年10月31日 申請日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者鐘敏霖, 張紅軍, 劉文今 申請人:清華大學(xué)