專利名稱：一種應(yīng)用于激光材料加工的多層結(jié)構(gòu)同軸送粉頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種應(yīng)用于激光材料加工的多層結(jié)構(gòu)同軸送粉頭，主要應(yīng)用于填粉激光焊接、同步送粉激光熔覆、金屬零件激光粉末直接成型等高能束材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的用于高能束材料加工領(lǐng)域的送粉頭主要分為兩類1、粉末和保護(hù)氣混合后共同從單管輸出；2、輸粉管和保護(hù)氣管分離并呈一定角度。第一種結(jié)構(gòu)粉末束流呈錐狀發(fā)散，粉末浪費(fèi)嚴(yán)重，而且粉氣兩相流極易卷入空氣，熔池保護(hù)效果較差。第二種結(jié)構(gòu)粉末靠自重呈自由落體狀進(jìn)入熔池，粉末落點(diǎn)可控性差，而且不能應(yīng)用于除水平位置外的其它位置的加工。
中國專利，專利號為ZL98207175.2的噴粉裝置，采用雙層同軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為粉末通道，內(nèi)層和外層之間的間隙通保護(hù)氣。工作時保護(hù)氣噴出后在粉末束周圍形成管狀氣簾，一方面對粉末束進(jìn)行匯聚，另一方面隔絕空氣，保護(hù)熔池。這種結(jié)構(gòu)的裝置克服了上述兩種送粉頭的缺點(diǎn)，在鐵基、鈷基、鎳基等比重較大的合金粉末的激光熔覆的實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。但是，應(yīng)用于焊接，特別是鋁、鎂、鈦等輕金屬的焊接，這種結(jié)構(gòu)還存在一些不足1、不同于激光熔覆，激光焊接還必須對光致等離子體進(jìn)行有效控制，因此這種雙層結(jié)構(gòu)噴粉裝置的單一氣流將同時起作匯聚粉末束、保護(hù)熔池和控制光致等離子體的多重作用，很難達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)；2、匯聚粉末束須要較高的氣流速度，焊接鋁、鎂、鈦等合金時要求氣體保護(hù)范圍大，而有效控制光致等離子體需要采用稀有氣體氦氣，因此這種雙層結(jié)構(gòu)噴嘴用于鋁、鎂、鈦合金的焊接時，貴重氣體氦氣的消耗量很大；3、這種雙層結(jié)構(gòu)噴粉裝置如果帶有粉氣分離器，則由于鋁、鎂、鈦合金比重較輕，粉末不能很好地輸送。如果不帶粉氣分離器，則粉末和載氣一同從噴粉管中噴出，對焊接熔池形成較大沖擊，嚴(yán)重影響焊縫成型。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是針對上述雙層結(jié)構(gòu)噴粉裝置之不足，設(shè)計(jì)一種粉末束匯聚、加工區(qū)保護(hù)、焊接時光致等離子體控制效果均十分優(yōu)良、稀有氣體氦氣消耗量少的多層同軸結(jié)構(gòu)送粉頭。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種應(yīng)用于激光材料加工的多層結(jié)構(gòu)同軸送粉頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括有粉氣分離腔、輸粉管、匯聚氣管、保護(hù)氣管，其特征在于粉氣分離腔1上設(shè)有可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥9，粉氣分離腔1下端出口與輸粉管3連通；輸粉管3和匯聚頭6組成中心層，為粉末通道；匯聚氣管4和整流罩5組成中間層；中心層與中間層間的間隙為匯聚氣C通道；保護(hù)氣管7與中間層間的間隙為保護(hù)氣D通道。本實(shí)用新型各零件之間均采用常規(guī)方法進(jìn)行連接。
本實(shí)用新型技術(shù)方案中所述的可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥9設(shè)置在粉氣分離腔1的上端或側(cè)壁。所述的輸粉管3和匯聚頭6組成的中心層及所述的匯聚氣管4和整流罩5組成的中間層可以是一根單一管道，也可以是兩段式結(jié)構(gòu)，兩段式結(jié)構(gòu)內(nèi)徑可以相同也可以收斂。所述的整流罩5內(nèi)按常規(guī)技術(shù)附設(shè)一氣篩8。
本實(shí)用新型的工作過程為送粉頭由三層同軸噴管組成，由內(nèi)向外依次為輸粉管、匯聚氣管和保護(hù)氣管。為了在較低氣體消耗時獲得較高的匯聚氣氣流速度，匯聚氣管與輸粉管之間的間隙較小。粉末自內(nèi)層輸粉管輸出后受到速度較高的管狀匯聚氣C的“挾持”，以等徑束向前噴出。外層保護(hù)氣D經(jīng)過管狀間隙獲得良好的層流態(tài)并以相對于匯聚氣C較低的速度噴出，和匯聚氣C共同作用控制光致等離子體和保護(hù)焊接區(qū)。通過調(diào)節(jié)匯聚氣C和保護(hù)氣D的種類和配比關(guān)系，可方便地實(shí)現(xiàn)對光致等離子體的優(yōu)化控制和焊接區(qū)的有效保護(hù)。另外，針對輕金屬材料的激光加工，在送粉頭前端的粉氣分離器上增設(shè)了可調(diào)節(jié)的載氣B釋放口，以維持腔內(nèi)一定的壓力，保障輕質(zhì)的鋁、鎂、鈦合金粉末順利輸出。
本實(shí)用新型可獲得較高的匯聚氣流速度，可實(shí)現(xiàn)粉末等徑束噴出、保護(hù)氣呈層流態(tài)、對光致等離子體優(yōu)化控制性和焊接區(qū)有效保護(hù)性，保證激光焊接、激光融覆質(zhì)量。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作、控制方便。


圖1本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)中I部分剖視圖；圖3中心層和中間層兩段式等徑結(jié)構(gòu)I部分剖視圖；圖4中心層和中間層單管式結(jié)構(gòu)I部分剖視圖。
圖中1、粉氣分離腔；2粉氣混合體進(jìn)口管；3、輸粉管；4、匯聚氣管；5、整流罩；6、匯聚頭；7、保護(hù)氣管；8、氣篩；9、可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥；A-粉氣混合氣；B-載氣；C-匯聚氣；D-保護(hù)氣具體實(shí)施方式
具體制作結(jié)構(gòu)參見圖1。它主要由粉氣分離腔1、輸粉管3、匯聚氣管4、匯聚頭6、整流罩5和保護(hù)氣管7組成，匯聚氣管4以同軸方式處在中心層輸粉管3和最外層保護(hù)氣管7之間，匯聚氣管4的出口端連接著整流罩5，整流罩5內(nèi)壁附著氣篩8，匯聚頭6則和匯聚氣管4的出口相連并嚴(yán)格同軸。輸粉管3和匯聚頭6組成的中心層及匯聚氣管4和整流罩5組成的中間層分別可以是一根單一管道或兩段式結(jié)構(gòu)，兩段式結(jié)構(gòu)內(nèi)徑可以相同或收斂，見附圖2，附圖3，附圖4。
工作時粉氣混合體A從粉氣混合體進(jìn)口管2進(jìn)入粉氣分離腔1，粉末在慣性力及腔體側(cè)壁反射匯聚共同作用下和載氣B分離并進(jìn)入輸粉管3，載氣B則經(jīng)可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥9釋放到大氣，調(diào)節(jié)閥9的作用是調(diào)節(jié)分離腔1內(nèi)的壓力從而調(diào)節(jié)粉末束的速度。匯聚氣C進(jìn)入?yún)R聚氣管4后，經(jīng)過氣篩8從整流罩5和匯聚頭6之間的環(huán)形間隙中呈簾狀噴出，在粉末束周圍形成一個氣體托管，加上匯聚氣C和粉末的速度有一個合適的協(xié)調(diào)關(guān)系，使兩者在很長的距離內(nèi)能夠保持原始狀態(tài)。為加大粉末束的挺度，減小重力的影響，粉末束和匯聚氣的速度一般較高，這樣當(dāng)保護(hù)氣D進(jìn)入保護(hù)氣管7，然后從整流罩5和保護(hù)氣管7形成的又一環(huán)狀間隙中以相對比較低的速度噴出時就和匯聚氣形成速度差，這個速度差會使兩層氣體相互混合而形成一混合區(qū)，但是由于兩層氣流都處于層流流態(tài)，并且兩種氣體的混合只在內(nèi)部進(jìn)行，所以不會影響保護(hù)效果。
本送粉頭在實(shí)際應(yīng)用中如配以三維固定和調(diào)節(jié)裝置即可實(shí)現(xiàn)全方位激光焊接、熔覆等加工。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于激光材料加工的多層結(jié)構(gòu)同軸送粉頭，包括有粉氣分離腔、輸粉管、匯聚氣管、保護(hù)氣管，其特征在于粉氣分離腔(1)上設(shè)有可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥(9)，粉氣分離腔(1)下端出口與輸粉管(3)連通；輸粉管(3)和匯聚頭(6)組成中心層，為粉末通道；匯聚氣管(4)和整流罩(5)組成中間層，中心層與中間層間的間隙為匯聚氣通道；最外層為保護(hù)氣管(7)，保護(hù)氣管(7)與中間層間的間隙為保護(hù)氣通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的送粉頭，其特征在于可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥(9)設(shè)置在粉氣分離腔(1)的上端或側(cè)壁，兩者之間采用常規(guī)方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的送粉頭，其特征在于輸粉管(3)和匯聚頭(6)組成的中心層及匯聚氣管(4)和整流罩(5)組成的中間層分別可以是一根單一管道或兩段式結(jié)構(gòu)，兩段式結(jié)構(gòu)內(nèi)徑可以相同或收斂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的送粉頭，其特征在于整流罩(5)內(nèi)按常規(guī)技術(shù)附設(shè)一氣篩(8)。
專利摘要一種應(yīng)用于激光材料加工的多層結(jié)構(gòu)同軸送粉頭，主要由粉氣分離腔、輸粉管、匯聚氣管、保護(hù)氣管等組成；粉氣分離腔上設(shè)有可調(diào)式載氣釋放調(diào)節(jié)閥，粉氣分離腔下端出口與輸粉管連通；輸粉管和匯聚頭組成中心層，為粉末通道；匯聚氣管和整流罩組成中間層，中心層與中間層間的間隙為匯聚氣通道；最外層為保護(hù)氣管，保護(hù)氣管與中間層間的間隙為保護(hù)氣通道。由于粉氣分離腔上設(shè)有可調(diào)式載氣釋放口，以維持腔內(nèi)一定壓力，保障合金粉末全方位順利輸出。粉末自最內(nèi)層的輸粉管道輸出后受到其外側(cè)匯聚氣的挾持，以等徑束噴出，精確對準(zhǔn)激光熔池。最外側(cè)的保護(hù)氣與中間的匯聚氣共同作用，保護(hù)加工區(qū)和控制焊接時的等離子體。本實(shí)用新型可用于激光焊接、熔覆等加工。
文檔編號B23K26/00GK2650884SQ20032012208
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者肖榮詩, 楊武雄, 陳鎧, 左鐵釧 申請人:北京工業(yè)大學(xué)