專利名稱：一種激光制造同軸送粉頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光制造同軸送粉頭，屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光技術(shù)發(fā)展非常迅速，激光的應(yīng)用范圍日趨廣闊。激光加工是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、快速制造及微加工的一種加工方法，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科。
快速制造技術(shù)的基本工作原理是離散/堆積。目前，主要的快速制造技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和激光熔覆快速成形技術(shù)。
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的工作原理如下首先在計(jì)算機(jī)上通過CAD軟件生成零件的CAD實(shí)體模型，并且將該實(shí)體模型離散化生成STL文件，然后利用切片軟件讀取STL文件，將零件切成一系列薄層，并生成每一層的掃描軌跡，最后在活塞工作臺(tái)上逐層鋪上金屬粉末，用相應(yīng)的每層掃描軌跡控制激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，形成所需形狀的金屬零件。通過選擇性激光燒結(jié)得到的金屬零件實(shí)際上是密度和強(qiáng)度都很低的多孔金屬零件。
激光熔覆快速成形技術(shù)基本原理與激光燒結(jié)成形技術(shù)一樣，只是被熔覆的金屬粉末通過送粉裝置用氣體或重力輸送，采用高功率激光同步熔化被送粉末，在基板上逐層堆積形成非常致密的金屬零件。零件的強(qiáng)度達(dá)到甚至超過常規(guī)鑄造或鍛造方法生產(chǎn)的零件，因而具有良好的應(yīng)用前景。
目前，在激光熔覆和激光熔覆快速成形等激光制造中應(yīng)用的送粉頭主要有旁軸送粉頭和同軸送粉頭。
由于設(shè)計(jì)簡單及粉末的出口和光的出口相距較遠(yuǎn)而不會(huì)出現(xiàn)因粉末過早熔化而阻塞光口等原因，偏置于激光一側(cè)的旁軸送粉頭在激光熔覆快速成形技術(shù)的初始階段被廣泛應(yīng)用。但是旁軸送粉頭只適用于線形軌跡運(yùn)動(dòng)的場合，不適用于復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)，另外，激光快速成形要求熔覆層的尺寸和性能沿各個(gè)方向保持一致，所以旁軸送粉頭在激光快速成形中無法滿足使用要求。
激光熔覆快速成形技術(shù)，類似于激光熔覆在三維空間的疊加。激光熔覆、激光表面合金化是出現(xiàn)較早的激光表面處理技術(shù)，相應(yīng)的產(chǎn)生了用于這些工藝的同軸送粉頭。這種同軸送粉頭，基本構(gòu)造分為兩個(gè)腔，內(nèi)腔裝有聚焦鏡，對(duì)激光束進(jìn)行聚焦，是激光束通道，同時(shí)在該腔中通有惰性氣體，防止加工產(chǎn)生的煙塵和飛濺進(jìn)入激光束通道，對(duì)激光聚焦鏡起到保護(hù)作用。外腔的下端是由兩個(gè)錐面形成的圓錐環(huán)形粉末通道，粉末由氣體輸送，進(jìn)入外腔的上部，上部裝有有一圈小孔的金屬圓盤，使粉末均勻地進(jìn)入粉末通道。在外腔的外面加有冷卻水套。但是該同軸送粉頭的粉末通道是由內(nèi)外兩個(gè)錐面形成的環(huán)形粉末通道，粉末由氣體吹入該空腔，空腔比較大，容易造成粉末在圓周方向的分布不均勻同時(shí)粉末也容易發(fā)散。
為了能使粉末穩(wěn)定而準(zhǔn)確地送入激光形成的熔池中去，一些科研單位對(duì)同軸送粉頭做了進(jìn)一步的研究，使粉末流的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性得到了改善。這種送粉頭由內(nèi)部噴嘴，中間噴嘴，外部噴嘴和冷卻水套構(gòu)成。內(nèi)部噴嘴裝有聚焦鏡，對(duì)激光束進(jìn)行聚焦，焦點(diǎn)的位置大約在粉末的匯聚點(diǎn)附近。內(nèi)部噴嘴通有保護(hù)氣體，它能夠防止激光熔覆時(shí)飛濺的熔融粉末和其它有害氣體對(duì)激光聚焦透鏡的損害，同時(shí)保護(hù)熔覆涂層不被氧化。中間噴嘴和外部噴嘴形成錐形的環(huán)形通道，粉末通過四個(gè)管子由氣體輸送進(jìn)入環(huán)形通道，這四束粉末流在環(huán)形通道上相遇并匯聚成錐形粉末流，其中心與激光束同軸。為了防止過熱，送粉頭采用了循環(huán)水冷系統(tǒng)。該送粉頭能夠提供比較穩(wěn)定和連續(xù)的粉末流，準(zhǔn)確性也得到了較大改善。但是這種送粉頭的激光束和粉末同軸輸出，粉末在未到達(dá)熔池中時(shí)就已被激光束加熱，會(huì)出現(xiàn)粉末提前熔化而堵塞粉末通道的現(xiàn)象，另外這種送粉頭的工作點(diǎn)離噴嘴末端較近，飛濺的粉末容易粘接在噴嘴末端，黏附的殘?jiān)鼘?huì)改變粉末的流向。這些現(xiàn)象都不利于同軸送粉頭長時(shí)間的工作。
為了能使同軸送粉頭滿足長時(shí)間的工作，一些科研單位研制了一種同軸送粉頭，如


圖1所示，包括送粉頭主體1和輸粉管5。這種送粉頭采用多路送粉通道，即在以激光束為中心軸的圓周方向均勻?qū)ΨQ地分布兩個(gè)以上獨(dú)立的輸粉管，從輸粉管送出的多路粉末束相交于中心軸上一點(diǎn)。這種送粉頭可以提供穩(wěn)定和連續(xù)的粉末束流，同時(shí)粉末的相交位置離粉末通道的末段的距離較遠(yuǎn)，不會(huì)出現(xiàn)堵塞粉末通道的現(xiàn)象。但是該送粉頭從管狀粉末通道出來的粉末束由于沒有氣體的拘束，粉末束的發(fā)散角較大，粉末的利用率較低。
現(xiàn)有技術(shù)存在的單個(gè)的具有同軸匯聚氣的雙層送粉管，可以使粉末從送粉管輸出后具有匯聚性。這種送粉管主要應(yīng)用在旁軸送粉中。該送粉管主要包括粉氣分離體4及同軸的輸粉管5和匯聚氣導(dǎo)向管6。粉氣分離體4以常規(guī)方式連接在匯聚氣導(dǎo)向管6上，粉氣分離體4的下端和輸粉管5連通，在粉氣分離體4的側(cè)壁安裝有氣體釋放閥3。在匯聚氣導(dǎo)向管6的內(nèi)壁下部分加工有整流匯聚氣的氣篩，輸粉管5以常規(guī)方式固定在氣篩上，輸粉管5為粉末通道。輸粉管5和匯聚氣導(dǎo)向管6的間隙為氣體通道。匯聚氣體從小孔13進(jìn)入，通過氣體通道，在粉末流的周圍形成一環(huán)狀氣簾，使粉末保持出口的形態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)已有送粉頭的不足，設(shè)計(jì)出一種激光制造同軸送粉頭，使其不但具有送粉穩(wěn)定，匯聚性能好，粉末利用率高，可以較遠(yuǎn)距離工作和為激光制造提供保護(hù)氣氛等優(yōu)點(diǎn)外，而且還適用于諸多激光器用于激光熔覆快速成形，激光熔覆和激光填粉焊接等多種激光制造的場合。
本實(shí)用新型解決這些問題所采用的技術(shù)方案是在如
圖1所示的，以激光束為中心軸的圓周方向均勻地分布兩個(gè)以上獨(dú)立的輸粉管的同軸送粉頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于激光制造的同軸送粉頭，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本實(shí)用新型提供了一種激光制造同軸送粉頭，包括送粉頭主體1，在送粉頭主體1的傾斜面上均勻分布有至少兩個(gè)貫通的安裝斜孔，其特征在于在上述的安裝斜孔中設(shè)同軸匯聚氣的雙層送粉管；在送粉頭主體1的內(nèi)部設(shè)有匯聚氣通道，在外側(cè)壁設(shè)有匯聚氣進(jìn)口，匯聚氣頭主體1的內(nèi)部設(shè)有匯聚氣通道，在外側(cè)壁設(shè)有匯聚氣進(jìn)口，匯聚氣進(jìn)口和匯聚氣通道相貫通，氣體從匯聚氣進(jìn)口進(jìn)入，再進(jìn)入?yún)R聚氣通道，然后從匯聚氣導(dǎo)向管6側(cè)壁設(shè)的小孔13進(jìn)入雙層送粉管的氣體通道；匯聚氣通道和雙層送粉管的安裝斜孔相貫穿。
所述送粉頭主體1內(nèi)部分布有水冷腔10和冷卻水進(jìn)出通道，送粉頭主體1的內(nèi)腔和密封套7圍成水冷腔10，冷卻水進(jìn)出通道和水冷腔10貫通。冷卻水從冷卻水進(jìn)通道9進(jìn)入到水冷腔10，再從冷卻水出通道11流出。送粉頭主體以常規(guī)方式連接在激光加工工作頭上。
本實(shí)用新型的有益效果是由于在粉末流的外層通了匯聚氣體，匯聚氣體在粉末流的外圍形成一環(huán)狀氣簾，對(duì)粉末流進(jìn)行了拘束和整形，就可以使粉末流保持出口的原始狀態(tài)和較長距離的挺度，因此可以得到穩(wěn)定性和匯聚性良好的粉末束流，提高了粉末的利用率。該激光制造同軸送粉頭克服了旁軸送粉頭帶來的方向性，同時(shí)為激光加工過程提供了保護(hù)氣氛。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
圖1為已有技術(shù)同軸送粉頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為激光制造同軸送粉頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為送粉頭主體的匯聚氣通道和冷卻水通道分布示意圖。
圖1中，1.送粉頭主體，5.輸粉管。
圖2中，1.送粉頭主體，2.頂蓋，3.氣體釋放閥，4.粉氣分離體，5.輸粉管，6.匯聚氣導(dǎo)向管，7.密封套，8.匯聚氣I通道，9.冷卻水進(jìn)通道，10.水冷腔，11.冷卻水出通道，12.匯聚氣II通道，13.小孔。
圖3為送粉頭主體在A-A位置的剖面圖，圖3中，14.匯聚氣I進(jìn)口，15.匯聚氣II進(jìn)口。
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光制造同軸送粉頭包括送粉頭主體1和四個(gè)獨(dú)立的具有同軸匯聚氣的雙層送粉管。送粉頭主體1和密的激光束通道。在送粉頭主體1的內(nèi)部分布有冷卻水進(jìn)通道9和冷卻水出通道11及匯聚氣I通道8和匯聚氣II通道12。冷卻水從冷卻水進(jìn)通道9進(jìn)入水冷腔10，然后從冷卻水出通道11出去。在送粉頭主體1的外側(cè)壁設(shè)有匯聚氣進(jìn)口，匯聚氣進(jìn)口和匯聚氣通道貫通，每一個(gè)匯聚氣通道和一組雙層送粉管的安裝斜孔相貫穿，在匯聚氣導(dǎo)向管6的側(cè)壁設(shè)有一小孔13，安裝時(shí)小孔13的位置與匯聚氣通道和安裝斜孔相貫穿的位置相對(duì)應(yīng)，匯聚氣體從該孔進(jìn)入輸粉管5和匯聚氣導(dǎo)向管6的間隙形成的氣體通道。
具有同軸匯聚氣的雙層送粉管主要包括頂蓋2、氣體釋放閥3、粉氣分離體4、輸粉管5、匯聚氣導(dǎo)向管6。粉氣分離體4以常規(guī)形式連接在匯聚氣導(dǎo)向管6上，在粉氣分離體4的側(cè)壁安裝有氣體釋放閥3，粉氣分離體4的下端和輸粉管5連通。在匯聚氣導(dǎo)向管6的內(nèi)壁下部分加工有匯聚氣氣篩，輸粉管5以過渡配合方式固定在氣篩上。
工作時(shí)四路粉氣混合體從頂蓋2進(jìn)入，載氣在粉氣分離體4的內(nèi)部分離由氣體釋放閥3釋放到大氣中，氣體釋放閥3的作用是調(diào)節(jié)粉氣分離體4內(nèi)的壓力而調(diào)節(jié)粉末束流的速度。匯聚氣體從匯聚氣I進(jìn)口14和匯聚氣II進(jìn)口15進(jìn)入，分別經(jīng)匯聚氣I通道8和匯聚氣II通道12進(jìn)入?yún)R聚氣導(dǎo)向管6和輸粉管5的間隙，經(jīng)過匯聚氣導(dǎo)向管6內(nèi)壁下端加工的氣篩的整流而均勻輸出，在粉末束流外圍形成一環(huán)狀氣簾，調(diào)節(jié)粉末流量和匯聚氣流量的配比，就可以使粉末束流保持出口原始狀態(tài)和較長距離的挺度。四束粉末流在激光束軸線上匯聚成一束粉末流。匯聚氣體也在激光束軸線上相遇，在激光加工工作點(diǎn)周圍比較大的范圍內(nèi)形成保護(hù)氣氛。
權(quán)利要求1.一種激光制造同軸送粉頭，包括送粉頭主體(1)，在送粉頭主體(1)的傾斜面上均勻分布有至少兩個(gè)貫通的安裝斜孔，其特征在于在上述的安裝斜孔中設(shè)同軸匯聚氣的雙層送粉管；在送粉頭主體(1)的內(nèi)部設(shè)有匯聚氣通道，在外側(cè)壁設(shè)有匯聚氣進(jìn)口，匯聚氣進(jìn)口和匯聚氣通道相貫通，氣體從匯聚氣進(jìn)口進(jìn)入，再進(jìn)入?yún)R聚氣通道，然后從匯聚氣導(dǎo)向管(6)側(cè)壁設(shè)的小孔(13)進(jìn)入雙層送粉管的氣體通道；匯聚氣通道和雙層送粉管的安裝斜孔相貫穿。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光制造同軸送粉頭，其特征在于所述送粉頭主體(1)內(nèi)部分布有水冷腔(10)和冷卻水進(jìn)出通道，送粉頭主體(1)的內(nèi)腔和密封套(7)圍成水冷腔(10)，冷卻水進(jìn)出通道和水冷腔(10)貫通。
專利摘要本實(shí)用新型屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)通有的缺陷為匯聚性能差。本實(shí)用新型的激光制造同軸送粉頭，包括送粉頭主體(1)，在送粉頭主體(1)的傾斜面上均勻分布有至少兩個(gè)貫通的安裝斜孔，其特征在于在上述的安裝斜孔中設(shè)同軸匯聚氣的雙層送粉管；在送粉頭主體(1)的內(nèi)部設(shè)有匯聚氣通道，在外側(cè)壁設(shè)有匯聚氣進(jìn)口，匯聚氣進(jìn)口和匯聚氣通道相貫通，氣體從匯聚氣進(jìn)口進(jìn)入，再進(jìn)入?yún)R聚氣通道，然后從匯聚氣導(dǎo)向管(6)側(cè)壁設(shè)的小孔(13)進(jìn)入雙層送粉管的氣體通道；匯聚氣通道和雙層送粉管的安裝斜孔相貫穿。本實(shí)用新型送粉穩(wěn)定，匯聚性能好，粉末利用率高，可較遠(yuǎn)距離工作和為激光制造提供保護(hù)氣氛。
文檔編號(hào)B23K26/14GK2869036SQ20052012812
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者肖榮詩, 張正偉, 楊武雄, 陳鎧, 左鐵釧 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)