專利名稱：用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工應用領(lǐng)域，可用于金屬和非金屬激光熔覆、表面合金化、破損零件的修復等，具體涉及一種激光金屬直接成形的裝置。
背景技術(shù)：
激光金屬直接成形(Laser Metal Direct !Arming，LMDF)技術(shù)是基于快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)而發(fā)展起來的一種柔性的先進制造技術(shù)。該技術(shù)集成了激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)的優(yōu)點，可直接制造出具有復雜外形和良好力學性能的全致密三維實體金屬零件，具有制造速度快、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點。尤其適用于傳統(tǒng)方法難以制造的特種材料或特殊形狀金屬零件，在航空航天、汽車船舶、武器裝備、生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。影響激光金屬直接成形過程的因素復雜，如激光功率、掃描速度、送粉率、周圍環(huán)境的氧含量等?，F(xiàn)有工藝中所有上述因素的控制都是為了保證粉末場和熔池的穩(wěn)定性，進而保證成形過程的穩(wěn)定進行。由此可見，提高粉末場和熔池的穩(wěn)定性是一個關(guān)鍵問題。粉末場和熔池的穩(wěn)定性不好，會直接導致成形件表面質(zhì)量惡化，嚴重情況下，甚至出現(xiàn)塌陷流淌等缺陷，成形過程將無法繼續(xù)進行?，F(xiàn)用的粉末噴嘴，粉末從噴嘴中出來以后發(fā)散比較嚴重，匯聚性差，粉末利用率低，難以滿足LMDF的要求；由于不同種類的粉末，其成分、密度及其顆粒大小不同，每種粉末都有其最佳的匯聚角度，這需要我們調(diào)整噴粉管的角度以使粉末的匯集性和穩(wěn)定性最好；在成形不同傾斜角度的零件時，其熔池穩(wěn)定性會受到粉末的入射角度的影響，一般存在一個最佳入射角，所以在成形不同傾斜角度的零件時也會要求我們調(diào)整粉末的入射角度，這就迫切需要一種粉末匯聚性好、角度可調(diào)式的噴嘴。目前，激光金屬直接成形技術(shù)所采用的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(huán)式同軸送粉噴嘴。美國Sandia國家實驗室和Optomec Design公司用于激光工程化凈成形技術(shù)(Laser Engineered NetShaping, LENS)采用了四管式同軸送粉噴嘴，并取得很好的效果。美國專利(U. S. I^t. 7358457)提供了一種四管激光金屬直接成形噴嘴，其氣體保護氛圍結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，但其粉末出口需要加工傾斜的且匯聚于一點的四個小孔，加工失敗率高，且其也不具備粉末入射角度的調(diào)節(jié)能力，使用范圍具有很大的局限性。清華大學采用垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴(CN 1255411A)，華中科技大學公開了一種內(nèi)置式激光熔覆噴嘴(CN1570190A)，華南理工大學研制了環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴(CN 2707772Y)和孔式同軸激光熔覆噴嘴(CN 2707773Y)，此類送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)基本相似，其主要不足的是結(jié)構(gòu)過于復雜，噴嘴出口的粉末流均勻性相對較差，易發(fā)散，粉末利用率較低，且噴嘴自身也不具備調(diào)節(jié)粉末入射角度的能力。在實際生產(chǎn)中，旁軸送粉由于其粉末利用率高，熔覆表面光滑，質(zhì)量穩(wěn)定，也在一些場合(如激光修復)中使用。如果一種噴嘴能實現(xiàn)同軸和旁軸送粉的兩用，在實際的生產(chǎn)中必然會帶來很多的方便。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)存激光金屬直接成形用噴嘴存在的不足，本發(fā)明提供了一種用于激光直接成形的四管送粉噴嘴，它能夠?qū)崿F(xiàn)送粉角度的連續(xù)調(diào)整，適用于不同的成形材料和成形不同傾斜角度的零件，且它本身兼?zhèn)渫S送粉和旁軸送粉的優(yōu)點，即只往一根噴粉管通入粉末的時候就可以兼?zhèn)渑暂S送粉的功能，從而提高了噴嘴的適用性、粉末匯聚性和穩(wěn)定性，以及粉末利用率。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，包括上、中、下三個部分，其特征在于，上部分包括與激光頭相連的上連接套筒、安裝在上連接套筒內(nèi)的保護鏡去污噴嘴；中部分包括滑動套筒，通過離焦調(diào)整螺母使滑動套筒在上連接套筒中上下滑動；通過鎖緊套將滑動套筒固定；滑動套筒下端連接有對中器；下部分包括錐形激光套和與其連接的噴粉管軌道架，錐形激光套通過對中器固定及對中；四個噴粉管均勻的分布在噴粉管軌道架四周，噴粉管軌道架上加工有軌道弧面B，噴粉管軌道架外側(cè)面上標有指示角度的刻度，噴粉管上加工有與噴粉管軌道架軌道弧面B配合的弧面A，該弧面A通過與軌道弧面B 滑動配合，使噴粉管在噴粉管軌道架上作圓周運動，調(diào)整粉末的入射角度。上述方案中，所述噴粉管在噴粉管軌道架上作圓周運動，調(diào)整粉末入射角度的范圍從水平位置起為30°到60° ；粉末的軸線調(diào)整范圍在一個直徑為7mm圓柱內(nèi)。通過離焦調(diào)整螺母(4)使滑動套筒C3)在上連接套筒(1)中上下滑動為士5mm。所述保護鏡去污噴嘴朝里的一端是開有很小縫隙的扁平噴嘴，且向上傾斜，直接對著激光頭中的保護鏡片。所述上連接套中設(shè)有一圈連通的孔，里面通入冷水，構(gòu)成激光頭中激光匯聚透鏡的水冷循環(huán)裝置。噴粉管的孔直徑范圍是0. 8mm 3mm，且經(jīng)過拋光處理，孔的內(nèi)表面光潔度達到鏡面。本發(fā)明與現(xiàn)有噴嘴技術(shù)相比主要有如下優(yōu)點1、由于不同的粉末材料存在不同的最佳匯聚角度，加之在做一些不同傾斜角度零件時為了維持熔池的穩(wěn)定性也需要調(diào)整粉末的入射角度，一般的噴嘴難以滿足這些需求， 本發(fā)明噴嘴由于其噴粉管的角度連續(xù)可調(diào)性，能滿足這些需求，且噴嘴在角度調(diào)整的過程中參照軌道架上的刻度，便于微調(diào)，依靠其上螺母擰緊固定，固定后位置穩(wěn)定可靠。2、本發(fā)明的噴粉管的內(nèi)徑為1mm，經(jīng)過拋光處理后，內(nèi)壁表面光潔度達到鏡面，粉末由孔出來后可以獲得較長距離的直線狀的粉末流，粉末匯聚效果好，有效的提高了粉末的匯聚性和粉末利用率。3、噴嘴不易堵粉，工作壽命長；即使某根粉管出現(xiàn)問題，更換方便，而現(xiàn)在一般的熔覆噴嘴，一個位置的問題導致整個噴嘴報廢，本發(fā)明整體比較經(jīng)濟實用。4、由于加工或者安裝過程中，會造成粉末和激光同軸度的誤差，本發(fā)明能依靠對中裝置實現(xiàn)同軸度的調(diào)整，最終使粉末匯聚點準確的進入熔池，而且調(diào)整方便可靠。5、在做一些表面質(zhì)量要求不是很高的大零件時，需要大的粉末匯聚點，本發(fā)明粉末離焦量的調(diào)整就能改變粉末在基板匯聚點的大小，獲得大的粉末匯聚點。6、本噴嘴兼?zhèn)渫S和旁軸送粉的優(yōu)點，滿足不同的工作需求，且轉(zhuǎn)換方便。7、本噴嘴零部件少，安裝十分方便，且在整個安裝調(diào)整過程中外邊的軟管不會發(fā)生纏繞，調(diào)整也十分方便。8、在激光頭中，激光匯聚透鏡是一個關(guān)鍵的精密光學部件，價格昂貴，其外設(shè)有一個保護鏡片。一般只要保護鏡片不破裂，激光匯集透鏡就不會發(fā)生損壞?，F(xiàn)行的方法大多是在激光通過的腔體內(nèi)設(shè)法形成氣簾或者通入氣體避免煙塵污染保護鏡，但是這些方法一般需要很大的通氣量，而大的通氣量又會影響下面粉末的匯聚性。本發(fā)明保護鏡去污噴嘴， 通過其向上傾斜的扁嘴形噴嘴能向保護鏡的光照區(qū)域直接噴射氣體，在通氣量不大的情況下使得這片區(qū)域一直處于氣體的沖刷狀態(tài)，能保證其長時間不受到煙塵污染，能使得整個設(shè)備長期正常運行。本發(fā)明可用于金屬和非金屬激光熔覆、表面合金化、破損零件的修復、激光金屬直接成性等領(lǐng)域，適合推廣使用。
以下結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1是本發(fā)明四管送粉噴嘴結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是圖1中噴粉管和噴粉管軌道架的裝配示意圖，其中，A和B分別表示噴粉管和噴粉管軌道架的弧面，箭頭表明了噴粉管的插入方向。圖3是圖1中保護鏡去污噴嘴放大的旋轉(zhuǎn)剖面圖。圖4是圖1中上連接套中的水冷循環(huán)結(jié)構(gòu)。在圖1、圖2中1.上連接套筒，2.保護鏡去污噴嘴，3.滑動套筒，4.粉末離焦調(diào)整螺母，5.鎖緊套，6.對中器，7.錐形激光套，8.對中螺釘，9.噴粉管螺母，10.墊片，11.軌道架，12.激光頭，13.保護鏡片，14.噴粉管，15.刻度，16.標線。
具體實施例方式如圖1所示，一種用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，包括上、中、下三個部分，上部分包括上連接套筒1，通過四個螺釘與激光頭12連接；保護鏡去污噴嘴2安裝在上連接套1內(nèi)，以防止激光頭12中的保護鏡片13被外界煙塵污染。中部由滑動套筒 3、粉末離焦調(diào)整螺母4、鎖緊套5、對中器6和對中螺釘8組成，主要是實現(xiàn)粉末離焦量和同軸度的調(diào)整，保證粉末準確的進入到熔池中，其中滑動套筒3能在上連接套1的槽子中滑動，到了合適的位置，鎖緊套5將其固定住。下部由錐形激光套7、軌道架11、噴粉管14、噴粉管螺母9及墊片10組成，通過噴粉管和軌道架的軌道弧面A、B配合，可以實現(xiàn)粉末管的圓周運動，調(diào)整粉末的入射角度。上連接套1開有兩個槽，滑動套筒3 —端有兩個耳，位于上連接套的槽中，滑動套筒3通過離焦調(diào)整螺母4能在上連接套1中可以實現(xiàn)士5mm的上下滑動，從而實現(xiàn)粉末焦距的上下調(diào)整。鎖緊套5是一個一端有縫隙的圓環(huán)，其上的孔中插入螺栓，能夾緊滑動套筒 3和上連接套1，從而將滑動套筒固定，防止其在工作過程中上下竄動。對中器6上均勻分布著四個螺紋孔，四個對中螺釘8分別旋入其中，錐形激光套7內(nèi)部是中空的激光通道，外表面上有螺紋，噴粉管軌道架11通過該螺紋連接在錐形激光套上，依靠調(diào)整對中螺釘8在對中器6中的旋入量可以調(diào)整錐形激光套7的位置，這樣間接實現(xiàn)了粉末和激光的同軸度的調(diào)整，確保粉末準確的進入熔池中。如圖2所示，四個噴粉管14均勻的分布在噴粉管軌道架11四周，噴粉管上加工有與噴粉管軌道架配合的弧面A，噴粉管外壁的中線位置刻有標線16 ；噴粉管軌道架上加工有與噴粉管弧面A配合的弧面B，其外側(cè)面上標有指示角度的刻度15 (從水平起，30°到 60° )，刻度顯示噴粉管在其內(nèi)調(diào)整的范圍。噴粉管軌道架的四周開有四個槽，噴粉管的一段可以插到槽里，槽的寬度和深度根據(jù)噴粉管插入部分的尺寸而定，噴粉管在槽里不會晃動，且在槽里可以滑動，依靠設(shè)計的槽的尺寸和配合圓弧面的約束，四個噴粉管做繞著同一個點的圓周運動，根據(jù)刻度調(diào)整到要求的粉末入射角度，用噴粉管螺母9擰緊固定噴粉管。 當我們需要旁軸送粉的時候，只需在一個噴粉管上插上送粉管即可。噴粉管14的孔直徑范圍是0.8mm 3mm，且經(jīng)過拋光處理，孔的內(nèi)表面光潔度達到鏡面。粉末從管內(nèi)噴出后能形成20mm直線狀粉末束，能顯著提高粉末的匯聚性和利用率。如圖3所示，為了防止匯聚透鏡受熱破裂，上連接套1中設(shè)有一圈連通的孔，構(gòu)成了激光匯聚透鏡的水冷循環(huán)系統(tǒng)。如圖4所示，上連接套中的保護鏡去污噴嘴2是一個扁嘴形的噴嘴，扁嘴層中開有0. 5mm的縫隙，它保證氣體能以較大的面積噴出，其出口傾斜向上，直接對著保護鏡片 13，可以實現(xiàn)氣體對保護鏡的直接沖刷，能保證保護鏡長時間不因粉塵污染而損壞，進而保證激光匯聚透鏡不發(fā)生破裂，避免因檢查透鏡情況或者因透鏡破裂而影響實際生產(chǎn)中的效率。
權(quán)利要求
1.一種用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，包括上、中、下三個部分，其特征在于，上部分包括與激光頭(1 相連的上連接套筒(1)、安裝在上連接套筒(1)內(nèi)的保護鏡去污噴嘴O)；中部分包括滑動套筒(3)，通過離焦調(diào)整螺母(4)使滑動套筒C3)在上連接套筒(1)中上下滑動；通過鎖緊套( 將滑動套筒(3)固定；滑動套筒C3)下端連接有對中器(6)；下部分包括錐形激光套(7)和與其連接的噴粉管軌道架(11)，錐形激光套(7) 通過對中器(6)固定及對中；四個噴粉管(14)均勻的分布在噴粉管軌道架(11)四周，噴粉管軌道架上加工有軌道弧面B，噴粉管軌道架外側(cè)面上標有指示角度的刻度，噴粉管上加工有與噴粉管軌道架軌道弧面B配合的弧面A，該弧面A通過與軌道弧面B滑動配合，使噴粉管在噴粉管軌道架上作圓周運動，調(diào)整粉末的入射角度。
2.如權(quán)利要求1所述的用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，其特征在于， 所述噴粉管在噴粉管軌道架上作圓周運動，調(diào)整粉末入射角度的范圍從水平位置起為30° 到60° ；粉末的軸線調(diào)整范圍在一個直徑為7mm圓柱內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，其特征在于， 通過離焦調(diào)整螺母(4)使滑動套筒C3)在上連接套筒(1)中上下滑動為士5mm。
4.如權(quán)利要求1所述的用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，其特征在于， 所述保護鏡去污噴嘴朝里的一端是開有很小縫隙的扁平噴嘴，且向上傾斜，直接對著激光頭(12)中的保護鏡片(13)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，其特征在于， 所述上連接套(1)中設(shè)有一圈連通的孔，里面通入冷水，構(gòu)成激光頭(1 中激光匯聚透鏡的水冷循環(huán)裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，其特征在于， 噴粉管(14)的孔直徑范圍是0.8mm 3mm，且經(jīng)過拋光處理，孔的內(nèi)表面光潔度達到鏡面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于激光直接成形的角度可調(diào)式四管送粉噴嘴，包括上中下三個部分，上部為上連接套和保護鏡去污噴嘴；中部由滑動套筒、粉末離焦調(diào)整螺母、鎖緊套及中心調(diào)整裝置組成；下部由錐形激光套、噴粉管、噴粉管軌道架組成。本發(fā)明的特征在于，噴粉管能在噴粉管軌道架上滑動，實現(xiàn)粉末入射角度的連續(xù)可調(diào)；依靠滑動套筒的上下移動能實現(xiàn)粉末匯聚點正負離焦量的連續(xù)調(diào)整；依靠同軸調(diào)整裝置能實現(xiàn)激光和粉末同軸度的調(diào)整。本噴嘴既可以作為同軸送粉噴嘴，又可以作為旁軸送粉噴嘴，噴粉管孔的內(nèi)表面十分光滑，達到鏡面，提高了粉末的匯聚性。
文檔編號B22F3/115GK102554471SQ20111041539
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者張安峰, 李滌塵, 楊洪濤, 葛江波, 解行, 賀斌 申請人:西安交通大學, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司