專利名稱：一種氣簾保護式三維同軸激光送粉頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光熔覆領域，具體是一種適合于激光熔覆工藝的合金粉 末出粉的激光加工裝置，通過雙路水冷、氣簾保護和四路送粉，實現送粉 器輸送的合金粉末均勻分配、定點聚焦和三維激光熔覆。
背景技術：
激光熔覆技術是一種新型的加工制造技術，金屬粉末及基材在激光束 的輻照下同時發生熔化——凝固，達到冶金結合。激光熔覆的送粉方式可 分為預置式和同步式，預置式激光熔覆是將熔覆材料預先添加在基體材料 的表面，然后采用激光束輻射掃描熔化；同步式激光熔覆則是瑢覆材料直 接送入激光束中，供料和熔覆同步完成。同步送粉也有幾種不同的類型， 單側送粉和同軸送粉，單側送粉裝置一般不采用輔助氣體送粉，主要依靠 粉末自重并輔以微振輸送粉末，具有送粉精度高、送粉均勻和送粉范圍大 等優點。此種送粉的局限性在于送粉只是一個方向，這使得當加工面是平 面時加工軌跡只能是一條直線，而不能走諸如圓、方形等這些曲線，無法 實現二維或三維激光熔覆。而采用同軸送粉頭，則克服了單側送粉的缺點， 能夠在激光束外圍先將粉末分散成環，然后再匯聚，將匯聚的粉末送入聚 焦的激光束中，可實現二維激光熔覆工藝；但是，該同軸送粉頭存在粉末 匯聚性不高(利用率低)以及粉末流軸向剛度不足的問題，在實施三維送 粉過程中，當激光束偏離豎直方向時，在出粉口至激光熔覆位置之間的粉 末流呈拋物線狀，送達激光熔覆位置的粉末不穩定，導致激光熔層不均勻， 激光熔覆效果不佳。
發明內容
為了將合金粉末同軸送達激光聚焦后的合適位置，并滿足三維激光熔 覆的工藝要求，本發明設計一種帶氣簾保護的三維同軸激光送粉頭。
本發明送粉頭技術方案為五層結構，由內向外依次為激光束、內腔冷 卻層、載粉氣流層，保護氣層，外腔冷卻層；具體結構如下
激光束，從位于中部內嘴的內孔中央通過；
內腔冷卻層，位于激光束外圍，配有帶進、出水接口的內腔水冷管； 載粉氣流層，為倒錐形空腔結構，位于內腔冷卻層外圍，與聚焦激光 束同軸；配有進粉接口的進粉管；
保護氣層，位于載粉氣流層外圍，空腔結構，配有帶進氣接口的進氣管，空腔的下端為垂直邊緣；
外腔冷卻層，位于保護氣層外圍，為密封腔結構，配有帶進、出水接 口的外腔水冷管。
其中所述進粉套、錐嘴套和進氣套均同軸，整體呈下窄上寬圓臺形 結構，進粉套與內嘴的結合處高于錐嘴套和進氣套的下邊緣；所述內嘴和 錐嘴套的下邊緣為向上內縮式結構。
本發明具有如下特點
1. 本發明采用載氣粉流外加保護氣結構，具有二次壓縮粉末流的作用， 粉末流的剛性好；
2. 本發明采用內外雙冷卻通道結構，對送粉頭內層和外層都進行冷卻， 減少加工過程中反射光對送粉頭造成的影響；
3. 本發明內嘴和錐嘴套下邊緣采用內縮式結構，增加了下邊緣的壁厚。
圖1為本發明三維激光熔覆送粉頭結構示意圖。 圖2為圖1的左視圖。
圖中l為水冷套；2為外腔水冷管；3為進氣套；4為錐嘴套、5為進 粉套；6為內腔水冷管；7為連接套；8為進氣管；9為進粉管；IO為內嘴; ll為激光束；12為工件。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。 如圖l-2所示，本發明送粉頭包括
激光束11:為聚焦式，光路從位于中部的、與連接套7 (用于連聚焦 系統)相連的內嘴10的內孔中央通過，聚焦焦點位于為外腔冷卻層下邊緣 與工件12表面之間；
內腔冷卻層為內嘴10側壁和進粉套5形成的密封腔(內嘴10與進 粉套5的結合部為焊接)，在進粉套5上設置帶有進、出水接口的兩個內腔 水冷管6，對稱分布；直接冷卻內嘴10和進粉套5，間接冷卻載粉氣流層 的錐嘴套4;
載粉氣流層為倒錐形結構，在內腔冷卻層外圍，與激光束ll同軸； 由進粉套5外壁和錐嘴套4內壁組成，為倒錐形空腔結構(進粉套5和錐 嘴套4的結合部為螺紋連接)，帶有進粉接口的四個進粉管9安裝在進粉套 5上，粉末流從倒錐形空腔的下端流出，并在激光束11外圍形成倒錐形載 粉氣流層，匯聚于激光束11的中心軸線上，粉末的匯聚點位于工件12表 面上。
保護氣層位于載粉氣流層外圍，為錐嘴套4外壁和進氣套3內壁組
成的空腔(錐嘴套4和進氣套3的結合部為螺紋連接)，空腔的下端為垂直邊緣，帶有進氣接口的兩個進氣管8安裝在進氣套3上；保護氣從空腔的 下端流出并在載粉氣流層外圍形成保護氣簾，用于載粉氣流二次壓縮，實 現粉末的高度匯聚；
外腔冷卻層位于保護氣層外圍，為進氣套3的外壁和水冷套1內壁 形成的密封腔(進氣套3和水冷套1的結合部為焊接)，帶有進出、水接口 的兩個外腔水冷管2安裝在水冷套1上，對稱分布；直接冷卻進氣套3和 水冷套l，間接冷卻錐嘴套4。
其中進粉套5、錐嘴套4和進氣套3均同軸，整體呈下窄上寬圓臺形結 構，進粉套5與內嘴10的結合處高于錐嘴套4和進氣套3的下邊緣；所述 內嘴10和錐嘴套4下邊緣向上內縮式，使內嘴10和錐嘴套4下邊緣的壁 厚增加，避免了薄壁尖端燒損現象。
本發明具體工作方式
激光束11從內嘴10中央的通孔內穿過，粉末匯聚點位于工件12表面 上，激光束11焦點位于外腔冷卻層下邊緣與工件12之間的任意一點；同 時，載粉氣流分四路從進粉管9進入載粉氣流層的倒錐形空腔上端，經倒 錐形空腔的匯聚作用，在下端形成倒錐形載粉氣流，匯聚于工件12表面(位 于水冷套1下邊緣垂直距離20mm的位置)，該匯聚點就是激光的熔池位置； 與此同時，保護氣從進氣管8進入保護氣層的空腔，經保護氣層的導向作 用，在載粉氣流層外側形成保護氣簾，使載粉氣流在外圍形成強烈的壓縮， 增加粉末流的剛度和匯聚性。
為了避免局部熱積累造成送粉頭的損壞，本發明送粉頭(除連接座外) 全部采用導熱能力很強的紫銅制作，并通過兩路冷卻水帶走熱量，避免送 粉頭的整體熱積累造成流道的變形；第一路冷卻水從內腔冷卻層一側的內 腔水冷管6的進入，吸收熱量后從另一側的內腔水冷管6流出；第二路冷 卻水從外腔冷卻層一側的外腔水冷管2的進入外腔，吸收熱量后從另一側 的外腔水冷管2流出；實現空腔腔體各部位的直接和間接冷卻。
本發明氣簾保護式三維同軸激光送粉頭的主要技術參數指標
1. 送粉頭總重量lkg;
2. 載粉氣流匯聚直徑2 6mm;
3. 載粉氣流匯聚焦距20mm;
4. 粉末束傾斜角±90。；
綜上，本發明送粉頭通過外加保護氣氣簾壓縮粉末，增強粉末束的剛
度和匯聚性；采用雙層水冷結構，實現內腔和外腔同時冷卻，減少加工過 程中反射光對送粉頭造成影響。
權利要求
1.一種氣簾保護式三維同軸激光送粉頭，其特征包括激光束(11)，光路從位于中部的、與連接套(7)相連的內嘴(10)的內孔中央通過；內腔冷卻層，位于激光束(11)外圍，設置有帶有進、出水接口的內腔水冷管(6)；載粉氣流層，為倒錐形空腔結構，在內腔冷卻層外圍，與激光束(11)同軸；配有進粉接口的進粉管(9)，粉末流從倒錐形空腔的下端流出，并在聚焦激光束(11)外圍形成倒錐形載粉氣流層，匯聚于激光束(11)的中心軸線上；保護氣層，位于載粉氣流層外圍，空腔結構，配有帶進氣接口的進氣管(8)，空腔的下端具有垂直邊緣；保護氣從空腔的下端流出并在載粉氣流層外圍形成保護氣簾，用于載粉氣流二次壓縮，實現粉末的高度匯聚；外腔冷卻層，位于保護氣層外圍，為密封腔結構，配有帶進出、水接口的外腔水冷管(2)；直接冷卻進氣套(3)和水冷套(1)，間接冷卻錐嘴套(4)。
2. 根據權利要求1所述氣簾保護式三維同軸激光送粉頭，其特征是其中進粉套(5)、錐嘴套(4)和進氣套(3)均同軸，整體呈下窄上寬圓 臺形結構，進粉套(5)與內嘴(10)的結合處高于錐嘴套(4)和進氣套 (3)的下邊緣。
3. 根據權利要求l所述氣簾保護式三維同軸激光送粉頭，其特征是 所述內嘴(10)和錐嘴套(4)下邊緣向上內縮式結構；使內嘴(10)和錐 嘴套(4)下邊緣的壁厚增加，避免了薄壁尖端燒損現象。
4. 根據權利要求l所述氣簾保護式三維同軸激光送粉頭，其特征是所述內、外腔冷卻層的內腔水冷管(6)、外腔水冷管(2)對稱分布。
全文摘要
本發明公開一種氣簾保護式三維同軸激光送粉頭，包括激光束；位于激光束外圍，設置有帶有進、出水接口的內腔水冷管的內腔冷卻層；倒錐形空腔結構的載粉氣流層，與聚焦激光束同軸；配有進粉接口的進粉管；位于載粉氣流層外圍的空腔結構的保護氣層；位于保護氣層外圍的密封腔結構的外腔冷卻層。本發明可為三維激光熔覆工藝提供合適的同軸匯聚粉；采用保護氣簾，使載粉氣流進行二次壓縮，實現粉末的高度匯聚；載粉氣流采用倒錐形匯聚，實現與激光束同軸聚焦，保證在斜面、立面及不同方向上進行三維激光熔覆工藝的實施；通過雙冷卻結構實現送粉頭主體內外腔的冷卻，保證送粉頭穩定工作，避免熱積累和局部燒損。
文檔編號C23C24/10GK101643900SQ20081001265
公開日2010年2月10日 申請日期2008年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者宮銘輝, 張翼飛, 朋 楊, 飛 邢 申請人:沈陽新松機器人自動化股份有限公司