[发明专利]一种可调式激光同轴送粉喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光金属直接制造用喷嘴，特别涉及一种激光同轴送粉喷嘴，属于激光加工和激光快速制造领域。

背景技术

激光金属直接制造技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术，是快速成形基本原理和激光加工技术精华的集成。以“离散-堆积”成形原理为基础。首先在计算机中生成最终功能零件的三维CAD模型；然后将该模型按一定的厚度分层切片，控制成形系统采用激光同轴送粉喷嘴按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料；最终形成三维净成形实体零件。

目前，激光金属直接制造技术主要有三种供粉方法：铺粉法、侧向送粉法和同轴送粉法。铺粉法需要在激光熔化前把粉末预铺在工件表面，经激光熔覆堆积成形。主要问题是容易产生气孔、夹杂等缺陷，稀释率难以控制。侧向送粉可实现粉末和基体同时熔化，但激光束与送粉区重合程度不易控制，容易出现激光扫描方向各向异性，影响熔覆成形质量。同轴送粉可解决上述问题，调整激光聚焦点与粉末汇聚点重合，获得粉末的最大利用率和最小的稀释率。

目前同轴送粉喷嘴主要有两种形式：四管式同轴送粉喷嘴和锥环式同轴送粉喷嘴。美国Sandia国家实验室用于激光工程化净成形技术(LENS)的同轴喷嘴采用了四管式同轴送粉喷嘴(美国专利U.S.Pat.4724299)，虽然激光焦点位置与粉末焦点可以调节，喷嘴内通有冷却水而得到很好冷却，但粉末很难在周向均匀喷入激光熔池，且没有专门的保护气体防止氧化。另一美国专利U.S.Pat.5477026的基本结构为多层同心锥筒形式，包含同轴光路通道、粉路通道和气路通道，粉末流采用三路或四路垂直进入方式.靠近端部有冷却装置。主要不足为喷嘴出口的粉末流均匀性相对较差，不能满足精密制造均匀同轴送粉的要求，喷嘴自身不具备调节汇聚直径的能力。清华大学采用垂直装卸的分体式激光熔覆同轴送粉喷嘴(CN1390649A)，华南理工大学研制的环式同轴激光熔覆喷嘴(CN2707772Y)，后三种同轴送粉喷嘴的结构基本相似。

发明内容

鉴于激光金属直接制造对同轴送粉喷嘴提出了更高的要求，要求同轴送粉喷嘴所送出的粉末，周向分布更加均匀，具有良好的汇聚性：为了延长喷嘴的使用寿命，要求同轴送粉喷嘴具有良好的冷却效果；因此本发明的目的在于克服现有喷嘴在激光熔覆过程出现的粉末汇聚效果较差、粉末利用率偏低等缺陷，提供一种粉腔、气腔和焦距可调式激光同轴送粉喷嘴，具有较好的粉末汇聚效果、较高的粉末利用率、良好的水冷效果，整个喷嘴结构设计合理，加工工艺性好，且操作方便。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种可调式激光同轴送粉喷嘴，包括激光头及保护镜、保护镜水冷套、上部的圆柱激光腔体、中部由激光套内层构成的同轴圆锥激光腔体，激光腔体外下部设置有粉腔、次外层保护气腔和最外层水冷腔。其特征在于所述粉腔由激光套与一个粉末腔体套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述的次外层保护气腔由粉末腔体套与一个保护气套通过螺纹联结后在二者之间形成；所述粉腔和保护气腔的厚度通过螺纹联结在1～3mm之间可调；所述粉腔和保护气腔的圆锥上部周围分别设置有多个均布的送粉管和多个均布的送气管。

上述方案中，粉腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为15～30°；保护气腔与同轴圆锥激光腔体轴线的夹角为20～45°。所述多个送粉管和多个送气管均可为4～6个。所述最外层水冷腔由保护气套与喷嘴水冷套焊接后在二者之间形成。水冷腔内设置有螺旋分水块。螺旋分水块内侧设有进水通道，外侧设有螺旋出水通道。

所述上部的圆柱激光腔体外侧可设置有由升降外套筒、升降内套筒组成离焦量调节机构，该离焦量调节机构下部设置有由调节底座、调节螺钉组成的激光套对中调节机构；升降内套筒联结保护镜水冷套。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明送粉腔的环锥形通道厚度可以通过调节联结螺纹得到理想的粉末流态和汇聚直径，具有调节汇聚直径大小的能力，可适应输送不同粒度的粉末。依据喷嘴尺寸大小设置4～6个送粉管，具有足够长的送粉通道，有利于提高粉末在汇聚点处的均匀性。粉末汇聚直径最小可达1mm。

(2)本发明设计的水冷腔中设有螺旋分水块，螺旋分水块内侧开有进水通道，外侧开有螺旋出水通道，冷却水腔中由于螺旋分水块的存在，能迅速带走热量，使激光送粉喷嘴的热端得到均匀冷却。避免了冷却水出现“短路”现象，有效地提高了冷却效果。