專利名稱：一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種噴嘴系統，特別是一種用于激光快速成形的同軸噴嘴 系統，主要應用于金屬粉末激光快速成形系統中。
背景技術：
激光是二十世紀最偉大的科學發明之一，具有巨大的技術潛力。激光 加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種激光加工技 術，其中激光熔覆技術是目前最活躍的激光加工技術之一。快速成形技術 是八十年代末興起并得到迅速發展的嶄新制造技術，被認為是近二十年來 制造技術領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與數控技術的出現相 比。激光快速成形技術是將激光熔覆技術與快速成形技術相結合，以金屬 粉末為原料，采用高功率激光熔覆技術，利用快速成形分層制造思想，制 造出金屬功能零件。此項技術因能夠直接成形金屬功能零件而倍受人們的 關注，并且取得了長足的發展。激光快速成形系統除了大功率激光器外，主要還包括導光裝置、數控 加工裝置和金屬粉末送給裝置等，其中金屬粉末送給是一項關鍵技術。目 前，金屬粉末送給方式主要有以下三種預置粉末法、側向同步送粉法和 同軸送粉法。目前使用較多的是采用同軸送粉法的同軸粉末噴嘴，而且大 多數同軸粉末噴嘴均采用同軸環形錐套的結構。這種同軸粉末噴嘴雖然結 構緊湊、小巧、粉末噴出均勻，但是仍然具有如下問題1. 結構復雜。同軸粉末噴嘴是聚焦激光、匯聚粉末、匯聚保護氣 的同軸輸出口，又包括復雜冷卻水道，因此結構設計特別復雜。2. 加工工藝難度較大。為了避免熔池熱輻射燒傷噴嘴，噴嘴材料 一般選擇熱傳導率較高的紫銅，由于粉末噴射錐軸線、激光束軸線以及保 護氣噴射錐軸線同軸，因此采用紫銅作為噴嘴材料的加工工藝難度較大。3. 氣體保護不充分。為避免污染聚焦透鏡，激光出口需要輸出保護氣；為避免粉末熔化后與空氣接觸，在粉末噴射錐外層設置保護氣噴射 錐；為使金屬粉末流動順暢，采用氣載方式送粉。這些氣體及粉末顆粒在 噴嘴出口的狹窄空間里流動形式極端復雜， 一方面嚴重影響了粉末噴射錐 的形狀，另一方面無法實現充分、穩定的保護氣氛圍。4. 冷卻不充分。由于粉末噴嘴距離上千度高溫的激光熔池很近， 所以噴嘴冷卻一直是同軸送粉技術的主要問題之一，冷卻不充分時會造成 粉末在噴出口處燒熔粘結現象發生，更嚴重時會發生噴嘴燒熔變形甚至脫 落。同軸粉末噴嘴由于其結構復雜、空間狹小，所以難于設計和制造出大 腔體的冷卻水道，冷卻效果不好。
發明內容
為了解決上述同軸粉末噴嘴所存在的諸多問題，本發明提供一種用于 激光快速成形的同軸噴嘴系統，該系統可以實現四只粉末噴嘴噴射粉末匯 聚成一點、聚焦激光束沿同軸噴嘴系統軸線輸出、在穩定的保護氣氛圍下 和高效的水冷卻環境下進行激光快速成形加工操作。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是 一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，包括側壁冷卻水罩組件(1)、頂部冷卻水罩組件(2) 和噴嘴組件(6)。頂部冷卻水罩組件(2)處于側壁冷卻水罩組件(1)內， 噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。 本發明的優點及有益效果為1. 本發明通過設計圓柱形同軸噴嘴腔體系統，形成一定成形高度 和成形面積下穩定的惰性氣體保護氛圍，實現惰性氣體充分保護。2. 本發明采用標準化的紫銅噴嘴，工藝性好、互換性好、噴嘴直徑可根據金屬粉末的粒度情況加以更換。3. 本發明采用聚焦激光束沿同軸噴嘴系統軸線輸出方式，激光焦 點匯聚在同軸噴嘴系統軸線上，實現二維平面內全方位成形加工。4. 本發明采用圓周內軸對稱均布的四只噴嘴匯聚噴射金屬粉末至 激光焦點，使系統結構大為簡化。5. 本發明的各主要零部件均采用黃銅材料，工件材料切削加工性能優良，加工工藝簡單。6. 本發明采用頂部冷卻水罩和側壁冷卻水罩，實現除底面基體之 外的全方位水冷卻，降低成形區域溫度、消除激光反射污染及傷害。7. 本發明采用激光束輸入口作為惰性氣體輸入口， 口徑大、氣流平穩、容易實現穩定的惰性氣體保護氛圍。8. 本發明采用氣載方式送粉， 一方面使粉末以一定的挺度噴射，另一方面吹散成形區域多余的金屬粉末。9. 本發明采用基體平面與側壁冷卻水罩底面之間的微隙、頂部冷 卻水罩與側壁冷卻水罩之間的微隙作為惰性氣體的輸出口 ，使成形區域的氣壓略高于大氣壓，空氣無法進入成形區域。
圖l為本發明的剖視圖；圖2為側壁冷卻水罩組件的結構示意圖；圖3為頂部冷卻水罩組件的結構示意圖；圖4為噴嘴組件的結構示意圖。
具體實施方式
參看圖l-圖4， 一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，包括側壁冷 卻水罩組件1、頂部冷卻水罩組件2和噴嘴組件6。頂部冷卻水罩組件2 處于側壁冷卻水罩組件1內，噴嘴組件6固定在頂部冷卻水罩組件2上。所述側壁冷卻水罩組件1包括外冷卻水套7、冷卻水輸入口 8、內冷 卻水套9、側壁底面支撐球10和冷卻水輸出口 12。所述頂部冷卻水罩組件2包括上冷卻水套13、噴嘴套筒14、冷卻水 輸入口 15、下冷卻水套17、冷卻水輸出口 18和緊固螺釘19。所述噴嘴組件6包括噴嘴體20和噴嘴頭21。下面結合附圖對本發明作進一步詳述。參看圖1，側壁冷卻水罩組件1、頂部冷卻水罩組件2以及底面基體 圍成的圓柱腔體即為成形區域。頂部冷卻水罩組件2通過螺紋與垂直的激 光束筒3相連，調整好位置后通過緊固螺母4固定，激光束筒3帶動頂部冷卻水罩組件2實現水平面內和垂直方向上的三維成形運動。側壁冷卻水 罩組件1隨頂部冷卻水罩組件2在水平面內運動，同時保持其底面間隙不 變。聚焦激光束與惰性氣體均從激光束筒3輸入，激光束聚焦形成激光熔 池5。惰性氣體經頂部冷卻水罩組件2的外緣與側壁冷卻水罩組件1的內 壁之間微隙以及基體平面與側壁冷卻水罩組件1的底面之間微隙輸出。4 只噴嘴組件6關于激光束軸線對稱并且均勻分布在頂部冷卻水罩組件2的 圓周上，噴嘴組件6噴射的金屬粉末均匯聚在激光熔池5處。參看圖2，側壁冷卻水罩組件1主要由外冷卻水套7、冷卻水輸入口 8、 內冷卻水套9、側壁底面支撐球10和冷卻水輸出口 12組成。外冷卻水套 7和內冷卻水套9圍成冷卻水腔體11。冷卻水輸入口 8和冷卻水輸出口 12 處于冷卻水腔體11內。冷卻水從冷卻水輸入口 8輸入，經過冷卻水腔體 ll后帶走成形區域的熱量并由冷卻水輸出口 12輸出。側壁底面支撐球IO 處于冷卻水罩組件1的底部，用于將側壁冷卻水罩組件1支撐在基體上，調節其直徑可改變間隙的大小。參看圖3，頂部冷卻水罩組件2由上冷卻水套13、噴嘴套筒14、冷卻 水輸入口 15、下冷卻水套17、冷卻水輸出口 18和緊固螺釘19組成。上 冷卻水套13和下冷卻水套17圍成冷卻水腔體16。冷卻水輸入口 15及冷 卻水輸出口 18處于上冷卻水套13上。冷卻水從冷卻水輸入口 15輸入， 經過冷卻水腔體16后帶走成形區域的熱量并由冷卻水輸出口 18輸出。噴 嘴套筒14焊接在上冷卻水套13和下冷卻水套17上，用于支撐噴嘴組件6， 調整好噴嘴組件6后，用緊固螺釘19固定。參看圖4，噴嘴組件6由噴嘴體20和噴嘴頭21組成。噴嘴頭21通過 螺紋與噴嘴體20相連，噴嘴頭21的孔徑可根據金屬粉末的粒度情況加以 更換。本發明技術指標參考-1. 成形區域體積①200X50 150mm3。2. 成形零件最大尺寸①100X100mm3。3. 噴嘴孔徑系列00.5、①1.0、①1.5、 。2.0。
權利要求
1. 一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，其特征在于，包括側壁冷卻水罩組件(1)、頂部冷卻水罩組件(2)和噴嘴組件(6)；頂部冷卻水罩組件(2)處于側壁冷卻水罩組件(1)內，噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。
2、 如權利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，其 特征在于，冷卻水罩組件(1)主要由外冷卻水套(7)、冷卻水輸入口 (8)、 內冷卻水套(9)、側壁底面支撐球(10)和冷卻水輸出口(12)組成；外冷卻 水套(7)和內冷卻水套(9)圍成冷卻水腔體(ll);冷卻水輸入口 (8)和冷卻 水輸出口(12)處于冷卻水腔體(11)內；側壁底面支撐球(10)處于冷卻水 罩組件(1)的底部。
3、 如權利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，其 特征在于，頂部冷卻水罩組件(2)由上冷卻水套(13)、噴嘴套筒(14)、 冷卻水輸入口 (15)、下冷卻水套(17)、冷卻水輸出口(18)和緊固螺釘(19) 組成。上冷卻水套(13)和下冷卻水套(17)圍成冷卻水腔體(16);冷卻水輸 入口 (15)及冷卻水輸出口 (18)處于上冷卻水套(13)上；噴嘴套筒(14) 焊接在上冷卻水套(13)和下冷卻水套(17)上；緊固螺釘(19)通過螺紋固 定在噴嘴套筒(14)上。
4、 如權利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，其 特征在于，噴嘴組件(6)由噴嘴體(20)和噴嘴頭(21)組成；噴嘴頭(21) 通過螺紋與噴嘴體(20)相連；噴嘴組件(6)通過緊固螺釘(19)固定在 噴嘴套筒(14)內。
全文摘要
一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，包括側壁冷卻水罩組件(1)、頂部冷卻水罩組件(2)和噴嘴組件(6)。頂部冷卻水罩組件(2)處于側壁冷卻水罩組件(1)內，噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。本發明可以實現四只粉末噴嘴噴射粉末匯聚成一點、聚焦激光束沿同軸噴嘴系統軸線輸出、在穩定的保護氣氛圍下和高效的水冷卻環境下進行激光快速成形加工操作。
文檔編號C23C24/10GK101274390SQ20081001147
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者尚曉峰, 王志堅 申請人:沈陽航空工業學院