專利名稱：一種便于冷卻的激光熔覆噴嘴的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光加工技術領域，具體涉及一種便于冷卻的激光熔覆噴嘴。
背景技術：
激光熔覆技術的基本原理是在基材表面添加熔覆材料，采用具有一定功率密 度的激光束掃描使之完全熔化，并快速凝固，形成與基材呈冶金結合的表面涂層。激光 熔覆技術由于具有節約戰略金屬、保護環境、能夠提高材料表面性能、降低能耗等優勢 而受到越來越多的關注。在激光熔覆系統中，激光熔覆送粉系統目前大多采用激光熔覆噴嘴來進行送 粉，送粉的均勻性對熔覆質量影響很大，另外在激光熔覆過程中，噴嘴與加工部位的距 離很近，受到熔池熱輻射的影響比較大，所以也就要求噴嘴必須具有非常好的冷卻效果。公開號為CN 1570190A，
公開日為2005年1月26日，申請號為200410013108.0
的中國發明專利，發明創造的名稱為一種內置式激光熔覆噴嘴，公開了一種內置式激光 熔覆噴嘴，筒體由上下兩個椎筒組成，筒壁內設有粉末通道、冷卻水路和保護氣通道， 這些粉路、水路、氣路的入口全部位于噴嘴的頂部，噴嘴無外露的水管、氣管、粉管， 結構緊湊。其不足之處是粉末通道為上下均勻的管道，送粉質量不高；冷卻水環雖置于 錐形筒體底部壁內，但其入口卻設置于錐形筒體的上端，對于受到熱輻射影響最大的噴 嘴下緣的冷卻效果不是很好；整個噴嘴是由多個零件裝配而成，整體結構復雜，容易因 裝配不當影響送粉效果或發生漏水等問題。申請號為“200420046953.3”的中國實用新 型專利公開了孔式同軸激光熔覆噴嘴，該噴嘴采用3個或6個小孔作為送粉通道，實現了 同軸和粉末聚焦與激光聚焦重合，而且在大角度傾斜時(90-180度)，不會出現粉末偏聚 現象，仍然能保證送出粉末的各向均勻，但是這種結構是在內部嵌入水冷套來實現其冷 卻效果，由于受到加工方法的限制，需要先單獨加工出水冷套，再通過焊接等方式與噴 嘴裝配在一起使用，具有加工繁瑣、冷卻面積有限等缺陷。綜上所述，現有的技術中，一般都存在著以下不足(1)受加工方法限制，需 單獨加工出水冷套，再通過焊接等方式與噴嘴組合，這種方法不但工藝繁瑣，而且很容 易因焊縫質量問題而導致漏水；(2)冷卻面積有限，對受到熱輻射影響最大的噴嘴下緣 的冷卻效果不是很好；(3)如前面所述，噴嘴是由多個零件組合而成，整體結構復雜， 而且還容易因裝配不當等問題影響送粉效果或發生漏水問題。因此，需要提供一種既可保證送粉均勻性又具有高效冷卻效果，且不需進行裝 配的激光熔覆噴嘴。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種既可保證送粉均 勻又具有高效冷卻效果的便于冷卻的激光熔覆噴嘴。[0008] 為達上述目的，本實用新型采用如下的技術方案一種便于冷卻的激光熔覆噴 嘴，包括噴嘴芯以及連接在其上方的用于外接激光系統的連接頭，所述噴嘴芯內設有光 束通道、冷卻腔體和若干個送粉通道，所述冷卻腔體為光束通道的外周、各送粉通道的 外周以及噴嘴芯內壁之間形成的空腔；噴嘴芯的上端外側壁上分別開有與送粉通道連通 的進粉口以及與冷卻腔體連通的出水口，噴嘴芯的下端開有與送粉通道連通的出粉口以 及與冷卻腔體連通的進水口，所述進水口和出水口都分別外接冷卻系統。工作時，外部 的冷卻系統將冷卻水由位于噴嘴芯下端的進水口送入噴嘴芯的冷卻腔體，冷卻噴嘴后， 冷卻系統再將冷卻水從位于噴嘴芯上端的出水口抽出，并通過外部的冷卻系統回收。所述光束通道為噴嘴芯中心位置開設的通孔，所述通孔優選為圓錐形孔或圓柱 形孔等。所述連接頭為設有外螺紋的圓柱體，且其中心位置開有與光束通道連通的通 孔；或者，所述連接頭為與噴嘴芯一體成型的圓環形凸體，且在其側壁上開有若干 個用于外接激光系統的通孔，作為優選，各通孔圍繞噴嘴芯的中心軸線均勻分布。所述送粉通道為內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口到出粉口逐漸變小；各 送粉通道圍繞噴嘴芯的中心軸線均勻分布，且各送粉通道沿著出粉方向的延長線匯聚于
——占
；^ O所述送粉通道為三至六個，進粉口和出粉口的數目與送粉通道的數目一致，進 粉口、出粉口和送粉通道一一對應；所述噴嘴芯的外壁厚為2 5mm ；光束通道的壁厚 為2 5mm ；送粉通道的壁厚為2 5mm。上述便于冷卻的激光熔覆噴嘴的制造過程，包括如下步驟(1)構繪模型在上位機中根據所述激光熔覆噴嘴的結構，建立所述激光熔覆 噴嘴的三維模型；(2)切片處理將得到的所述激光熔覆噴嘴的三維模型沿成型方向進行切片處 理，獲得其分層截面的切片數據，然后將切片數據導入激光快速成型裝置中；(3)快速成型設置快速成型參數，將制造的原材料粉末送入激光快速成型裝 置中，根據導入的切片數據對原材料粉末進行激光掃描并逐層堆積，直到堆積成型，獲 得成型的激光熔覆噴嘴；(4)后處理對成型的激光熔覆噴嘴進行后處理。所述步驟(3)中，所述的快速成型為激光選區熔化/燒結成型；所述原材料粉末 為不銹鋼、銅或銅合金，以銅或銅合金作為原材料粉末加工的冷卻效果最好。所述步驟(4)中，后處理具體為將成型的所述激光熔覆噴嘴切離基板，對所 述激光熔覆噴嘴的表面及內部進行打磨、噴砂、吹氣，以去除粘結在所述激光熔覆噴嘴 表面或滯留在其內部的送粉通道和冷卻腔體里面的粉末。本實用新型的工作原理加工時，外部的激光系統發射激光，激光沿光束通道 發射至噴嘴芯的下端部，同時，原材料粉末進入各個進粉口，并沿送粉通道運動至出粉 口，從出粉口到達噴嘴芯的下端部，并在激光的作用下，實現熔覆等操作，由于各送粉 通道采用的是內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口到出粉口逐漸變小，且各送粉通道 圍繞噴嘴芯的中心軸線均勻分布，因此原材料粉末能夠均勻的輸送至噴嘴芯下端部。在加工的同時，外部的冷卻系統將冷卻水由位于噴嘴芯下端的進水口送入噴嘴芯的冷卻腔 體，冷卻噴嘴后，冷卻系統再將冷卻水由位于噴嘴芯上端的出水口抽出，以充分實現高 效冷卻噴嘴芯的效果。本實用新型可應用于激光熔覆、激光三維制造、材料合成、激光修復等激光加 工領域。本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果1、本實用新型噴嘴內的送粉通道為內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口到出 粉口逐漸變小，能夠達到較好的送粉效果，提高送粉質量。2、本實用新型的噴嘴本身就具有冷卻效果，不需要組合水冷套或開設水冷通 道，因此不存在因密封不好而造成漏水的問題，而且也不會因裝配不當而影響送粉質量。3、本實用新型噴嘴僅保留了送粉通道和光束通道，其余的腔體(即送粉通道和 光束通道之間的腔體)部分作為冷卻腔體，大大地減輕了整個噴嘴的質量且整體結構簡 單；而且由于冷卻腔體相對于現有技術，具有大的冷卻面積，具有非常好的冷卻效果， 尤其冷卻腔體的進水口位于噴嘴芯下端，能夠較好冷卻受熱輻射影響最大的噴嘴芯下緣。4、本實用新型的噴嘴可以直接制造，不需組合其他零件或與其他零件裝配使 用，省去了裝配的工序，不存在因裝配問題而導致送粉效果差或漏水問題。
圖1是本實用新型噴嘴在實施例1的立體結構示意圖；圖2是圖1所示噴嘴的A-A剖視圖；圖3是圖1所示噴嘴的B-B剖視圖；圖4是本實用新型噴嘴在實施例2的結構示意圖；圖5是本實用新型噴嘴在實施例3的結構示意具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步描述，但本實用新型的實施方式 不限于此。實施例1如圖1所示，本便于冷卻的激光熔覆噴嘴包括噴嘴芯10以及連接在其上方的用 于外接激光系統的連接頭9，所述噴嘴芯10內設有光束通道3、冷卻腔體8和三個送粉通 道4，所述冷卻腔體8為光束通道3的外周、各送粉通道4的外周以及噴嘴芯10內壁之間 形成的空腔(即噴嘴芯10中，去除光束通道3和送粉通道4后所剩余的腔體部分都構成 冷卻腔體8)；如圖2和圖3所示，噴嘴芯10的上端外側壁上分別開有與送粉通道4連通 的進粉口 2以及與冷卻腔體8連通的出水口 7，噴嘴芯10的下端開有與送粉通道4連通的 出粉口 5以及與冷卻腔體8連通的進水口 6，所述進水口 6和出水口 7都分別外接冷卻系 統，以使冷卻腔體8與外部的冷卻系統連接。在工作時，外部的冷卻系統將冷卻水由位 于噴嘴芯10下端的進水口 6送入噴嘴芯10的冷卻腔體8，冷卻噴嘴后，冷卻系統再將冷卻水由位于噴嘴芯10上端的出水口 7抽出，并通過外部的冷卻系統回收。如圖2所示，光束通道3為噴嘴芯10中心位置開設的通孔，通孔為圓錐形孔。如圖1所示，所述連接頭9為與噴嘴芯10 —體成型的圓環形凸體，且在其側壁 上開有三個用于外接激光系統的通孔1，三個通孔1位于噴嘴芯10上端，并圍繞噴嘴芯 10中心軸線均勻分布。如圖2所示，所述送粉通道4為內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口 2到出粉 口 5逐漸變小；各送粉通道4圍繞噴嘴芯10的中心軸線均勻分布，且各送粉通道4沿著 出粉方向的延長線匯聚于一點。進粉口 2和出粉口 5的數目與送粉通道4的數目一致，都分別為三個，且三個 進粉口 2和三個出粉口 5分別與三個送粉通道4連通，進粉口 2、出粉口 5和送粉通道4 一一對應；所述噴嘴芯10的外壁厚為2mm ；光束通道3的壁厚為2mm ；送粉通道4的 壁厚為2mm。本實施例的工作原理加工時，外部的激光系統發射激光，激光沿光束通道3 發射至噴嘴芯10的下端部，同時，原材料粉末進入各個進粉口 2，并沿送粉通道4運動至 出粉口 5，從出粉口 5到達噴嘴芯10的下端部，并在激光的作用下，實現熔覆等操作，由 于各送粉通道4采用的是內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口 2到出粉口 5逐漸變小， 且各送粉通道4圍繞噴嘴芯10的中心軸線均勻分布，因此原材料粉末能夠均勻的輸送至 噴嘴芯10下端部。在加工的同時，外部的冷卻系統將冷卻水從位于噴嘴芯10下端的進 水口 6送入噴嘴芯10的冷卻腔體8，冷卻本噴嘴后，冷卻系統再將冷卻水從位于噴嘴芯 10上端的出水口 7抽出，以充分實現高效冷卻噴嘴芯10的效果。本實施例可應用于激光熔覆、激光三維制造、材料合成、激光修復等激光加工 領域。上述便于冷卻的激光熔覆噴嘴的制造過程，包括如下步驟(1)構繪模型在上位機中根據所述激光熔覆噴嘴的結構，建立所述激光熔覆 噴嘴的三維模型；(2)切片處理將得到的所述激光熔覆噴嘴的三維模型沿成型方向進行切片處 理，獲得其分層截面的切片數據，然后將切片數據導入激光快速成型裝置中；(3)快速成型設置快速成型參數，將制造的原材料粉末送入激光快速成型裝 置中，根據導入的切片數據對原材料粉末進行激光掃描并逐層堆積，直到堆積成型，獲 得成型的激光熔覆噴嘴；(4)后處理對成型的激光熔覆噴嘴進行后處理。所述步驟(3)中，所述的快速成型為激光選區熔化/燒結成型；所述原材料粉末 為銅合金。所述步驟(4)中，后處理具體為將所述激光熔覆噴嘴切離基板，對所述激光 熔覆噴嘴的表面及內部進行打磨、噴砂、吹氣，以去除粘結在激光熔覆噴嘴表面或滯留 在其內部的送粉通道4和冷卻腔體8里面的粉末。實施例2本實施例除下述特征外其他結構同實施例1 如圖4所示，光束通道3為噴嘴芯 中心位置開設的通孔，通孔為圓柱形孔。[0051] 實施例3本實施例除下述特征外其他結構同實施例1 如圖5所示，所述連接頭為設有外 螺紋11的圓柱體，且其中心位置開有與光束通道連通的通孔12。所述送粉通道4為六個；進粉口 2和出粉口 5的數目與送粉通道4的數目一 致，都分別為六個，且六個進粉口 2和六個出粉口 5分別與六個送粉通道4連通，進粉口 2、出粉口 5和送粉通道4 一一對應；所述噴嘴芯的外壁厚為5mm;光束通道的壁厚為 5mm ；送粉通道4的壁厚為5mm。實施例4本實施例除下述特征外其他結構同實施例1 所述送粉通道為五個；進粉口和 出粉口的數目與送粉通道的數目一致，都分別為五個，且五個進粉口2和五個出粉口5分 別與五個送粉通道連通，進粉口 2、出粉口 5和送粉通道4 一一對應；所述噴嘴芯的外壁 厚為4mm ；光束通道的壁厚為3mm ；送粉通道的壁厚為3mm。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上 述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修 飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之 內。
權利要求1.一種便于冷卻的激光熔覆噴嘴，包括噴嘴芯以及連接在其上方的用于外接激光系 統的連接頭，其特征在于所述噴嘴芯內設有光束通道、冷卻腔體和若干個送粉通道， 所述冷卻腔體為光束通道的外周、各送粉通道的外周以及噴嘴芯內壁之間形成的空腔； 噴嘴芯的上端外側壁上分別開有與送粉通道連通的進粉口以及與冷卻腔體連通的出水 口，噴嘴芯的下端開有與送粉通道連通的出粉口以及與冷卻腔體連通的進水口，所述進 水口和出水口都分別外接冷卻系統。
2.根據權利要求1所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述光束通道為 噴嘴芯中心位置開設的通孔。
3.根據權利要求2所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述通孔為圓錐 形孔或圓柱形孔。
4.根據權利要求2所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述連接頭為設 有外螺紋的圓柱體，且其中心位置開有與光束通道連通的通孔。
5.根據權利要求2所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述連接頭為與 噴嘴芯一體成型的圓環形凸體，且在其側壁上開有若干個用于外接激光系統的通孔，各 通孔圍繞噴嘴芯的中心軸線均勻分布。
6.根據權利要求2、4或5所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述送粉 通道為內壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口到出粉口逐漸變小；各送粉通道圍繞噴嘴 芯的中心軸線均勻分布，且各送粉通道沿著出粉方向的延長線匯聚于一點。
7.根據權利要求6所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述送粉通道為 三至六個，進粉口和出粉口的數目與送粉通道的數目一致。
8.根據權利要求6所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于所述噴嘴芯的外 壁厚為2 5mm。
9.根據權利要求6所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于光束通道的壁厚 為2 5mm 。
10.根據權利要求6所述的便于冷卻的激光熔覆噴嘴，其特征在于送粉通道的壁厚 為2 5mm 。
專利摘要本實用新型公開了一種便于冷卻的激光熔覆噴嘴，包括噴嘴芯以及連接在其上方的用于外接激光系統的連接頭，所述噴嘴芯內設有光束通道、冷卻腔體和若干個送粉通道，所述冷卻腔體為光束通道的外周與各送粉通道的外周之間形成的空腔；噴嘴芯的上端外側壁上分別開有與送粉通道連通的進粉口以及與冷卻腔體連通的出水口，噴嘴芯的下端開有與送粉通道連通的出粉口以及與冷卻腔體連通的進水口，所述進水口和出水口都分別外接冷卻系統。本實用新型結構簡單、冷卻效果高、送粉質量較好。
文檔編號C23C24/10GK201793743SQ20102054728
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者楊永強, 王迪, 蘇旭彬 申請人:華南理工大學