一種環孔式激光同軸送粉噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光加工技術領域，尤其涉及一種環孔式激光同軸送粉噴嘴。
【背景技術】
[0002]激光熔覆成形(也稱激光近形制造)是以激光作為加工熱源，以金屬粉末為原材料，利用“離散+堆積”的增材成形思想，在金屬基板上逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術。應用該技術可直接制造出具有復雜形狀和良好機械性能的全致密金屬零件，也可對具有復雜形狀、一定深度制造缺陷、誤加工或服役損傷零件的修復和再制造。
[0003]激光熔覆成形系統主要包括大功率激光器、導光及聚焦光路系統、數控裝置、金屬粉末輸送裝置、檢測與控制裝置等。其中金屬粉末輸送是一項關鍵技術，它直接影響著金屬沉積的質量和效率。常用的激光熔覆成形同步送粉方式主要有側向送粉和同軸送粉。但側向送粉無法克服因激光束和粉末流場的不對稱而帶來對掃描方向限制的缺點，從而限制了其在激光熔覆成形上的應用。
[0004]同軸送粉粉末流能夠和激光同軸耦合輸出，有效地克服了側向送粉的缺點。目前，激光熔覆成形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式同軸送粉噴嘴。美國Sandia國家實驗室用于激光近凈成形技術的同軸噴嘴采用的是四管式同軸送粉噴嘴(美國專利U.S.Pat.6046426)，由于粉末出口離基板距離較遠，不易出現堵塞粉末通道和噴嘴過熱現象，且四路粉路管相對獨立，能夠實現三維激光直接制造和再制造；但是，該同軸送粉噴嘴存在粉末匯聚性不高(利用率低)，從而影響沉積效率和質量。德國Fraunhofer研宄所采用環隙式同軸送粉噴嘴(美國專利U.S.Pat.6316744)通過優化粉末通道結構，大大的提高了粉末的利用率；但其結構過于復雜，且當激光頭傾斜，尤其是大角度傾斜時，粉末在重力作用下會出現偏聚，導致噴嘴出口粉末流均勻性相對較差，使用范圍具有很大的局限性。華南理工大學研制的孔式同軸送粉噴嘴(CN 27077773Y),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),此類送粉噴嘴都存在上述類似的問題。現有的同軸送粉噴嘴無法同時滿足粉末高匯聚性和激光三維應用。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、粉末流匯聚性高、在噴嘴一定傾斜時仍能獲得均勻的粉末流、激光熔覆效率高的環孔式激光同軸送粉噴嘴。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種環孔式激光同軸送粉噴嘴，包括中空的錐狀噴嘴主體，所述錐狀噴嘴主體的大徑端設有可與激光頭連接的連接套筒，所述錐狀噴嘴主體上設有四個周向均勻布置的進粉通道，所述進粉通道的入口設于錐狀噴嘴主體的大徑端，所述進粉通道的出口設于錐狀噴嘴主體的小徑端，所述錐狀噴嘴主體的小徑端設有一中空的環孔錐頭，所述環孔錐頭大徑端的端面上設有環形粉末穩流槽，所述環形粉末穩流槽與所述進粉通道連通，所述環孔錐頭小徑端的端面上設有多個周向均勻分布的出粉小孔，所述出粉小孔與環形粉末穩流槽連通，各所述出粉小孔的粉末流匯集于一點。
[0007]作為上述技術方案的進一步改進:
所述錐狀噴嘴主體的內孔內設有中央水冷套，所述中央水冷套外表面設有多個相互連通的環形凹槽，所述錐狀噴嘴主體上分別設有冷卻水進口和冷卻水出口，所述冷卻水進口和冷卻水出口均與所述環形凹槽連通。
[0008]所述中央水冷套外表面與所述錐狀噴嘴主體的內孔的側壁之間設有密封圈。
[0009]所述錐狀噴嘴主體上還設有四個周向均勻布置的保護氣體通道，所述保護氣體通道與所述進粉通道交錯布置，所述保護氣體通道與所述錐狀噴嘴主體的內孔連通。
[0010]所述出粉小孔的中心線與所述錐狀噴嘴主體軸線的夾角為α，10° < α <30°。所述出粉小孔的直徑為D，數量為N個，0.8mm彡D彡1.5mm，10彡N彡30。
[0011]所述環孔錐頭通過連接螺栓與錐狀噴嘴主體的小徑端可拆卸的連接。
[0012]所述環形粉末穩流槽的寬度與所述進粉通道的直徑相等，所述環形粉末穩流槽的深度大于出粉小孔孔深的二分之一。
[0013]所述連接套筒通過調節螺栓與所述錐狀噴嘴主體連接。
[0014]所述錐狀噴嘴主體大徑端的端面上設有一環形安裝槽，所述連接套筒外表面套設有一調節套筒，所述調節套筒與所述環形安裝槽螺紋連接，所述調節套筒伸出所述環形安裝槽的外表面上設有四個均勻分布的對中螺釘。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在于:
(I)本發明的環孔式激光同軸送粉噴嘴，連接套筒、錐狀噴嘴主體和環孔錐頭的內孔形成激光束通道，各出粉小孔的粉末流可與激光束匯集于一點，粉末經由進粉通道，到達環形粉末穩流槽，粉末在環形粉末穩流槽內聚集后，再通過多個出粉小孔噴出，激光束穿過激光束通道與出粉小孔噴出的粉末流匯聚成一點，對加工件進行加工、熔覆、修復和再制造等，本發明的送粉噴嘴，采用具有聚集作用的環形粉末穩流槽，送粉噴嘴在大角度傾斜情況下，能夠獲得均勻、小聚焦粉斑、高挺度的粉末流，保證金屬沉積過程中金屬粉末與聚焦激光的充分作用，提高沉積效率和精度，有效地克服了送粉噴嘴在大傾角加工時由于重力作用而出現的粉末偏聚現象，確保粉末聚焦的均勻性，提高了加工效率。
[0016](2)本發明的環孔式激光同軸送粉噴嘴，采用模塊化設計，具有不同α角規格的環孔錐頭通過螺栓與噴嘴主體連接，使得不同規格環孔錐頭端面與基板間的距離能夠在一定范圍內變化，從而獲得不同大小的粉末匯聚焦斑。
[0017](3)本發明的環孔式激光同軸送粉噴嘴，連接套筒通過調節螺栓與錐狀噴嘴主體連接，通過調節調節螺栓的長短可以調節粉末流焦點與激光束焦點間的離焦距離，同時可調節至兩者重合。
[0018](4)本發明的環孔式激光同軸送粉噴嘴，調節對中螺釘可調節連接套筒和激光頭的位移，克服加工和安裝過程中的同軸度的誤差，實現激光束與粉末流同軸度的調整。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的結構示意圖。
[0020]圖2是本發明中錐狀噴嘴主體的結構示意圖。
[0021]圖3是圖2的俯視圖。
[0022]圖中各標號表不:
1、錐狀噴嘴主體；11、冷卻水進口 ；12、冷卻水出口 ；13、環形安裝槽；21、連接套筒；22、激光頭；23、激光束；3、進粉通道；31、入口 ；4、環孔錐頭；41、環形粉末穩流槽；42、出粉小孔；5、中央水冷套；51、環形凹槽；52、密封圈；6、保護氣體通道；61、氣體進口 ；7、連接螺栓；8、調節螺栓；9、調節套筒；91、對中螺釘。
【具體實施方式】
[0023]以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0024]圖1至圖3示出了本發明環孔式激光同軸送粉噴嘴的一種實施例，該環孔式激光同軸送粉噴嘴，包括中空的錐狀噴嘴主體1，錐狀噴嘴主體I的大徑端設有可與激光頭22連接的連接套筒21，錐狀噴嘴主體I上設有四個周向均勻布置的進粉通道3，進粉通道3的入口 31設于錐狀噴嘴主體I的大徑端，進粉通道3的出口設于錐狀噴嘴主體I的小徑端，錐狀噴嘴主體I的小徑端設有一中空的環孔錐頭4，環孔錐頭4大徑端的端面上設有環形粉末穩流槽41，環形粉末穩流槽41與進粉通道3連通，環孔錐頭4小徑端的端面上設有多個周向均勻分布的出粉小孔42，出粉小孔42與環形粉末穩流槽41連通，各出粉小孔42的粉末流匯集于一點。錐狀噴嘴主體I的上端為大徑端，連接套筒21、錐狀噴嘴主體I和環孔錐頭4的內孔形成激光束通道；粉末經由進粉通道3，到達環形粉末穩流槽41，粉末在環形粉末穩流槽41內聚集后，再通過多個出粉小孔