專(zhuān)利名稱(chēng)：環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光熔覆技術(shù)，具體地是環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴。
背景技術(shù)：
激光熔覆技術(shù)是指在被涂覆基體表面上，以不同的添料方式放置所選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻射使之和基體表面薄層同時(shí)熔化并快速凝固后形成的稀釋度極低、與基體材料成冶金結(jié)合的添料熔覆層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能的工藝方法。由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過(guò)程對(duì)基材的熱影響小，引起的變形也小，可獲得極低的稀釋率，從而可保持原熔覆材料的優(yōu)異性能。激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的表面改性技術(shù)，可以在廉價(jià)母材上制備出高性能的合金表面，以降低材料成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。目前的方法主要有預(yù)涂、側(cè)向送粉和同軸送粉等。預(yù)涂法需要在激光熔化前把粉末用粘結(jié)劑粘涂在工件表面，然后激光熔化。缺點(diǎn)是工序復(fù)雜，容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。由于激光要先熔化預(yù)涂的粉末，然后才是基體，稀釋率難以控制。側(cè)向送粉可實(shí)現(xiàn)粉末和基體同時(shí)熔化，但激光束與送給的粉末作用區(qū)重合程度不易控制，容易出現(xiàn)偏離，在激光熔覆過(guò)程中不易保證質(zhì)量，一般粉末利用率偏低。同軸送粉可以解決這些問(wèn)題，激光與粉末同軸送給，可通過(guò)調(diào)整激光聚焦點(diǎn)，使之與粉末的匯聚點(diǎn)相重合，得到最大的粉末利用率和最小的稀釋率。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有預(yù)涂法操作程序復(fù)雜、易產(chǎn)生氣孔、脫落以及側(cè)向送粉粉末利用率低等缺點(diǎn)，提供一種環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，實(shí)現(xiàn)調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)與激光聚焦點(diǎn)同軸并重合，并且操作方便、準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定、可靠。
本實(shí)用新型的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴由滑座套向上與連接套相連、向下與噴嘴芯相連構(gòu)成。
連接套上部開(kāi)有4個(gè)徑向孔，用于與激光器頭部相連。連接套部分實(shí)現(xiàn)了噴嘴與激光頭的連接、調(diào)整離焦量、調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)的徑向位置等功能。
滑座套下部開(kāi)有3條滑槽以容納三個(gè)鎖緊螺栓，上噴嘴芯可在此滑槽內(nèi)上下滑移，從而調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)的軸向位置。
滑座套、法蘭及連接套構(gòu)成一調(diào)節(jié)模塊，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴下部的連接及軸向和徑向調(diào)整，保證激光束軸線與粉末匯聚軸線的精確重合。
噴嘴內(nèi)設(shè)有光束及保護(hù)氣通道、粉末通道、冷卻水通道，光束及保護(hù)氣通道外接保護(hù)氣管，粉末通道外接三個(gè)進(jìn)粉管，冷卻水通道分別外接進(jìn)、出水管。
噴嘴芯分成上噴嘴芯和下噴嘴芯兩部分，二者用螺紋連接。噴嘴芯中心為一錐形通孔，為激光束及保護(hù)氣體的共用通道。上噴嘴芯上端設(shè)有保護(hù)鏡片模塊。保護(hù)氣體由進(jìn)氣管吹入，實(shí)現(xiàn)粉末與聚焦鏡片的隔離。
噴嘴芯外錐面與中間套的內(nèi)錐面之間的間隙構(gòu)成了送粉通道，而中間套的外錐面與外套的內(nèi)錐面之間的環(huán)錐形間隙構(gòu)成了冷卻水通道。中間套與外套采用釬焊焊接結(jié)構(gòu)，以保證冷卻通道的密封性。
外套上對(duì)稱(chēng)的開(kāi)有兩個(gè)直孔，分別為入水口和出水口。在入水口和出水口之間的冷卻水通道中對(duì)稱(chēng)的設(shè)置了兩片隔板，實(shí)現(xiàn)冷卻水強(qiáng)制冷卻噴嘴，使噴嘴下端受熱輻射影響最強(qiáng)烈的部位得到有效的冷卻。噴嘴芯與中間套的連接則是由調(diào)節(jié)螺母實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)螺母分別與噴嘴芯及中間套的外螺紋旋合，不僅起到連接二者的作用，而且通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母可改變噴嘴芯與中間套的軸向相對(duì)位置，從而調(diào)節(jié)送粉通道的間隙。噴嘴芯與中間套之間的環(huán)錐形間隙構(gòu)成了送粉通道，送粉通道的間隙大小可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母精確調(diào)整。上噴嘴芯與中間套之間設(shè)有一個(gè)O型圈，用以保證送粉通道的氣密性，從而促使粉末流束更均勻。中間套上設(shè)三個(gè)入粉口，使粉末在環(huán)形通道內(nèi)充分混合，最后均勻地沿環(huán)錐形通道噴出，避免了沿垂直方向送粉造成的粉末分布不均的現(xiàn)象。
本實(shí)用新型適用于單金屬粉末，一般表面激光熔覆。波長(zhǎng)1.06微米的Nd:YAG激光和大功率半導(dǎo)體激光及反射聚焦的CO2激光。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)送粉通道的環(huán)錐形通道的間隙大小可調(diào)，可適應(yīng)熔覆不同粒度的粉末。
(2)設(shè)3個(gè)送粉口，且有足夠長(zhǎng)的送粉通道，有利于提高粉末在匯聚點(diǎn)的均勻性。
(3)粉末匯聚點(diǎn)相對(duì)于激光焦點(diǎn)的位置不僅可垂直無(wú)級(jí)調(diào)整，且可進(jìn)行徑向調(diào)整，調(diào)節(jié)離焦量過(guò)程中噴嘴的其它部件不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，噴嘴外接的各種管道不會(huì)纏繞，操作便捷。操作便捷。
(4)本實(shí)用新型采用水冷套的設(shè)計(jì)進(jìn)行冷卻，有效地延長(zhǎng)了噴嘴的工作壽命。在水冷通道中設(shè)有隔板裝置，避免了冷卻水出現(xiàn)“短路”現(xiàn)象，提高了冷卻效果。


圖1是本實(shí)用新型環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中部件1、2、3和20的局部放大圖；圖3是圖1中部件1、2、3、4的A—A截面示意圖。
圖中各部件編號(hào)1——外套 2——中間套 3——下噴嘴芯 4——上噴嘴芯 5——調(diào)節(jié)螺母 6——背母 7——滑座套 8——法蘭 9——調(diào)節(jié)螺栓10——背母 11——連接套 12——緊定螺釘 13——壓環(huán) 14——保護(hù)鏡片 15——O型圈 16——保護(hù)氣管 17——入粉管 18——冷卻水管19——O型圈 20——隔板具體實(shí)施方式
如圖1、2、3所示，本實(shí)用新型總體上可分為上部連接套部分及下部噴嘴部分。
上部連接套部分實(shí)現(xiàn)了噴嘴與激光頭的連接、調(diào)整離焦量、調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)的徑向位置等功能。其核心件為滑座套7?；?向上與連接套11相連，向下與上噴嘴芯4相連。法蘭8鎖緊在連接套底部端面，連接套下部外圓有4個(gè)沿徑向的螺孔，通過(guò)緊定螺釘12和調(diào)節(jié)螺栓9實(shí)現(xiàn)與滑座套的可靠連接。同時(shí)調(diào)節(jié)緊定螺釘和調(diào)節(jié)螺栓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴進(jìn)行徑向調(diào)整，保證激光束軸線與粉末匯聚軸線的精確重合。連接套上部開(kāi)有4個(gè)徑向孔，用于與激光器頭部相連?；紫虏块_(kāi)有3條滑槽，上噴嘴芯可在此滑槽內(nèi)上下滑移，從而調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)的軸向位置。
在下部噴嘴部分中，沿垂直于光軸方向?qū)娮觳糠制书_(kāi)，由里至外分別由光束及保護(hù)氣通道、粉末通道、冷卻水通道構(gòu)成，分別外接保護(hù)氣管一個(gè)、進(jìn)粉管三個(gè)以及進(jìn)、出水管各一個(gè)，由此構(gòu)成環(huán)形同軸送粉噴嘴的主體部分。
滑座套下部與上噴嘴芯相連?？紤]到加工的工藝性，噴嘴芯分成上噴嘴芯和下噴嘴芯兩部分以利于加工，二者用螺紋連接。上噴嘴芯上端用壓環(huán)13壓緊保護(hù)鏡片14，并在保護(hù)鏡片下設(shè)有O型圈15，保護(hù)氣體由進(jìn)氣管16吹入，實(shí)現(xiàn)粉末與聚焦鏡片的隔離。
噴嘴芯中心為一錐形通孔，為激光束及保護(hù)氣體的共用通道。
噴嘴芯外錐面與中間套2的內(nèi)錐面之間的間隙構(gòu)成了送粉通道。粉末在惰性載氣的作用下，由三個(gè)入粉口17進(jìn)入送粉通道，在環(huán)形通道內(nèi)充分混合并均勻噴出，最終匯聚于噴嘴前的一點(diǎn)。噴嘴芯與中間套的連接及送粉通道的間隙大小的調(diào)整則是由調(diào)節(jié)螺母5實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)螺母分別與噴嘴芯及中間套的外螺紋旋合，不僅起到連接二者的作用，而且通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母可改變噴嘴芯與中間套的軸向相對(duì)位置，從而調(diào)節(jié)送粉通道的間隙。當(dāng)完成調(diào)節(jié)后，可用背母6鎖緊，確保連接可靠。上噴嘴芯與中間套之間設(shè)有一個(gè)O型圈19，用以保證送粉通道的氣密性，從而促使粉末流束更均勻。
而中間套的外錐面與外套1的內(nèi)錐面之間的環(huán)錐形間隙構(gòu)成了冷卻水通道。中間套與外套采用釬焊焊接為一體，以保證冷卻通道的密封性。外套上對(duì)稱(chēng)的開(kāi)有兩個(gè)直孔18，分別為入水口和出水口。在入水口和出水口之間的冷卻水通道中對(duì)稱(chēng)的設(shè)置了兩片隔板20，冷卻水通過(guò)隔板下端縫隙循環(huán)流動(dòng)，使噴嘴下端受熱輻射影響最強(qiáng)烈的部位得到有效的冷卻。
考慮到噴嘴下端在工作過(guò)程中承受著強(qiáng)烈的激光輻射及熱輻射，且外套與中間套采用釬焊焊接的結(jié)構(gòu)，而紫銅則對(duì)激光有很高的反射率，以及良好的導(dǎo)熱率，且釬焊焊接的可焊性好，故選用紫銅作為外套、中間套、上、下噴嘴芯的制造材料。而考慮到抗氧化性及強(qiáng)度的要求，連接套、滑座套、法蘭、調(diào)節(jié)螺母、背母、壓環(huán)等均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造。各管道由于釬焊的要求，均選用紫銅管制造。當(dāng)本實(shí)用新型用于激光器時(shí)，保護(hù)鏡片可選用普通玻璃鍍膜鏡片即可；當(dāng)本實(shí)用新型用于CO2激光器時(shí)，保護(hù)鏡片須采用對(duì)紅外吸收率低的ZnSe鏡片。
權(quán)利要求1.一種環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于上部為與激光頭相連的連接套，中部為滑座套，下部為噴嘴芯模塊三部分相連構(gòu)成；連接套上部開(kāi)有4個(gè)用于與激光器頭部相連的徑向孔，滑座套下部開(kāi)有3條容納三個(gè)鎖緊螺栓的滑槽；噴嘴內(nèi)設(shè)有光束及保護(hù)氣通道、粉末通道、冷卻水通道，光束及保護(hù)氣通道外接保護(hù)氣管，粉末通道外接三個(gè)進(jìn)粉管，冷卻水通道分別外接進(jìn)、出水管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于所述噴嘴芯分成上噴嘴芯和下噴嘴芯，二者用螺紋連接；噴嘴芯中心為一錐形通孔，為激光束及保護(hù)氣體的共用通道；上噴嘴芯上端設(shè)有保護(hù)鏡片模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于噴嘴芯外錐面與中間套的內(nèi)錐面之間的間隙構(gòu)成了送粉通道，中間套上設(shè)三個(gè)入粉口，調(diào)節(jié)螺母分別與噴嘴芯及中間套的外螺紋旋合；中間套的外錐面與外套的內(nèi)錐面之間的環(huán)錐形間隙構(gòu)成了冷卻水通道；中間套與外套之間釬焊焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于外套上對(duì)稱(chēng)的開(kāi)有兩個(gè)直孔，分別為入水口和出水口；在入水口和出水口之間的冷卻水通道中對(duì)稱(chēng)地設(shè)置了兩片隔板。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于上噴嘴芯與中間套之間設(shè)有一個(gè)O型圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其特征在于上噴嘴芯與中間套之間設(shè)有一個(gè)O型圈。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種環(huán)式同軸激光熔覆噴嘴，其上部為與激光頭相連的連接套，中部為起過(guò)渡連接作用的滑座套，下部為噴嘴芯模塊三部分相連構(gòu)成；連接套上部開(kāi)有4個(gè)用于與激光器頭部相連的徑向孔，滑座套下部開(kāi)有3條容納三個(gè)鎖緊螺栓的滑槽；噴嘴內(nèi)設(shè)有光束及保護(hù)氣通道、粉末通道、冷卻水通道，光束及保護(hù)氣通道外接保護(hù)氣管，粉末通道外接三個(gè)進(jìn)粉管，冷卻水通道分別外接進(jìn)、出水管；本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)調(diào)整粉末匯聚點(diǎn)與激光聚焦點(diǎn)同軸并重合，并且操作方便、準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定、可靠。
文檔編號(hào)B23K26/34GK2707772SQ20042004695
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2004年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者楊永強(qiáng), 黃勇 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)