專利名稱：一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴嘴系統(tǒng)，特別是一種用于激光快速成形的同軸噴嘴 系統(tǒng)，主要應(yīng)用于金屬粉末激光快速成形系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
激光是二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力。激光 加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國(guó)外已開發(fā)出20多種激光加工技 術(shù)，其中激光熔覆技術(shù)是目前最活躍的激光加工技術(shù)之一?？焖俪尚渭夹g(shù) 是八十年代末興起并得到迅速發(fā)展的嶄新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近二十年來(lái) 制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其對(duì)制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相 比。激光快速成形技術(shù)是將激光熔覆技術(shù)與快速成形技術(shù)相結(jié)合，以金屬 粉末為原料，采用高功率激光熔覆技術(shù)，利用快速成形分層制造思想，制 造出金屬功能零件。此項(xiàng)技術(shù)因能夠直接成形金屬功能零件而倍受人們的 關(guān)注，并且取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。激光快速成形系統(tǒng)除了大功率激光器外，主要還包括導(dǎo)光裝置、數(shù)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目 前，金屬粉末送給方式主要有以下三種預(yù)置粉末法、側(cè)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(shù)同軸粉末噴嘴均采用同軸環(huán)形錐套的結(jié)構(gòu)。這種同軸粉末噴嘴雖然結(jié) 構(gòu)緊湊、小巧、粉末噴出均勻，但是仍然具有如下問(wèn)題1. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同軸粉末噴嘴是聚焦激光、匯聚粉末、匯聚保護(hù)氣 的同軸輸出口，又包括復(fù)雜冷卻水道，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別復(fù)雜。2. 加工工藝難度較大。為了避免熔池?zé)彷椛錈齻麌娮欤瑖娮觳牧?一般選擇熱傳導(dǎo)率較高的紫銅，由于粉末噴射錐軸線、激光束軸線以及保 護(hù)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(hù)不充分。為避免污染聚焦透鏡，激光出口需要輸出保護(hù)氣；為避免粉末熔化后與空氣接觸，在粉末噴射錐外層設(shè)置保護(hù)氣噴射 錐；為使金屬粉末流動(dòng)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(dòng)形式極端復(fù)雜， 一方面嚴(yán)重影響了粉末噴射錐 的形狀，另一方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分、穩(wěn)定的保護(hù)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(shù)的主要問(wèn)題之一，冷卻不充分時(shí)會(huì)造成 粉末在噴出口處燒熔粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生噴嘴燒熔變形甚至脫 落。同軸粉末噴嘴由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，所以難于設(shè)計(jì)和制造出大 腔體的冷卻水道，冷卻效果不好。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述同軸粉末噴嘴所存在的諸多問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于 激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四只粉末噴嘴噴射粉末匯 聚成一點(diǎn)、聚焦激光束沿同軸噴嘴系統(tǒng)軸線輸出、在穩(wěn)定的保護(hù)氣氛圍下 和高效的水冷卻環(huán)境下進(jìn)行激光快速成形加工操作。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，包括側(cè)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(cè)壁冷卻水罩組件(1)內(nèi)， 噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果為1. 本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)圓柱形同軸噴嘴腔體系統(tǒng)，形成一定成形高度 和成形面積下穩(wěn)定的惰性氣體保護(hù)氛圍，實(shí)現(xiàn)惰性氣體充分保護(hù)。2. 本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)化的紫銅噴嘴，工藝性好、互換性好、噴嘴直徑可根據(jù)金屬粉末的粒度情況加以更換。3. 本發(fā)明采用聚焦激光束沿同軸噴嘴系統(tǒng)軸線輸出方式，激光焦 點(diǎn)匯聚在同軸噴嘴系統(tǒng)軸線上，實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)全方位成形加工。4. 本發(fā)明采用圓周內(nèi)軸對(duì)稱均布的四只噴嘴匯聚噴射金屬粉末至 激光焦點(diǎn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。5. 本發(fā)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(yōu)良，加工工藝簡(jiǎn)單。6. 本發(fā)明采用頂部冷卻水罩和側(cè)壁冷卻水罩，實(shí)現(xiàn)除底面基體之 外的全方位水冷卻，降低成形區(qū)域溫度、消除激光反射污染及傷害。7. 本發(fā)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(wěn)、容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的惰性氣體保護(hù)氛圍。8. 本發(fā)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(qū)域多余的金屬粉末。9. 本發(fā)明采用基體平面與側(cè)壁冷卻水罩底面之間的微隙、頂部冷 卻水罩與側(cè)壁冷卻水罩之間的微隙作為惰性氣體的輸出口 ，使成形區(qū)域的氣壓略高于大氣壓，空氣無(wú)法進(jìn)入成形區(qū)域。


圖l為本發(fā)明的剖視圖；圖2為側(cè)壁冷卻水罩組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為頂部冷卻水罩組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為噴嘴組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)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(tǒng)，包括側(cè)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(cè)壁冷卻水罩組件1內(nèi)，噴嘴組件6固定在頂部冷卻水罩組件2上。所述側(cè)壁冷卻水罩組件1包括外冷卻水套7、冷卻水輸入口 8、內(nèi)冷 卻水套9、側(cè)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(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。參看圖1，側(cè)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(qū)域。頂部冷卻水罩組件2通過(guò)螺紋與垂直的激 光束筒3相連，調(diào)整好位置后通過(guò)緊固螺母4固定，激光束筒3帶動(dòng)頂部冷卻水罩組件2實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)和垂直方向上的三維成形運(yùn)動(dòng)。側(cè)壁冷卻水 罩組件1隨頂部冷卻水罩組件2在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(jīng)頂部冷卻水罩組件2的外緣與側(cè)壁冷卻水罩組件1的內(nèi) 壁之間微隙以及基體平面與側(cè)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(guān)于激光束軸線對(duì)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(cè)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(nèi)冷卻水套9、側(cè)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(nèi)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(nèi)。冷卻水從冷卻水輸入口 8輸入，經(jīng)過(guò)冷卻水腔體 ll后帶走成形區(qū)域的熱量并由冷卻水輸出口 12輸出。側(cè)壁底面支撐球IO 處于冷卻水罩組件1的底部，用于將側(cè)壁冷卻水罩組件1支撐在基體上，調(diào)節(jié)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(jīng)過(guò)冷卻水腔體16后帶走成形區(qū)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(diào)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(guò) 螺紋與噴嘴體20相連，噴嘴頭21的孔徑可根據(jù)金屬粉末的粒度情況加以 更換。本發(fā)明技術(shù)指標(biāo)參考-1. 成形區(qū)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(quán)利要求
1. 一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，其特征在于，包括側(cè)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(cè)壁冷卻水罩組件(1)內(nèi)，噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，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(nèi)冷卻水套(9)、側(cè)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(nèi)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(nèi)；側(cè)壁底面支撐球(10)處于冷卻水 罩組件(1)的底部。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，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(guò)螺紋固 定在噴嘴套筒(14)上。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，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(guò)螺紋與噴嘴體(20)相連；噴嘴組件(6)通過(guò)緊固螺釘(19)固定在 噴嘴套筒(14)內(nèi)。
全文摘要
一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統(tǒng)，包括側(cè)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(cè)壁冷卻水罩組件(1)內(nèi)，噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)四只粉末噴嘴噴射粉末匯聚成一點(diǎn)、聚焦激光束沿同軸噴嘴系統(tǒng)軸線輸出、在穩(wěn)定的保護(hù)氣氛圍下和高效的水冷卻環(huán)境下進(jìn)行激光快速成形加工操作。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101274390SQ20081001147
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者尚曉峰, 王志堅(jiān) 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院