CN104611696B - 一种激光熔覆喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光熔覆喷嘴，属于激光加工领域。该喷嘴通过分光镜的作用将一束激光变成两束激光从两侧激光通道进入熔池。粉末从多个方向送入粉末室，在小型鼓风机作用下向下运动，并在分粉筛的作用下形成均匀的粉末流，粉末周围由一圈准直保护气保证汇聚精度，设置在喷嘴中间的角度传感器能够在喷嘴倾斜时增加保护气量，尽可能降低粉末由于重力造成的偏聚，喷嘴前端外围也有环状保护气对熔池进行笼罩保护，中间喷嘴采用螺旋式冷却水通道对喷嘴进行冷却。端部的保护罩有利于激光的充分反射回工件以及粉末得到充分利用，保护罩上也设有冷却水道及时冷却。该激光熔覆喷嘴结构简单，粉末汇聚精度高，提高了光粉耦合的精度，提高粉末的准直性和粉末的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种激光熔覆喷嘴。
背景技术
激光熔覆技术兴起于20世纪80年代，是一种先进的金属零件表面强化，改性和修复技术。具体是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等的工艺方法。
激光熔覆技术最常用的送粉方式是同步送粉。其中包括旁轴送粉方式和同轴送粉方式。旁轴送粉方式由于粉末的出口和光的出口相聚较远，粉末与光的可控性较好，不会出现因为粉末过早熔化而阻塞出光口的现象，因而在激光熔覆技术发展的初期，旁轴送粉方式得到了广泛的应用。但是由于其只适合线性轨迹的运动，不适合复杂轨迹的运动，因此不能保证各个方向尺寸和性能一致，最后无法满足生产需求。
相比于旁轴送粉，同轴送粉为粉末流和激光束同轴耦合输出更能满足现今的生产需求，而同轴送粉喷嘴作为同轴送粉装置中最核心的部件之一成为各科研机构的研究热点。目前现有技术中最典型的结构为四管输粉或者锥环型输粉装置，粉末相对而言能提供均匀稳定和汇聚性能良好的粉末束流。然而粉末流毕竟为倾斜送入，在汇聚点汇聚时粉末相互碰撞，同时保护气也会存在紊乱的气流扰乱粉末汇聚，种种因素使得粉末在实际汇聚过程中效果并不理想。而且大多数的喷嘴设计过于复杂，不利用实际生产应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种激光熔覆喷嘴，这种喷嘴结构简单，粉末汇聚精度高，提高了光粉耦合的精度，保证了粉末的准直性和粉末的利用率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光熔覆喷嘴，包括筒体，所述筒体的上端和下端分别开设入光口和出光口，筒体内靠近入光口处从上至下依次设置扩束镜、分光镜，所述分光镜纵截面为三角形且镜面朝向入光口，所述分光镜两侧的筒体内壁上分别设置反光镜，所述反光镜镜面与分光镜镜面相对，所述筒体内壁上还设置与两反光镜分别对应的聚焦透镜，使从反光镜射向出光口的光线经过聚焦透镜汇聚后再进入熔池，其特征在于：所述分光镜下方固定设置粉末室，所述粉末室上、下均为开口设置，粉末室上端的侧壁上设置多个间隔分布的粉末入口，所述粉末入口在同一圆周上均匀分布，粉末室上开口处设置小型鼓风机，粉末室下开口为出粉口；所述出粉口连接输粉管，所述输粉管为延伸至筒体出光口处的直管；所述粉末室和输粉管的连接处设置分粉筛，所述分粉筛为薄板状，其上设置若干分粉孔；所述输粉管外套有输气管，所述输气管内经略大于输粉管外径，输气管上设置准直保护气输送入口；所述输粉管末端设置出粉嘴，所述出粉嘴上设置若干供粉末流出的出粉孔，所述出粉孔为上大下小的锥形孔。
通过采用上述技术方案，激光束从筒体的入光口进入，先通过扩束镜进行扩束，然后经分光镜分光，分成两束对等光束，再经过反射镜、聚焦透镜的反射聚焦进入熔池，该种光路结构设计能很好的利用筒体内的空间，避免激光束直接照射在筒体的内部结构上，省去了冷却水道的设计，简化了筒体的内部结构设计；该喷嘴通过粉末室和输粉管输送粉末，粉末室上设置多个粉末入口，使粉末分成多股进入粉末室，避免粉末聚集造成粉末的流动不畅，同时粉末室上方设置小型鼓风机，小型鼓风机向粉末室内鼓风，使粉末向下流动并进一步增大粉末的流动性；粉末经过分粉筛上的分粉孔进入输粉管，经过分粉筛后的粉末流变得均匀，速率也一致，保证送粉的稳定和精度，同时送粉管外设置环形准直保护气，该环形准直保护气平行包围送粉管向下输出，使从输粉管输出的粉末汇聚在该环形圈内，保证粉末的汇聚精度；输粉管末端设置出粉嘴，出粉嘴上的锥形出粉嘴利于粉末的汇聚。
本发明还进一步设置为，所述的筒体内设置角度传感器，当喷嘴发生倾斜时，角度传感器发出信号，控制增大准直保护气的输送量，减少粉末的偏聚。通过该设置，在喷嘴发生倾斜时，角度传感器向送气装置发出信号，使送气装置在喷嘴倾斜工作时能够适当增加准直保护气量，使粉末依然能保持一定的挺度，减少粉末的分散，满足实际生产中不同角度的熔覆需要，很好的解决了现有喷嘴在进行一定角度熔覆时粉末受重力影响严重的问题。
本发明还进一步设置为，所述筒体的下端设置保护罩，所述保护罩内设置包围筒体出光口的环形准直保护气。通过该设置，熔覆时保护罩可以反射激光及挡住乱溅的粉末，提高了激光利用率及粉末利用率，有效保护了设备及人员安全；而且，环形准直保护气进一步防止粉末飞溅，同时使得整个熔池位于保护气之下，隔绝外部环境，防止氧化的发生。
本发明还进一步设置为，所述筒体下端设置环绕输气管的螺旋冷却水道。
本发明还进一步设置为，所述的保护罩上设置冷却水通道。
通过采用上述技术方案，冷却水道分内外两套冷却水道分别作用于筒体下端和保护罩，对此处的关键部位进行及时冷却，防止飞溅的粉末流或过高的热量对构件造成损害。内冷水通路采用螺旋式设计，冷却水从上方流入，下方流出，提高了冷却效率有效保护喷嘴，外冷却水主要对外保护罩进行冷却。
本发明还进一步设置为，所述的出粉嘴为可拆卸的设置于输粉管末端。
本发明还进一步设置为，所述的出粉嘴由紫铜制成。
通过采用上述技术方案，所述出粉嘴为可拆卸设置，出粉嘴采用激光反射率较高，导热性能较好的紫铜制成；因为出粉嘴靠近熔池，强烈的激光在长时间的使用过程中必然对该端部造成损害，影响粉末流的输出效果。这样端部在损害时可以进行及时更换，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光路通道的结构示意图；
图3为本发明粉末室的结构示意图；
图4为本发明出粉嘴的结构示意图。
图中标号含义：1-筒体；11-入光口；12-出光口；2-扩束镜；3-分光镜；4-反光镜；5-聚焦透镜；6-粉末室；61-粉末入口；62-出粉口；7-小型鼓风机；8-输粉管；9-分粉筛；10-输气管；101-准直保护气输送入口；13-出粉嘴；131-出粉孔；14-角度传感器；15-保护罩；16-环形准直保护气；17-螺旋冷却水道；18-冷却水道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图2所示，一种激光熔覆喷嘴，包括筒体1，所述筒体1的上端和下端分别开设入光口11和出光口12，筒体1内且靠近入光口11处从上至下依次设置扩束镜2、分光镜3，所述分光镜3纵截面为三角形且镜面朝向入光口11，所述分光镜3两侧的筒体1内壁上分别设置反光镜4，所述两反光镜4镜面分别与分光镜3的两镜面相对，所述筒体1内壁上还设置与两反光镜4分别对应的聚焦透镜5，使从反光镜4射向出光口12的光线经过聚焦透镜5汇聚后再进入熔池；激光束从筒体1的入光口进入，先通过扩束镜2进行扩束，然后经分光镜3分光，分成两束对等光束，再经过反射镜、聚焦透镜5的反射聚焦进入熔池，该种光路结构设计能很好的利用筒体1内的空间，避免激光束直接照射在筒体1的内部结构上，省去了冷却水道的设计，简化了筒体1的内部结构设计。
如图1至图4所示，所述分光镜3下方固定设置粉末室6，所述粉末室6上、下均为开口设置，粉末室6上端的侧壁上设置多个间隔分布的粉末入口61，所述粉末入口61在同一圆周上均匀分布，粉末室6上开口处设置小型鼓风机7，粉末室6下开口为出粉口62，粉末通过粉末入口61分成多股进入粉末室6，避免粉末聚集造成粉末的流动不畅，同时粉末室6上方设置的小型鼓风机7向粉末室6内鼓风，使粉末向下流动并进步增大粉末的流动性，小型鼓风机7可提供不同的风速满足不同的需求；出粉口62与输粉管8连接，所述输粉管8为延伸至筒体1出光口12处的直管，粉末室6内的粉末通过输粉管8送入熔池；所述粉末室6和输粉管8的连接处设置分粉筛9，所述分粉筛9为设置于粉末室6和输粉管8之间的薄板，薄板上设置若干大小相等并均匀分布的分粉孔91，粉末经过分粉筛9上的分粉孔91进入输粉管8，经过分粉筛9后的粉末流变得均匀，速率也一致，保证送粉的稳定和精度；所述输粉管8外套有输气管10，所述输气管10内经略大于输粉管8外径的直管，输气管10上端封闭下端开口，输气管10上端设置准直保护气输送入口101，通过送气装置向输气管10内送气，准直保护气平行包围送粉管向下输出，形成包围输粉管8的环形准直保护气，使从输粉管8输出的粉末汇聚在该环形圈内，保证粉末的汇聚精度；所述输粉管8末端设置出粉嘴13，所述出粉嘴13上设置若干供粉末流出的出粉孔131，所述出粉孔131为上大下小的锥形孔，利于粉末的汇聚，出粉孔131可以提供数量不定，大小不定的多种通孔设计方案，以满足各种生产的需要。
筒体1内设置角度传感器14，当喷嘴发生倾斜时，角度传感器14向送气装置发出信号，送气装置接受到信号后对保护气的输出量进行控制，使送气装置在喷嘴倾斜工作时能够适当增加准直保护气量，使粉末依然能保持一定的挺度，减少粉末的分散，满足实际生产中不同角度的熔覆需要，很好的解决了现有喷嘴在进行一定角度熔覆时粉末受重力影响严重的问题。
筒体1的下端设置保护罩15，所述保护罩15内设置包围筒体1出光口12的环形准直保护气16。通过该设置，熔覆时保护罩15可以反射激光及挡住乱溅的粉末，提高了激光利用率及粉末利用率，有效保护了设备及人员安全；而且，该环形准直保护气16进一步防止粉末飞溅，同时使得整个熔池位于保护气之下，隔绝外部环境，防止氧化的发生。
筒体1下端设置环绕输气管10的螺旋冷却水道17，保护罩15上也设置冷却水通道18。通过该设置，冷却水道分内外两套冷却水道分别作用于筒体1下端和保护罩15，对此处的关键部位进行及时冷却，防止飞溅的粉末流或过高的热量对构件造成损害。内冷水通路采用螺旋式设计，冷却水从上方流入，下方流出，提高了冷却效率有效保护喷嘴，外冷却水主要对外保护罩15进行冷却。
出粉嘴13为可拆卸的设置于输粉管8末端，所述的出粉嘴13由紫铜制成，紫铜激光反射率较高，导热性能较好。所述出粉嘴13与输粉管8通过螺纹连接，因为出粉嘴13靠近熔池，强烈的激光在长时间的使用过程中必然对该端部造成损害，影响粉末流的输出效果。这样端部在损害时可以进行及时更换，提高了生产效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光熔覆喷嘴，包括筒体，所述筒体的上端和下端分别开设入光口和出光口，筒体内靠近入光口处从上至下依次设置扩束镜、分光镜，所述分光镜纵截面为三角形且镜面朝向入光口，所述分光镜两侧的筒体内壁上分别设置反光镜，所述反光镜镜面与分光镜镜面相对，所述筒体内壁上还设置与两反光镜分别对应的聚焦透镜，使从反光镜射向出光口的光线经过聚焦透镜汇聚后再进入熔池，其特征在于：所述分光镜下方固定设置粉末室，所述粉末室上、下均为开口设置，粉末室上端的侧壁上设置多个间隔分布的粉末入口，所述粉末入口在同一圆周上均匀分布，粉末室上开口处设置小型鼓风机，粉末室下开口为出粉口；所述出粉口连接输粉管，所述输粉管为延伸至筒体出光口处的直管；所述粉末室和输粉管的连接处设置分粉筛，所述分粉筛为薄板状，其上设置若干分粉孔；所述输粉管外套有输气管，所述输气管内经略大于输粉管外径，输气管上设置准直保护气输送入口；所述输粉管末端设置出粉嘴，所述出粉嘴上设置若干供粉末流出的出粉孔，所述出粉孔为上大下小的锥形孔。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述的筒体内设置角度传感器，当喷嘴发生倾斜时，角度传感器发出信号，控制增大准直保护气的输送量，减少粉末的偏聚。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述筒体的下端设置保护罩，所述保护罩内设置包围筒体出光口的环形准直保护气。
4.根据权利要求1或2所述的一种激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述筒体下端设置环绕输气管的螺旋冷却水道。
5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述的出粉嘴为可拆卸的设置于输粉管末端。
6.根据权利要求5所述的一种激光熔覆喷嘴，其特征在于：所述的出粉嘴由紫铜制成。
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