专利名称：孔式同轴激光熔覆喷嘴的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光熔覆技术，具体是孔式同轴激光熔覆喷嘴。
背景技术：
激光熔覆是用高能激光束把特定的金属粉末熔化并与基体材料产生冶金结合，赋予表面层优异的耐磨、抗蚀等性能。在激光熔覆过程中粉末的送给方式非常重要，直接影响到熔覆层的性能。目前的方法主要有预涂、侧向送粉和同轴送粉等。预涂法需要在激光熔化前把粉末用粘结剂粘涂在工件表面，然后激光熔化，缺点是工序复杂，容易产生气孔等缺陷。在激光照射过程中，由于激光要先熔化预涂的粉末，然后才是基体，基体对表层的稀释率难于控制。侧向送粉可实现粉末和基体同时熔化，但激光束与送给的粉末作用区重合程度不易控制，容易出现偏离，在激光熔覆过程中不易保证质量，一般粉末利用率偏低。同轴送粉可以解决这些问题，激光与粉末同轴送给，可通过调整激光聚焦点，使之与粉末的汇聚点相重合，得到最大的粉末利用律和最小的稀释率。目前同轴送粉已有环形间隙喷嘴，其缺点是当激光头倾斜，尤其是大角度倾斜时(如大于90度)，粉末由于重力作用会出现偏聚。孔式喷嘴可以实现同轴和粉末聚焦与激光聚焦重合，但在大角度倾斜时仍然可保持粉末的均匀性。尤其适合喷嘴不是在与工件垂直位置的激光熔覆工艺。另外，此喷嘴还可以用来进行新材料合成，让不同的粉末材料通过不同的孔送到熔池，进而实现材料的合成。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种孔式同轴激光熔覆喷嘴，实现粉末会聚点与激光聚焦点同轴并重合；在激光头倾斜时(90-180度)，仍能保持送出的粉末各向均匀。
本实用新型的孔式同轴激光熔覆喷嘴由喷嘴芯、调节套、连接套依次通过螺栓连接构成；喷嘴至下而上接有冷却水进、出水管各一条，进粉管三至六条，保护气管一条；喷嘴芯为锥形，中部为一锥孔，为激光束及保护气通道。沿锥孔周向均布了三个或六个小孔，为粉末通道。粉末在载送气体的作用下通过此小孔汇聚于喷嘴前端，与激光束焦点保持所需的相应距离(离焦量)，亦可调整至于光束焦点重合。
喷嘴芯内腔嵌有水冷套，二者之间的间隙构成直接冷却喷嘴芯的水冷通道。
调节套包括内套及外套，内套上部设有保护镜片及密封圈，孔壁上开有保护气入口。此部分能实现对离焦量进行无级调节，并可将粉末隔离在聚焦镜片之外。
连接套可根据不同尺寸的激光头或不同焦距的镜片进行更换，提高本发明的通用性。
水冷套中部设有凸缘，具有环型隔板作用，此结构可促使冷却水首先沿下环充分流动，冷却喷嘴芯，再通过隔板与喷嘴芯之间的缝隙流向出水管，避免了冷却水路出现“短路”现象。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点(1)可以采用同轴阵列小孔送粉，有效地克服了喷嘴在大倾角熔覆时由于重力作用出现的粉末偏聚现象，确保粉末聚焦的均匀性。能够便利的实现同时输送不同的粉末，进而实现材料的合成。
(2)喷嘴下缘端面的锥状设计，能够提高粉末的利用率，同时能起到反射激光的作用，保护激光喷嘴。水冷通道的设计可直接冷却喷嘴芯，结构简单，冷却效果好。采用保护镜片隔离粉末预聚焦镜片，有效地使了聚焦镜片免受污染。
(3)粉末汇聚点相对于激光焦点的相对位置不仅可垂直无级调整，且可进行径向调整，操作便捷。
(4)可更换的上部连接套确保了喷嘴对于不同外形尺寸的激光头或不同焦距的镜片，具有良好的通用性。
(5)结构简单合理。
图1是本实用新型孔式同轴激光熔覆喷嘴结构示意图；图2是图1的I局部放大图。
图中各部件编号1-喷嘴芯，2-水冷套，3-进水管，4-出水管，5-锁紧螺栓，6-滑座内套，7-滑座外套，8-法兰盖，9-锁紧螺栓，10-法兰，11-连接套，12-锁紧螺钉，13-保护镜片，16-保护气。
具体实施方式
如图1、2所示，首先，喷嘴的上部为连接套11，直接与激光头相连。不同尺寸的激光头可配置相应尺寸的连接套，适用性强。连接套与中部调节套的连接是通过件7、8、10以及螺栓9、12实现的。当光束因各种原因出现偏移时，微调螺栓9、12，还可调整喷嘴相对于激光束的径向位置，保证光束始终从喷嘴中心通过。
下部喷嘴芯由件1喷嘴芯及件2水冷套组成，并通过件14螺栓与与件6固连。喷嘴芯中部为一锥孔，提供激光束通道。沿锥孔周向均布了三个或六个小孔，小孔的夹角为50°，粉末在载送气体的作用下通过此小孔汇聚于喷嘴前端，与喷嘴下缘距离为6-12毫米，聚焦点的尺寸为1.5-3毫米。件15为沿喷嘴芯外圆周向均布的六个独立的送粉管入口，分别与各小孔直接相通。此结构有效地克服了环形同轴送粉喷嘴在大倾角熔覆时由于重力作用出现的粉末偏聚现象，确保粉末聚焦的均匀性。且各小孔独立送粉，能够便利的实现同时输送不同的粉末，进而实现材料的合成。小孔截面呈阶梯状，入口端直径1.5mm，出口端直径0.5mm，有利于提高粉末的汇聚效果。
喷嘴下缘端面呈锥状，能够将部分飞散的粉末重新汇聚，提高粉末的利用率，同时能起到反射激光的作用，保护激光喷嘴。
由于熔覆时喷嘴受熔池及反射激光的强烈热辐射作用，工作时温度很高。为保护喷嘴，必须对其强制水冷。件2为水冷套，与喷嘴芯内腔构成水冷通道，直接冷却喷嘴芯。如附图2所示，进水管3位于出水管4的下方，水冷套中部的凸缘设计起到了环型隔板的作用，该凸缘与喷嘴芯内腔凹槽间有0.1mm的间隙。此结构可促使冷却水首先沿下环充分流动，冷却喷嘴芯，再通过隔板与喷嘴芯之间的缝隙流向出水管，避免了冷却水路出现“短路”现象。
喷嘴芯与中部调节套的连接是通过螺栓15锁紧，滑座内套6末端设计成燕尾型，在螺栓15锁紧锁紧力的作用下，实现喷嘴芯与滑座内套的可靠连接。滑座内套6可在滑座外套7内沿轴向滑动进行调整和锁定，实现粉末汇聚点与激光焦点进行径向调整，使二者重合。采用滑套的连接形式可有效避免螺纹连接方式调整时各种管道相互缠的弊端。滑座内套的上端设有保护镜片13，在使用波长1.06微米的Nd:YAG激光和大功率半导体激光进行熔覆时，激光束可通过保护镜片，而粉末则被隔离在保护镜片之外，有效地保护了聚焦镜片免受污染。在滑座内套6孔壁上开有一螺孔14，此为保护气体入口，由于滑座内套的上端设有保护镜片，保护气体(氩气或氮气)将通过喷嘴芯的光束通道喷出吹向熔池，实现对熔池的保护。
采用单金属粉末一般表面激光熔覆，有一定角度的侧面乃至顶部的激光熔覆。
1、多种粉末同时送粉，新材料合成，可同时送出6种粉末2、波长1.06微米的Nd:YAG激光和大功率半导体激光3、反射聚焦的CO2激光主要技术指标1、喷嘴三孔、六孔2、粉末聚焦点的尺寸为1.5-3毫米，焦深2-4毫米3、粉末聚焦点与喷嘴下缘距离为6-12毫米(根据激光聚焦束尺寸可调)
权利要求1.一种孔式同轴激光熔覆喷嘴，其特征在于由喷嘴芯、调节套、连接套依次通过螺栓连接构成；喷嘴至下而上接有冷却水进、出水管各一条，进粉管三至六条，保护气管一条。
2.根据权利要求1所述的孔式同轴激光熔覆喷嘴，其特征在于喷嘴芯为锥形，中部为一锥孔，为激光束及保护气通道；沿锥孔周向均布了三个或六个小孔，为粉末通道。
3.根据权利要求2所述的孔式同轴激光熔覆喷嘴，其特征在于喷嘴芯内腔嵌有水冷套，二者之间的间隙构成直接冷却喷嘴芯的水冷通道。
4.根据权利要求3所述的孔式同轴激光熔覆喷嘴，其特征在于水冷套中部设有凸缘。
5.根据权利要求4所述的孔式同轴激光熔覆喷嘴，其特征在于调节套包括内套及外套，内套上部设有保护镜片及密封圈，孔壁上开有保护气入口。
专利摘要本实用新型涉及一种孔式同轴激光熔覆喷嘴，由喷嘴芯、调节套、连接套依次通过螺栓连接构成；喷嘴至下而上接有冷却水进、出水管各一条，进粉管三至六条，保护气管一条。本实用新型实现粉末会聚点与激光聚焦点同轴并重合；在激光头倾斜时，仍能保持送出的粉末各向均匀。
文档编号C23C4/00GK2707773SQ20042004695
公开日2005年7月6日 申请日期2004年6月15日 优先权日2004年6月15日
发明者杨永强, 黄勇 申请人:华南理工大学