[發明專利]一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統

無效

• 申請號: 200810011471.7
• 申請日: 2008-05-20
• 公開（公告）號: CN101274390A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 王志堅;尚曉峰
• 申請（專利權）人: 沈陽航空工業學院
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B22F3/105;B05B1/00;C23C24/10
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所
• 代理人: 甄玉荃

技術領域：

本發明涉及一種噴嘴系統，特別是一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，主要應用于金屬粉末激光快速成形系統中。

背景技術：

激光是二十世紀最偉大的科學發明之一，具有巨大的技術潛力。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種激光加工技術，其中激光熔覆技術是目前最活躍的激光加工技術之一。快速成形技術是八十年代末興起并得到迅速發展的嶄新制造技術，被認為是近二十年來制造技術領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與數控技術的出現相比。激光快速成形技術是將激光熔覆技術與快速成形技術相結合，以金屬粉末為原料，采用高功率激光熔覆技術，利用快速成形分層制造思想，制造出金屬功能零件。此項技術因能夠直接成形金屬功能零件而倍受人們的關注，并且取得了長足的發展。

激光快速成形系統除了大功率激光器外，主要還包括導光裝置、數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關鍵技術。目前，金屬粉末送給方式主要有以下三種：預置粉末法、側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，而且大多數同軸粉末噴嘴均采用同軸環形錐套的結構。這種同軸粉末噴嘴雖然結構緊湊、小巧、粉末噴出均勻，但是仍然具有如下問題：

1.結構復雜。同軸粉末噴嘴是聚焦激光、匯聚粉末、匯聚保護氣的同軸輸出口，又包括復雜冷卻水道，因此結構設計特別復雜。

2.加工工藝難度較大。為了避免熔池熱輻射燒傷噴嘴，噴嘴材料一般選擇熱傳導率較高的紫銅，由于粉末噴射錐軸線、激光束軸線以及保護氣噴射錐軸線同軸，因此采用紫銅作為噴嘴材料的加工工藝難度較大。

3.氣體保護不充分。為避免污染聚焦透鏡，激光出口需要輸出保護氣；為避免粉末熔化后與空氣接觸，在粉末噴射錐外層設置保護氣噴射錐；為使金屬粉末流動順暢，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形式極端復雜，一方面嚴重影響了粉末噴射錐的形狀，另一方面無法實現充分、穩定的保護氣氛圍。

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的主要問題之一，冷卻不充分時會造成粉末在噴出口處燒熔粘結現象發生，更嚴重時會發生噴嘴燒熔變形甚至脫落。同軸粉末噴嘴由于其結構復雜、空間狹小，所以難于設計和制造出大腔體的冷卻水道，冷卻效果不好。

發明內容：

為了解決上述同軸粉末噴嘴所存在的諸多問題，本發明提供一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，該系統可以實現四只粉末噴嘴噴射粉末匯聚成一點、聚焦激光束沿同軸噴嘴系統軸線輸出、在穩定的保護氣氛圍下和高效的水冷卻環境下進行激光快速成形加工操作。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種用于激光快速成形的同軸噴嘴系統，包括側壁冷卻水罩組件(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)處于側壁冷卻水罩組件(1)內，噴嘴組件(6)固定在頂部冷卻水罩組件(2)上。

本發明的優點及有益效果為：

1.本發明通過設計圓柱形同軸噴嘴腔體系統，形成一定成形高度和成形面積下穩定的惰性氣體保護氛圍，實現惰性氣體充分保護。

2.本發明采用標準化的紫銅噴嘴，工藝性好、互換性好、噴嘴直徑可根據金屬粉末的粒度情況加以更換。

3.本發明采用聚焦激光束沿同軸噴嘴系統軸線輸出方式，激光焦點匯聚在同軸噴嘴系統軸線上，實現二維平面內全方位成形加工。

4.本發明采用圓周內軸對稱均布的四只噴嘴匯聚噴射金屬粉末至激光焦點，使系統結構大為簡化。

5.本發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良，加工工藝簡單。

6.本發明采用頂部冷卻水罩和側壁冷卻水罩，實現除底面基體之外的全方位水冷卻，降低成形區域溫度、消除激光反射污染及傷害。

7.本發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、容易實現穩定的惰性氣體保護氛圍。

8.本發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域多余的金屬粉末。

9.本發明采用基體平面與側壁冷卻水罩底面之間的微隙、頂部冷卻水罩與側壁冷卻水罩之間的微隙作為惰性氣體的輸出口，使成形區域的氣壓略高于大氣壓，空氣無法進入成形區域。

附圖說明

圖1為本發明的剖視圖；

圖2為側壁冷卻水罩組件的結構示意圖；

圖3為頂部冷卻水罩組件的結構示意圖；

圖4為噴嘴組件的結構示意圖。