一种环形通道喷嘴论文和设计-樊艳峰

全文摘要

本实用新型涉及一种环形通道喷嘴，应用于激光熔覆和送粉式激光3d打印加工，实现加工过程中粉末束流的精准成形，其特征在于：1)环形通道喷嘴由粉末腔外套、粉末腔内套、成形体内套、成形体外套和固定螺母组成，粉末腔内套安装于粉末腔外套上，成形体内套安装于粉末腔外套底部，成形体外套通过固定螺母与粉末腔外套相连；2)粉末腔外套外侧上部设计有均布的粉末通道，外侧中部设计有冷却水进口、冷却水出口，外套底部端面设计有粉末导向孔和冷却水道。

主设计要求

1.一种环形通道喷嘴，应用于激光熔覆和送粉式激光3d打印加工，实现粉末束流精准成形，其特征在于：环形通道喷嘴由粉末腔外套、粉末腔内套、成形体内套、成形体外套和固定螺母组成，粉末腔内套安装于粉末腔外套上，成形体内套安装于粉末腔外套底部，成形体外套通过固定螺母与粉末腔外套相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的环形通道喷嘴，其特征在于：粉末腔外套外侧上部设计有均布的粉末通道，外侧中部设计有冷却水进口、冷却水出口，外套底部端面设计有粉末导向孔和冷却水道。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及激光熔覆加工中粉末束流聚焦，属于激光加工领域。特别适用于激光熔覆和送粉激光3d打印过程中粉末束流聚焦，实现粉末束流在工件表面待加工位置精确汇聚并被激光束精准熔化，从而提升激光熔覆或者3d打印产品质量，提高粉末利用率。本实用新型提供一种环形通道喷嘴，由粉末混合匀化体内套，粉末混合匀化体外套、粉末束流成形体内套、粉末束流成形体外套和粉末束流成形体锁紧螺母形成一个整体，完成激光加工中粉末束流的精准汇聚。

背景技术

激光熔覆加工过程是利用激光束将汇聚于工件表面待加工部位的粉末束和部分基材熔化形成熔池，待光束离开后熔池凝固形成具有特殊性能的涂层的技术。送粉式激光3d打印是利用激光将精确汇聚的粉末束熔化并让其凝固，逐层堆积，最终形成目标形状的零件。这两种加工方式均涉及到粉末束流的精确成形。两种激光加工过程的稳定进行，产品质量的提升、加工过程中粉末利用率的提高，很大程度上取决于加工过程所使用的粉末喷嘴。

根据粉末喷嘴形成的粉末束与激光束的相对位置，可将喷嘴分为侧轴喷嘴和同轴喷嘴两种。侧轴喷嘴形成的粉末束轴线与激光束成一定角度，而同轴喷嘴形成的粉末束轴线与激光束重合。在激光熔覆加工中，侧轴喷嘴结构简单，操作方便。这种喷嘴形成的粉末束与激光束间有一定角度，相对激光束来说，粉末束在激光束轴线上不具有各向同性，因此用此种喷嘴进行激光熔覆加工时，产品熔覆质量与激光束移动方向有很大关系，生产实践中为了得到更好的加工质量，激光束相对工件的移动方向必须保持一致，这种做法显然会受到工件形状的限制，所以实际上侧轴送粉激光熔覆加工多数只能用在轴类零件、平面类零件上。同轴喷嘴形成的粉末束与激光束轴线重合，粉末束相对激光束轴线各向同性好，因此同轴送粉激光加工与光斑移动方向关系不大，这方面的特点使得同轴送粉激光加工基本不受工件形状限制，所以针对复杂形状的工件均使用同轴粉末喷嘴。

市面上同轴粉末喷嘴结构多数是三通道同轴粉末喷嘴或者四通道同轴粉末喷嘴。通过改变粉末通道的直径、角度来改变粉末束斑大小和粉末束汇聚位置。粉末束经过圆柱形通道后只能在通道端部10mm左右距离内保持为束状，随着距离超过10mm，粉末束流迅速发散，虽然因为通道角度的存在使几个通道的粉末束仍可汇聚为一点，但是经过发散后汇聚的粉末束斑均较大，在实际中使用中粉末喷嘴的各通道相对位置难以保证完全一致，导致粉末束流聚后形成的粉末束斑精度低，束斑大。因此，实际使用过程中，能够被激光束有效作用的粉末量均比较小，粉末利用率低，这造成了大量浪费。

为了解决粉末束斑大，粉末利用率低的问题，我们设计了一种环形通道喷嘴，具有以下特点：1)粉末喷嘴端部具有环形通道，且通道大小可调，具有更高的汇聚精度；2)粉末喷嘴具有粉末腔体，可以使粉末喷出前更加均匀，保证经过环形通道后粉末束相对轴线方向更加均匀；3)模块化设计，按照功能不同将喷嘴分为粉末腔体和成形体两个部分，针对两种功能分别设计合理的结构；改变粉末束参数时，仅仅针对相应的功能部件进行局部改动即可，大大降低了喷嘴研发周期和加工成本；4)合理的冷却水流道设计，在粉末腔体外套底部和形体端部设计了相连的冷却水流道，可有效带走激光加工中喷嘴吸收辐射光产生的热量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种环形通道喷嘴，应用于激光熔覆加工和送粉式激光3d 打印加工，实现加工过程中粉末束流的精准成形。本实用新型公开了一种环形通道喷嘴，其特征在于：1)环形通道喷嘴由粉末腔外套、粉末腔内套、成形体内套、成形体外套和固定螺母组成，粉末腔内套安装于粉末腔外套上，成形体内套安装于粉末腔外套底部，成形体外套通过固定螺母与粉末腔外套相连；2)粉末腔外套外侧上部设计有均布的粉末通道，工艺堵孔，外侧中部设计有冷却水进口、冷却水出口，外套底部端面设计有粉末导向孔、密封槽、冷却水道和成形体外套定位子口；3)粉末腔内套上、下端面设计有密封槽；4)成形体外套上端部设计有冷却水流道。该喷嘴用于激光熔覆加工和送粉式激光3d打印的粉末束流精准成形，其工作原理为：粉末腔外套1内壁与粉末腔内套2外壁形成密封的粉末腔，成形体内套3外壁和成形体外套4内壁共同约束粉末束流形状，粉末腔和成形体通过固定螺母5连接构成粉末喷嘴。粉末腔外套1设计有进粉孔6和粉末通道7，该通道与粉末腔外套1内壁相切，可有效避免粉末通道中喷出的粉末束与粉末腔内套2外壁碰撞。惰性气体带着粉末从进粉孔6经过粉末通道7进入粉末腔，在该腔体中粉末被气体带动在空间中均匀分布，均匀分布的粉末经过粉末腔外套1底部的粉末导向孔8进入由成形体内套3和成形体外套4构成的粉末束流成形通道，经过约束成形的粉末束流从成形体底部的环形通道喷出，在工件表面精确汇聚，被激光束加热熔化形成熔覆层。为了让喷嘴稳定运行在安全温度，粉末腔体外套1底部和成形体外套4上端面设计有冷却水流道，冷却水通过粉末腔外套1的冷却水进孔9进入粉末腔外套1，经过水道连接孔10进入冷却水流道，经过冷却水流道从粉末腔外套1的冷却水出孔11流出，带走加工过程中喷嘴吸收的热量。

附图说明

图1为本实用新型环形通道喷嘴剖面示意图，其主要组成：粉末腔外套1，粉末腔内套 2、成形体内套3、成形体外套4和固定螺母5组成。粉末腔内套2端部均布4个螺孔，通过螺丝将粉末腔内套2与粉末腔外套1连接为一个整体；成形体内套3外壁上部设计有有螺纹，通过粉末腔外套1底部螺纹可以将流成形体内套3连接在粉末腔外套1上；成形体外套4通过固定螺母5连接于粉末腔外套2上。

图2为粉末腔外套粉末通道剖面示意图。在粉末腔外套2外侧上部设计了4个均布进粉孔6，4个均布粉末通道7。粉末由进粉孔6通过粉末通道7进入粉末腔。粉末通道7与粉末腔内壁相切，这种设计可以避免粉末束与粉末腔内套1外壁碰撞。

图3为粉末腔外套冷却水通道及粉末导向孔剖面示意图。粉末在粉末腔中分布均匀后经过粉末导向孔8进入成形体粉末通道。

图4为粉末腔外套进出水孔示意图，冷却水进入进水孔9，经过水道连接孔10进入冷却水流道，循环后从冷却水出水孔11流出，带走带走加工过程中喷嘴吸收的热量。

具体实施方式

环形通道喷嘴结构简单、粉末束流汇聚精度高、使用方便，适用于激光熔覆、送粉式激光3d打印工艺过程的粉末束流汇聚，具体实施方式如下：

如图1所示惰性气体带着粉末进入粉末腔外套装置1上的4个进粉孔6进入由粉末腔外套1和粉末腔内套2共同构成的粉末腔，在粉末腔中通过气体带动充分混匀后经由粉末腔外套1底部的粉末导向小孔6进入由粉末成形体外套3和成形体内套4构成的粉末束流锥形通道，经过约束成形的粉末束流经由成形体底部的环形间隙通道喷出，在工件表面精确汇聚。经过精确汇聚的粉末束流和部分基材被激光束加热熔化，待激光束离开后凝固形成熔覆层，从而完成加工过程。在完成粉末束流汇聚的同时，冷却水通过粉末腔外套1的冷却水进孔9 进入粉末腔外套1，经过水道连接孔10进入冷却水流道，经过冷却水流道从粉末腔外套1 的冷却水出孔11流出，带走加工过程中喷嘴吸收的热量。

设计图

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