CN112338208B - 一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法 - Google Patents

一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光粉同路‑激光捕捉的喷嘴及其用于增材制造的方法，包括喷嘴主体及设置在喷嘴主体内的光粉同路通道、粉末吹入通道及粉末吸出通道；所述粉末吹入通道延伸至喷嘴主体外部后外接送粉***；粉末吸出通道上端延伸至喷嘴主体外部后外接抽粉***，下端延伸至光粉同路通道，并与之连通。本发明的有益效果是：1）金属粉末流在光粉同路喷嘴中是利用外部吸力实现自下向上逆向流动。2）激光焦点位于金属逆向流动区域，利用激光捕捉作用使粉末克服吸力改变运动方向进入熔池中，实现粉末的沉积。3）光粉同路通道的末端可以在一定程度上限制受激光捕捉粉末颗粒的运动范围，使更多的粉末顺利进入熔池。

Description

一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的 方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴及其用于增材制造的方法。
背景技术
随着激光增材制造技术的不断发展，激光熔覆在增材制造领域、再制造领域以及零部件现场增材修复领域的应用前景越来越好。而使用激光增材制造技术在线修复一些拆卸修复成本较高的带运动结构的部件时，如果有逸散的金属粉末或者飞溅的金属小液滴进入到了精密结构如轴瓦间缝隙等，将会对该设备的工作寿命产生较大影响。常规的激光熔覆头大多采用光粉同路、同轴送粉、光内送粉、侧向送粉等排布方法，只有送粉结构而没有粉末回收结构，所以无法很好的抑制金属粉末的溢散和金属液滴的飞溅。而激光熔丝技术虽然从原理上不会产生金属粉末的溢散，但是在垂直角度的增材制造过程中，熔化的金属丝易受到重力的影响而无法在目标位置增材。这无疑限制了激光增材制造技术在零部件现场增材修复领域中的推广应用，所以需要一种新的激光增材制造方法以及应用该技术的装置来满足实际的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴及其用于增材制造的方法，实现将飞溅金属液滴以及溢散的粉末回收的激光增材制造。
本发明的技术方案如下：
一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，包括喷嘴主体及设置在喷嘴主体内的光粉同路通道、粉末吹入通道及粉末吸出通道；所述粉末吹入通道延伸至喷嘴主体外部后外接送粉***；粉末吸出通道上端延伸至喷嘴主体外部后外接抽粉***，下端延伸至光粉同路通道，并与之连通。
所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，所述光粉同路通道包括两段光粉同路扩大通道，所述两段光粉同路扩大通道包括上端光粉同路扩大通道及下端光粉同路扩大通道，且两段光粉同路扩大通道沿喷嘴主体轴向设置在喷嘴主体的内部，其中上端光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体顶部后与光路***的出光口拆卸式连接，下端光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体底部，主要用于限制受激光捕捉而向下弹射的粉末运动范围。
所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，所述粉末吹入通道设置在下端光粉同路扩大通道的位置处，所述粉末吸出通道设置在上端光粉同路扩大通道的位置处。
所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴主体内部设有水冷通道，所述水冷通道设置在上端光粉同路扩大通道周围，并且两端分别延伸至喷嘴主体的侧壁处形成进水口和出水口，并且所述进水口、出水口均设有可与外部水冷设备相连通的内螺纹。
所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴主体内在位于上端光粉同路扩大通道上方设有光粉同路通道激光输入端口，且光粉同路通道激光输入端口顶部设有光学设备接口。
所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴主体上部设有喷嘴外部固定螺钉孔。
所述的喷嘴结构用于增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）激光从该喷嘴结构正上方的光粉同路通道激光输入端口照出，后经过喷嘴中两段光粉同路扩大通道后照到待加工的基板上；
2）粉末通过送粉器后从下端光粉同路扩大通道的侧面通过粉末吹入通道输入；
3）上端光粉同路扩大通道的通过侧面的粉末吸出通道抽气吸出；
4）在光粉同路通道中段通过下端的吹气与上端的抽气形成一个稳定的载粉气流，并形成自下向上流动的一段粉末段。
5）当激光向下照射时，粉末颗粒的上部受光面将会在激光辐照下汽化产生一个向下的冲击力，这个冲击力将会克服从下向上的吸力，自光粉同路通道的末端出口喷出，进入受激光辐照而形成的基板熔池之中，实现增材制造；
6)当没有受到激光照射的粉末，将顺利被上端的粉末吸出通道吸出，使粉末流保持稳定向上的流态，不受激光捕捉的影响。
本发明的有益效果是：
1）金属粉末流在光粉同路喷嘴中是利用外部吸力实现自下向上逆向流动。
2）激光焦点位于金属逆向流动区域，利用激光捕捉作用使粉末克服吸力改变运动方向进入熔池中，实现粉末的沉积。
3）光粉同路通道的末端可以在一定程度上限制受激光捕捉粉末颗粒的运动范围，使更多的粉末顺利进入熔池。
4）可将未进入熔池的粉末以及飞溅的金属液滴也吸走，防止粉末溢散影响外界设备以及便于粉末的回收再利用。
5）结构简单合理，制造工艺上易于实现。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的A-A剖视图；
图4为本发明的侧视图；
图5为本发明的B-B剖视图；
图6为本发明的喷嘴与激光设备装配示意图；
图7为本发明的增材制造方法原理图；
图中：1-光粉同路通道末端出口；2-粉末吹入通道；3-水冷通道；4-光粉同路通道；5-粉末吸出通道；6-喷嘴外部固定螺钉孔；7-光粉同路通道激光输入端口；8-光学设备接口；9-光学设备中的保护镜片；10-光学设备中的激光聚焦镜片；11-光学设备中的冷却腔；12-光学设备中的保护气输入孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步描述。
如图1-7所示，一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构，包括光粉同路通道末端出口1、粉末吹入通道2、水冷通道3、光粉同路通道4、粉末吸出通道5、喷嘴外部固定螺钉孔6、光粉同路通道激光输入端口7、光学设备接口8、光学设备中的保护镜片9、光学设备中的激光聚焦镜片10、光学设备中的冷却腔11及光学设备中的保护气输入孔12。
光粉同路通道的末端出口1：激光将从此处照出，且受激光捕捉而克服吸力的粉末颗粒或金属小液滴将从此处喷出。另外未进入熔池的粉末以及进入熔池后反弹出来的粉末颗粒将会从此处被吸走，并且起到一定的约束受激光捕捉粉末运动路径的功能。
粉末吹入通道2：粉末经送粉器吹入后，被载粉气体承载着由此通道送入喷嘴之中。自下而上的粉末流从此通道处开始形成。通道存在结构与送粉管道相连接。
水冷通道3：激光照射到粉末颗粒时，激光捕捉后加热过的粉末可能会撞击到光粉同路通道内壁上。在这个过程中会传递一些热量到喷嘴中，所以设置了两条水冷管道对喷嘴进行水冷。且防止喷嘴温度过高喷嘴堵塞。水冷管道两端为水管通道，连接外部散热装置与水泵。
光粉同路通道4：光粉同路通道分别与粉末吹入通道及粉末吸出通道联通，在此范围中，粉末流在没有激光捕捉作用时将会从下向上运动。
粉末吸出通道5：外部吸气设备提供一个吸力，此通道存在结构与外部吸气设备管道连接。吸气设备中还应该存在一个粉末过滤装置，保证金属粉末的回收利用率。
喷嘴外部固定螺钉孔6：用于固定激光头与外部移动装置如机械手、十字滑台等。
光粉同路通道激光输入端口7：激光头固定于此位置，激光从此位置进入光粉同路通道。
光学设备接口8：将与激光头嵌入式固定，保证工作过程中激光头与此喷嘴不发生相对移动。在一定程度上保证激光头与喷嘴的同轴度。光学部分设备需要能够自行吹出保护气体。
光学设备中的保护镜片9：保护光学设备中的聚焦镜、准直镜等不受到金属蒸汽等的污染。
光学设备中的激光聚焦镜片10：用于将经过准直后的激光按一定的焦距聚焦。
光学设备中的冷却腔11：通入冷却液，对光学设备中的镜片进行冷却。
光学设备中的保护气输入孔12：通入保护气体，防止金属蒸汽上升污染光学组件。
工作原理：激光从该喷嘴的正上方经光学设备中的激光聚焦镜片10、光学设备中的保护镜片9从光粉同路通道激光输入端口照出，后经过喷嘴中光粉同路通道后照到待加工的基板上。粉末通过送粉器后从光粉同路通道的下端侧面通过粉末吹入通道2输入。光粉同路通道的上端通过侧面的粉末吸出通道5抽气吸出。在光粉同路通道中段通过下端的吹气与上端的抽气形成一个稳定的载粉气流，形成一段粉末自下向上流动范围。当激光向下照射时，粉末颗粒的上部受光面将会在激光辐照下汽化产生一个向下的冲击力，这个冲击力将会克服从下向上的吸力，自光粉同路通道末端出口喷出，进入受激光辐照而形成的基板熔池之中，实现增材制造。而没有受到激光照射的粉末，将顺利被上端的粉末吸出通道吸出，使粉末流保持稳定向上的流态，不受激光捕捉的影响。其中由于受激光捕捉而喷出的粉末是发散的，所以光粉同路通道将在一定程度上限制受激光捕捉粉末的运动方向范围，增大粉末颗粒或金属小液滴顺利进入熔池之中的可能性。另外由于粉末吸出通道5不断提供一个吸力，所以未进入熔池的粉末、进入熔池后反弹出来的粉末颗粒和飞溅的金属液滴也将会被吸走，防止粉末溢散影响外界设备以及便于粉末的回收再利用。
根据此工作原理设计出如附图中原理结构的逆向送粉-光粉同路喷嘴。整个喷嘴整体材料为紫铜或者黄铜，主要包括喷嘴主体以及光粉同路通道，所述喷嘴主体内部设有两段光粉同路扩大通道、至少一条送粉吹入通道2和至少一条粉末吸出通道5，它们均沿喷嘴主体轴向设置。其中上端的光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体顶部后与光路***的出光口拆卸式连接，下端的光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体底部，主要用于限制受激光捕捉而向下弹射的粉末运动范围；所述粉末吹入通道2延伸至喷嘴主体外部后外接送粉***；粉末吸出通道5上端延伸至喷嘴主体外部后外接抽粉***，下端延伸至光粉同路通道，并与之连通。所述喷嘴主体内部设有至少一条水冷通道3，所述水冷通道3设置在光粉同路扩大通道周围，并且两端分别延伸至喷嘴主体的侧壁处形成进水口和出水口，并且所述进水口、出水口均设有可与外部水冷设备相连通的内螺纹，光粉同路管道的激光输入端存在光学设备接口8和喷嘴外部固定螺钉孔6。光粉同路-激光捕捉捕捉喷嘴与激光设备通过光学设备接口8和喷嘴外部固定螺钉孔6。
基于光粉同路-激光捕捉的增材制造方法。令粉末和激光在同一个通道中，利用激光照射粉末产生的汽化冲击力使粉末颗粒克服吸力进入熔池内实现增材制造。最后落入基板上受离焦的激光辐照熔化出的熔池中。同时吸力也会作用于对那些没有进入熔池的金属粉末或者飞溅出去的金属液滴，防止他们溢散到外界。

Claims (4)

1.一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法，其特征在于，喷嘴结构包括喷嘴主体及设置在喷嘴主体内的光粉同路通道（4）、粉末吹入通道（2）及粉末吸出通道（5）；所述粉末吹入通道（2）延伸至喷嘴主体外部后外接送粉***；粉末吸出通道（5）上端延伸至喷嘴主体外部后外接抽粉***，下端延伸至光粉同路通道（4），并与之连通；所述光粉同路通道（4）包括两段光粉同路扩大通道，所述两段光粉同路扩大通道包括上端光粉同路扩大通道及下端光粉同路扩大通道，且两段光粉同路扩大通道沿喷嘴主体轴向设置在喷嘴主体的内部，其中上端光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体顶部后与光路***的出光口拆卸式连接，下端光粉同路扩大通道延伸至喷嘴主体底部，主要用于限制受激光捕捉而向下弹射的粉末运动范围；所述粉末吹入通道（2）设置在下端光粉同路扩大通道的位置处，所述粉末吸出通道（5）设置在上端光粉同路扩大通道的位置处；
该喷嘴结构用于增材制造的方法，包括如下步骤：
1）激光从该喷嘴结构正上方的光粉同路通道激光输入端口（7）照出，后经过喷嘴中两段光粉同路扩大通道后照到待加工的基板上；
2）粉末通过送粉器后从下端光粉同路扩大通道的侧面通过粉末吹入通道（2）输入；
3）上端光粉同路扩大通道的通过侧面的粉末吸出通道（5）抽气吸出；
4）在光粉同路通道中段通过下端的吹气与上端的抽气形成一个稳定的载粉气流，并形成自下向上流动的一段粉末段；
5）当激光向下照射时，粉末颗粒的上部受光面将会在激光辐照下汽化产生一个向下的冲击力，这个冲击力将会克服从下向上的吸力，自光粉同路通道的末端出口（1）喷出，进入受激光辐照而形成的基板熔池之中，实现增材制造；
6)当没有受到激光照射的粉末，将顺利被上端的粉末吸出通道（5）吸出，使粉末流保持稳定向上的流态，不受激光捕捉的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法，其特征在于，所述喷嘴主体内部设有水冷通道（3），所述水冷通道（3）设置在上端光粉同路扩大通道周围，并且两端分别延伸至喷嘴主体的侧壁处形成进水口和出水口，并且所述进水口、出水口均设有可与外部水冷设备相连通的内螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法，其特征在于，所述喷嘴主体内在位于上端光粉同路扩大通道上方设有光粉同路通道激光输入端口（7），且光粉同路通道激光输入端口（7）顶部设有光学设备接口（8）。
4.根据权利要求1所述的一种基于光粉同路-激光捕捉的喷嘴结构用于增材制造的方法，其特征在于，所述喷嘴主体上部设有喷嘴外部固定螺钉孔（6）。
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