一种用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴
阅读说明：本技术 一种用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴 (Carrier gas powder mixing type coaxial powder feeding nozzle for additive manufacturing ) 是由 罗怡 彭延睿 张福源 阳树青 阳涛 刘娟 邓小俊 梁乙夫 兰红雨 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴,包括喷嘴本体,喷嘴本体包括转换接头、喷嘴基座筒、导流套筒、内喷嘴和外喷嘴；转换接头下端与喷嘴基座筒连接,喷嘴基座筒下端与外喷嘴连接；导流套筒呈倒锥形,装在喷嘴基座筒内,导流套筒外侧壁与喷嘴基座筒内侧壁之间合围形成混粉导流腔；内喷嘴位于外喷嘴内且两者之间形成出粉通道,内喷嘴上端与导流套筒小径端螺纹连接,混粉导流腔的径向尺寸大于出粉通道宽度；喷嘴基座筒下部设有主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口。其能够在激光聚焦状态发生变化时相应地对粉末汇聚状态、光斑粉斑相对位置作出调整,在输送粉末过程中同步为主体粉末掺杂极细的掺杂粉末,避免产生粉末团聚体。(The invention discloses a carrier gas powder mixing type coaxial powder feeding nozzle for additive manufacturing, which comprises a nozzle body, wherein the nozzle body comprises a conversion joint, a nozzle base barrel, a flow guide sleeve, an inner nozzle and an outer nozzle; the lower end of the adapter is connected with the nozzle base barrel, and the lower end of the nozzle base barrel is connected with the outer nozzle; the guide sleeve is in an inverted cone shape and is arranged in the nozzle base barrel, and the outer side wall of the guide sleeve and the inner side wall of the nozzle base barrel are enclosed to form a powder mixing guide cavity; the inner nozzle is positioned in the outer nozzle, a powder outlet channel is formed between the inner nozzle and the outer nozzle, the upper end of the inner nozzle is in threaded connection with the small-diameter end of the flow guide sleeve, and the radial size of the powder mixing flow guide cavity is larger than the width of the powder outlet channel; the lower part of the nozzle base cylinder is provided with a main powder feeding port and a doped powder feeding port. The laser focusing device can correspondingly adjust the powder convergence state and the relative position of the light spot and the powder spot when the laser focusing state changes, and can synchronously dope the superfine doping powder for the main powder in the powder conveying process, thereby avoiding the generation of powder aggregates.)
技术领域
本发明涉及激光增材制造，具体涉及用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴。
背景技术
激光增材制造技术已成为一种新兴的直接快速制造三维实体金属零件和修复贵重金属零部件的先进制造方法，在航天航空、石油化工、电子信息和能源环境等行业有广泛应用。在激光增材制造技术体系中，激光熔融沉积制造技术使用大功率激光器直接成形致密金属零件，由于其成本低、可控性好，受到相关工业领域越来越多的关注。
送粉系统是激光熔融沉积制造成形系统中一个非常重要的系统。送粉喷嘴作为送粉系统中的一个组成部分，直接影响着成形零件的质量和精度。在常用的激光熔融沉积制造成形系统中，常常要求送粉喷嘴具有以下特性：1、使输送的粉末流具有良好的稳定性和均匀性，以保证良好的表面成形。2、使输送的粉末流具有良好的汇聚性，以保证粉末利用率和良好的成形精度。3、送粉喷嘴的末端距离激光熔池较远，以避免熔融飞溅物或粉末粘附在喷嘴出口处对送粉状态和喷嘴散热产生不利影响。
常用的送粉喷嘴包括旁轴送粉喷嘴和同轴送粉喷嘴两种。旁轴送粉喷嘴在激光熔融沉积制造技术应用的初期得到了较为广泛的应用，但是，旁轴送粉喷嘴只适合简单轨迹的运动，不适合复杂轨迹的运动，不能保证增材层在各个方向的成形尺寸和性能，所以旁轴送粉喷嘴无法满足激光熔融沉积制造技术发展的使用要求。同轴送粉喷嘴使粉末流和激光束同轴输出，在圆周各个方向是对称的，无方向性限制，粉末流各向同性特性好，既能实现二维平面增材成形，也能实现三维成形制造。但是粉末流的稳定性、均匀性、汇聚性和各向同性等特性极大地取决于同轴送粉喷嘴结构，因此国内外学者一直致力于高性能同轴送粉喷嘴的设计开发。
目前使用较为广泛的同轴送粉喷嘴虽然送粉稳定性、均匀性、汇聚性能够满足要求，但是普遍存在着与激光聚焦参数匹配调整困难的问题。当激光光斑大小因工艺调整而产生的变化，或激光聚焦位置发生变化时，粉末流汇聚状态和粉斑位置很难对此做出相应调整。并且，激光熔融沉积制造技术需要提前将粉末混合配置均匀，如果粉末粒径非常细小，或主体粉末中需要掺杂粒径非常细小的合金粉末，则极容易在粉末的二次混合配置过程中或使用过程中出现团聚现象而形成粉末团聚体，从而对送粉状态和粉末熔融行为产生极为不利的影响。因此，需要一种既能够方便光、粉匹配调节，又能够有效保证粉末均匀输送的同轴送粉喷嘴。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴，其能够在激光聚焦状态发生变化时相应地对粉末汇聚状态、光斑粉斑相对位置作出调整，也能够在输送粉末过程中同步为主体粉末掺杂极细的掺杂粉末，有效避免产生粉末团聚体。
本发明所述的用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴，包括内孔为激光通道的喷嘴本体，所述喷嘴本体包括转换接头、喷嘴基座筒、导流套筒、内喷嘴和外喷嘴；所述转换接头上端用于连接激光出射头，下端与喷嘴基座筒连接，所述喷嘴基座筒下端与外喷嘴连接；所述导流套筒呈倒锥形，装在所述喷嘴基座筒内，所述喷嘴基座筒与导流套筒对应的内侧壁截面呈锥形，导流套筒外侧壁与喷嘴基座筒内侧壁之间合围形成混粉导流腔；所述内喷嘴位于外喷嘴内，两者之间形成出粉通道，与上方的混粉导流腔连通；内喷嘴上端与所述导流套筒小径端螺纹连接，通过调节内喷嘴的螺纹旋入距离，以实现内喷嘴和外喷嘴之间的出粉通道大小的调节，所述混粉导流腔的径向尺寸大于出粉通道宽度；所述喷嘴基座筒上部设有与激光通道连通的惰性气体接口，下部设有与混粉导流腔连通的至少一个主体粉末送粉口和至少一个掺杂粉末送粉口；由主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口进入的粉末在混粉导流腔内形成循环回流，再沿着导流套筒表面输送进入内喷嘴和外喷嘴之间形成的出粉通道，利用激光通道内的惰性气体作为送粉载体，在待加工工件表面形成粉斑。
进一步，还包括位置调节组件，所述转换接头下端通过位置调节组件与喷嘴基座筒连接。
进一步，所述位置调节组件包括轴向调节组件和径向调节组件，轴向调节组件用于实现喷嘴基座筒相对于转换接头的轴向位置调节，所述径向调节组件用于实现喷嘴基座筒相对于转换接头的径向位置调节，以调节激光出射头产生的激光束聚焦光斑与粉末流汇聚点之间的相对位置。
进一步，所述轴向调节组件包括第一轴向调节筒和第二轴向调节筒，所述纵向调节组件包括呈倒T型的连接筒；所述第一轴向调节筒外侧壁上螺纹连接有第一轴向定位环，上端与转换接头内侧壁螺纹连接，下端与连接筒上端内侧壁螺纹连接；所述连接筒的水平部周向均匀设有多个径向调节螺钉，第二轴向调节筒呈倒锥形，大径端插入到连接筒内且第二轴向调节筒的锥形面与径向调节螺钉端部接触，小径端与喷嘴基座筒上端内侧壁螺纹连接。
进一步，所述第二轴向调节筒外侧壁螺纹连接有第二轴向定位环和第三轴向定位环，通过第二轴向定位环实现第二轴向调节筒的轴向定位，通过第三轴向定位环实现喷嘴基座筒的轴向定位。
进一步，所述连接筒的内孔中设有保护镜片。
进一步，所述导流套筒的小径端外侧壁螺纹连接有第四轴向定位环，通过第四轴向定位环实现内喷嘴的轴向定位。
进一步，所述内喷嘴和外喷嘴均呈倒锥形，两者之间形成的出粉通道锥面倾斜角度为50～70°，出粉通道间隙宽度为0.5～2.0mm。
进一步，在所述喷嘴基座筒上设有三个主体粉末送粉口和三个掺杂粉末送粉口，所述主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口均匀分布于喷嘴基座筒筒壁的同一圆周上，且主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口间隔布置。
进一步，所述导流套筒外周均匀分布有多条轴向导流槽。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明在喷嘴基座筒的下部设有与混粉导流腔连通的主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口，导流套筒外侧壁与喷嘴基座筒内侧壁合围形成混粉导流腔，更好地保证了输送粉末的均匀性和稳定性，并且实现了混粉与送粉同步进行，减少了增材制造前将主体粉末和掺杂粉末进行混合的工序，进而有效避免了在粉末的二次混合配置过程中或使用过程中出现团聚现象而形成粉末团聚体，保证了送粉状态和粉末熔融行为满足要求。
2、本发明通过调整第一轴向定位环在第一轴向调节筒上的位置，使得喷嘴基座筒相对于转换接头实现大范围轴向移动，便于对粉末流粉斑和激光光斑在轴向的相对位置作出大范围调整。通过调整第三轴向定位环在第二轴向调节筒上的位置，使得喷嘴基座筒相对于第二轴向调节筒实现小范围轴向移动，便于对粉末流粉斑和激光光斑在轴向的相对位置作出微调。通过所述连接筒的水平部上均匀设置的多个径向调节螺钉实现喷嘴基座筒相对于连接筒的径向位置调节，从而实现了粉末流粉斑和激光光斑在径向位置的调节。
3、本发明通过调节内喷嘴的螺纹旋入距离，以实现内喷嘴和外喷嘴之间的间隙调节，即使内喷嘴和外喷嘴的相对位置和出粉通道狭缝宽度发生变化，从而对粉末流汇聚状态、粉末流粉斑轴向位置和粉斑尺寸作出微调。当调整内喷嘴内缩于外喷嘴内部时，粉末流粉斑轴向位置趋向于靠近喷嘴中心，粉末流趋向于汇聚，粉斑尺寸变小；当调整内喷嘴伸出外喷嘴时，粉末流粉斑轴向位置趋向于远离喷嘴中心，粉末流趋向于发散，粉斑尺寸变大。
4、本发明利用位置调节组件实现粉末流粉斑和激光光斑的轴向、径向相对位置的调整，以及利用内喷嘴螺纹旋入距离的调节实现对粉末流汇聚状态的调整，使用灵活度高，功能实用性强。
附图说明
图1是本发明所述喷嘴本体的结构示意图；
图2是本发明所述喷嘴本体的内部示意图；
图3是本发明所述主体粉末送粉口和掺杂粉末送粉口的分布示意图。
图中，1—转换接头，2—位置调节组件，21—第一轴向调节筒，22—第二轴向调节筒，23—连接筒，24—径向调节螺钉，25—第一轴向定位环，26—第二轴向定位环，27—第三轴向定位环，3—喷嘴基座筒，31—惰性气体接口，32—主体粉末送粉口，33—掺杂粉末送粉口，4—导流套筒，41—导流槽，5—内喷嘴，51—第四轴向定位环，6—外喷嘴，61—冷却腔，7—混粉导流腔，8—保护镜片抽屉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图1和图2，所示的用于增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴，包括内孔为激光通道的喷嘴本体，所述喷嘴本体包括转换接头1、位置调节组件2、喷嘴基座筒3、导流套筒4、内喷嘴5和外喷嘴6。
所述转换接头1上端与激光出射头连接，下端通过位置调节组件2与喷嘴基座筒3连接，所述喷嘴基座筒3下端与外喷嘴6连接，所述外喷嘴6内环设有冷却腔。所述导流套筒4呈倒锥形，外周均匀分布有多条轴向导流槽4，所述喷嘴基座筒3与导流套筒4对应的内侧壁截面呈锥形，导流套筒4外侧壁与喷嘴基座筒3内侧壁之间合围形成混粉导流腔7。所述内喷嘴5位于外喷嘴6内，两者之间形成出粉通道，该出粉通道与上方的混粉导流腔7连通；内喷嘴5上端与所述导流套筒4小径端螺纹连接，通过调节内喷嘴5的螺纹旋入距离，以实现内喷嘴5和外喷嘴6之间的出粉通道大小的调节，所述混粉导流腔的径向尺寸大于出粉通道宽度。为了使得内喷嘴5的轴向位置调节更加精准，所述导流套筒4的小径端外侧壁螺纹连接有第四轴向定位环51，通过第四轴向定位环51实现内喷嘴4的轴向定位。
所述内喷嘴5和外喷嘴6均呈倒锥形，两者之间形成的出粉通道锥面倾斜角度为50～70°，出粉通道间隙宽度为0.5～2.0mm。内喷嘴5旋入距离的调整将使得内喷嘴5和外喷嘴6的相对位置和出粉通道狭缝宽度发生变化，从而对粉末流汇聚状态、粉末流粉斑轴向位置和粉斑尺寸作出微调。当调整内喷嘴5内缩于外喷嘴6内部时，粉末流粉斑轴向位置趋向于靠近喷嘴中心，粉末流趋向于汇聚，粉斑尺寸变小；当调整内喷嘴5伸出外喷嘴6时，粉末流粉斑轴向位置趋向于远离喷嘴中心，粉末流趋向于发散，粉斑尺寸变大。
所述喷嘴基座筒3上部设有与激光通道连通的惰性气体接口31，下部设有与混粉导流腔7连通的三个主体粉末送粉口32和三个掺杂粉末送粉口33。为了保证送粉均匀性以及主体粉末与掺杂粉末的混合均匀性，参见图3，三个主体粉末送粉口32和三个掺杂粉末送粉口33均匀分布于喷嘴基座筒3筒壁的同一圆周上，且主体粉末送粉口32和掺杂粉末送粉口33间隔布置。
作为本发明的一种优选实施方式，所述位置调节组件2包括轴向调节组件和径向调节组件，轴向调节组件用于调节喷嘴基座筒3相对于转换接头的轴向位置，所述径向调节组件用于喷嘴基座筒相对于的径向位置，以调节激光出射头产生的激光束聚焦光斑与粉末流汇聚点之间的相对位置。
所述轴向调节组件包括第一轴向调节筒21和第二轴向调节筒22，所述纵向调节组件包括呈倒T型的连接筒23。所述第一轴向调节筒21外侧壁上螺纹连接有第一轴向定位环25，上端与转换接头1内侧壁螺纹连接，下端与连接筒23上端内侧壁螺纹连接。通过调整第一轴向定位环25在第一轴向调节筒21上的位置，使得喷嘴基座筒3相对于转换接头1实现大范围轴向移动，便于对粉末流粉斑和激光光斑在轴向的相对位置作出大范围调整。
所述连接筒23的水平部周向均匀设有四个径向调节螺钉24，所述第二轴向调节筒22呈倒锥形，大径端插入到连接筒23内且第二轴向调节筒22的锥形面与径向调节螺钉24端部接触，小径端与喷嘴基座筒3上端内侧壁螺纹连接。通过所述连接筒23的水平部上周向均匀设置的四个径向调节螺钉24实现喷嘴基座筒3相对于连接筒23的径向位置调节，从而实现了粉末流粉斑和激光光斑在径向位置的调节。
所述第二轴向调节筒22外侧壁螺纹连接有第二轴向定位环26和第三轴向定位环27，通过第二轴向定位环26实现第二轴向调节筒22的轴向定位，通过第三轴向定位环27实现喷嘴基座筒3的轴向定位。通过调整第三轴向定位环27在第二轴向调节筒22上的位置，使得喷嘴基座筒3相对于第二轴向调节筒22实现小范围轴向移动，便于对粉末流粉斑和激光光斑在轴向的相对位置作出微调。
所述连接筒23上设有保护镜片抽屉8，使用时将保护镜片置于所述保护镜片抽屉8中，通过径向推拉保护镜片抽屉8，实现保护镜片的快速安装和卸载。
具体工作时，由均匀分布于喷嘴基座筒3上的主体粉末送粉口32和掺杂粉末送粉口32将主体粉末和掺杂粉末直接送入混粉导流腔7，由于所述喷嘴基座筒3与导流套筒4对应的内侧壁截面呈锥形，而内喷嘴5和外喷嘴6之间形成的出粉通道间隙宽度0.5～2.0mm较混粉导流腔7的径向尺寸窄，进而使得主体粉末和掺杂粉末在混粉导流腔7内形成循环回流，促使了不同成分或粒径的主体粉末和掺杂粉末充分混合，再沿着导流槽41输送进入内喷嘴5和外喷嘴6之间形成的出粉通道，利用激光通道内的惰性气体作为送粉载体，在待加工工件表面形成粉斑。这种混粉导流结构既能保证粉末均匀稳定地输送，也能保证掺杂纳米级合金粉末时在均匀混合不同粒度粉末成分的同时避免形成粉末团聚体。
上述实施例是对本发明典型优选实施方式的描述，但本发明的技术方案并不局限于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何变更与修改都将落入本发明所要保护的技术范畴。
本发明提出的用于激光增材制造的载气混粉式同轴送粉喷嘴不但可以保证输送粉末的均匀性、稳定性和汇聚性，而且可以实现与激光束聚焦状态的匹配调节，使用方便，功能性强，有利于提高激光增材制造的效率和质量，具有广阔的推广应用前景。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种航空发动机高压压气机盘的加工方法