一种送粉喷嘴及激光熔覆与增材制造加工头

技术领域

本发明涉及激光熔覆与增材制造设备技术领域，具体而言，涉及一种送粉喷嘴及激光熔覆与增材制造加工头。

背景技术

激光熔覆(Laser Cladding)亦称激光熔敷或激光包覆，是一种新的表面改性技术。它通过同步或预置材料的方式，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。送粉喷头在激光熔覆过程中是决定粉末流动性、汇聚性以及增材过程稳定性的一个关键核心部件，市场上的送粉喷头主要采用在喷头内部直接形成环形粉末再以环形粉末形式直接喷出，但是这种送粉喷头虽然送粉效率最高，但是当送粉喷头倾斜大于一定角度后，由于粉末自身重力原因，此时送粉的稳定性和聚焦性变差，还会出现掉粉问题，从而导致对三维激光增材制造产生一定的局限性。

发明内容

本发明解决的问题是如何设计一种稳定性和聚焦性强的送粉喷嘴。

为解决上述问题，本发明提供一种送粉喷嘴，包括内喷嘴、外喷嘴和送粉管路，所述内喷嘴包括锥形部，所述外喷嘴套设于所述锥形部外，所述锥形部的外壁和/或所述外喷嘴的内壁设有呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，所述送粉通道结构的底端延伸至所述锥形部的底端，所述送粉管路穿设于所述外喷嘴的侧壁并与各所述送粉通道结构连通。

可选地，所述外喷嘴包括相互连接的圆筒结构和内部空心的圆锥结构，所述锥形部的外壁和/或所述圆锥结构的内壁设有呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，所述送粉管路的数量为多个，多个所述送粉管路呈环形间隔排列设置于所述圆筒结构上。

可选地，所述内喷嘴还包括与所述锥形部连接的内凹部，所述内凹部的竖直剖面呈从上至下先渐缩再渐扩的结构，所述圆筒结构与所述内凹部之间形成混合腔，多个所述送粉通道结构分别与所述混合腔连通，所述送粉管路穿设于所述圆筒结构并与所述混合腔连通。

可选地，所述内喷嘴还包括与所述内凹部背离所述锥形部的一端连接的连接部，所述连接部为圆盘结构，所述圆筒结构套设于所述连接部外。

可选地，还包括第一冷却结构，所述第一冷却结构为内部设有第一容纳腔的环形结构，所述第一容纳腔内适于盛装冷却液；所述环形结构套设于所述连接部外。

可选地，还包括第二冷却结构，所述第二冷却结构为内部设有第二容纳腔的环形结构，所述第二容纳腔内适于盛装冷却液；所述环形结构套设于所述外喷嘴外。

可选地，所述送粉通道结构包括设置于所述锥形部外壁和/或所述圆锥结构的凸起结构，相邻两个所述凸起结构之间形成作为送粉通道的凹槽，所述锥形部的凸起结构与所述圆锥结构的内壁相抵，或所述圆锥结构的凸起结构与所述锥形部外壁相抵，或所述锥形部的凸起结构与所述圆锥结构的凸起结构相抵，所述凹槽与所述圆锥结构之间形成送粉通道。

可选地，所述送粉通道结构包括设置于所述锥形部外壁和/或所述圆锥结构内壁且作为送粉通道的凹槽结构。

与现有技术相比，本发明通过在内喷嘴的锥形部的外壁和/或所述外喷嘴的内壁上设置呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，在外喷嘴套设于锥形部外部时，由于多个送粉通道结构分别与送粉管路连通，从而使送粉管路内的粉末在进入外喷嘴和内喷嘴之间处先进行扩散再分别进入各送粉通道内进行流动，相对现有技术中在送粉喷头内直接形成漏斗状的环形粉末且在送粉喷头倾斜一定角度时环形粉末的稳定性和聚焦性较差而言，本申请中送粉通道结构向下延伸至锥形部的底端，从而使呈环形间隔排列的各送粉通道内流动的粉末同时分别从所述送粉喷嘴的底端送出，最后在送粉喷嘴的下侧汇聚形成粉末射流焦点，由于送粉管路内的粉末分别进入各送粉通道结构内以导致粉末分布更加均匀且导向性大大提高，进而提高送粉喷嘴喷出粉末的稳定性和聚焦性，且不会出现掉粉问题。

本发明还提供一种激光熔覆与增材制造加工头，包括激光头、连接管以及如上述所述的送粉喷嘴，所述激光头包括保护镜片，所述保护镜片嵌设于所述连接管内，所述连接管与所述送粉喷嘴中的内喷嘴连接；所述连接管上开设保护气入口，所述保护气入口适于连接保护气管，所述激光熔覆与增材制造加工头的有益效果同所述送粉喷嘴的有益效果，在此不再赘述。

可选地，还包括顶丝螺丝，所述连接管的外侧壁设有凹陷结构，所述凹陷结构与所述连接管的竖直轴线平行，所述顶丝螺丝穿设于所述激光头并与所述凹陷结构相抵。

附图说明

图1为本发明实施例中激光熔覆与增材制造加工头的局部结构示意图；

图2为本发明实施例中激光熔覆与增材制造加工头的局部剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中激光熔覆与增材制造加工头的局部爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例中内喷嘴的结构示意图之一；

图5为本发明实施例中内喷嘴的结构示意图之二；

图6为本发明实施例中粉末进入内喷嘴的运动轨迹示意图；

图7为本发明实施例中内喷嘴的结构示意图之三。

附图标记说明：

1-送粉管路；2-内喷嘴；21-锥形部；211-凹槽结构；22-内凹部；23-连接部；3-外喷嘴；31-圆筒结构；32-圆锥结构；4-第一降温结构；5-第二降温结构；6-凸起结构；7-连接管；71-保护气入口；72-凹陷结构；8-保护镜片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

为解决上述技术问题，结合图1至图3所示，本发明实施例提供一种送粉喷嘴，包括内喷嘴2、外喷嘴3和送粉管路1，所述内喷嘴2包括锥形部21，所述外喷嘴3套设于所述锥形部21外，所述锥形部21的外壁和/或所述外喷嘴3的内壁设有呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，且所述送粉通道结构的底端延伸至所述锥形部21的底端，所述送粉管路1穿设于所述外喷嘴3的侧壁并与各所述送粉通道结构连通。

需要说明的是，本发明通过在内喷嘴2的锥形部21的外壁和/或所述外喷嘴3的内壁上设置呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，在外喷嘴3套设于锥形部21外部时，由于多个送粉通道结构分别与送粉管路1连通，从而使送粉管路1内的粉末在进入外喷嘴和内喷嘴之间处先进行扩散再分别进入各送粉通道内进行流动，相对现有技术中在送粉喷头内直接形成漏斗状的环形粉末且在送粉喷头倾斜一定角度时环形粉末的稳定性和聚焦性较差而言，本申请中送粉通道结构向下延伸至锥形部21的底端，从而使呈环形间隔排列的各送粉通道内流动的粉末同时分别从所述送粉喷嘴的底端送出，最后在送粉喷嘴的下侧汇聚形成粉末射流焦点，由于送粉管路1内的粉末分别进入各送粉通道结构内导致粉末分布更加均匀且导向性大大提高，进而不仅提高送粉喷嘴喷出粉末的稳定性和聚焦性，不会出现掉粉问题，而且还提高送粉效率和粉末利用率。

在本发明的一个实施例中，结合图1和图3所示，所述外喷嘴3包括相互连接的圆筒结构31和内部空心的圆锥结构32，所述锥形部21的外壁和/或所述圆锥结构32的内壁设有呈环形间隔排列的多个送粉通道结构，所述送粉管路1的数量为多个，多个所述送粉管路1呈环形间隔排列设置于所述圆筒结构31上。

需要说明的是，外喷嘴3的圆筒结构31和圆锥结构32的内部均为空心，且圆筒结构31的底端与圆锥结构32的直径较大的一端连通，在所述锥形部21的外壁和/或所述圆锥结构32的内壁上设置呈环形间隔排列的多个送粉通道结构；通过在圆筒结构31的侧壁上安装呈环形间隔的多个送粉管路1，且送粉管路1与送粉通道结构连通，从而不仅提高单位时间内进入送粉通道结构内的送粉量，而且因多个送粉管路1呈环形间隔设置以及多个送粉通道结构呈环形间隔设置，多个送粉管路1的输送的粉末分别进入各送粉通道结构内，从而可以提高进入各送粉通道结构内粉末的均匀性；在本实施例中，送粉管路1的尺寸要大于或等于每个送粉通道的尺寸，从而保证进入送粉通道结构内的粉末具有一定的流速，送粉管路1的数量小于送粉通道结构的数量。

在本发明的一个实施例中，所述内喷嘴2还包括与所述锥形部21连接的内凹部22，所述内凹部22的竖直剖面呈从上至下先渐缩再渐扩的结构，所述圆筒结构31与所述内凹部22之间形成混合腔，多个所述送粉通道结构分别与所述混合腔连通，所述送粉管路1穿设于所述圆筒结构31并与所述混合腔连通。

需要说明的是，结合图2、图3和图4所示，锥形部21的直径较大的一端相对直径较小的一端处于上侧，在锥形部21的顶端还设置内凹部22，由于内凹部22的竖直剖面呈从上至下先渐缩再渐扩的结构，此时内凹部22的外壁类似沙漏结构，且内凹部22的周向外壁为光滑的内凹面，从而在外喷嘴3的圆筒结构31套设于内喷嘴2外时，此时圆筒结构31与内凹部22之间形成密封的混合腔，多个送粉管路1穿设于圆筒结构31并分别于混合腔连通，此时多个送粉管路1内的粉末先在混合腔内进行不断充分的流动混合，然后混合后的粉末在自身重力作用以及粉末在混合腔内运动产生的流速促使其自身继续向下运动，被呈环形间隔排列的多个送粉通道结构分割成多路并分别进入各送粉通道内，并以一定的速度喷出送粉喷嘴，最后各送粉通道内粉末在送粉喷嘴的下侧汇聚形成粉末射流焦点，粉末在混合腔内的运动轨迹如图6所示，其中图6中的各曲线上的箭头为粉末的流向。

在上述实施例中，各所述送粉通道结构的顶端低于或齐平于锥形部21的顶端。

需要说明的是，结合图4所示，各送粉通道结构的顶端与锥形部21的顶端齐平，从而在外喷嘴3中的圆锥结构32套设在内喷嘴2中的锥形部21外部时，由于多个所述送粉管路1的粉末先进入混合腔内进行充分混合，然后混合后的粉末在自身重力作用以及粉末在混合腔内运动产生的流速促使其自身继续向下运动再直接快速分别进入各所述送粉通道结构内，从而可以减少粉末内喷嘴2和外喷嘴3之间的运动路径以提高送粉效率，而且由于各送粉通道结构如相邻两个凸起结构6之间形成的凹槽体积小于混合腔的体积，可以进一步的加快粉末在各送粉通道内的流动速度，进而大大提高粉末在送粉喷嘴中的聚焦性和送粉效率。

在本发明的另一实施例中，结合图7所示，各送粉通道结构的顶端低于锥形部21的顶端，即送粉通道结构的长度小于锥形部21的长度，所述送粉通道结构包括设置于所述锥形部21外壁的凸起结构6，相邻两个所述凸起结构6之间形成作为送粉通道的凹槽，此时所述凹槽以及凸起结构6的顶端与锥形部21的顶端之间预留间距，在外喷嘴3中的圆锥结构32套设在内喷嘴2中锥形部外时，圆锥结构32与锥形部21之间在送粉通道结构的上侧处形成粉末加速区，从而多个所述送粉管路1的粉末先进入混合腔内进行充分混合，然后混合后的粉末在自身重力作用以及粉末在混合腔内运动产生的流速促使其自身继续向下运动进入所述粉末加速区，由于混合腔的体积大于粉末加速区的体积，从而使混合腔内的粉末进入粉末加速区后会进一步加速后再分别进入各所述送粉通道结构内，从而可以进一步的加快粉末在送粉喷嘴内的流动速度。另外，由于各送粉通道结构的顶端与锥形部21的顶端之间预留间距，这样还进一步缩小外喷嘴3中圆锥结构32的体积。

在本发明的一个实施例中，所述内喷嘴2还包括与所述内凹部22背离所述锥形部21的一端连接的连接部23，所述连接部23为圆盘结构，所述圆筒结构31套设于所述连接部23外。

需要说明的是，结合图2所示，由于外喷嘴3中的圆筒结构31套设在内喷嘴2上，故连接部23为圆盘结构，便于圆筒结构31的顶端可以顺利的套设在为圆盘结构的连接部23上；其中，圆筒结构31可以直接套设在连接部23外，也可以通过螺纹套设在连接部23外，即在圆筒结构31的内壁设置内螺纹，连接部23的外部设置外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹通过螺纹方式连接，从而实现将圆筒结构31可拆卸套设在连接部23外。

在本实施例中，连接盘包括相互连接的第一连接盘和第二连接盘，其中，第一连接盘的底端与第二连接盘的顶端为一体成型或可拆卸连接，第一连接盘和第二连接盘同轴心设置，第一连接盘的直径大于第二连接盘的直径，第二连接盘与所述内凹部22连接，圆筒结构31套设在第二连接盘外。

在本发明的一个实施例中，结合图1、图2和图3所示，送粉喷嘴还包括第一冷却结构4，所述第一冷却结构4为内部设有第一容纳腔的环形结构，所述第一容纳腔内适于盛装冷却液；所述环形结构套设于所述连接部23外。

需要说明的是，第一冷却结构4和第一容纳腔均为环形结构，且环形结构内部的第一容纳腔适于盛装冷却液，当环形结构套设于连接部23中第二连接盘外时，冷却液可以对内喷嘴2进行冷却，防止内喷嘴2温度过高；其中，在第一降温结构4上还设有进液口和出液口，进液口、第一容纳腔和出液口相连通，外置的送液装置分别通过送液管和出液管与进液口和出液口连通，将冷却液经进液管和进液口进入第一冷却结构4的第一容纳腔内，然后在为环形结构的第一容纳腔内流动，从出液口经出液管返回至送液装置内，依此过程不断循环，从而实现将内喷嘴2工作时产生的高温带走，实现对内喷嘴2的持续冷却作业；其中，冷却液可以为冷却水，也可以为冷却油，还可为其他种类的冷却液，只要能够实现对内喷嘴2进行降温的冷却液均适用于本技术方案，在此不做具体限定。

在本发明的一个实施例中，结合图1至图3所示，送粉喷嘴还包括第二冷却结构5，所述第二冷却结构5为内部设有第二容纳腔的环形结构，所述第二容纳腔内适于盛装冷却液；所述环形结构套设于所述外喷嘴3外。

需要说明的是，第二冷却结构5与第一冷却结构4的形状和结构相同，当外喷嘴3的圆筒结构31套设在内喷嘴2的连接部23之后，因激光头发出的激光从内喷嘴2的激光通道穿过，此时内喷嘴2会产生高温并将高温也传递至外喷嘴3，将第二冷却结构5套设在外喷嘴3的圆筒结构31处，从而可以对外喷嘴3进行冷却，第二冷却结构5对外喷嘴3的冷却原理同上述第一降温结构4对内喷嘴2的降温原理，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，结合图4所示，所述送粉通道结构包括设置于所述锥形部21外壁和/或所述圆锥结构32的凸起结构6，相邻两个所述凸起结构6之间形成作为送粉通道的凹槽，所述锥形部21的凸起结构6与所述圆锥结构32的内壁相抵，或所述圆锥结构32的凸起结构6与所述锥形部21外壁相抵，或所述锥形部21的凸起结构6与所述圆锥结构32的凸起结构6相抵，所述凹槽与所述圆锥结构32之间形成送粉通道。

需要说明的是，在内喷嘴2中锥形部21的周向外壁设置呈环形间隔排列的多个凸起结构6，相邻两个凸起结构6之间形成作为送粉通道的凹槽，即多个凹槽也是呈环形间隔设置，在外喷嘴3套设在内喷嘴2外时，多个凸起结构6与外喷嘴3的圆锥结构32的内壁相相抵，间隔设置的多个凹槽与所述外喷嘴3的圆锥结构32之间形成多个送粉通道，提高送粉喷嘴的送粉稳定性和聚焦性。

本实施例中，凸起结构6的尺寸沿着内喷嘴2的外壁从上至下逐渐变小，不仅保证凸起结构6的表面与外喷嘴3的圆锥结构32的内表面相抵，而且还使相邻两个凸起结构6之间形成的凹槽尺寸也随之变小，使送粉通道逐渐变小，以提高粉末在送粉通道内流动的均匀性、流速和导向性，以提高粉末的聚焦性及提高粉末利用效率。与上述实施例不同的是，送粉通道结构还可设置在外喷嘴3的圆锥结构32的内侧壁上，如在圆锥结构32的内侧壁周向设置呈环形间隔设置的多个凸起结构6，即凸起结构6向下延伸至锥形部21的底端，相邻两个凸起结构6之间形成作为送粉通道的凹坑，在外喷嘴3套设在内喷嘴2外时，多个凸起结构6与内喷嘴2的锥形部21的外壁相抵，多个凹坑与锥形部21的外壁之间形成多个送粉通道，从而也可形成多路粉末从锥形部21和圆锥结构32之间喷出，其效果与在锥形部21的外壁设置多个凸起结构6的效果，在此不再赘述。

与上述实施例不同的是，在外喷嘴3中圆锥结构32的内壁和内喷嘴2中锥形部21的外壁均设置呈环形间隔排列的多个凸起结构6，当外喷嘴3套设在内喷嘴2外时，圆锥结构32上的凸起结构6与锥形部21上的凸起结构6相抵，此时相邻两个凸起结构6之间形成凹槽，圆锥结构32上的凹槽与锥形部21上的凹槽合围形成多个送粉通道，其效果同上述在锥形部21的外壁设置多个凸起结构6的效果，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，所述送粉通道结构包括设置于所述锥形部21外壁和/或所述圆锥结构32内壁且作为送粉通道的凹槽结构211。

需要说明的是，结合图5所示，在内喷嘴2中锥形部21的周向外壁开设呈环形间隔排列的多个凹槽结构211，当外喷嘴3套设在内喷嘴2外时，圆锥结构32的内壁与锥形部21的外壁紧贴，此时间隔设置的多个凹槽结构211与圆锥结构32之间形成多个送粉通道，多个送粉管路1输送的粉末在混合腔内混合后，分别进入各送粉通道内，相对现有技术中在送粉喷头内直接形成环形粉末在送粉喷头倾斜一定角度时环形粉末的稳定性和聚焦性较差而言，本申请多个送粉通道内的粉末分别从内喷嘴2的锥形部21与外喷嘴3的圆锥结构32之间喷出送粉喷嘴，最后在送粉喷嘴的下侧汇聚形成粉末射流焦点，从而使各送粉通道结构内的粉末分布更加均匀且导向性大大提高，以提高送粉喷嘴喷出粉末的稳定性和聚焦性。

在本实施例中，凹槽结构211的尺寸沿着内喷嘴2的外壁从上至下逐渐变小，从而使多个凹槽结构211与外喷嘴3中圆锥结构32的内壁之间形成的多个送粉通道，逐渐变小，以提高粉末在送粉通道内流动的均匀性和导向性，以提高粉末的聚焦性及粉末利用效率。与上述实施例不同的是，如在外喷嘴3中圆锥结构32的内侧壁周向开设呈环形间隔设置的多个凹槽结构211，在外喷嘴3套设在内喷嘴2外时，外喷嘴3的圆锥结构32的内壁与内喷嘴2的锥形部21的外壁紧贴，多个凹槽结构211与锥形部21的外壁之间形成多个送粉通道，从而也可形成多路粉末从锥形部21和圆锥结构32之间喷出，其效果与在锥形部21的外壁开设多个凹槽结构211的效果，在此不再赘述。

与上述实施例不同的是，在外喷嘴3中圆锥结构32的内壁和内喷嘴2中锥形部21的外壁均相对设置呈环形间隔排列的多个凹槽结构211，圆锥结构32上的凹槽结构211与锥形部21上的凹槽结构211合围形成多个送粉通道，其效果同上述在锥形部21的外壁开设多个凹槽结构211的效果，在此不再赘述。

本发明的另一实施例还提供一种激光熔覆与增材制造加工头，包括激光头、连接管7以及如上述实施例中所述的送粉喷嘴，所述激光头包括保护镜片8，所述保护镜片8嵌设于所述连接管7内，所述连接管7与所述送粉喷嘴中的内喷嘴2连接；所述连接管7上开设保护气入口71，所述保护气入口71适于连接保护气管。

需要说明的是，结合图1、图2和图3所示，激光头(图中未示出)包括激光发射模组和保护镜片8，且激光发射模组(图中未示出)设置在保护镜片8的上方位置，激光发射模组用于发射激光束为现有技术，在此不再具体阐述；在内喷嘴2的连接部23、内凹部22和锥形部21沿其竖直轴线方向开设激光通道，从而便于激光头中激光发射模组发射的激光束从所述激光通道内穿过，所述激光通道的竖直剖面也为圆锥型结构，且圆锥型结构的顶端直径要大于底端直径，从而便于对激光束在输送过程中进行聚焦；在连接管7的内部位于保护气入口71的上方处开设环形沉台，保护镜片8放置于环形沉台上；保护气管用于输送保护气进入连接管7内，保护气会沿着连接管7的内壁与内喷嘴2的连接部23之间的缝隙向下运动，并作用于混合腔内的粉末，从而不仅可以防止混合腔内的粉末向上运动以保护镜片8，而且保护气还沿着送粉通道与粉末一起喷出送粉喷嘴，各送粉通道内的粉末在喷出送粉喷嘴后在送粉喷嘴的下方汇集形成粉末射流焦点，激光发射模组产生的激光从内喷嘴2的激光通道喷出后可以对粉末射流焦点进行高温融化并熔覆在待熔覆的工件表面，此时保护气包裹住粉末射流焦点，可以防止高温融化的粉末被氧化。

在本发明的一个实施例中，结合图1和图3所示，激光熔覆与增材制造加工头还包括顶丝螺丝，所述连接管7的外侧壁设有凹陷结构72，所述凹陷结构72与所述连接管7的竖直轴线平行，所述顶丝螺丝穿设于所述激光头并与所述凹陷结构72相抵。

需要说明的是，在连接管7的外侧壁设置至少一个凹陷结构72，凹陷结构72与连接管7的竖直轴线平行，当连接管7与激光头进行连接时，即连接管7嵌设于激光头的内部，通过顶丝螺丝穿设于激光头内并与连接管7的凹陷结构72相抵，从而不仅实现连接管7与激光头的快速可拆卸连接，而且通过手动调节顶丝螺丝与凹陷结构72的连接位置，可以调整连接管7与激光头的连接位置，以调整送粉喷嘴的高度。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。