用于激光熔覆增材制造的宽带送粉组件及同轴宽带送粉装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光熔覆增材制造技术领域，具体而言涉及一种用于激光熔覆增材制造的宽带送粉组件及同轴宽带送粉装置。


背景技术：

2.激光增材制造技术作为一种新兴的表面强化技术，其工业上适用范围和应用领域非常广泛，应用于矿山机械、煤炭、石油化工、铁路、汽车、船舶、冶金、航空、机床等领域，采用激光增材制造与再制造造技术，可进行复杂零件的快速成型以及缺陷修复，恢复使用性能，成本低，效率高，而且在一些应用领域中通过宽带激光熔覆技术，可实现再制造零件表面的修复和强化，实现高强度、耐磨损、抗冲蚀性能，使用激光熔覆加工技术进行修复和性能优化。
3.宽带激光熔覆加工工艺，采用矩形激光光斑或者椭圆形等较大面积的激光光斑对粉末的激光熔覆，送粉嘴采用宽带式送粉，使得送入基板上的粉斑也不再是圆形粉斑，而是呈现出大面积的近似矩形，具有加工时间短、工作效率高的特点，尤其是采用同轴送粉激光熔覆加工工艺，具有熔覆表面质量好、适用范围广的特点，在零件表面的修复和强化方面具有广泛的应用。但是在长时间使用的过程中，由于金属粉末对喷嘴粉末流道的冲刷，使得喷嘴内部光洁度逐渐下降，从而影响送粉效果，减小粉末利用率，熔覆效果也随之降低。在维修和保养过程中，需要更换整个送粉喷嘴，大幅提高更换成本和难度。而且，长时间使用会对送粉喷嘴造成大量的热传导，激光在工件上的反光也会对喷嘴上的管路造成损坏，严重影响使用效果。
4.现有技术中提出宽带同轴激光熔覆送粉喷嘴，例如公开号为cn211227345u提出的全水冷高功率宽带同轴激光熔覆嘴，设计有分粉模块组件，将通入送粉口内的粉体一路分成多路，从而通入送粉嘴的粉末变成宽型粉末带，与激光汇聚融化后，可以在基材表面形成较宽的修复带，大大增加了激光熔覆修复的效率，节约生产时间并且提高了生产效益，解决普通激光熔覆嘴送粉量小、送粉面积小以及加工效率慢的问题。尤其是通过在分粉模块上设置横向水槽，在水冷侧板上设置纵向水槽，使整个激光熔覆嘴内部形成全方位的水冷结构，能够保证激光熔覆加工时全水冷的要求，确保长时间激光熔覆加工的需求。但在该设计中，由于送粉结构与分粉结构的固定设计，并且在分粉模块组件中形成的扁平式固定的1分3(1分n)的结构，在分粉和粉末输送过程中固定进行分粉而不能根据需要或者工艺进行调试，也不易进行调整调试，而且容易造成堵塞，一旦损坏或者堵塞，即需要更换整个送粉嘴组件。同时在使用过程中，该设计的送粉喷嘴容易受到的激光在工件上的反光造成的对喷嘴上的管路的损坏，影响使用效果。
5.现有技术文献：
6.专利技术1：cn211227345u一种全水冷高功率宽带同轴激光熔覆嘴
7.专利技术2：cn203878217u一种带全水冷送粉嘴的激光熔覆头


技术实现要素：

8.本实用新型的第一方面提供一种用于激光熔覆增材制造的宽带送粉组件，于，所述宽带送粉组件具有送粉器主体、石英管、盖板、送粉块以及级联分粉组件；
9.所述送粉块与级联分粉组件依次固定在送粉器主体的顶部；
10.所述送粉块，被设置与送粉管连接；所述送粉块具有与送粉管连通的通孔，通孔数量为n0；
11.所述送粉器主体，设置有水冷组件以及扁平状的矩形凹槽，多个石英管平行地排列在所述矩形凹槽内并形成平整的排列平面并由所述盖板盖住密封，多个石英管的入口端朝向级联分粉组件，出口端朝向送粉器主体的下端；
12.所述级联分粉组件，包括分粉块以及位于相邻两层分粉块之间设置的密封垫片，分粉块具有分粉孔，相邻两层的分粉块的分粉孔逐层交错设置，其中最下层的分粉块的分粉孔与石英管的数量一致。
13.由此，粉末通过送粉管输送进入到送粉块之后，进入到级联分粉组件内，通过逐层错位交错设置的分粉孔，实现粉末的多层错层均匀、快速分粉，实现宽带送粉。
14.优选地，所述级联分粉组件的每一层分粉块上设置的分粉孔采用扁平状沉孔与斜锥状出粉孔的双层设计，扁平状沉孔位于斜锥状出粉孔的上方，扁平状沉孔的孔径大于斜锥状出粉孔的出口端的孔径。
15.优选地，所述斜锥状出粉孔的上部与扁平状沉孔的下边缘连接，并从扁平状沉孔的下边缘至出粉孔的出口端之间以设定的角度呈斜坡落粉设计。
16.优选地，所述级联分粉组件的每一层分粉块上设置的分粉孔被设置满足：
17.第一层分粉块的分粉孔数量为n1，n1＞n0，n1个分粉孔之间的扁平状沉孔为并排串联连接且相邻的分粉孔之间在水平方向直接连通且无边框设计；并且第一层分粉块的相邻的扁平状沉孔的连接位置的中心与分粉块上对应的通孔的圆心对齐，且相邻的扁平状沉孔级联后的长度大于送粉块上n0个通孔的水平方向的边缘连接线的尺寸长度；
18.中间层分粉块的分粉孔数量为ni，ni表示第i层分粉孔数量，ni＞n
i-1
；i≤m，m为分粉块的总数；ni个分粉孔的扁平状沉孔为并排串联连接且相邻的分粉孔之间在水平方向直接连通且无边框设计；第i层分粉块的相邻的扁平状沉孔的连接位置的中心与第i-1层上对应的斜锥状出粉孔的出口端的圆心对齐，且相邻的扁平状沉孔级联后的长度大于第i-1层的n
i-1
个出粉孔的出粉口的水平方向的边缘连接线的尺寸长度；
19.其中，下一层分粉块上设置的分粉孔的扁平状沉孔级联后的长度大于上一层分粉块的出粉孔的出口端级联后的边缘连接线的尺寸长度。
20.由此，在错层分粉过程中，通过分粉块的分粉孔的错层设计以及尺寸匹配，既保证上下层分粉块之间的平滑过渡，同时实现上下层分粉块之间的顺畅落粉，避免粉末在内部的堆积或者堵塞。
21.优选地，所述级联分粉组件的每一层分粉块上设置的分粉孔满足：
22.每一层分粉块的分粉孔的扁平状沉孔的孔径小于上一层分粉块的分粉孔的扁平状沉孔的孔径，且逐层递减；
23.每一层分粉块的出粉孔的出口端的孔径小于上一层分粉块的出粉孔的出口端的孔径，且逐层递减。
24.优选地，所述相邻两层分粉块之间的密封垫片上设置有矩形通孔，所述矩形通孔的边缘超出与其连接的上下相邻的两层分粉块上设置的分粉孔的边缘。
25.由此，通过分粉块之间设置的垫片，一方面通过密封垫片密封，防止粉末漏出，另一方面同时保证相邻层的分粉块之间顺畅落粉。
26.本实用新型的第二方面还提出一种激光熔覆增材制造的同轴宽带送粉装置，包括：
27.z轴调节组件，形成有沿着z轴方向的第一空腔，所述z轴调节组件被设置用于安装至增材制造激光组件，所述激光组件被设置成可沿着z轴方向发射穿过第一空腔的宽带激光束；
28.直口连接组件，具有沿着z轴方向的套筒，所述套筒可移动地安装在所述z轴调节组件的第一空腔；
29.第一水冷组件，具有沿着z轴方向的第二空腔，所述直口连接组件固定连接到所述第一水冷组件的一端；
30.喷嘴主体，具有沿着第一预定方向并且对称设置的侧板，所述第一水冷组件相对的另一端固定在所述侧板上；
31.挡板，与z轴正交地设置并具有沿着z轴方向的中心孔，所述喷嘴主体嵌入在所述中心孔内；以及
32.宽带送粉组件，沿着第二预定方向并对称地分别设置在喷嘴主体的两侧，所述第二预定方向与第一预定方向正交；所述宽带送粉组件采用前述任一项的设计结构；
33.其中，所述中心孔、第二空腔、套筒以及第一空腔沿着z轴方向同轴地设置；
34.每一个宽带送粉组件与挡板成预定角度地安装到所述喷嘴主体的对应一侧的侧板上，并且可沿着所述预定角度的方向进行位置调节。
35.优选地，每一个侧板在其对应于宽带送粉组件的一侧均设置有沿着预定角度方向的狭槽，所述宽带送粉组件的朝向侧板的表面配置有用于位置调节的调节螺栓，所述调节螺栓穿过所述狭槽并且可释放地拧紧到宽带送粉组件上。
36.由此在送粉装置的选择和调试过程中，可通过释放调节螺栓使得宽带送粉组件与对应侧板之间可相对运动，由此可沿着预定的角度方向，如下述将更加具体描述的狭槽限定的角度和范围内，实现快速的位置调整。在调整到位后，可再次拧紧调节螺栓进行锁紧与固定。
37.优选地，所述喷嘴主体内设置沿着所述的预定角度方向的档条，用以实现对宽带送粉组件的安装定位。
38.优选地，所述z轴调节组件的第一空腔的内壁上沿着z轴方向设置有导向槽，所述直口连接组件的套筒的外壁上设置有与所述导向槽导向配合的导向件，所述导向件可在导向槽限定的方向和空间内移动。
39.本实用新型提出的光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置，能够在使用时减小粉末对喷嘴的磨损，且在当送粉用的石英管磨损后，只需要对其进行更换即可，无需更换喷嘴其余部分，从而可以大大降低更换成本，使得送粉喷嘴磨损后更换简便，降低更换成本，同时具有良好的冷却效果及防反射效果，可长时间稳定使用。
40.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这
样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
41.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
42.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
43.图1是本实用新型示例性实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的结构示意图。
44.图2是图1实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的俯视图。
45.图3a-3b是图1实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的分解结构示意图。
46.图4a-4b是图1实施例中激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的宽带送粉组件的示意图。
47.图5是图1实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的宽带送粉组件的级联分粉组件的分粉块的示意图。
48.图6是图1实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置的宽带送粉组件的级联分粉组件的第一级分粉块的示意图。
49.图7是图1实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置宽带送粉组件的级联分粉组件的第一级分粉块与第二级分粉块组合后的俯视图。
具体实施方式
50.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
51.在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
52.结合附图1-7所示示例性实施例的激光熔覆增材制造用同轴宽带送粉装置，包括喷嘴主体10、z轴调节组件20、直口连接组件30、第一水冷组件40、挡板50以及宽带送粉组件60。
53.如图1、2所示，z轴调节组件20被设计用以与激光熔覆增材制造系统的其他组件连接，例如增材制造用的激光组件。
54.结合图1，z轴调节组件20的上端具有环形的定位部，用于导向对接到激光组件进行安装固定。z轴调节组件20的内部设计成中空结构，其内部形成有沿着z轴方向的第一空
腔21。激光组件可沿着z轴方向发射穿过第一空腔的宽带激光束，用于进行宽带熔覆。
55.直口连接组件30，起到中间连接的作用。结合图1、2、3a、3b所示，直口连接组件30具有沿着z轴方向的套筒，安装在z轴调节组件的第一空腔21内部。
56.结合图1、3a、3b所示，z轴调节组件20的第一空腔21的内壁上沿着z轴方向设置有导向槽22，直口连接组件30的套筒的外壁上设置有与导向槽导向配合的导向件31，例如定位销，导向件31可在导向槽限定的方向和空间内移动。由此，在调节时可以起到导向作用。
57.由此，在调试过程中，可在z轴方向上快速实现对整个宽带送粉装置的位置调节。
58.第一水冷组件40，如图3a，具有沿着z轴方向的第二空腔41，直口连接组件30固定连接到第一水冷组件40的一端。
59.喷嘴主体10，具有沿着第一预定方向并且对称设置的侧板11。结合图1以及3a、3b所示，前述的第一预定方向，尤其是指与z轴正交，并且两个侧板11的中心连线的所限定的方向，作为x方向。
60.如图1，第一水冷组件40相对的另一端固定在所述侧板11上。
61.由此，z轴调节组件20、直口连接组件30、第一水冷组件40以及喷嘴主体10依次装配安装。
62.如图1、2所示，挡板50，尤其采用长方形的挡板构件，与z轴正交地设置并具有沿着z轴方向的中心孔，喷嘴主体嵌入在所述中心孔。由此，挡板50作为喷嘴装置的防飞溅设计，可以有效避免激光反光和加工中产生的飞溅对喷嘴上管路的损坏，有效的减少使用时粉末对喷嘴的磨损，保证送粉喷嘴使用效果。
63.宽带送粉组件60，沿着第二预定方向并对称地分别设置在喷嘴主体10的两侧，所述第二预定方向与第一预定方向正交，作为y方向。
64.结合图1、3a、3b，挡板50的中心孔、第一水冷组件40的第二空腔41、直口连接组件30的套筒以及z轴调节组件20的第一空腔21，被设置成沿着z轴方向同轴地设置，并且宽带激光束穿过套筒、第二空腔41以及喷嘴主体10，投射到喷嘴主体下方的基材上进行熔覆加工作业。
65.结合图1，宽带送粉组件60与喷嘴主体10安装成一体并嵌入到挡板50的中心孔内，并在每个侧板11的外侧配置通过连接件，例如l型连接件，将喷嘴主体与挡板固定连接。
66.可选地，挡板50的中心孔为带有锥角的方形孔，喷嘴主体位于方孔中央位置。
67.结合图示1、3a、3b，每一个宽带送粉组件60与挡板50成预定角度地安装到喷嘴主体的对应一侧的侧板11上，并且可沿着预定角度的方向进行位置调节。
68.优选地，宽带送粉组件60与挡板50之间的夹角θ被设置在60
°
～85
°
。
69.在可选的实施例中，挡板50采用铜板，并设计有水冷组件，水冷组件配置有独立的水冷通道和进出水接口，实现对挡板冷却的目的。
70.结合图示，每一个侧板11在其对应于宽带送粉组件的一侧均设置有沿着预定角度方向的狭槽15，宽带送粉组件的朝向侧板的表面配置有用于位置调节的调节螺栓，调节螺栓穿过所述狭槽并且可释放地拧紧到宽带送粉组件上。
71.如图1、3a、3b所示，调节螺旋可被操作在释放或者拧紧状态切换，其中：在释放状态下，所述调节螺栓与宽带送粉组件同步在狭槽限定的预定角度方向移动，实现位置调节，其中移动过程中以所述调节螺栓与狭槽配合导向；在调节螺栓与宽带送粉组件移动到预定
位置后，通过拧紧调节螺旋，切换至拧紧状态，实现锁紧固定。
72.在可选的实施例中，喷嘴主体内部可设置定位结构12，如图3a所示，定位结构12设计为沿着前述的预定角度方向的档条，与对应的一侧的宽带送粉组件配合，一方面档条顶部可设计与第一水冷组件40配合进行固定连接的螺孔，另一方面宽带送粉组件在安装到喷嘴主体10上时可通过档条进行定位和限位，保证单侧的宽带送粉组件安装的倾斜角度，提高装配精度。
73.在可选的实施例中，z轴调节组件20上设置有进气孔，被设置用于通入保护气，喷嘴主体10的内部设置倾角，可实现对保护气的导向汇聚作用。
74.可选的实施例中，结合图1所示，z轴调节组件20上设置有水冷组件，内部设置有水冷通道，可以对喷嘴装置进一步起到冷却作用。水冷组件设置有独立的进出水接口。
75.结合图3a、3b以及图4、图5所示，宽带送粉组件60对称地安装，每个宽带送粉组件60具有送粉器主体61、盖板62、送粉块63、石英管64以及级联分粉组件。
76.送粉块63与级联分粉组件依次固定在送粉器主体61的顶部。级联分粉组件位于送粉块63与送粉器主体61的顶部之间。
77.送粉块63，被设置与送粉管70连接，接收送粉桶输送的粉末，尤其是金属粉末。
78.如图4a、4b所示，送粉块63设置有与送粉管70连通的通孔，通孔数量为n0，图示的示例中以2个通孔为例进行说明，但本实用新型实施例的实现并不以2个为限。
79.送粉器主体61内设置有第二水冷组件以及扁平状的矩形凹槽。第二水冷组件内部设置有独立的水冷通道对送粉器主体61进行冷却，并且配置有如图示例性表示的进出水接口，其中进水口为69a，出水口为69b。
80.如图4a、4b所示，多个石英管64平行地排列在所述矩形凹槽内，并形成平整的排列平面，由盖板62盖住密封。
81.如图所示，多个石英管64的入口端朝向级联分粉组件，出口端朝向喷嘴主体的下端，进行出粉。在使用时，金属粉末由进粉块进入到级联分粉组件，经由级联分粉组件分粉后，送入到石英管中，通过石英管送到喷嘴主体下方的熔池中。
82.结合图4a、4b以及图5所示，级联分粉组件包括分粉块65以及位于相邻两层的分粉块之间设置的密封垫片66，分粉块65具有分粉孔67，相邻两层的分粉块的分粉孔逐层交错设置，并且最下层的分粉块65的分粉孔的数量与石英管64的数量一致。
83.结合图5-7所示，级联分粉组件的每一层分粉块65上设置的分粉孔67采用扁平状沉孔67a与斜锥状出粉孔67b的双层设计。扁平状沉孔位于斜锥状出粉孔的上方，并且平滑连接。每一层的分粉块上的分粉孔结构设计中，扁平状沉孔67a的孔径大于斜锥状出粉孔67b的出口端67c的孔径。
84.结合图5、6所示，斜锥状出粉孔67b的上部与扁平状沉孔67a的下边缘连接，并从扁平状沉孔的下边缘至出粉孔的出口端67c之间以设定的角度呈斜坡落粉设计。
85.由此，粉末沿着锥角斜坡平滑顺畅流到下一层分粉块中。
86.本实用新型示例性的实施例的级联分粉组件中，尤其优选的设计要求下一层分粉块与上一层分粉块之间平滑、平缓落粉，而且不易造成粉末的堵塞设计，防止增材制造打印过程中的送粉故障造成打印过程发生故障问题。
87.作为可选的方案，级联分粉组件的每一层分粉块需要设计成下一层分粉块的扁平
状沉孔的总长度大于上一层分粉块的斜锥状出粉孔的出口端的总长度，且任意两个邻接的扁平状沉孔之间不具有边框或者平坦表面，以防止造成堆积或者堵塞。
88.尤其优选的实施例中，任意两个邻接的扁平状沉孔之间的连接线的中心位置，位于上一层分粉块的扁平状沉孔以及斜锥状出粉孔67b的中心重合的位置，由此确保上一层落粉均匀且都能够分别分到下一层的斜锥状出粉孔67b中，进而落入下一层分粉块中。
89.作为可选的方案，结合图4a-4b以及图5-7所示，级联分粉组件的每一层分粉块上设置的分粉孔被设置满足：
90.如图4a、图5、6所示，第一层分粉块的分粉孔数量为n1，n1＞n0，n1个分粉孔之间的扁平状沉孔为并排串联连接且相邻的分粉孔之间在水平方向直接连通且无边框设计；并且第一层分粉块的相邻的扁平状沉孔的连接位置的中心与分粉块上对应的通孔的圆心对齐，且相邻的扁平状沉孔级联后的长度大于送粉块上n0个通孔的水平方向的边缘连接线的尺寸长度；
91.中间层分粉块的分粉孔数量为ni，ni表示第i层分粉孔数量，ni＞n
i-1
；i≤m，m为分粉块的总数；ni个分粉孔的扁平状沉孔为并排串联连接且相邻的分粉孔之间在水平方向直接连通且无边框设计；第i层分粉块的相邻的扁平状沉孔的连接位置的中心与第i-1层上对应的斜锥状出粉孔的出口端的圆心对齐，且相邻的扁平状沉孔级联后的长度大于第i-1层的n
i-1
个出粉孔的出粉口的水平方向的边缘连接线的尺寸长度；
92.其中，下一层分粉块上设置的分粉孔的扁平状沉孔级联后的长度大于上一层分粉块的出粉孔的出口端级联后的边缘连接线的尺寸长度。
93.如图5、6、7所示，级联分粉组件的每一层分粉块上设置的分粉孔满足：
94.每一层分粉块的分粉孔的扁平状沉孔的孔径小于上一层分粉块的分粉孔的扁平状沉孔的孔径，且逐层递减；
95.每一层分粉块的出粉孔的出口端的孔径小于上一层分粉块的出粉孔的出口端的孔径，且逐层递减。
96.结合图4a、4b以及图6所示，所述相邻两层分粉块之间的密封垫片66上设置有矩形通孔66a，矩形通孔的边缘超出与其连接的上下相邻的两层分粉块上设置的分粉孔的边缘。
97.图6所示为图4a、4b示例中的第一层分粉块的示意，图7所示为图4a、4b示例中的级联分粉组件的第一级分粉块与第二级分粉块组合后的俯视示意。结合图6、7所示，第一级分粉块的相邻分粉孔的扁平状沉孔67a的连接位置以标号68表示，其中心以图7中上方的中心点68a表示。而在图7中同时表示的还包括第二层分粉块的相邻分粉孔的扁平状沉孔的连接位置，以图7中下方的标号68为表示，同理在图7下方的标号68a表示第二层分粉块的相邻分粉孔的扁平状沉孔的连接位置的中心点，其余上一层分粉块的对应的斜锥状出粉孔的出口端以及扁平状沉孔的圆心对齐。
98.如图所示，每一层分粉块的分粉孔的扁平状沉孔与斜锥状出粉孔的出口端均为同心设计。
99.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。