激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验

华南理工大学

硕士学位论文

激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验

姓名：黄勇

申请学位级别：硕士

专业：机械工程

指导教师：杨永强;戚文军

20041125

第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造

确定喷嘴芯与中间套的配合面直径Ｄ。由于此段配合面对中间套而言起到定位作用，同时喷嘴芯与中间套在调整时需要轴向滑移，故取间隙配合，配合公差为Ｈ８／ｈ７。此配合在极端情况二者存在０．０７ｍｍ的间隙，此间隙在喷嘴芯下端将会出现线性的成倍放大，导致喷嘴芯出现偏摆。因此通过加大配合面的相对和绝对长度，可有效的减小问隙的放大效应，避免出现偏摆现象。此配合同时必须保证其与外锥面的同心度。

上述即为喷嘴芯设计中的关键。图２—８为喷嘴芯的设计图，图２—９为喷嘴芯的实物照片。

图２—８喷嘴芯的设计图

Ｆｉｇ．２喝Ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｚｚｌｅｃｏｒｅ

图２－９喷嘴芯照片

Ｆｉｇ．２－９Ｐｈｏｔｏｏｆｎｏｚｚｌｅｃｏｒｅ

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第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造

１外螺纹三处加工面要求严格保证同心。

中间套的照片见图２一１１。

２。３。３外套的设计

图２－１１中间套照片

Ｆｉｇ．２－１１Ｐｈｏｔｏｏｆｍｉｄ～ｆｅｒｒｕｌｅ

外套的设计图见图２一１２。外套的内腔与中间套一并构成了环型水冷通道。在外套的上端对称的设置了两个由６通孔，用以钎焊进、出水管。在保证水冷通道有足够宽度的前提下，外套的赢径尺寸应尽可能小，以减小喷嘴头部的尺寸，增

加喷嘴使用的灵活性。外套的制造材料选用黄铜。外套照片见图２－１３。

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图２～１２外套设计图

Ｆｉｇ．２－１２Ｄｅｓｉｇｎｏｆｏｕｔ—ｆｅｒｒｕｌｅ

图２—１３外套照片

Ｆｉｇ．２－１３Ｐｈｏｔｏｏｆｏｕｔ—ｆｅｒｒｕｌｅ

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图２－１５保护镜片模块照片

Ｆｉｇ．２－１５Ｐｈｏｔｏｏｆｍｏｄｕｌｅｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒ

２．３．６过渡套的设计

过渡套在功能上被赋予了连接和调节二重功能。其设计图见图２一１６。在其上部，内孔安装有保护镜片模块，外圆为与调节螺母Ａ相连的外螺纹，实现与离焦量调节模块相连并可调节离焦量。在其下部内孔为与喷嘴芯相连的内螺纹，外圆的台阶结构与喷嘴芯、调节螺母Ｂ、中间套一起构成了送粉间隙调节模块。

设计上首先要保证上部Ｍ７２Ｘｌ外螺纹与下部Ｍ３３Ｘ０．７５内螺纹同心，这对保证粉末聚焦点与激光束焦点的重合至关重要。其次是过渡套下端面与上部Ｍ７２Ｘ１外螺纹的垂直度要求，这保证了在装配时喷嘴芯的轴线与光轴以及中间套轴线平行，避免环型送粉通道出现间隙不均匀的问题。第三是下端面凸缘高度的尺寸控制。凸缘高度Ｈ、直径Ｄ与调节螺母的厚度、内孔直径应形成一定的间隙，允许调节螺母旋转，但此间隙不能过大，以免影响粉末聚焦点与激光束焦点的重合。最后是过渡套总长度尺寸的控制。在基座套、调节螺母、中问套、喷嘴芯及外套的长度尺寸已确定的情况下，喷嘴的总长必须通过调整过渡套的长度保证。通过调整过渡套的长度，使喷嘴的总长满足聚焦镜片焦距１２５ｍｍ的使用条件。

第二章同轴送粉喷嘴的设计与制造

过渡套的材料选用ＩＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢。

过渡套的照片见图２一ｉ７。

匝Ｉ五ｊ三固

图２—１６过渡套设计图

Ｆｉｇ．２－１６Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｅｒｒｕｌｅ

图２—１７过渡套照片

Ｆｉｇ．２－１７Ｐｈｏｔｏｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｅｒｒｕｌｅ

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第三章实验设备、材料及方法

３．１实验设备

激光器选用ＪＴＬ一１ＧＸ一５００Ｂ型ＹＡＧ激光器，最大功率５００Ｗ。图３—１为实验装置全景。

图３－１实验装置全景

Ｆｉｇ．３－１Ｐａｎｏｒａｍａｐｈｏｔｏｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

送粉装置选用ＤＰＳＦ一２型双筒送粉器，如图３—２所示。粉末储存在该送粉器的贮粉筒中，并与载粉盘相连通。使用时载粉盘匀速转动，导出粉末。导出的粉末在送粉气体吹送下从出粉口喷出。通过对载粉盘转速进行无级调速，可实现对送粉速率的无级调控。此双筒送粉器的两个载粉盘可单独工作，亦可同时送粉。其中左侧的贮粉筒设有搅拌电机，在进行两种或多种粉末混合熔覆时，能够将不同粒度、密度的粉末搅拌均匀，从而提高熔覆质量。

第三章实验设备、材料及方法

图３－２送粉器

Ｆｉｇ．３－２ｐｏｗｅｒｓｅｎｄｅｒ

由于送粉器是通过对载粉盘转速的调节实现对送粉速率进行无级调控的，因此实验前必须确定载粉盘转速与送粉速率的相对关系。对相同时间内不同转速Ｆ实际的送粉量进行称重，可得到该送粉器在单筒送粉的条件下，载粉盘转速与送粉速率的相对关系如图３—３。

图３哆载粉盘转速与送吩速率

Ｆｉｇ．３－３Ｒｏｔａｔｅｓｐｅｅｄｏｆｐｏｗｄｅｒｃａｒｒｉｅｒａｎｄｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｓｐｅｅｄ

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第四章实验结果与讨论

４．１粉末聚焦效果

图４—１、４－２为粉末在送粉气体吹送作用下，在喷嘴下方汇聚的清晰照片。此时未发射激光束，送粉量为１５９／ｍｉｎ。

由图４－１所示照片可以看出，粉末通过３个切向送粉口后，出粉均匀，在喷出时无偏聚的现象。证明了以下两点：１．所设计的分料阀能够将一路粉末均匀地分成三路，并传送到喷嘴上。２．三个切向入送粉口的设计方案可使粉末沿喷嘴的内腔中形成环形气旋，并充分混合达到均匀化，最后以空心锥体的形式喷出，汇聚于一点。证明分料阀及切向入送粉口的设计方案已达到预期的效果。

图４－１粉末汇聚效果

Ｆｉｇ．４—１Ｐｈｏｔｏｏｆｅｆｆｅｃｔｏｆｆｏｃｕｓｅｄｐｏｗｄｅｒ

根据图４—２所示粉末汇聚的照片进行实测，并按比例换算，得到如图４—３所示的结果。粉末汇聚于距喷嘴下缘１４．５ｍｍ处，汇聚点直径约为１．８９ｍｍ。而在本论文