專利名稱：多功能同軸式激光噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示一種多功能同軸式激光噴嘴之激光材料加工裝置，應(yīng)用之技術(shù)領(lǐng)域如激光披覆處理、三維快速成形及激光粉末焊接等精密加工工藝。
背景技術(shù)：
激光披覆處理為激光材料加工之重要工藝技術(shù)，其應(yīng)用范圍主要包含材料表面改質(zhì)(如增加工件之耐蝕或耐磨性)與工件之再生(如破損工件之焊補(bǔ)及三維之快速成形)。一般激光披覆處理，是添加合金粉末于基材表面(如預(yù)敷、重力式送粉、流體式送粉)，經(jīng)由激光照射使粉末與表層基材熔融，形成冶金鍵結(jié)之表面涂層或焊補(bǔ)層。在不同激光披覆處理工藝中，以與激光同軸或近似同軸之送粉方式，配合多軸CNC機(jī)臺(tái)，可進(jìn)行三維金屬組件快速成形制作或焊補(bǔ)。應(yīng)用激光同軸或近似同軸披覆加工技術(shù)，適合少量多樣化組件之快速成形制造及昂貴的損傷零組件之再生。由于激光具有高能量密度特性，故激光披覆處理比一般傳統(tǒng)工藝有還低的熱輸入量，工件之熱影響區(qū)及變形量可降至最低程度，且可獲得較細(xì)凝固組織之披覆層。因此，激光披覆處理工藝在工業(yè)應(yīng)用上已相當(dāng)普及，如各種閥座密封面之耐磨層之焊接、航空葉片低應(yīng)力區(qū)之成形焊補(bǔ)、葉片之快速成形制造或再生處理等。
以往發(fā)展之激光披覆處理噴嘴，依設(shè)計(jì)之原理可區(qū)分為重力式、近似同軸保護(hù)環(huán)氣式、同軸式、旋氣混粉式、同軸單環(huán)氣切式及同軸式金屬堆積噴嘴等[參考Sulzer Innotec，HB/Laser Surface Engineering05/20/97技術(shù)數(shù)據(jù)，J.Lin & W.M.Steen，Designcharacteristic and development of a nozzle forcoaxial laser cladding，Journal of LaserApplications 04/1998，P.55-63及美國專利US 6534745B1]。不同型式之激光噴嘴中，以同軸或近似同軸噴嘴，較迅速且有效率地進(jìn)行三維快速成形再生或焊補(bǔ)；其中以單環(huán)氣切式同軸噴嘴及同軸式金屬堆積噴嘴之堆積效率最高，分別可達(dá)40％及43.7％[J.Lin，A simple modeof powder catchment in coaxial laser cladding，Optics & Laser Technology 31(1999)，P.233-238]。惟激光噴嘴粉末之堆積效率，直接影響工藝效率與成本，因此設(shè)計(jì)具有高堆積效率之激光噴嘴為一重要課題。
此外，激光噴嘴于激光粉末焊接之應(yīng)用研究包括GE公司、MTS公司及Trump公司[US Pattern 5486676、USPattern 6696664B2及J.Arnold and R.Volz，，Laserpowder technology for cladding and welding，Journalof Thermal Spray Technology，Vol.8(2)，June，1999，P.243-248]均應(yīng)用側(cè)向送粉原理進(jìn)行寬間隙(Wide gap)之結(jié)構(gòu)組件激光焊接，惟側(cè)向送粉焊接過程具有方向性之限制，應(yīng)用上須耗費(fèi)較高之成本建構(gòu)激光頭轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的是提供一種多功能同軸式激光噴嘴，使用雙環(huán)氣及中心氣所形成之層流式氣束作用使粉末流束在噴嘴出口具有拘束緊縮之作用，可大幅提高粉末之集中性(減低散射角度)，進(jìn)而增加激光噴嘴之披覆處理及粉末焊接工藝之粉末堆積效率，提高加工速度。
本發(fā)明的目的及解決其主要技術(shù)問題是采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種多功能同軸式激光噴嘴，其包含有噴嘴位置調(diào)整組件，可調(diào)整噴嘴高低位置使激光之聚焦焦點(diǎn)位于噴嘴內(nèi)部或外部，位于噴嘴結(jié)構(gòu)上方；及具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)，以雙環(huán)氣及中心氣于噴嘴內(nèi)產(chǎn)生層流式氣束作用，其中，內(nèi)環(huán)氣出口至外環(huán)氣出口在噴嘴中心線之垂直距離范圍大于0，上述噴嘴位置調(diào)整組件與具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)屬一同軸式結(jié)構(gòu)，可施行高效能之多功能激光加工應(yīng)用。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可以采用以下的技術(shù)措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
前述之多功能同軸式激光噴嘴的噴嘴結(jié)構(gòu)包含有噴嘴鏡座及外部管路入口分布組件，連接噴嘴位置調(diào)整組件、支撐及固定隔離保護(hù)鏡片、分配與連接粉末流道入口、中心氣流道入口、環(huán)氣流道入口、保護(hù)氣流道入口及噴嘴水冷流道；粉末流道，是以氣體輸送粉末進(jìn)入噴嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；雙環(huán)氣束層流產(chǎn)生裝置及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口組件上方環(huán)氣流道入口導(dǎo)引氣體，經(jīng)由內(nèi)環(huán)氣束組件、外環(huán)氣束組件、內(nèi)環(huán)氣層流流道與外氣罩組件排列將該氣體隔離分為內(nèi)環(huán)氣及外環(huán)氣；中心氣層流產(chǎn)生裝置及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口組件上方中心氣流道入口導(dǎo)引中心氣經(jīng)過中心氣層流流道，其中，該中心氣層流流道位于中心氣流道入口末端；及保護(hù)氣流道，導(dǎo)引保護(hù)氣進(jìn)入噴嘴，經(jīng)由外部管路入口組件與外氣罩組件形成保護(hù)氣流道。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的內(nèi)環(huán)氣層流流道為外環(huán)氣束組件上之開槽或孔洞，其數(shù)量包含一個(gè)以上。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的內(nèi)環(huán)氣層流流道還包含數(shù)個(gè)孔洞或通過螺紋之平面間隙構(gòu)成。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的中心氣層流流道還包含數(shù)個(gè)孔洞或通過螺紋之平面間隙構(gòu)成。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的粉末流道出口與噴嘴出口水平面夾角范圍，為61度至89度。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的環(huán)氣流道之內(nèi)環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角范圍為40度至85度，環(huán)氣流道之外環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角范圍為20度80度。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的噴嘴位置調(diào)整組件所調(diào)整噴嘴高低位置，是指噴嘴相對于焦點(diǎn)位置調(diào)整之范圍為正負(fù)15mm。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其還包含有一組以上之噴嘴外罩冷卻水道組件，其組件置于噴嘴外罩內(nèi)；以及具有表面噴覆絕熱涂層之噴嘴外罩及噴嘴本體組件，可于高溫環(huán)境中施行高效能之多功能激光加工應(yīng)用。
前述之多功能同軸式激光噴嘴，其中所述的噴焊絕熱涂層包含介層(Bond coats)及面層(Top coats)；上述介層可為MCrAlY或鎳鋁粉末材料，介層噴焊厚度可介于50至250μm；上述面層為含有6至8％Y2O3之氧化鋯粉末或具有絕熱之陶瓷粉末，面層噴焊厚度可介于100至400μm，使噴焊絕熱涂層結(jié)構(gòu)具有高溫隔熱特性。
本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴，使用雙環(huán)氣及中心氣所形成之層流式氣束作用使粉末流束在噴嘴出口具有拘束緊縮之作用，可大幅提高粉末之集中性(減低散射角度)，進(jìn)而增加激光噴嘴之披覆處理及粉末焊接工藝之粉末堆積效率，提高加工速度。本發(fā)明激光多功能噴嘴通過噴嘴位置調(diào)整組件調(diào)整，使激光焦點(diǎn)位于噴嘴內(nèi)部或外部，可進(jìn)行激光披覆處理、三維快速成形或激光粉末焊接等激光加工工藝。本激光噴嘴具備有多功能選擇性，其中粉末流束、激光噴嘴與激光束為同軸。


圖1多功能同軸式激光噴嘴結(jié)構(gòu)圖。
圖2雙環(huán)氣層流之產(chǎn)生裝置。
圖3中心氣層流之產(chǎn)生裝置。
圖4多功能同軸式激光噴嘴于高溫環(huán)境應(yīng)用之結(jié)構(gòu)圖。
圖5(a)為調(diào)整多功能同軸式激光噴嘴使試片表面成為離焦(Under focus)模式與(b)為調(diào)整噴嘴使試片表面成為激光聚焦(Just focus)模式。
圖6(a)傳統(tǒng)同軸式激光噴嘴之粉末黏附噴嘴出口示意圖，(b)多功能同軸式激光噴嘴之內(nèi)環(huán)氣束避免粉末黏附噴嘴出口示意圖(粉末流道出口與內(nèi)環(huán)氣出口距離較長)，(c)多功能同軸式激光噴嘴之內(nèi)環(huán)氣束避免粉末黏附噴嘴出口示意圖(粉末流道出口與內(nèi)環(huán)氣出口距離較短)與(d)多功能同軸式激光噴嘴之雙環(huán)氣束使粉末集中效應(yīng)示意圖。
圖7本發(fā)明多功能同軸式激光噴嘴之粉末流束集中示意圖。
圖8粉末流束圖像測量裝置示意圖。
圖9Dp/Dn(粉末流束直徑/噴嘴出口直徑)比值與距噴嘴出口位置之關(guān)系。
圖10Dp/Ds1(粉末流束直徑/激光與粉末作用之流束直徑)比值與距噴嘴出口位置之關(guān)系。
圖11多功能同軸式激光噴嘴在雙環(huán)氣束作用下，不同組合之走速及工件距噴嘴出口距離之堆積效率。
圖12(a)為應(yīng)多功能同軸式激光噴嘴中心氣以氦氣配合添加純鎳粉末進(jìn)行粉末焊接焊道之橫截面巨觀金相照片，(b)不添加粉末之激光焊件之焊道金相與(c)應(yīng)用本發(fā)明噴嘴配合添加純鎳粉進(jìn)行激光粉末焊接之焊道金相。
附圖主要標(biāo)記說明10粉末流道出口與噴嘴出口水平面夾角12雙環(huán)氣束之內(nèi)環(huán)氣束流道出口與噴嘴出口水平面夾角14雙環(huán)氣束之外環(huán)氣束流道出口與噴嘴出口水平面夾角16激光束與粉末隔離組件出口直徑18噴嘴出口直徑
20內(nèi)環(huán)氣出口與外環(huán)氣出口之垂直距離22鏡座及外部管路入口分布組件23中心氣產(chǎn)生層流組件24外氣罩組件26內(nèi)環(huán)氣束組件28激光束與粉末隔離組件30外環(huán)氣束組件32噴嘴水冷流道33噴嘴位置調(diào)整組件34激光束36激光聚焦鏡37隔離保護(hù)鏡片38披覆處理焊道39粉末焊接焊道40披覆或粉末焊接處理工件41激光焦點(diǎn)
42粉末流道43粉末流道入口44環(huán)氣流道45環(huán)氣流道入口46保護(hù)氣流道47保護(hù)氣流道入口48中心氣流道49中心氣流道入口50中心氣束51粉末流束52雙環(huán)氣束56噴嘴外罩之冷卻水道組件66噴嘴本體組件70外罩組件78保護(hù)鏡片85噴嘴噴焊之絕熱涂層
220中心氣體與雙環(huán)氣束作用之粉末流束222近似單環(huán)氣切式粉末流束224發(fā)散之粉末流束300噴嘴出口306熔融粉末黏附噴嘴出口312內(nèi)環(huán)氣313內(nèi)環(huán)氣層流流道314外環(huán)氣330集中之粉末流束340中心氣層流流道350窄縫面光源352橢圓鏡354微焦數(shù)字取像裝置356聚焦式投射光358噴嘴出口距離(Stand-off distance)360粉末與激光交互作用流束
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴(圖1，該噴嘴是沿中心軸呈左右對稱之結(jié)構(gòu))，其包含有(1)噴嘴位置調(diào)整組件33，可調(diào)整噴嘴高低位置使激光之聚焦焦點(diǎn)位于噴嘴內(nèi)部或外部，位于噴嘴結(jié)構(gòu)上方；及(2)具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)，以雙環(huán)氣及中心氣于噴嘴內(nèi)產(chǎn)生層流式氣束作用，其中，內(nèi)環(huán)氣出口至外環(huán)氣出口在噴嘴中心線之垂直距離范圍大于0，其中，噴嘴位置調(diào)整組件所調(diào)整噴嘴位置范圍為正負(fù)15mm，調(diào)整噴嘴高低位置使激光焦點(diǎn)位于噴嘴內(nèi)部或外部，而該具有層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)，還包含有噴嘴鏡座及外部管路入口分布組件22，連接噴嘴位置調(diào)整組件33、支撐及固定隔離保護(hù)鏡片37、分配與連接粉末流道入口43、中心氣流道入口49、環(huán)氣流道入口45、保護(hù)氣流道入口47及噴嘴水冷流道32；粉末流道42，是引導(dǎo)流體形式之粉末流束進(jìn)入噴嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；雙環(huán)氣束層流產(chǎn)生裝置及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口分布組件上方環(huán)氣流道入口導(dǎo)引環(huán)氣，經(jīng)由內(nèi)環(huán)氣束組件26、外環(huán)氣束組件30與內(nèi)環(huán)氣層流流道313組合排列將該輸入氣流隔離分為內(nèi)環(huán)氣312及外環(huán)氣314，其中，該內(nèi)環(huán)氣層流流道為外環(huán)氣束組件上，數(shù)量包含一個(gè)以上之開槽或孔洞，且配合通過螺紋之平面間隙所構(gòu)成(圖2)；中心氣層流產(chǎn)生組件及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口組件上方中心氣流道入口導(dǎo)引中心氣經(jīng)過中心氣層流流道340，其中，該中心氣層流流道位于中心氣流道入口49末端，并于中心氣出口與粉末流束及雙環(huán)氣束產(chǎn)生交互作用，該中心氣層流流道還包含有數(shù)個(gè)孔洞或通過螺紋之平面間隙所構(gòu)成(圖3)；及保護(hù)氣流道，引導(dǎo)保護(hù)氣進(jìn)入噴嘴，經(jīng)由外部管路入口分布組件與外氣罩組件形成保護(hù)氣流道。
此外，于上述之多功能同軸式激光噴嘴，經(jīng)由增加一組以上噴嘴外罩之冷卻水道組件56及配合噴嘴本體組件66與外罩組件70表面噴焊絕熱涂層85(圖4)，可于高溫下進(jìn)行披覆處理或高溫粉末焊接等工藝，其中，噴嘴外罩之冷卻水道組件，其組件置于噴嘴外罩內(nèi)，而噴嘴噴焊之絕熱涂層85區(qū)分為介層及面層，介層(Bondcoats)材料為MCrAlY或鎳鋁粉末材料，其噴焊厚度為50至250μm，面層(Top coats)材料為含有6至8％Y2O3之氧化鋯粉末，其噴焊厚度為100至400μm。
上述多功能同軸式激光噴嘴之整體結(jié)構(gòu)組成(圖1)及功能包括有(1)鏡座及外部管路入口分布組件22主要為連接噴嘴位置調(diào)整組件33、支撐及固定隔離保護(hù)鏡片37及分配與連接粉末流道入口43、中心氣流道入口49、環(huán)氣流道入口45、保護(hù)氣流道入口47及噴嘴水冷流道32。
(2)粉末流道42導(dǎo)引粉末在噴嘴內(nèi)部形成粉末流道42，并于噴嘴出口形成粉末流束。
(3)雙環(huán)氣流道44導(dǎo)引環(huán)氣在噴嘴內(nèi)部形成環(huán)氣流道，經(jīng)由內(nèi)環(huán)氣束組件26、外環(huán)氣束組件30與內(nèi)環(huán)氣層流流道313組合排列將該環(huán)氣隔離區(qū)分為內(nèi)環(huán)氣312及外環(huán)氣314，并于噴嘴出口形成雙環(huán)氣束，拘束粉末流束以形成集中之粉末流束，以利激光披覆處理或粉末焊接應(yīng)用。雙環(huán)氣具有防止粉末黏附噴嘴出口及冷卻外環(huán)氣束組件30之功能。
(4)噴嘴水冷流道32導(dǎo)引冷卻水進(jìn)入噴嘴形成噴嘴水冷管道，防止噴嘴因披覆處理或粉末焊接過程溫度升高而損傷。
(5)噴嘴位置調(diào)整組件33調(diào)整噴嘴，使激光焦點(diǎn)41位于噴嘴出口內(nèi)部或外部，以進(jìn)行激光披覆處理或粉末焊接應(yīng)用。
(6)中心氣流道48導(dǎo)引中心氣進(jìn)入噴嘴，并經(jīng)由中心氣產(chǎn)生層流組件23，使中心氣均勻冷卻保護(hù)鏡片，防止粉末進(jìn)入噴嘴內(nèi)部并保護(hù)焊道防止氧化。
(7)中心氣產(chǎn)生層流組件23使中心氣進(jìn)入噴嘴中心時(shí)產(chǎn)生層流之流體效果，均勻冷卻保護(hù)鏡片。
(8)外氣罩組件24作為噴嘴之外氣罩，隔離激光加工過程之高熱，防止噴嘴本體過熱。與內(nèi)環(huán)氣束組件26及外環(huán)氣束組件30形成雙環(huán)氣流道。
(9)激光束與粉末隔離組件28隔離同軸之中心氣(或激光)與粉末流束，并使粉末流束于噴嘴出口與同軸之激光產(chǎn)生交互作用。
(10)內(nèi)環(huán)氣束組件26與外環(huán)氣束組件30導(dǎo)引環(huán)氣與外氣罩組件24形成雙環(huán)氣流道，在噴嘴出口形成雙環(huán)氣束，拘束粉末形成集中之流束，并與中心氣及激光產(chǎn)生交互作用。
(11)保護(hù)氣流道46導(dǎo)引保護(hù)氣進(jìn)入噴嘴，經(jīng)由外部管路入口分布組件22與外氣罩組件24形成保護(hù)氣流道46，于噴嘴出口形成保護(hù)氣幕防止披覆處理或粉末焊接過程焊道氧化。
(12)粉末流道42出口與噴嘴出口水平面夾角10影響粉末焦點(diǎn)位置及激光與粉末之交互作用時(shí)間。
(13)雙環(huán)氣束之內(nèi)環(huán)氣束流道出口與噴嘴出口水平面夾角12影響粉末在噴嘴內(nèi)部受環(huán)氣拘束之程度及粉末焦點(diǎn)之變化，并具有防止粉末流束黏附噴嘴出口及冷卻外環(huán)氣束組件30。
(14)雙環(huán)氣束之外環(huán)氣束流道出口與噴嘴出口水平面夾角14影響粉末在噴嘴外部受環(huán)氣拘束之程度及粉末焦點(diǎn)之變化。
(15)噴嘴出口直徑18及激光束與粉末隔離組件28出口直徑16兩者直徑之變化影響粉末流束之集中程度，并須與粉末流道42出口與噴嘴出口水平面夾角10及雙環(huán)氣束之內(nèi)、外環(huán)氣束流道出口與噴嘴出口水平面夾角12、14互相匹配。
(16)內(nèi)環(huán)氣出口與外環(huán)氣出口距離20其影響粉末流束之集中程度、粉末與激光交互作用時(shí)間及披覆工藝之堆積效率。
本發(fā)明的多功能同軸式激光噴嘴，通過噴嘴位置調(diào)整組件33調(diào)整噴嘴出口與激光焦點(diǎn)41之相對位置，進(jìn)行不同激光加工工藝之應(yīng)用，如調(diào)整噴嘴使試片表面成為離焦(Under focus)模式(即調(diào)整噴嘴位置使激光焦點(diǎn)41位于噴嘴內(nèi)部，圖5(a)所示)，激光34與中心氣束50、粉末流束51及雙環(huán)氣束52在噴嘴內(nèi)部即產(chǎn)生交互作用，可進(jìn)行不同工件之激光披覆處理(Laser cladding)或三維快速成形；若調(diào)整噴嘴使試片表面為激光聚焦點(diǎn)(Just focus)模式(即調(diào)整噴嘴位置使激光焦點(diǎn)41位于噴嘴外部，圖5(b)所示)，激光34與中心氣束50、粉末流束51及雙環(huán)氣束52在噴嘴外部產(chǎn)生交互作用，可進(jìn)行不同工件之激光粉末焊接。經(jīng)由噴嘴位置調(diào)整組件33進(jìn)行噴嘴相對于焦點(diǎn)位置調(diào)整之范圍為正負(fù)15mm(正號(hào)指over focus；負(fù)號(hào)指under focus)。
本發(fā)明中，具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)，其層流式氣束產(chǎn)生機(jī)制及作用分別敘述如下(1)雙環(huán)氣流之層流作用對于傳統(tǒng)同軸式噴嘴(如圖6(a))，粉末自粉末流道42流出，通過噴嘴出口300，因無環(huán)氣冷卻噴嘴之內(nèi)緣，因此以相同之噴嘴出口孔徑進(jìn)行披覆處理易產(chǎn)生熔融粉末306黏附噴嘴出口300內(nèi)部之情況。本發(fā)明多功能同軸式激光噴嘴(圖6(b)及圖6(c))內(nèi)環(huán)氣312可冷卻噴嘴外環(huán)氣束組件30之內(nèi)緣加上內(nèi)環(huán)氣之層流緊縮作用，防止粉末之粘附于噴嘴內(nèi)緣及出口，由于冷卻效應(yīng)與粉末流束受到緊縮作用可縮小噴嘴之孔徑，并可獲得還集中之粉末流束330。另外，經(jīng)由層流式內(nèi)環(huán)氣312、外環(huán)氣314及中心氣50之交互作用使粉末流束之直徑產(chǎn)生集中而具有聚焦作用(圖6(d))。其中，還可經(jīng)由變換激光束與粉末隔離組件28、內(nèi)環(huán)氣束組件26、外環(huán)氣束組件30及外氣罩組件24(圖1)之形狀進(jìn)行調(diào)整內(nèi)環(huán)氣出口至外環(huán)氣出口之距離20、雙環(huán)氣與噴嘴出口水平面夾角(12與14)及內(nèi)環(huán)氣與粉末流道42出口之夾角變化(夾角10減夾角12之值)拘束粉末流束之集中程度及濃度變化(即粉末流束與激光束交互作用之時(shí)間)。因此，內(nèi)環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角12角度變化可自40度至85度，外環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角14角度變化可自20度至80度。噴嘴出口直徑18范圍因加工工藝需求及裝設(shè)激光種類之不同，可調(diào)整范圍自1.5mm至12mm，激光束與粉末隔離組件28出口直徑16之調(diào)整范圍自1mm至10mm。
(2)中心氣流之層流作用導(dǎo)引進(jìn)入噴嘴之中心氣，經(jīng)由中心氣產(chǎn)生層流組件23，進(jìn)入具有傾斜角之噴嘴內(nèi)部中心氣孔洞340，使中心氣產(chǎn)生均勻?qū)恿魇綒饬骼鋮s保護(hù)鏡片，防止粉末進(jìn)入噴嘴內(nèi)部并保護(hù)焊道防止氧化(圖3)。
此外，本發(fā)明噴嘴上方之聚焦鏡可視光道之設(shè)計(jì)不同，使用銅聚焦鏡或透鏡式聚焦鏡，若采用銅聚焦鏡，則可移動(dòng)隔離保護(hù)鏡片(平光鏡)于銅聚焦鏡之上方光道，以隔離光道之冷卻氣與激光披覆處理或粉末焊接工藝之中心氣。若使用透鏡式聚焦鏡，則采用圖1之導(dǎo)光方式配置之隔離保護(hù)鏡片(平光鏡)。
影響激光披覆處理堆積效率，主要因素包含噴嘴粉末集中程度及激光與粉末交互作用時(shí)間之影響，就粉末集中程度而言，該多功能同軸式激光噴嘴之中心氣(例如氦氣)與雙環(huán)氣(例如氬氣)對粉末流束集中程度之影響示意圖如圖7所示，由該圖顯示粉末由輸送氣體輸送流經(jīng)噴嘴出口(外氣罩組件24)后，其發(fā)散之粉末流束224相當(dāng)大。若粉末經(jīng)輸送氣體及中心氣體共同作用流經(jīng)噴嘴出口(外氣罩組件24)后，則呈現(xiàn)較為集中粉末流束222(即近似單環(huán)氣切式粉末流束)。若粉末依本發(fā)明以輸送氣體、中心氣體與雙環(huán)氣束作用流經(jīng)噴嘴出口(外氣罩組件24)后，呈現(xiàn)未發(fā)散且還為集中之粉末流束220。
再者，就氣體輸送流量對于粉末流束與激光束交互作用之實(shí)驗(yàn)，于2.5KW激光作用下(IN625粉末)，當(dāng)多功能同軸式激光噴嘴粉末流束在粉末輸送氣體、雙環(huán)氣與中心氣均為1.5升/分(LPM)之作用下，粉末流束中心之流速較低(約為2至1.5公尺/秒(m/s))，單位體積之粉末濃度較高(最大值為22公斤/公尺3(Kg/m3))，經(jīng)由粉末流速與激光能量交互作用估算粉末流速與粉末溫度關(guān)系，由于該粉末流速較慢，增加粉末與激光交互作用之時(shí)間使粉末溫度達(dá)3138℃，且粉末集中性佳，故實(shí)測堆積效率可達(dá)82.65％。若粉末流束以3升/分(LPM)粉末輸送氣、5升/分(LPM)環(huán)氣及5升/分(LPM)中心氣體流量作用時(shí)，粉末流束自噴嘴出口向噴嘴中心產(chǎn)生集中，粉末流束中心速度為3.4至4.2公尺/秒(m/s)，且單位體積之最高粉末濃度變?yōu)?5公斤/公尺3(Kg/m3)，粉末溫度為2210℃，其粉末之堆積效率可達(dá)52％。若粉末流束以3升/分(LPM)粉末輸送氣、5升/分(LPM)環(huán)氣及10升/分(LPM)中心氣體流量作用時(shí)，其粉末之集中程度變化不大，惟導(dǎo)致粉末之流速增加(為4.5至5.2公尺/秒(m/s))及粉末濃度下降(最大值為9公斤/公尺3(Kg/m3))，粉末因與激光交互作用時(shí)間減少而導(dǎo)致粉末溫度降低(約為2020℃)，使粉末之堆積效率變?yōu)?6％。
為了解距噴嘴出口不同距離之粉末流束及激光與粉末交互作用直徑之變化，以粉末流束圖像測量裝置(圖8)進(jìn)行距噴嘴出口不同距離之粉末流束及激光與粉末交互作用直徑之變化測量。粉末測量裝置之組成包括窄縫面光源350經(jīng)由橢圓鏡352聚焦成細(xì)平行面光，垂直投射于距噴嘴出口24不同距離位置358之粉末流束220，并由距噴嘴出口下方200mm處架設(shè)高分辨率之微焦數(shù)字取像裝置354，截取粉末流束圖像，經(jīng)圖像處理后測量距噴嘴出口不同距離之粉末流束橫截面直徑。此外，以較強(qiáng)之聚焦式投射光356投射于粉末與激光交互作用之反應(yīng)流束360，并經(jīng)由另一側(cè)面之高分辨率微焦數(shù)字取像裝置354取像后，經(jīng)圖像處理測量粉末與激光交互作用流束360直徑變化，即由上述粉末流束圖像測量裝置測量粉末流束距噴嘴不同高度(簡稱噴嘴出口距離，Stand-off distance，簡稱SD)之直徑變化。以上述粉末流束圖像測量裝置測量噴嘴在(1)粉末輸送氣體(CG)，(2)粉末輸送氣體加中心氣體(CG+COG)，(3)粉末輸送氣體、中心氣體加雙環(huán)氣體(CG+COG+DSG)作用下，不同噴嘴出口距離之粉末流束直徑與噴嘴出口直徑(Dp/Dn)比值關(guān)系，如圖9所示。由圖9顯示在送粉氣流、中心氣流與雙環(huán)氣流作用下，粉末流束直徑在噴嘴出口距離25mm以內(nèi)，其Dp/Dn比值小于1，且其d/D(披覆融池直徑/粉末流束直徑)比值隨距噴嘴距離增加由小于1變化至接近1，即經(jīng)雙環(huán)氣束作用后粉末流束直徑較披覆融池直徑小或接近相等，由此可知本發(fā)明激光噴嘴具有優(yōu)異之粉末流束集中性。又經(jīng)激光與粉末交互作用測試，以圖像處理測量裝置測量Dp/Ds1(粉末流束直徑/激光與粉末作用之流束直徑)比值與距噴嘴出口距離之關(guān)系，如圖10所示，在噴嘴出口距離25mm以內(nèi)，其Dp/Ds1比值經(jīng)測試結(jié)果由大于1變化至接近1與小于1，即粉末流束直徑由大于變?yōu)橄嘟蛏孕∮诩す夤廨S直徑。由此顯示本發(fā)明之同軸式多功能激光噴嘴其進(jìn)行披覆處理或三維快速成形，噴嘴相對于激光焦點(diǎn)位置調(diào)整可由噴嘴位置調(diào)整組件33進(jìn)行調(diào)整，范圍為正負(fù)15mm。經(jīng)由上述結(jié)果顯示使用本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴，集中之粉末流束自噴嘴出口即為激光束所覆蓋，因此粉末與激光束交互作用時(shí)間較長及粉末熔融量亦較多。
在激光披覆處理方面，以本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴，進(jìn)行不同功率及掃描速度之激光披覆處理測試，披覆處理測試激光功率以1KW為基礎(chǔ)，激光掃瞄速度分別為300mm/min.及180mm/min.為基準(zhǔn)。披覆試片采用304不銹鋼試片(厚1mm)，試片披覆測試距離200mm，披覆粉末使用IN625粉末(粒度45μm至90μm)，粉末經(jīng)輸送氣體(carrier gas)由流體式送粉機(jī)送入多功能同軸式激光噴嘴，經(jīng)披覆測試結(jié)果如圖11所示，不同走速及距噴嘴不同距離下其堆積效率之變化，整體而言其堆積效率平均值高于50％以上，最高甚至可達(dá)70％。
在三維成形測試方面，以本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴進(jìn)行測試，測試所用之粉末為H13模具鋼用粉末(粒度范圍45μm至75μm)，成形區(qū)域?yàn)?0mm×25mm，每道堆焊寬度3mm，成形焊道重迭1.2mm，每層成形堆焊厚度0.67mm，經(jīng)成形堆焊15層厚度10.05mm，送粉率7.86g/min.，經(jīng)由3D成形試片成形前后重量變化及成形過程所耗費(fèi)時(shí)間計(jì)算本發(fā)明噴嘴之成形堆積效率為74％，遠(yuǎn)高于Mathew等人發(fā)展之同軸式金屬堆積噴嘴(美國專利US 6534745 B1)其三維成形堆積效率43.7％。
在粉末焊接方面，應(yīng)用多功能同軸式激光噴嘴于2205不銹鋼之粉末焊接，板厚為3mm之2205不銹鋼試片以3.5至3KW激光功率，走速1100至700mm/min.進(jìn)行同軸送粉基本走焊激光焊接，噴嘴出口相對激光焦點(diǎn)位置為過焦(over focus)15mm，中心氣以氦氣或氮?dú)?，其流量約15至20LPM，配合添加適量之純鎳粉末進(jìn)行粉末焊接(視焊接板厚而定，其添加量約為1至15g/min)，送粉焊接后針對不同條件試片之焊道以鐵素體含量測量儀(Ferrite Scope)測量鐵素體含量，使焊道鐵素體/奧氏體相比值為1，改善焊道之抗蝕性、沖擊韌性與延性，可大幅改善一般激光或電子束焊接，在焊道產(chǎn)生過量鐵素體，而降低焊道之沖擊韌性等問題。圖12(a)所示為多功能同軸式激光噴嘴之中心氣以氦氣配合添加純鎳粉末進(jìn)行2205不銹鋼粉末焊接焊道之橫截面巨觀金相照片，圖中可知鑰孔焊接過程因粉末之添加吸收部份激光焊接能量，而使焊道之形狀為高腳酒杯狀。若僅以激光束進(jìn)行鑰孔焊接之焊道橫截面金相組織(圖12(b))，顯示焊道產(chǎn)生過量之鐵素體相。應(yīng)用本發(fā)明噴嘴配合添加純鎳粉進(jìn)行鑰孔粉末焊接之焊道橫截面光學(xué)金相(圖12(c))，顯示使用本發(fā)明噴嘴經(jīng)由鎳粉添加，經(jīng)由雙環(huán)氣束及中心氣束之層流作用造成粉末集中性，改變焊道鐵素體/奧氏體比值為1，可改善雙相不銹鋼之焊道特性。
以上所公開的僅為本發(fā)明之應(yīng)用實(shí)例，并非用以限定本發(fā)明之應(yīng)用范圍，任何還動(dòng)與改進(jìn)，在不脫離本發(fā)明之基本精神下，均應(yīng)屬于本發(fā)明之適用范圍，因此本發(fā)明之保護(hù)范圍以權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于包含有(1)噴嘴位置調(diào)整組件，可調(diào)整噴嘴高低位置使激光之聚焦焦點(diǎn)位于噴嘴內(nèi)部或外部，位于噴嘴結(jié)構(gòu)上方；及(2)具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)，以雙環(huán)氣及中心氣于噴嘴內(nèi)產(chǎn)生層流式氣束作用，其中，內(nèi)環(huán)氣出口至外環(huán)氣出口在噴嘴中心線之垂直距離范圍大于0，上述噴嘴位置調(diào)整組件與具有雙環(huán)氣及中心氣所產(chǎn)生層流式氣束之噴嘴結(jié)構(gòu)屬同軸式結(jié)構(gòu)，可施行高效能之多功能激光加工應(yīng)用。
2.如權(quán)利要求1所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，該噴嘴結(jié)構(gòu)，包含有噴嘴鏡座及外部管路入口分布組件，是連接噴嘴位置調(diào)整組件、支撐及固定隔離保護(hù)鏡片、分配與連接粉末流道入口、中心氣流道入口、環(huán)氣流道入口、保護(hù)氣流道入口及噴嘴水冷流道；粉末流道，是以氣體輸送粉末進(jìn)入噴嘴且分布于粉末流道及粉末流道出口之通道；雙環(huán)氣束層流產(chǎn)生裝置及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口組件上方環(huán)氣流道入口導(dǎo)引氣體，經(jīng)由內(nèi)環(huán)氣束組件(26)、外環(huán)氣束組件(30)、內(nèi)環(huán)氣層流流道(313)與外氣罩組件(24)排列將該氣體隔離分為內(nèi)環(huán)氣及外環(huán)氣；中心氣層流產(chǎn)生裝置及流道，為自噴嘴鏡座及外部管路入口組件上方中心氣流道入口導(dǎo)引中心氣經(jīng)過中心氣層流流道，其中，該中心氣層流流道位于中心氣流道入口(49)末端；及保護(hù)氣流道，導(dǎo)引保護(hù)氣進(jìn)入噴嘴，經(jīng)由外部管路入口組件與外氣罩組件形成保護(hù)氣流道。
3.如權(quán)利要求2所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，該內(nèi)環(huán)氣層流流道為外環(huán)氣束組件上之開槽或孔洞，其數(shù)量包含一個(gè)以上。
4.如權(quán)利要求3所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，該內(nèi)環(huán)氣層流流道還包含數(shù)個(gè)孔洞或通過螺紋之平面間隙構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求2所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，該中心氣層流流道還包含數(shù)個(gè)孔洞或通過螺紋之平面間隙構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求2所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，粉末流道出口與噴嘴出口水平面夾角范圍，為61度至89度。
7.如權(quán)利要求2所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，環(huán)氣流道之內(nèi)環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角范圍為40度至85度，環(huán)氣流道之外環(huán)氣出口與噴嘴出口水平面夾角范圍為20度至80度。
8.如權(quán)利要求1所述之多功能同軸式激光噴嘴，其中，噴嘴位置調(diào)整組件所調(diào)整噴嘴高低位置，是指噴嘴相對于焦點(diǎn)位置調(diào)整之范圍為正負(fù)15mm。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于還包含有一組以上之噴嘴外罩冷卻水道組件，其組件置于噴嘴外罩內(nèi)；以及具有表面噴覆絕熱涂層之噴嘴外罩及噴嘴本體組件，可于高溫環(huán)境中施行高效能之多功能激光加工應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求9所述之多功能同軸式激光噴嘴，其特征在于，噴焊絕熱涂層包含介層(Bond coats)及面層(Top coats)；上述介層可為MCrAlY或鎳鋁粉末材料，介層噴焊厚度可介于50至250μm ；上述面層為含有6至8％Y2O3之氧化鋯粉末或具有絕熱之陶瓷粉末，面層噴焊厚度可介于100至400μm，使噴焊絕熱涂層結(jié)構(gòu)具有高溫隔熱特性。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種多功能同軸式激光噴嘴，配合激光焦點(diǎn)相對于噴嘴出口位置之調(diào)整，可應(yīng)用于激光披覆處理或激光粉末焊接工藝。使用此噴嘴進(jìn)行激光披覆處理或激光粉末焊接工藝，可提高粉末之集中性與堆積效率，并可應(yīng)用于工件局部區(qū)域之激光表面噴覆處理。當(dāng)粉末經(jīng)由本發(fā)明噴嘴之中心氣束及其外圍雙環(huán)氣束作用，呈現(xiàn)未發(fā)散之粉末流束。經(jīng)由中心氣與雙環(huán)氣流量之調(diào)整，可控制粉末流束形狀，配合調(diào)控激光與粉末之交互作用程度，可進(jìn)行上述工藝之應(yīng)用。上述激光噴嘴經(jīng)表面涂覆耐高溫涂層及增加冷卻系統(tǒng)亦可使用于高溫環(huán)境下。應(yīng)用本發(fā)明之多功能同軸式激光噴嘴，可進(jìn)行昂貴的及一般組件之激光披覆處理、三維成形再生處理與2205雙相不銹鋼之粉末焊接等應(yīng)用，極具經(jīng)濟(jì)效益與便利性。
文檔編號(hào)C23C24/10GK1781611SQ20041009644
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者陳鈞, 吳憲政 申請人:陳鈞, 吳憲政