CN101386111A - 激光光内送丝熔覆方法与光内送丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置，用圆锥镜将激光器发射的激光束变换为环形光束，再用环形聚焦镜聚焦成为环锥形光束，在环锥形光束中形成一锥形中空无光区，送丝管置于此无光区内并与环锥形光束同轴线。工作中丝材在环锥形光束中心被同轴垂直送入加工面上的熔池内，实现光内同轴送丝。本发明可改变现有光外侧向送丝工艺方法带来的进丝和对准方位复杂难控，送丝过程中光束离焦波动和变方向扫描造成丝材的热作用发生变化，熔覆过程及熔道质量对相对位置的波动敏感，极易造成熔覆不连续和熔道质量恶化等诸多不足。光内送丝各方向送丝姿态方位一致，不受扫描方向性和离焦波动影响，光丝耦合连续稳定，熔层质量高。本发明用于金属材料的激光熔覆、三维实体快速成形、激光焊接与特种连接、激光修复再制造等场合。

Description

激光光内送丝熔覆方法与光内送丝装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光熔覆成形制造工艺方法及实现该方法的装置。

背景技术

在先进激光加工成形制造技术中，有一个关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。国内外现行的送料方法大多数为同步送粉。最早的方法是激光束垂直照射，送粉管从一侧倾斜旁置。旁置送粉姿态随扫描方向而异，扫描方向对扫描质量影响很大。比较先进的送粉装置有美国专利(US5961862)、欧洲专利(WO2005028151)等，其基本结构均采用在激光束外围均匀布置多路送粉喷头的结构方案，可称之为“光外同轴送粉”。光外同轴送粉因各方向送粉姿态一致，消除了扫描方向性影响，但同时又带来多路粉束很难汇聚于一点并与光束焦点重合的新问题。

由粉末性质决定送粉法熔覆存在一些不足，主要有送粉量和均匀性控制困难、粉末利用率低、发散在光束外的处于半熔状态的粉末易粘附于成型零件表面，影响表面质量等。相比之下，送丝熔覆可避开送粉带来的一些问题。送丝熔覆具有容易实现精确控制，送料精度高；材料利用率高；无发散性；能量利用率高；对环境无污染；价格低廉等明显优点，公认具有极大发展空间。但目前送丝熔覆工艺尚存在许多问题未得到较好解决，尚不能像光外同轴送粉那样实现多路包围光束进行多路同轴送丝。如附图1所示，现有激光送丝熔覆或焊接方法中，由激光器发射的激光束11被聚焦镜110聚焦成锥形光束12，送丝管和喷丝嘴13’只能相对锥形光束12倾斜一角度安装，由喷丝嘴13’送出的丝材14只能被倾斜送入激光束，一般在加工前需调整丝材在光斑位置与光束相交(参考文献：1、王至尧主编.中国材料工程大典第25卷.北京：化学工业出版社，2006；2、左铁钏主编.21世纪的先进制造—激光技术与工程.北京，科学出版社，2007，5；3、Waheed UI Haq Syed，Lin Li.Effects of wire feeding direction and location in multiple layer diode laserdirect metal depositi on.Applied Surface Science，24 March 2005)。单侧送丝带来的最大缺陷，就是丝材是倾斜进入熔池，所受到光束照射、熔池热传导和辐射的热作用不对称、不均匀。特别当熔覆中不可避免地出现方向性变化，即加工中激光束相对加工面作不同方向的扫描运动时，光束和丝材相对扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙度等均会发生较大变化，甚至造成熔融过程的时断时续。侧送丝中对于普通单方向扫描的单层或多层熔覆堆焊不存在方向性影响，因其送进方位角度不会改变，而对复杂型面堆焊特别是三维直接快速成型等工艺而言，由于扫描轨迹和方向在不断变化，其影响就很突出，熔覆的连续性或熔道质量都很难保证。此外，熔覆时丝材送入点必须在工件表面与光束焦点位置与之相交重合，其交点又应限制在熔池表面上下一很小的区域内，但如果加工中此交点相对加工表面(或熔池)上下有位置波动和变化(难免，特别在多层堆积中)，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的熔化过程断续进行，丝材前段弯曲，光和丝断续对准和错位，这样使熔覆过程的连续性和熔道质量对焦点与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。此外，激光熔覆过程常需要在熔池周围输送惰性保护气体，以吹压熔覆产生的热焰、熔渣等，从而保护筒体内腔镜片不受污染，同时熔池不被氧化。在现有技术侧向送丝装置中，由于结构限制，保护气体也只能侧向吹送，其对熔池的吹压力不均匀，气流紊乱，保护效果差。

发明内容

需要一种新的送丝工艺方法及实现该方法的装置，该方法能实现与光束同轴送丝，消除扫描方向性带来的影响；不存在丝材汇聚难、与光束焦点重合难等问题，对加工中焦点相对工件平面位置的波动性等因素不敏感，工艺过程更稳定；丝材被光束包围，变侧送丝中丝材单边受热为包围均匀受热，使其受热、凝固均匀并更易熔化，能提高熔覆层的组织性能。

本发明激光光内送丝熔覆方法为：利用光的分割原理将由激光器发射的激光束切割变换为环形光束，再将所述环形光束聚焦成为环锥形光束，在环锥形光束中产生一锥形中空无光区，单根送丝管置于此无光区内并与环锥形光束同轴线，丝材由送丝管中送入，通过送丝管下端部的喷丝嘴输出，在接近光束焦点处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与加工表面的熔池热传导等的共同作用下被加热并熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材表面调整到所述焦点附近，熔入基材表面熔池中的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中熔体随光束与基材的相对移动凝固而形成熔道。

所述送丝管内设置有保护气通道，由保护气通道输送的保护气在喷丝嘴下方包围丝材形成气帘并同轴喷向熔池，保护气通道与喷丝嘴以及环锥形光束同轴线。

本发明实现激光光内送丝工艺方法由专用的激光光内送丝装置完成。激光光内送丝装置包括筒体、反射镜、聚焦镜、送丝管、喷丝嘴等部分。筒体上方有入光口，下方有出光口。所述反射镜为可将入射光束切割变换为环形光束的圆锥镜，所述聚焦镜为可将环形光束反射聚焦成环锥形光束的环形反射聚焦镜，所述圆锥镜和环形反射聚焦镜与筒体上入光口、出光口均同轴线。圆锥镜固定于筒体中心，其镜面朝向入光口。环形反射聚焦镜固定于筒体内壁上，其镜面与圆锥反射镜的镜面相对，并朝向筒体下部出光口。单根送丝管从筒体外部插入，送丝管端部的喷丝嘴置于所述环锥形光束中的锥形中空无光区内，喷丝嘴与环锥形光束同轴线，喷丝嘴出口位置靠近环锥形光束的焦点。

送丝管做成双层套管结构，其中中间管道用于输送丝材，夹层管道为保护气通道。送丝管从环锥形光束外部到达中空区时局部需要穿越光束，为避免送丝管反射光线并过热，在送丝管的迎光面上涂镀有吸光材料，并在其内部设置了冷却水道吸收光束热量。由于送丝管迎光面积很小，其对光束能量的损失可忽略不计。

圆锥镜采用与筒体内壁相连的至少一根筋条固定。送丝管可以从筒体上部进入，穿过圆锥镜与环形反射聚焦镜之间的空隙，到达圆锥镜背面后转为与光束同轴线；也可从筒体中部筋条下方位置进入，到达圆锥镜背面后转为与光束同轴线。因为筋条部分处于光线照射区，为避免筋条反射光线并过热，在筋条的迎光面上涂镀有吸光材料，并在其内部设置了冷却水道吸热。由于筋条的迎光面积很小，其对光束能量的损失可忽略不计。

激光光内送丝装置的工作原理为：由激光器发射的激光束从入光口进入筒体，入射到筒体中心圆锥镜的镜面上，圆锥镜面将光束切割并反射，变换成环形光束后入射到环形反射聚焦镜的镜面上，环形反射聚焦镜将入射的环形光束再进行反射并聚焦，形成一环锥形光束。此环锥形光束中部形成了一锥形中空无光区。单根送丝管即可由筒体上部或中部侧面进入此无光区内，实现从激光束内部送丝，即所谓“光内送丝”。

采用本发明激光光内送丝熔覆方法与光内送丝装置可达到以下有益效果：

通过光路变换得到中空环形聚焦光束，使送丝管置于聚焦光束中空部位并与光束同轴线，加工中丝材与聚焦光束同轴被正向送入光斑中心，丝材一直被环形光束均匀对称包围。熔覆加工过程中，无论丝材和光束相对加工面(或熔池)的相对运动方向如何改变，如在三维熔覆加工中当光束扫描方向任意变化时，光束和丝材相对扫描运动方向的方位和姿态完全相同，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程理论上不发生变化，完全消除了扫描方向性带来的影响。另一方面，光束相对熔池上下波动产生离焦时，丝材可始终对准光斑和熔池的中心，光斑和丝材不会错位。这样，丝材与熔池受热作用的方式保持不变，使热作用保持均匀、稳定。在扫描光束相对加工面三维位置变化影响下，丝材与熔池之间的作用力恒为正向，丝材不造成偏歪，有利于熔池驱动力均衡和熔体流动对称。同时，丝材下段和加工表面始终受到均匀对称的激光辐照和熔池的热作用，均匀的受热和凝固过程可大大提高熔道质量。本发明可克服现有侧向送丝激光熔覆工艺方法带来的进丝和方位复杂；进丝方位变化造成热作用方式和堆积质量差距大、不稳定；三维扫描加工时熔层方向性缺陷明显；离焦易造成光、丝错位，熔融不连续，熔道质量不稳定等诸多不足。

在所述光内送丝方案中，可方便实现光、丝、保护气三者一体同轴，使惰性保护气向下包围丝材而形成一保护气帘垂直吹向熔池表面。相比现有技术侧向吹送保护气而言，垂直同轴吹送气流易形成层流，对熔池的吹压力均匀，保护效果好。

附图说明

图1为现有激光熔覆技术光外送丝方法原理图；

图2为本发明激光熔覆光内送丝方法原理图；

图3为激光熔覆光内送丝装置结构图；

图4为双层套管结构的送丝管图；

图5为送丝管从筒体中部进入时的激光熔覆光内送丝装置结构图。

图中：11——激光器发射的激光束；12——光外送丝聚焦锥形光束；13——光内送丝装置喷丝嘴；、13’——光外送丝装置喷丝嘴；14——丝材；15——环形光束；16——环锥形聚焦光束；17——锥形中空无光区；18、18’——送丝管；181——送丝管冷却水道；182——送丝管迎光面；19——焦点；20——保护气气帘；21——入光口；22——筒体；23——筋条；231——筋条冷却水道；232——筋条迎光面；24——圆锥镜；26——出光口；28——环形反射聚焦镜；31——送丝管中间管道；32——送丝管夹层管道；100——基材；110——聚焦镜

具体实施方式

应用实施例一：

参照图2、图3。如图3激光光内送丝装置，筒体22上方有入光口21，下方有出光口26，入光口21与出光口26同轴。筒体22中心均匀设计三根筋条23与筒体22内壁相连，筋条23上固定了一个圆锥镜24，圆锥镜24的锥形镜面朝向入光口21并与之同轴线。圆锥镜24将入射激光束11切割、反射变换为环形光束15。筒体22内壁上还与圆锥镜24同轴安装了一个环形反射聚焦镜28，其镜面朝向所述圆锥镜24。圆锥镜24反射的环形光束15入射到环形反射聚焦镜28上，再由环形反射聚焦镜28反射聚焦成环锥形聚焦光束16，环锥形聚焦光束16中形成一锥形中空无光区17和焦点19，焦点19在出光口26之外。单根送丝管18从筒体22外部插入，穿过圆锥镜24与环形反射聚焦镜28之间的空隙，到达圆锥镜24背面后转为与环锥形光束16同轴线，使得送丝管18端部的喷丝嘴13置于所述环锥形光束16的锥形中空无光区17内，并与环锥形光束16同轴线。喷丝嘴13出口位置靠近环锥形光束16的焦点19。丝材14从送丝管18中送入，通过送丝管18下端的喷丝嘴13输出，在接近焦点19处被所述环锥形光束16下部包围照射，然后在光照与基材100表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材100表面调整到所述焦点19附近，熔入熔池的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随光束16与基材100的相对移动而连续凝固形成熔道。

所述筋条23上方的迎光面232涂镀有吸光材料，筋条内部设置了冷却水道231。设置成筋条结构可有效减少迎光面积，减少光照损失。所述送丝管18处于筒体22内的迎光面182涂镀有吸光材料，内部设置了冷却水道181。由于筋条和送丝管的迎光面积都很小，它们对光束能量的损失可忽略不计。

应用实施例二：

参照实施例一和图4。在实施例一中，送丝管18做成同轴双层套管结构。其中中间管道31用于输送丝材，夹层管道32为保护气通道。保护气经夹层管道32并通过喷丝嘴13包围丝材14形成一保护气气帘20喷向熔池。

应用实施例三：

参照实施例一或实施例二及图5。在实施例一或实施例二中，送丝管18’从筒体22中部筋条23下方位置进入，到达圆锥镜24背面后转为与环锥形光束16同轴线。

Claims (7)

1、一种激光光内送丝熔覆方法，其主要特征为：利用光的分割原理将由激光器发射的激光束切割变换为环形光束，再将所述环形光束聚焦成为环锥形光束，在环锥形光束中产生一锥形中空无光区，单根送丝管置于此无光区内并与环锥形光束同轴线，丝材由送丝管中送入，通过送丝管下端部的喷丝嘴输出，在接近光束焦点处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与加工表面的熔池热传导等的共同作用下被加热并熔化而垂直进入熔池中，待熔覆的基材表面调整到所述焦点附近，熔入基材表面熔池中的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池。

2、如权利要求1所述激光光内送丝熔覆方法，其特征在于：所述送丝管内有保护气通道，由保护气通道输送的保护气在喷丝嘴下方包围丝材形成气帘并同轴喷向熔池，保护气通道与喷丝嘴以及环锥形光束同轴线。

3、一种用于激光光内送丝专用的激光光内送丝装置，包括筒体、反射镜、聚焦镜、送丝管及喷丝嘴等部分，筒体上方有入光口，下方有出光口，其特征在于：所述反射镜为可将入射光束切割变换为环形光束的圆锥镜，所述聚焦镜为可将环形光束反射并聚焦成环锥形光束的环形反射聚焦镜，所述圆锥镜和环形反射聚焦镜与筒体上入光口、出光口均同轴线，圆锥镜固定于筒体中心，其镜面朝向入光口，环形反射聚焦镜固定于筒体内壁上，其镜面与圆锥反射镜的镜面相对，并朝向筒体下部出光口，单根送丝管从筒体外部插入，送丝管端部的喷丝嘴置于所述环锥形光束中的锥形中空无光区内，喷丝嘴与环锥形光束同轴线，喷丝嘴出口位置靠近环锥形光束的焦点。

4、如权利要求3所述激光光内送丝装置，其特征在于：所述送丝管为双层套管结构，中间管道输送丝材，夹层管道为保护气通道。

5、如权利要求3或4所述激光光内送丝装置，其特征在于：圆锥镜通过至少一根筋条固定于筒体中心，筋条的迎光面涂镀有吸光材料，筋条内部设置了冷却水道。

6、如权利要求3或4所述激光光内送丝装置，其特征在于：送丝管从筒体上部进入，穿过圆锥镜与环形反射聚焦镜之间的空隙，到达圆锥镜背面后转为与光束同轴线，送丝管迎光面涂镀有吸光材料，内部有冷却水道。

7、如权利要求5所述激光光内送丝装置，其特征在于：送丝管从筒体中部筋条下方位置进入，到达圆锥镜背面后转为与光束同轴线。

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