CN101468393B - 一种金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光快速成形技术，具体地说是一种侧向激光、垂直送粉的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，包括可摆动侧向激光筒、垂直固定激光筒、平行四边形机构、粉末喷嘴支撑件及垂直粉末喷嘴，通过调整倾斜方向及倾斜角度，使可摆动侧向激光筒输出的激光光斑在低功率下呈正方形，在高功率下呈近似圆形；垂直粉末喷嘴采用载气卸荷口装置、中心冷却水腔方式，具有粉末喷出口螺纹调节功能；可摆动侧向激光筒与垂直粉末喷嘴通过平行四杆机构连接实现联动，保证聚焦激光与聚焦粉末汇聚点始终重合。本发明机构分解，结构简化、降低了工艺难度；粉末喷嘴冷却腔相对增大，冷却效率提高；有效地避免熔覆时形成的烟尘污染聚焦镜。

Description

一种金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置 

技术领域

本发明涉及激光快速成形技术，具体地说是一种金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置。 

背景技术

激光是二十世纪最伟大的科学发明之一，具有巨大的技术潜力。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术，其中激光熔覆技术是目前最活跃的激光加工技术之一。快速成形技术是八十年代末兴起并得到迅速发展的崭新制造技术，被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。金属粉末激光成形技术是将激光熔覆技术与快速成形技术相结合，以金属粉末为原料，采用高功率激光熔覆技术，利用快速成形分层制造思想，创造出金属功能零件。此项技术因能够直接成形金属功能零件而倍受人们的关注，并且取得了长足的发展。 

金属粉末激光成形系统除了大功率激光器外，主要还包括导光装置、数控加工装置和金属粉末送给装置等，其中金属粉末送给是一项关键技术。目前，金属粉末送给方式主要有以下三种： 

第一，预置粉末法。其工作原理是将金属粉末铺在已成形零件上表面并刮平，用高能CO₂激光在刚铺新层上扫描熔覆出零件截面，金属粉末在高强度的激光照射下被熔覆在一起，得到零件截面并与下面已成形零件连接；当一层截面熔覆完后，铺上新的一层金属粉末，有选择地熔覆下层截面；熔覆完成后去掉多余的金属粉末，再进行打磨、烘干等处理，进而得到金属功能零件。该送粉方式是粉末预先铺平，激光垂直入射。其缺点是系统结构复杂、体积庞大、昂贵的金属粉末用量巨大、成形零件非全密度零件、后处理工艺难度大。 

第二，侧向同步送粉法。该方法克服了预置粉末法的体积庞大、金属粉末用量大、成形零件非全密度等缺点。其工作原理是采用金属粉末定量送给装置控制粉末流量，通过侧向喷嘴将金属粉末喷射到激光熔池内，实现了粉末送给与熔覆运动过程的同步进行。该送粉方式 是粉末侧向送给，激光垂直入射。其缺点是粉末从喷嘴喷射出来之后发散、熔覆运动方向受制约。 

第三，同轴送粉法。该方法克服了侧向同步送粉法的缺点，实现了喷嘴汇聚金属粉末后喷射到激光熔池之中，同时实现了二维平面内任意方向的熔覆运动。其工作原理是采用金属粉末定量送给装置控制粉末流量，通过同轴粉末喷嘴将金属粉末喷射到激光熔池内，实现了粉末喷射锥轴线、激光束轴线以及保护气喷射锥轴线的重合，同时也实现了粉末送给与熔覆运动过程的同步进行。由于同轴送粉法克服了以前各种送粉方法的诸多缺点，具有很大的优势，因此同轴送粉法是目前各送粉技术的主流技术。但是同轴送粉法也存在着难以克服的缺点：同轴喷嘴是聚焦激光、汇聚粉末、汇聚保护气的同轴输出口，又包括复杂冷却水道，因此结构设计特别复杂；为了避免熔池热辐射烧伤喷嘴，喷嘴材料一般选择热传导率较高的紫铜，由于粉末喷射锥轴线、激光束轴线以及保护气喷射锥轴线同轴，因此采用紫铜作为喷嘴材料的加工工艺难度较大；此外，对于较低功率下的激光透射聚焦方式，为避免透镜污染，激光出口需要输出保护气，严重影响了粉末喷射锥的形状；对于较高功率下的激光反射聚焦方式，则无法对反射镜进行气体保护，反射镜特别容易被污染；由于平行的CO₂激光束截面一般为矩形，所以聚焦后的光斑在低功率下为小矩形，在高功率下为近视椭圆形，而并非圆形光斑。 

目前使用最多的同轴送粉法，由于粉末喷嘴距离上千度高温的激光熔池很近，所以喷嘴冷却一直是同轴送粉技术的主要问题之一，冷却不充分时会造成粉末在喷出口处烧熔粘结现象发生，更严重时会发生喷嘴烧熔变形甚至脱落。同轴送粉机构由于其结构复杂、空间狭小，所以难于设计和制造出大腔体的冷却水道，冷却效果不好。聚焦镜是激光光路中的最主要部件之一，当镜面受到烟尘污染时，轻者降低激光功率，重者烧毁聚焦镜。在同轴送粉机构中，较低激光功率时常采用激光透射聚焦方式，为避免透镜污染，激光出口需要输出保护气，严重影响粉末喷射锥的形状；较高功率时采用激光反射聚焦方式，此时不易对反射镜进行气体保护，反射镜特别容易被污染。粉末的载气传输是送粉技术的主流方式，该方式具有粉末传输速度快、粉末传输均匀、管路形状位置适应性强、无粉末拥塞现象发生、载气兼保护气作用等优点。但是在同轴送粉机构的粉末喷嘴处，强大的载气压力、聚焦镜的保护气压力及其基体的反射作用会使喷嘴处气流极其复杂， 导致粉末锥严重变形，粉末汇聚效果变差。 

再有，随着激光加工运动复杂程度的不断提高，目前广泛应用的二轴连动激光筒已远远不能满足激光加工运动的需要；现有广泛使用的CO₂激光器均是5KW以上的大功率，而基于ZnSe晶体透镜的透射聚焦方式越来越不适应大功率激光器的聚焦应用。 

发明内容

为了解决上述送粉法存在的问题，本发明的目的在于提供一种侧向激光、垂直送粉的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

本发明的粉末输送路径与激光光路分离，包括可摆动侧向激光筒、垂直固定激光筒、平行四边形机构、粉末喷嘴支撑件及垂直粉末喷嘴，可摆动侧向激光筒安装在垂直固定激光筒的一端，绕其轴线可往复摆动，可摆动侧向激光筒与设有垂直粉末喷嘴的粉末喷嘴支撑件偏置设置；垂直固定激光筒通过平行四边形机构与粉末喷嘴支撑件相连接，可摆动侧向激光筒通过连杆与平行四边形机构相连，驱动粉末喷嘴支撑件沿平行于垂直固定激光筒的轴线上下往复移动；可摆动侧向激光筒发出的聚焦激光与垂直粉末喷嘴发出的聚焦粉末重合于汇聚点。 

其中：所述可摆动侧向激光筒上设有蜗轮，与伺服电机连动的蜗杆位于蜗轮的一侧、与蜗轮相啮合，通过蜗轮与蜗杆的转动副变成可摆动侧向激光筒绕其轴线的往复摆动；可摆动侧向激光筒的激光筒长度为平行四边形机构中连架杆长的1/3；所述垂直粉末喷嘴由外层冷却水腔外壁、粉末腔外壁及粉末腔内壁组成，外层冷却水腔外壁套接在粉末腔外壁上，两者之间为外层冷却水腔，粉末腔外壁与粉末腔内壁螺纹连接，两者之间为粉末腔，粉末腔内壁内为中心冷却水腔；在外层冷却水腔外壁及粉末腔外壁上分别开有外层冷却水输入口及粉末输入口，在粉末腔外壁上还设有载气卸荷口；粉末腔内壁上设有延伸到中心冷却水腔底部的中心冷却水输入口，以及中心冷却水输出口；外层冷却水腔外壁、粉末腔外壁及粉末腔内壁的底部均为倒置锥台形，三者之间形成的各个腔的底部均为倒置锥台形；粉末腔的出口为间距可调的环形；所述可摆动侧向激光筒内设有聚焦反射镜及平面反射镜；所述垂直粉末喷嘴垂直于基体；所述可摆动侧向激光筒输出的激光光斑在低功率下为正方形，在高功率下近似为圆形。 

本发明的优点与积极效果为： 

1.本发明的垂直粉末喷嘴具备金属粉末喷射后汇聚功能，汇聚后的粉末束喷射到激光熔池之中，垂直喷嘴可实现X-Y二维平面内任意方向的熔覆运动。 

2.机构分解、结构简化、降低工艺难度。本发明将激光光路与粉末输送路径分开，机械结构大大简化，进而降低了加工工艺的难度，可实现更高的加工精度。 

3.粉末喷嘴冷却腔相对增大，冷却效率提高。本发明的垂直粉末喷嘴结构简化，同样体积的情况下可以设计和制造出更大空间的冷却水道，所以冷却效率大大提高。 

4.激光光斑形状可高速至正方形或者近似圆形。本发明中激光束侧向入射，可通过调整激光束倾斜方向及倾斜角度两个参数使激光光斑在低功率下为正方形，在高功率下为近似圆形。 

5.有效避免熔覆时形成的烟尘污染聚焦镜。本发明激光束侧向输出，缩短了激光筒的长度，可使聚焦镜充分避开熔覆过程中产生烟尘的作用区域，从而避免聚焦镜的烟尘污染。 

6.载气卸荷机构使粉末喷射聚焦效果更佳。本发明在垂直粉末喷嘴机构中设计有载气卸荷装置，该装置的作用是将管路输送来的粉末与载气相分离，载气从卸荷口流出，而粉末在初速度和重力的作用下从喷嘴处平稳喷射到激光熔池中。 

7.粉末环形出口缝隙可调。金属粉末经粉末环形出口喷射出来形成粉末锥，最终汇聚到圆锥顶点处。事实上，由于粉末颗粒从环形出口喷射出来的速度和方向均略有不同，所以不可能汇聚在一点上，而是汇聚到具有一定半径的圆内，粉末汇聚的圆半径越小越好。粉末环形出口缝隙设计成靠螺纹调节大小，可以根据不同粉末输送量改变缝隙大小，最大限度地保证粉末汇聚圆半径最小。 

8.平行四杆联动机构实现在保证激光焦点与粉末喷射焦点重合并且粉末喷嘴始终处于垂直状态前提下，可以方便、快捷地进行系统参数的微量调节。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为图1中可摆动侧向激光筒的结构示意图； 

图3为图2的右视图； 

图4为图1中垂直粉末喷嘴结构示意图； 

图5为图4中的A向视图； 

图6为图1中平行四边形机构的运动简图； 

图7为本发明正方形聚焦光斑形成示意图； 

其中：1为可摆动侧向激光筒，2为垂直固定激光筒，3为平行四杆机构，4为粉末喷嘴支撑件，5为垂直粉末喷嘴，6为汇聚点，7为蜗轮，8为蜗杆，9为伺服电机，10为聚焦反射镜，11为平面反射镜，12为外层冷却水腔，13为外层冷却水输入口，14为粉末输入口，15为粉末腔，16为粉末腔外壁，17为中心冷却水输入口，18为粉末腔内壁，19为粉末喷嘴铰接孔，20为中心冷却水输出口，21为中心冷却水腔，22为调节螺纹，23为载气卸荷口，24为外层冷却水输出口，25为外层冷却水腔外壁，26为粉末喷射锥，27为基体，28为粉末环形出口缝隙，29为平行激光束截面，30为聚焦激光束截面，31为激光筒倾斜角度，32为聚焦激光光斑，33为连杆。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。 

如图1所示，本发明的粉末输送路径与激光光路分离，聚焦激光侧向入射，包括可摆动侧向激光筒1、垂直固定激光筒2、平行四边形机构3、粉末喷嘴支撑件4及垂直粉末喷嘴5。可摆动侧向激光筒1作为主动件安装在垂直固定激光筒2的一端，如图2、图3所示，可摆动侧向激光筒1上设有蜗轮7，蜗杆8位于蜗轮7的一侧、与蜗轮相啮合，伺服电机9的输出轴与蜗杆8连动，通过蜗轮7与蜗杆8的转动副变成可摆动侧向激光筒1绕其轴线的往复摆动。可摆动侧向激光筒1为三轴连动激光筒，是指X-Y-CY轴连动，X轴、Y轴及Z轴如图1所示。CY轴为绕Y轴的旋转运动轴，由伺服电机9通过蜗轮7、蜗杆8实现旋转运动。可摆动侧向激光筒1与设有垂直粉末喷嘴5的粉末喷嘴支撑件4偏置设置，即可摆动侧向激光筒1倾斜于垂直粉末喷嘴5，激光束侧向输出，输出的参数包括倾斜角度及倾斜方向。倾斜角度是指可摆动侧向激光筒1的轴线与Z轴之间的夹角，该夹角的角度需保证矩形光斑倾斜入射到基体27上长边与短边之比尽可能接近于1，范围可在30～60°之间。倾斜方向是指可摆动侧向激光筒1摆动平面与X轴的夹角，该方向应与激光矩形光斑长边垂直。倾斜方向与倾斜角度的选择原则为在保证激光束与粉末喷嘴不干涉的前提下，尽可能保证激光光斑在低功率下为正方形，在高功率下近似为圆形。垂直固定激光筒2通过平行四边形机构3与粉末喷嘴支撑件4相连接，通过连杆33与平行四边形机构3相连，驱动粉末喷嘴 支撑件4沿平行于垂直固定激光筒2的轴线上下往复移动，在移动过程中始终处于垂直基体27的状态。如图6所示，主动件是可摆动侧向激光筒1，可绕其轴线转动；从动件是粉末喷嘴支撑件4及安装其上的垂直粉末喷嘴5，经平行四边形机构3连接，可做平行Z轴移动。通过平行四边形机构3与可摆动侧向激光筒1连动功能，可设置光斑的最佳形状，保证可摆动侧向激光筒1发出的聚焦激光与垂直粉末喷嘴5发出的聚焦粉末重合于汇聚点6。由于在熔覆成形过程中会产生烟尘杂质，造成聚焦镜污染，因此本发明的可摆动侧向激光筒1的激光筒长度为平行四边形机构3中连架杆长的1/3，激光筒长度的缩短可有效地使激光筒内的聚焦反射镜10远离烟尘污染，从而解决了聚焦反射镜的污染问题。在可摆动侧向激光筒1内设有聚焦反射镜10及平面反射镜11，聚焦反射镜10的焦距为300mm，采用基于钼涂层反射镜的反射聚焦方式，一方面散热效率高，可承受更大功率的激光束；另一方面质地坚硬、耐磨，便于擦拭、寿命长。 

如图4、图5所示，垂直粉末喷嘴5垂直于基体27，通过粉末喷嘴铰接孔19与粉末喷嘴支撑件4相连。垂直粉末喷嘴5由外层冷却水腔外壁25、粉末腔外壁16及粉末腔内壁18组成，外层冷却水腔外壁25套接在粉末腔外壁16上，两者之间为外层冷却水腔12，粉末腔外壁16与粉末腔内壁18通过调节螺纹22螺纹连接，两者之间为粉末腔15，粉末腔内壁18内为中心冷却水腔21；在外层冷却水腔外壁25及粉末腔外壁16上分别开有外层冷却水输入口13及粉末输入口14，在粉末腔外壁16上还设有载气卸荷口23，可将管路输送来的粉末与载气相分离，载气从卸荷口流出，而粉末在初速度和重力的作用下从喷嘴处平稳喷射到激光熔池中；粉末腔内壁18上设有延伸到中心冷却水腔21底部的中心冷却水输入口17，以及中心冷却水输出口20。外层冷却水腔外壁25、粉末腔外壁16及粉末腔内壁18的底部均为倒置锥台形，三者之间形成的各个腔的底部均为倒置锥台形。粉末腔15的出口为间距可调的环形。 

如图7所示，平行激光束截面29为矩形，经平面反射镜11、聚焦反射镜10反射聚焦后，聚焦激光束截面30为相似矩形，通过旋转可摆动侧向激光筒1调节倾斜角度31，即可得到正方形聚焦激光光斑32，其在高功率下测量的直径大小为2.5～5mm。 

本发明的工作原理为： 

由垂直固定激光筒2发出的平行激光束经过平面反射镜11反射 后，由垂直入射变成水平入射；再经聚焦反射镜10反射成垂直入射。同时伺服电机9工作，带动蜗杆8旋转，通过蜗杆8与蜗轮7的啮合传动，使可摆动侧向激光筒1旋转，调整好倾斜角度。在可摆动侧向激光筒1旋转的过程中，平行四边形机构3带动粉末喷嘴支撑件4上下移动，使由激光筒射出的激光聚焦到聚焦激光与聚焦粉末的汇聚点6处。 

金属粉末及其载气由粉末输入口14输入，载气由载气卸荷口23排出，金属粉末在初速度和重力的作用下沿粉末腔15的粉末腔内、外壁18、16向下流动，并且从粉末腔15的环形出口喷射出来，形成粉末喷射锥26，最终聚焦到基体27上的汇聚点6处。冷却水分别从外层冷却水输入口13和中心冷却水输入口17流入，经过外层冷却水腔12和中心冷却水腔21循环后，带走激光辐射热，从外层冷却水输出口24和中心冷却水输出口20输出。通过旋转粉末腔外壁16，可调节粉末腔15的空间大小，进而调节粉末环形出口缝隙28的大小，最大限度地保证了粉末汇聚圆半径最小。 

本发明的粉末喷射锥26的设计高度为20mm，粉末汇聚直径大小为2～4mm。 

本发明采用侧向激光、垂直送粉，采用可摆动式反射聚焦侧向激光筒，实现聚焦激光的侧向入射，缩短激光筒的长度，避免了反射镜被污染；采用垂直环形粉末锥聚焦的粉末喷嘴，喷嘴内无激光光路，可将冷却水路设计得更加通畅；采用平行四杆机构联动装置将粉末喷嘴固定到激光筒上，实现激光光斑与粉末喷射焦点重合不变的激光筒摆动。 

Claims (9)

1.一种金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：该装置的粉末输送路径与激光光路分离，包括可摆动侧向激光筒(1)、垂直固定激光筒(2)、平行四边形机构(3)、粉末喷嘴支撑件(4)及垂直粉末喷嘴(5)，可摆动侧向激光筒(1)安装在垂直固定激光筒(2)的一端，绕其轴线可往复摆动，可摆动侧向激光筒(1)与设有垂直粉末喷嘴(5)的粉末喷嘴支撑件(4)偏置设置；垂直固定激光筒(2)通过平行四边形机构(3)与粉末喷嘴支撑件(4)相连接，可摆动侧向激光筒(1)通过连杆(33)与平行四边形机构(3)相连，驱动粉末喷嘴支撑件(4)沿平行于垂直固定激光筒(2)的轴线上下往复移动；可摆动侧向激光筒(1)发出的聚焦激光与垂直粉末喷嘴(5)发出的聚焦粉末重合于汇聚点(6)。 

2.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述可摆动侧向激光筒(1)上设有蜗轮(7)，与伺服电机(9)连动的蜗杆(8)位于蜗轮(7)的一侧、与蜗轮相啮合，通过蜗轮(7)与蜗杆(8)的转动副变成可摆动侧向激光筒(1)绕其轴线的往复摆动。 

3.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述可摆动侧向激光筒(1)的激光筒长度为平行四边形机构(3)中连架杆长的1/3。 

4.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述垂直粉末喷嘴(5)由外层冷却水腔外壁(25)、粉末腔外壁(16)及粉末腔内壁(18)组成，外层冷却水腔外壁(25)套接在粉末腔外壁(16)上，两者之间为外层冷却水腔(12)，粉末腔外壁(16)与粉末腔内壁(18)螺纹连接，两者之间为粉末腔(15)，粉末腔内壁(18)内为中心冷却水腔(21)；在外层冷却水腔外壁(25)及粉末腔外壁(16)上分别开有外层冷却水输入口(13)及粉末输入口(14)，在粉末腔外壁(16)上还设有载气卸荷口(23)；粉末腔内壁(18)上设有延伸到中心冷却水腔(21)底部的中心冷却水输入口(17)，以及中心冷却水输出口(20)。 

5.按权利要求4所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述外层冷却水腔外壁(25)、粉末腔外壁(16) 及粉末腔内壁(18)的底部均为倒置锥台形，三者之间形成的各个腔的底部均为倒置锥台形。 

6.按权利要求4所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述粉末腔(15)的出口为间距可调的环形。

7.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述可摆动侧向激光筒(1)内设有聚焦反射镜(10)及平面反射镜(11)。

8.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述垂直粉末喷嘴(5)垂直于基体(27)。

9.按权利要求1所述的金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置，其特征在于：所述可摆动侧向激光筒(1)输出的激光光斑在低功率下为正方形，在高功率下近似为圆形。 

Images