CN101733550B - 一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法，其特征在于：通过光路变换，用圆锥镜将激光器发射的实心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，送粉送丝和保护气复合喷嘴置于该无光区内并与环锥形光束同轴线，送丝孔居中，平行送粉孔包围送丝孔，准直保护气孔平行包围送粉孔，丝材通过送丝孔与光束同轴垂直于加工面送入熔池，气载粉末通过送粉孔同步送入熔池，准直保护气包围粉束平行吹向熔池。本发明通过设置粉丝气复合喷嘴，实现了粉丝气复合熔覆，解决了现有技术中存在的不足。

Description

一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置。
背景技术
在高能束激光熔覆制造技术中，有一个关键技术，即将激光和金属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。材料在聚焦光斑内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成小熔池，连续移动的小熔池不断完成熔池内材料的快速熔化和凝固过程，从而形成连续的熔道。
目前，现有技术中最为成熟的就是同步送粉激光熔覆技术，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个送粉喷嘴的结构方案。近来，由于送丝熔覆具有材料价格低廉、丝材无发散利用率高、送丝过程易于控制等优点，同步送丝激光熔覆成形逐渐成为新的研究热点。送丝方法也是将单根送丝管布置在实心聚焦光束的一侧，丝材相对光束轴线倾斜送进并在熔池附近进入熔池。上述送粉或送丝工艺可称之为“光外送料”，综合送粉与送丝的特点，出现了一种送粉送丝复合熔覆成形方法，其基本原理参见图1：在实心聚焦光束的周末，布置了数根送粉管，从各送粉管喷射的多路粉束均匀朝聚熔池倾斜，并在光束熔池附近汇聚。单根送丝管则在光束的某一侧倾斜布置，丝材在熔池附近进入熔池，成形过程所需的惰性保护气则在粉束中心与光束同轴喷出。研究证明：与单独送粉相比，其沉积率大大增加，熔池吸收的能量比高，孔隙少20％-30％；与单独送丝相比，熔道凹凸度减低，平整率提高。在大中型金属件快速熔覆堆积成型中，粉丝复合熔覆成形方法更具有沉积率高、成型精度较好的优势，粉丝复合激光熔覆成形在大面积厚层激光熔覆、修复、焊接，特别在大中型金属件的三维实体快速成形制造等领域有广泛的应用前景。
然而，现有的同步送粉或送丝以及粉丝复合激光熔覆方法存在以下不足：
(1)能量分布不合理。由于光斑为聚焦实心光斑，熔池中部温度偏高，熔池中心与边缘的温度和张力差都较大，造成熔池熔体对流强烈，凝固后的熔层表面凹凸较大；而且，扫描时沿扫描线宽上中部辐照时间长，吸收能量多，而两侧扫描辐照时间短，吸收能量少，熔层与邻层、下层的搭接处出现熔不透、裂纹等缺陷。特别对于送丝工艺而言，侧向送丝方式使得丝材为单边受到激光辐照，造成材料受热不均，功耗增加并且熔层质量下降。
(2)粉、丝送进轨迹不合理。多粉束从实心光束外侧倾斜送进光斑，各粉束在汇聚点相交发生碰撞，汇聚点粉斑大，保护喷头内腔与镜片的下吹气体使汇聚粉束散开，有的另加包围粉束斜吹的熔池保护气也会使多粉束加剧碰撞而发散。一般送入熔池的粉束很少，粉末沉积率只有10％～30％左右，粉束分为上部未汇聚区，中部汇聚区和下部发散区。加工中当喷头相对加工面距离不准确或上下有波动变化时，粉斑面积变大和变形，熔池捕获的粉量会急剧减少，熔池粉末吸收的比光能随之变化，使熔池物理冶金过程不稳定，同时造成熔层层厚变化。未进入熔池的余粉飞溅且污染环境，喷射在运动熔池周围的部分余粉会粘结，造成凝固表面物理缺陷和粗糙度增大。同样，丝材送进时也必须在工件表面与光束熔池位置与之相交重合，其交点又应限制在熔池表面上下一块很小的区域内，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时，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的融化过程断续进行，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熔池与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。
(3)扫描方向性的影响。由于丝材倾斜进入熔池，上方受到光束照射、下方受到熔池热传导和辐射，各种热作用不对称、不均匀。特别当熔覆中不可避免的出现方向性变化，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，这对复杂型面堆焊特别是三维直接快速成型等工艺而言，影响尤为突出，严重时熔覆的连续性或熔道质量都很难保证。
此外，现有粉丝复合熔覆方法中，送粉部分和送丝部分的结构相互分离，使用中需要分别调整多个送粉嘴和送丝嘴的对准方法，调整困难。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法，通过光路变换，用圆锥镜将激光器发射的实心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，送粉送丝和保护气复合喷嘴置于该无光区内并与环锥形光束同轴线，复合喷嘴的送丝孔居中，平行送粉孔包围送丝孔，准直保护气孔平行包围送粉孔，丝材通过送丝孔与光束同轴垂直于加工面送入熔池，气载粉末通过送粉孔同步送入熔池，准直保护气包围粉束平行吹向熔池。
一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，包括筒体，所述筒体上方开设有入光口，所述筒体下方设有下锥套，其下方开设有出光口，所述筒体内部中心经支撑架固定有圆锥镜，其镜面朝向入光口，所述筒体内壁上固定设有环形聚焦镜，其镜面与所述圆锥镜镜面相对，所述圆锥镜、支撑架及环形聚焦镜与筒体的入光口及出光口同轴，所述支撑架下方固定设有粉丝气复合喷嘴，所述粉丝气复合喷嘴为三层复合结构，内层为送丝管，中间层为送粉管，外层为送气管，三者出口相互平行，所述粉丝气复合喷嘴与所述圆锥镜及环形聚焦镜同轴。
上文中，所述筒体上方有入光口，下锥套下方有出光口，所述圆锥镜可将入射的实心光束变换为环形光束，所述环形聚焦镜可将上述环形光束反射聚焦成为环锥形光束。圆锥镜安装于一个固定在筒体内部的支撑架的中心，其圆锥镜面相对入光口方向构成45°夹角。所述环形聚焦镜直接固定于筒体内壁上，其镜面与圆锥镜的镜面相对，工作中将圆锥镜反射光束朝向下锥套下部出光口反射为一环锥形光束，并在出光口外某一位置聚焦，工作中加工表面一般位于聚焦熔池处或稍微离焦的位置。所述粉丝气复合喷嘴固定于支撑架下方，复合喷嘴上的粉、丝、气出口相互平行，为三层包围结构，中心为送丝孔，周边3-4个或更多送粉孔，在外围为一圈送气管，送丝管、送粉管及送气管均垂直朝向下锥套出光口。
进一步的技术方案，所述支撑架由内圈、外圈及至少两根筋条构成，所述外圈设于所述筒体内壁上，经筋条与所述内圈连接，所述内圈上设有圆锥镜，所述筋条的迎光面设有吸光层，所述筋条内部设有冷却水道。所述外圈固定在筒体内壁上，通过筋条连接内圈，工作中环锥形聚焦光在外圈和内圈之间通过，而期间的筋条处于光线照射区，为避免筋条反射光线和过热，在筋条上方的迎光面上涂镀有吸光层，并在其内部设置了循环冷却水道吸热。而光外的粉末等材料和气体均可通过筋条下方由环形光外进入光内，从而有效避开光照，进而进入粉丝气复合喷嘴。
进一步的技术方案，所述送丝管贯穿所述筒体从筒体上部进入，穿过所述圆锥镜与环形聚焦镜间的空隙，直至所述圆锥镜下方后伸入复合喷嘴内并与圆锥镜同轴，所述送丝管迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道。由于丝材不能过度弯曲，因而送丝管从筒体上部插入，从圆锥镜与环形聚焦镜之间通过后，由粉丝气复合喷嘴上端进入。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层，并在其内部设置冷却水道吸收光束热量。
进一步的技术方案，所述送粉管为L型，其水平段贯穿筒体从筒体侧面进入，设置于所述筋条下方伸入复合喷嘴内，所述送粉管迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道。送粉管由筒体外部经筒体上的小孔分别进入支撑架的筋条下部，紧贴筋条下部至支撑架内圈到达粉丝气复合喷嘴上端，然后进入复合喷嘴。
进一步的技术方案，所述送气管为L型，其水平段贯穿筒体从筒体侧面进入，设置于所述筋条下方伸入复合喷嘴内。
本发明的工作原理为：用圆锥镜将激光器发射出的实心激光束扩束变换为环形光束，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，粉丝气复合喷嘴置于此无光区并且与环锥形光束同轴线。粉丝气复合喷嘴的结构为送丝管居中，送粉管紧紧包围送丝管，而准直保护气送气管又平行包围送丝管。工作中丝材在环锥形光束中心通过复合喷嘴中心的送丝管垂直于加工面送入熔池，丝材在接近光束熔池处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与熔池热传导等的共同作用下被加热并熔化而进入熔池；气载粉末等过复合喷嘴上的送粉管包围丝材被同步送入熔池，而准直保护气包围粉束吹出，使粉束不发散而平行于丝材喷入熔池，熔入基材表面熔池中的丝材和粉末与少量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不断凝固而形成熔道。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明通过光路变换，将原实心光束转变为中空光束，此光束在聚焦面上为实心光斑，中空环形光束改变了光斑内沿径向的光强分布，可弱化中心，加大光斑周边光强，使扫描辐照光强呈鞍型分布，使熔池温度趋于合理化，克服实心光扫描时熔道两侧欠熔的不足；
2.本发明中粉丝气复合喷嘴置于环形聚焦光束中空部位并与光束同轴线，加工中丝材、粉材、准直保护气从复合喷嘴下端平行同轴喷出，与聚焦光束平行同轴被正向送入光斑中心，丝材、粉材、准直保护气和环形光束均匀对称包围，实现了光内同轴复合送粉送丝熔覆沉积，有效保证了光粉丝气耦合稳定，熔层质量好，沉积率明显提高；
3.复合喷嘴的丝、粉、气喷嘴一体集成，比原来侧向分离式送粉送丝装置中丝、粉、气三体分离装置在结构上更为紧凑，加工时三者不需要对位调整，送粉的粉束轨迹和丝材的送进方位、姿态不会因加工过程中的动作而引起粉量、载气量的变化而受到影响；
4.正向单粉束为直线状，方向一致，不会相交碰撞和发散，粉末沉积率提高，发散余粉和成形面粘附颗粒减少，光粉耦合精度的提高促使物理热耦合效应提高，熔层层厚稳定，其表面形貌和粗糙度明显改善，环境污染减小。
附图说明
图1为现有技术中实心光广外送粉送丝方法的示意图；
图2为本发明实施例一中光内送粉送丝复合熔覆的示意图；
图3为本发明实施例一中光内送粉送丝复合熔覆装置的结构示意图。
其中：1、实心光束；2、送粉嘴；3、送丝嘴；4、粉末；5、丝材；6、工件；7、工作台；8、保护气；9、熔池；10、环形光束；11、粉丝气复合喷嘴；12、粉末；13、准直保护气；14、丝材；15、熔池；16、入射激光束；17、筒体；18、下锥套；19、圆锥镜；20、环形聚焦镜；21、支撑架；22、环锥形聚焦光束；23、送丝管；24、送粉管；25、送气管；26、入光口；27、出光口；28、锥形中空无光区；29、加工表面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图2所示，一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法，通过光路变换，用圆锥镜将激光器发射的实心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，送粉送丝和保护气复合喷嘴置于该无光区内并与环锥形光束同轴线，送丝孔居中，平行送粉孔包围送丝孔，准直保护气孔平行包围送粉孔，丝材通过送丝孔与光束同轴垂直于加工面送入熔池，气载粉末通过送粉孔同步送入熔池，准直保护气包围粉束平行吹向熔池。
实现上述方法的一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，包括筒体17，所述筒体17上方开设有入光口26，所述筒体17下方设有下锥套18，其下方开设有出光口27，所述筒体17内部中心设有支撑架21，所述支撑架21由内圈、外圈及两根筋条构成，所述外圈设于所述筒体17内壁上，经筋条与所述内圈连接，所述内圈上设有圆锥镜19，其镜面朝向入光口26，所述筋条的迎光面设有吸光层，所述筋条内部设有冷却水道；所述筒体17内壁上固定设有环形聚焦镜20，其镜面与所述圆锥镜19镜面相对，所述圆锥镜19、支撑架21及环形聚焦镜20与筒体17的入光口26及出光口27同轴，所述支撑架21下方固定设有粉丝气复合喷嘴11，所述粉丝气复合喷嘴11为三层复合结构，内层为送丝管23，中间层为送粉管24，外层为送气管25，三者出口相互平行，所述粉丝气复合喷嘴11与所述圆锥镜19及环形聚焦镜同轴20；所述送丝管23贯穿所述筒体17从筒体上部进入，穿过所述圆锥镜19与环形聚焦镜20间的空隙，直至所述圆锥镜19下方后与圆锥镜同轴，所述送丝管23迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道；所述送粉管24及送气管25为L型，其水平段贯穿筒体17从筒体侧面进入，分别设置于所述两根筋条下方伸入复合喷嘴内，所述送粉管24迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道。
工作时，圆锥镜19将入射激光束16扩束反射至环形聚焦镜20的环形镜面上，环形镜面进而将扩束光发反射成环锥形聚焦光束22，环锥形聚焦光束22中心形成一锥形中空无光区28，环锥形聚焦光束22在出光口27的下方聚焦，形成熔池15。送丝管23内的金属丝材14、送粉管24内的金属粉末12以及送气管25内的准直保护气13在粉丝气复合喷嘴11的下端一同平行喷出，其中，金属丝材14居中，金属粉末12包围金属丝材14，准直保护气13又包围金属粉末12。金属丝材，金属粉末在准直保护气的包围准直作用下垂直加工表面29进入熔池15，在聚焦光束的照射和熔池15内熔体材料的热作用下迅速熔化而不断形成为熔池内的熔体，随着整个光头相对加工表面的扫描移动，熔池15中的熔体在加工表面连续凝固而形成熔道。

Claims (6)

1.一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法，其特征在于：通过光路变换，用圆锥镜将激光器发射的实心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，送粉送丝和保护气复合喷嘴置于该无光区内并与环锥形光束同轴线，复合喷嘴中的送丝孔居中，送粉孔平行包围送丝孔，准直保护气孔平行包围送粉孔，丝材通过送丝孔与光束同轴垂直于加工面送入熔池，气载粉末通过送粉孔同步送入熔池，准直保护气包围粉束平行吹向熔池。
2.一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，包括筒体(17)，所述筒体(17)上方开设有入光口(26)，所述筒体(17)下方设有下锥套(18)，下锥套下方开设有出光口(27)，所述筒体(17)内部中心经支撑架(21)固定有圆锥镜(19)，其镜面朝向入光口(26)，所述筒体(17)内壁上固定设有环形聚焦镜(20)，其镜面与所述圆锥镜(19)镜面相对，所述圆锥镜(19)、支撑架(21)及环形聚焦镜(20)与筒体(17)的入光口(26)及出光口(27)同轴，其特征在于：所述支撑架(21)下方固定设有粉丝气复合喷嘴(11)，所述粉丝气复合喷嘴(11)为三层复合结构，内层为送丝管(23)，中间层为送粉管(24)，外层为送气管(25)，三者出口相互平行，所述粉丝气复合喷嘴(11)与所述圆锥镜(19)及环形聚焦镜(20)同轴。
3.根据权利要求2所述的一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，其特征在于：所述支撑架(21)由内圈、外圈及至少两根筋条构成，所述外圈设于所述筒体(17)内壁上，经筋条与所述内圈连接，所述内圈上设有圆锥镜(19)，所述筋条的迎光面设有吸光层，所述筋条内部设有冷却水道。
4.根据权利要求2所述的一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，其特征在于：所述送丝管(23)贯穿所述筒体(17)从筒体上部进入，穿过所述圆锥镜(19)与环形聚焦镜(20)间的空隙，直至所述圆锥镜(19)下方后伸入所述复合喷嘴内并与圆锥镜同轴，所述送丝管(23)迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道。
5.根据权利要求3所述的一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，其特征在于：所述送粉管(24)为L型，其水平段贯穿筒体(17)从筒体侧面进入，设置于所述筋条下方伸入所述复合喷嘴内，所述送粉管(24)迎光面设有吸光层，内部设有冷却水道。
6.根据权利要求3所述的一种送丝送粉复合激光熔覆成形的装置，其特征在于：所述送气管(25)为L型，其水平段贯穿筒体(17)从筒体侧面进入，设置于所述筋条下方伸入所述复合喷嘴内。
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