CN106583726B - 激光多光束熔覆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光多光束熔覆装置，包括分光镜和反射聚焦组件，分光镜包括至少两个第一镜面部和至少两个第二镜面部，第一镜面部和第二镜面部沿分光镜的中轴线的圆周方向上间隔排布，第一镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第一反射光束，第二镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第二反射光束，第一反射光束、第二反射光束沿分光镜的中轴线的周向反射，第一反射光束的反射角度不同于第二反射光束的反射角度，反射聚焦组件包括反射聚焦镜和反射镜，反射聚焦镜将第一反射光束反射聚焦形成熔覆光束；反射镜将第二反射光束反射形成预热光束。

Description

激光多光束熔覆装置
技术领域
本发明涉及一种激光多光束熔覆装置，属于激光增材制造领域。
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。
在现有技术中，由于激光熔覆的骤冷骤热作用会使加工材料产生大的过热和过冷度，容易引起熔层的开裂。为了解决上述问题，引入预热冷缓技术，基体的预热和熔覆后缓冷可有效降低温度梯度，释放残余热应力。现预热技术较多采用电磁感应、电阻加热等外部热源的方法，对加工件基体进行整体加热，加热温度一般为200—600℃，整体加热有一定的效果，但在大件的修复或3D成形时，加工点的位置变化会造成离加热区的距离变化，从而带来预热温度的变化，另附加装置也显累赘。为了避免上述影响，方法之一是直接采用低密度激光束在熔池前方和后方进行局部随动预热和缓冷，此方法不需采用其他热源及装置。如，美国专利申请第US2009/0283501A1号提出了使用一台激光器输入高密度小圆形光束进行熔覆，另一台激光器输入同轴的低密度大圆形光束进行对被熔覆材料进行预热；中国专利申请第CN201380036006.8号提出了对丝材进行熔覆和预热，该中国专利申请公开了如下内容系统包括高强度能量源和送进器系统，所述高强度能量源被配置来加热至少一个工件以创建熔池，所述送进器系统包括被配置来将消耗品送进到熔池的焊丝送进器。系统还包括感应系统，所述感应系统接收消耗并且在一段消耗品进入熔池之前感应加热那部分消耗品。所述方法包括加热至少一个工件来创建熔池以及将消耗品送进到熔池。所述方法还包括在一段消耗品的进入熔池之前感应加热那部分消耗品。
上述采用主、辅多光束进行随动预热和缓冷的内容大都报道了光路及原理，有的采用仿真方法进行了效果验证，有的用预涂覆方法进行了熔覆。但现有技术中，采用熔覆和预热技术结合的相关专利中存在如下问题：美国专利申请第US2009/0283501A1所公开内容，采用独立的激光器对工件进行预热，会存在如下问题：1、喷头结构非常复杂，成本高；2、喷头体积会很大，无法进入狭小空间展开一些熔覆工作。
中国专利申请第CN201380036006.8号公开的内容，采用电感装置给被熔覆材料进行预热，和熔覆工作完全独立，会存在如下问题：1、喷头结构非常复杂，成本高；2、喷头体积会很大，无法进入狭小空间展开一些熔覆工作；3、丝材是在通道中进行电感加热，在离开通道进入熔池中的这段过程，丝材就失去加热源，丝材上的温度会发生变化，很容易导致丝材位置精度发生变化，很容易对熔覆层表面质量和精度产生影响，甚至导致无法开展熔覆工作；4、电感加热仅仅对丝材进行加热，没有对基体进行加热，仅仅是提高了熔覆效率，没有真正起到降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光多光束熔覆装置，其可以实现同时熔覆和预热两种工艺，其中在预热时，其可以预热基材和被熔覆材料，从而不但可以提高熔覆效率，而且还可以满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率等问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光多光束熔覆装置，用以将该入射光束转换以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光多光束熔覆装置包括分光镜和反射聚焦组件，所述分光镜包括至少两个第一镜面部和至少两个第二镜面部，所述第一镜面部和第二镜面部沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上间隔排布，所述第一镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第一反射光束，所述第二镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第二反射光束，所述第一反射光束、第二反射光束沿所述分光镜的中轴线的周向反射，所述第一反射光束的反射角度不同于所述第二反射光束的反射角度，所述反射聚焦组件包括反射聚焦镜和反射镜，所述反射聚焦镜将所述第一反射光束反射聚焦形成熔覆光束，所述熔覆光束对喷射至基材上的被熔覆材料进行熔覆以形成熔池；所述反射镜将所述第二反射光束反射形成预热光束，所述预热光束对位于所述基材上方的被熔覆材料预热，和/或所述预热光束对所述基材进行预热和缓冷。
进一步的：所述反射聚焦镜和反射镜周向布置在所述分光镜的外侧。
进一步的：每条所述预热光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同；每条所述熔覆光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同。
进一步的：所述反射聚焦镜和反射镜沿所述分光镜的中轴线的圆周方向等间距间隔布置。
进一步的：所述反射聚焦镜的数量与所对应的所述第一镜面部的数量相同，所述反射镜的数量与所对应所述第二镜面部的数量相同。
进一步的：所述反射聚焦镜和反射镜均分别为单独个体。
进一步的：所述第一镜面部的数量为两个，所述第二镜面部的数量为两个。
进一步的：所述第一镜面部和所述第二镜面部形成在一块分光镜上；或者所述反射聚焦镜和反射镜分别为单独个体。
进一步的：所述反射聚焦镜具有接收所述第一反射光束并将入该第一反射光束转化形成熔覆光束的弧形面，所述反射镜具有接收所述第二反射光束并将所述第二反射光束转化形成预热光束的平面。
进一步的：所述弧形面的面积大于所述平面的面积。
本发明的有益效果在于：本发明的激光多光束熔覆装置具有如下优点：
1、由于分光镜具有沿分光镜的中轴线的圆周方向上间隔排布的第一镜面部和第二镜面部，并由该第一镜面部和第二镜面部将入射光束分成两个反射角度不同的第一反射光束、第二反射光束，又通过反射聚焦镜、反射镜将第一反射光束、第二反射光束转换成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束、用以预热被熔覆材料和/或基材的预热光束，从而实现同时熔覆和预热两种工艺，其中，通过预热被熔覆材料以提高熔覆效率，通过预热基材以降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率；
2、将一个入射光束同时转化成熔覆光束、预热光束，从而减小了整体尺寸，使整体结构简单，有助于降低成本；
3、通过反射聚焦镜、反射镜的设置，可有助于纠正第一反射光束和第二反射光束的反射角度，所以，相对来说，该第一反射光束和第二反射光束即使出现偏差，亦可通过调节反射聚焦镜、反射镜的位置实现纠正，所以，其对于分光镜的安装位置误差值有一个较大的包容范围；
4、在该激光多光束熔覆装置运行时，由于预热光束、被熔覆材料及熔覆光束之间位置尺寸不会发生改变，而且其随喷嘴同步运动，从而保证了熔覆工艺稳定，有助于提高熔覆层表面质量和精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的激光多光束熔覆装置的剖视图；
图2为图1所示的激光多光束熔覆装置于另一方向上的剖视图；
图3为图1中部分结构图；
图4为图3于另一方向上的结构图；
图5为图1中支撑架的结构示意图；
图6为图1中支撑架于另一方向上的结构示意图；
图7为图1中分光镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请结合图1至图4并结合图7，本发明一实施例所示的一种激光多光束熔覆装置用以将入射光束10转换以在基材30上熔覆被熔覆材料(未图示)，在本实施例中，该熔覆材料为丝材。所述激光多光束熔覆装置包括支撑架1、设置在所述支撑架1上的分光镜2和反射聚焦组件3及位于所述反射聚焦组件3下方的喷嘴5。所述分光镜2包括两个第一镜面部21和两个第二镜面部22，所述第一镜面部21和第二镜面部22沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上间隔排布。所述第一镜面部21接收部分入射光束10并将该部分入射光束10反射以形成第一反射光束401，所述第二镜面部22接收部分入射光束10并将该部分入射光束10反射以形成第二反射光束402，所述第一反射光束401、第二反射光束402沿所述分光镜2的中轴线的周向反射，所述第一反射光束401的反射角度不同于所述第二反射光束402的反射角度。所述反射聚焦组件3包括反射聚焦镜31和反射镜32，所述反射聚焦镜31将所述第一反射光束401反射聚焦形成熔覆光束202，所述熔覆光束202对喷射至基材30上的被熔覆材料进行熔覆以形成熔池；所述反射镜32将所述第二反射光束402反射形成预热光束202，所述预热光束202对位于所述基材30上方的被熔覆材料进行预热。该预热光束202对被熔覆材料预热时，该预热光束202部分被被熔覆材料遮挡，另一部分未被遮挡，该未被遮挡的部分预热光束202投射至所述基材30以形成光斑，从而对基材30进行预热和缓冷。对基材30的预热、缓冷由熔覆时熔覆路径决定。当然，在其他实施例中，当被熔覆材料为粉末时，其可以仅对基材进行预热和缓冷。
请参见图1至图6，所述支撑架1包括下支撑架11和固定在所述下支撑架11上的上支撑架12，所述下支撑架11包括呈环形结构的上支撑架安装部111、于所述上支撑架安装部111上向上凸伸形成的反射聚焦镜组安装部112、位于所述上支撑架安装部111的中空内的固定件113及连接固定件113和上支撑架安装部111的支撑筋板114，所述反射聚焦镜组安装部112呈环形，所述上支撑架安装部111的外圆直径大于反射聚焦镜组安装部112的外圆直径。所述上支撑架12安装在所述上支撑架安装部111上，所述反射聚焦镜组3安装在所述反射聚焦镜组安装部112上，所述固定件113包括上下相背设置的分光镜安装面1131和中间轴安装面1132，所述分光镜2固定在分光镜安装面1131上。所述中间轴安装面1132上固定有一中间轴13，该中间轴13位于分光镜2下方，所述喷嘴5安装在该中间轴13上。在本实施例中，所述预热光束202和聚焦光束201围设形成有中空无光区50，所述喷嘴5位于中空无光区50内，在本实施例中，由于喷嘴5设置在中间轴13上，且位于中空无光区50内，所以，该激光多光束熔覆装置采用光内送料，且该激光多光束熔覆装置还可减少光损耗。所述上支撑架12和下支撑架11围设形成一腔体14，所述反射聚焦镜组3、分光镜2位于所述腔体14内，所述上支撑架12的上方设置有入射光束开口121。所述固定件113与上支撑架安装部111之间形成有供预热光束202和熔覆光束201穿过的环形中空部115。所述支撑筋板114的投影位于所述环形中空部115内，所述支撑筋板2117与熔覆光束201、预热光束202错开。在本实施例中，该支撑筋板114位于环形中空部115内，该支撑筋板114的数量为四个，四个支撑筋板114将环形中空部115划分成四个弧形区1151，熔覆光束201、预热光束202分别穿过四个弧形区1151。由于熔覆光束201、预热光束202分别穿过四个弧形区1151，所以，该熔覆光束201、预热光束202不与支撑架1相交，故可以防止光损耗。
请参见1、图2及图7，在本实施中，所述第一镜面部21的数量为两个，所述第二镜面部22的数量为两个。两个所述第一镜面部21和两个所述第二镜面部22形成在一块分光镜上(即一体式结构)。诚然，所述第一镜面部21、第二镜面部22可以为其他数量，且两者的数量可以不相同；另外，至少两个第一镜面部21、至少两个第二镜面部22可以均分别为单独个体。
请参见图1至图3，所述反射聚焦镜31和反射镜32周向布置在所述分光镜2的外侧。为了使得熔覆、预热均匀，每条所述预热光束202与所述分光镜2的中轴线的距离相同，且与所述分光镜2的中轴线所形成的夹角大小相同；每条所述熔覆光束201与所述分光镜2的中轴线的距离相同，且与所述分光镜2的中轴线所形成的夹角大小相同。更进一步的，所述反射聚焦镜31和反射镜延32所述分光镜2的中轴线的圆周方向等间距间隔布置。在本实施例中，所述反射聚焦镜31的数量与所对应的所述第一镜面部21的数量相同，所述反射镜32的数量与所对应所述第二镜面部22的数量相同。所述反射聚焦镜31和反射镜32分别为单独个体。在本实施例中，所述反射聚焦镜31具有弧形面311，所述反射镜32具有平面321。所述弧形面311的面积大于平面321的面积。由于反射聚焦镜31具有弧形面311，所以，第一反射光束401通过该弧形面311反射形成的光束为可以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201，故可以对基材30上的被熔覆材料进行熔覆；由于反射镜32具有平面321，故第二反射光束402通过该平面321反射形成的光束为平行光束(即预热光束202)，其不具有熔覆作用，但其可以起到预热的作用，所以其可以对基材30、被熔覆材料进行预热。
综上所述，上述激光多光束熔覆装置具有如下优点：
1、由于分光镜2具有沿分光镜2的中轴线的圆周方向上间隔排布的第一镜面部21和第二镜面部22，并由该第一镜面部21和第二镜面部22将入射光束10分成两个反射角度不同的第一反射光束401、第二反射光束402，又通过反射聚焦镜31、反射镜32将第一反射光束401、第二反射光束402转换成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201、用以预热被熔覆材料和/或基材30的预热光束202，从而实现同时熔覆和预热两种工艺，其中通过预热被熔覆材料以提高熔覆效率，通过预热基材30以降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率；
2、将一个入射光束10同时转化成熔覆光束201、预热光束202，从而减小了整体尺寸，使整体结构简单，有助于降低成本；
3、通过反射聚焦镜31、反射镜32的设置，可有助于纠正第一反射光束401和第二反射光束402的反射角度，所以，相对来说，该第一反射光束401和第二反射光束402即使出现偏差，亦可通过调节反射聚焦镜31、反射镜32的位置实现纠正，所以，其对于分光镜2的安装位置误差值有一个较大的包容范围；
4、在该激光多光束熔覆装置运行时，由于预热光束202、被熔覆材料及熔覆光束201之间位置尺寸不会发生改变，而且其随喷嘴5同步运动，从而保证了熔覆工艺稳定，有助于提高熔覆层表面质量和精度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光多光束熔覆装置，用以将入射光束转换以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光多光束熔覆装置包括分光镜和反射聚焦组件，其特征在于，所述分光镜包括至少两个第一镜面部和至少两个第二镜面部，所述第一镜面部和第二镜面部沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上间隔排布，所述第一镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第一反射光束，所述第二镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第二反射光束，所述第一反射光束、第二反射光束沿所述分光镜的中轴线的周向反射，所述第一反射光束的反射角度不同于所述第二反射光束的反射角度，所述反射聚焦组件包括反射聚焦镜和反射镜，所述反射聚焦镜将所述第一反射光束反射聚焦形成熔覆光束，所述熔覆光束对喷射至基材上的被熔覆材料进行熔覆以形成熔池；所述反射镜将所述第二反射光束反射形成预热光束，所述预热光束对位于所述基材上方的被熔覆材料预热，和所述预热光束对所述基材进行预热和缓冷；
还包括支撑架，所述分光镜和反射聚焦组件设在所述支撑架上，所述反射聚焦组件下方设有喷嘴；所述预热光束和熔覆光束围设形成有中空无光区，所述喷嘴位于中空无光区内，所述熔覆光束、预热光束与所述支撑架不相交。
2.如权利要求1所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦镜和反射镜周向布置在所述分光镜的外侧。
3.如权利要求1或2所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，每条所述预热光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同；每条所述熔覆光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同。
4.如权利要求3所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦镜和反射镜沿所述分光镜的中轴线的圆周方向等间距间隔布置。
5.如权利要求1所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦镜的数量与所对应的所述第一镜面部的数量相同，所述反射镜的数量与所对应所述第二镜面部的数量相同。
6.如权利要求5所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦镜和反射镜均分别为单独个体。
7.如权利要求1所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述第一镜面部的数量为两个，所述第二镜面部的数量为两个。
8.如权利要求1或7所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述第一镜面部和所述第二镜面部形成在一块分光镜上；或者所述第一镜面部和第二镜面部分别为单独个体。
9.如权利要求1所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦镜具有接收所述第一反射光束并将该第一反射光束转化形成熔覆光束的弧形面，所述反射镜具有接收所述第二反射光束并将所述第二反射光束转化形成预热光束的平面。
10.如权利要求9所述的激光多光束熔覆装置，其特征在于，所述弧形面的面积大于所述平面的面积。
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