CN106583920B - 激光熔覆装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆装置，用以将该入射光束转换以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光熔覆装置包括支撑架及设置在所述支撑架上的锥形反射扩散镜和反射聚焦组件，所述锥形反射扩散镜将入射光束扩束并沿该锥形反射扩散镜的圆周方向上反射以形成反射光束；所述反射聚焦组件包括反射聚焦面和反射面；所述反射聚焦面接收部分所述反射光束再反射形成聚焦光束，至基材上形成聚焦光斑，以熔化位于所述聚焦光斑内的被熔覆材料，进而在所述基材上形成熔池；所述反射面接收部分所述反射光束再反射形成预热光束，预热光束对位于基材上方的被熔覆材料预热，和/或预热光束对基材进行预热和缓冷。

Description

激光熔覆装置

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆装置，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。现预热缓冷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，从而带来预热缓冷温度的变化，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粉末进行预热缓冷；中国专利申请第CN201380036006.8号提出了对丝材进行熔覆和预热缓冷，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，采用熔覆和预热缓冷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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔覆装置，用以将该入射光束转换以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光熔覆装置包括支撑架及设置在所述支撑架上的锥形反射扩散镜和反射聚焦组件，所述锥形反射扩散镜将入射光束扩束并沿该锥形反射扩散镜的圆周方向上反射以形成反射光束；所述反射聚焦组件包括反射聚焦面和反射面；所述反射聚焦面接收部分所述反射光束再反射形成聚焦光束，至基材上形成聚焦光斑，以熔化位于所述聚焦光斑内的被熔覆材料，进而在所述基材上形成熔池；所述反射面接收部分所述反射光束再反射形成预热光束，所述预热光束对位于所述基材上方的被熔覆材料预热，同时所述预热光束对所述基材进行预热和缓冷。

进一步的：述反射聚焦面和反射面沿所述锥形反射扩散镜的高度方向上上下排布。

进一步的：所述反射聚焦面呈喇叭口。

进一步的：所述反射面呈喇叭口。

进一步的：所述反射聚焦面、所述反射面呈不同的锥度。

进一步的：所述反射聚焦面的面积大于反射面的面积。

进一步的：所述反射聚焦面和反射面为一体式结构，或者，所述反射聚焦面和反射面分别为单独个体。

进一步的：所述锥形反射扩散镜和反射聚焦组件内均设置有光路冷却系统。

进一步的：所述锥形反射扩散镜具有第一镜面部和第二镜面部，所述第一镜面部、第二镜面部沿所述锥形反射扩散镜的高度方向上上下排布，所述第一镜面部、所述第二镜面部分别为两个不同锥角的圆锥侧面，所述第一镜面部将入射光束扩束并反射至所述反射聚焦面，所述第二镜面部将入射光束扩束并反射至反射面。

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；或者所述第一镜面部和所述第二镜面部分别为单独个体。

本发明的有益效果在于：本发明的激光熔覆装置具有如下优点：

1、由于锥形反射扩散镜将入射光束扩束并反射至反射聚焦组件内，然后由反射聚焦组件将其形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、在该激光熔覆装置运行时，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；

4、由于采用锥形反射扩散镜，通过该锥形反射扩散镜可以将入射光束扩束，从而有助于提高入射光束的利用率。

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熔覆装置的使用状态图；

图2为图1所示的激光熔覆装置的部分分解图；

图3为图1所示的激光熔覆装置的剖视图；

图4为图1中下支撑架的结构示意图；

图5为图4所示的下支撑架于另一视角上的结构示意图；

图6为图1中锥形反射扩散镜的结构示意图；

图7为图1中反射聚焦组件的结构示意图；

图8为另一种锥形反射扩散镜的结构示意图。

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3，本发明一实施例所示的一种激光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(未标号)，本实施例中，该被熔覆材料丝材。所述激光熔覆装置包括支撑架1、设置在所述支撑架1上的锥形反射扩散镜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4。所述锥形反射扩散镜2将入射光束10扩束并沿该锥形反射扩散镜2的圆周方向上反射以形成反射光束40，该反射光束40进入反射聚焦组件3内。所述反射聚焦组件3包括反射聚焦面31和反射面32，所述反射聚焦面31接收部分所述反射光束40再反射形成聚焦光束201，至基材30上形成聚焦光斑(未标号)，以熔化位于所述聚焦光斑内的被熔覆材料，进而在所述基材30上形成熔池(未图示)；所述反射面32接收部分所述反射光束40再反射形成预热光束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2至图5，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组件安装部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，所述反射聚焦组件安装部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组件安装部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，所述反射聚焦组件3安装在所述反射聚焦组件安装部112上，所述固定件113包括相背设置的锥形反射扩散镜安装面1131和中间轴安装面1132，所述锥形反射扩散镜2固定在锥形反射扩散镜安装面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位于锥形反射扩散镜2下方，所述喷嘴4安装在该中间轴13上。所述固定件113与上支撑架安装部111不相接。在本实施例中，所述预热光束202和熔覆光束201围设形成有中空无光区50，所述喷嘴4位于中空无光区50内，在本实施例中，由于喷嘴4设置在中间轴13上，且位于中空无光区50内，所以，本实施例的激光熔覆装置采用光内送料。所述上支撑架12和下支撑架11围设形成一腔体14，所述反射聚焦组件3、锥形反射扩散镜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。

请参见图6，所述锥形反射扩散镜2为一锥形结构，其具有锥形的反射镜面21。诚然，该锥形反射扩散镜2’还可以为如下结构：请参见图8，所述锥形反射扩散镜2’包括沿所述锥形反射扩散镜2’的高度方向上(该高度方向为图8中箭头a所示方向，为锥形反射扩散镜2’的轴线方向，该高度方向与激光熔覆装置的高度方向一致)上下排布的第一镜面部22’和第二镜面部23’，其中，第一镜面部22’位于第二镜面部23’的上方。所述第一镜面部21、所述第二镜面部22分别为两个不同锥角的圆锥侧面。当使用此种结构的锥形反射扩散镜2’时，该锥形反射扩散镜2’将入射光束扩束并反射分成两束反射光束，该两束反射光束具有反射角度不同，具体如下：所述第一镜面部22’接收部分入射光束且将该部分入射光束扩束并反射至反射聚焦面上，可将由第一镜面部22’扩束并反射形成的光束称之为第一反射光束。所述第二镜面部23’接收部分入射光束且将该部分入射光束扩束并反射至反射面上，可将由第二镜面部23’扩束并反射形成的光束称之为第二反射光束。该第一镜面部和第二镜面部可以形成在一块锥形反射扩散镜上，或者，该第一镜面部、第二镜面部分别为单独个体。

请结合图7并结合图3，所述反射聚焦组件3包括反射聚焦面31和反射面32，所述反射聚焦面31和反射面32沿所述锥形反射扩散镜2的高度方向上(该锥形反射扩散镜2的高度方向与激光熔覆装置的高度方向一致，该高度方向为图6中箭头a所示方向，同锥形反射扩散镜2’的轴线方向)上下排布，反射聚焦面31位于反射面32的上方。在上述结构上，为了便于安装反射聚焦组件3、锥形反射扩散镜2，所述反射聚焦组件的位置中轴线与锥形反射扩散镜的位置中轴线重叠。所述反射聚焦面31相对锥形反射扩散镜2的中轴线的倾斜角度与所述反射面32相对所述锥形反射扩散镜2的中轴线的倾斜角度不相等。在本实施例中，所述反射聚焦面31、反射面32均呈不同锥度的喇叭口。所述反射聚焦面的面积大于反射面的面积。所述反射聚焦面31与反射面32可以为一体结构或者分体式结构(即反射聚焦面31和反射面32分别为单独个体)，在本实施例中，该反射聚焦面31与反射面32为一体结构，以便于安装及使得整体结构更紧凑。所述反射聚焦面31为弧形面，所述反射面32为平面。由于反射聚焦面31为弧形面，所以，部分反射光束40通过该弧形面31反射形成的光束为可以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201，故可以在基材30上形成聚焦光斑；由于反射面32为平面，故部分反射光束40通过该平面32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，其主要对被熔覆材料进行预热，而在预热被熔覆材料的同时，部分预热光束202反射在熔池旁边的基材30上，所以，又可以对基材30起到预热和缓冷的作用。

请参见图3，所述激光熔覆装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架1、锥形反射扩散镜2、反射聚焦组件3降温的光路冷却系统和供冷却介质循环流动以给所述喷嘴4降温的喷嘴冷却系统。诚然，在其他实施方式中，该光路冷却系统和喷嘴冷却系统可以择一存在。所述光路冷却系统包括开设在所述支撑架1内的且供冷却介质通过的第一冷却通道15、开设在所述锥形反射扩散镜2内的且供冷却介质通过的第二冷却通道(未图示)及开设在所述反射聚焦组件3内的且供冷却介质通过的第三冷却通道33。所述第一冷却通道15分别于第二冷却通道和第三冷却通道33连通。

综上所述：本发明的激光熔覆装置具有如下优点：

1、由于锥形反射扩散镜2将入射光束10扩束并反射至反射聚焦组件3内，然后由反射聚焦组件3将其形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基材30的预热光束202，同时该预热光束202又可以对基材30进行缓冷，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、在该激光熔覆装置运行时，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；

4、由于采用锥形反射扩散镜，通过该锥形反射扩散镜可以将入射光束扩束，从而有助于提高入射光束的利用率。

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，其特征在于，所述激光熔覆装置包括支撑架及设置在所述支撑架上的锥形反射扩散镜和反射聚焦组件，所述锥形反射扩散镜将入射光束扩束并沿该锥形反射扩散镜的圆周方向上反射以形成反射光束；所述反射聚焦组件包括反射聚焦面和反射面；所述反射聚焦面接收部分所述反射光束再反射形成聚焦光束，至基材上形成聚焦光斑，以熔化位于所述聚焦光斑内的被熔覆材料，进而在所述基材上形成熔池；所述反射面接收部分所述反射光束再反射形成预热光束，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。

2.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦面和反射面沿所述锥形反射扩散镜的高度方向上上下排布。

3.如权利要求2所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦面呈喇叭口。

4.如权利要求3所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射面呈喇叭口。

5.如权利要求4所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦面、所述反射面呈不同的锥度。

6.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦面的面积大于反射面的面积。

7.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述反射聚焦面和反射面为一体式结构，或者，所述反射聚焦面和反射面分别为单独个体。

8.如权利要求1所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述锥形反射扩散镜和反射聚焦组件内均设置有光路冷却系统。

9.如权利要求1至8项中任意一项所述的激光熔覆装置，其特征在于，所述锥形反射扩散镜具有第一镜面部和第二镜面部，所述第一镜面部、第二镜面部沿所述锥形反射扩散镜的高度方向上上下排布，所述第一镜面部、所述第二镜面部分别为两个不同锥角的圆锥侧面，所述第一镜面部将入射光束扩束并反射至所述反射聚焦面，所述第二镜面部将入射光束扩束并反射至反射面。

10.如权利要求9所述的激光熔覆装置，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所述第二镜面部分别为单独个体。