CN108544092A - 一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，包括激光器接口、用于将实心激光束转换为环形中空光束的环形光束发生装置、送丝管、聚焦镜和密封箱体；所述密封箱体内设有相互连通的传输通道和输出通道，所述传输通道和输出通道不在同一轴线上，且在所述传输通道和输出通道的连接处设有反射镜，所述反射镜将所述环形中空光束引入输出通道，所述聚焦镜设置在输出通道中；所述送丝管沿直线设置在输出通道中，并与所述环形中空光束同轴。本发明的有益效果在于，金属丝由与激光束同轴的位置传输至熔敷位置，提高了金属丝与环形激光束的同轴度；减小了再聚焦时激光束的汇聚角，提升了成形过程中金属丝的稳定性。

Description

一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头
技术领域
本发明涉及激光金属打印领域，具体涉及一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头。
背景技术
随着航空航天、核工业等领域对大型高性能零部件要求的不断提高和需求的持续增长，兼顾精确成形和高性能成性的金属增材制造受到了国内外的广泛关注。激光送丝金属打印具有高材料利用率、高成形效率、高力学性能及环境友好等优点，在高性能零件的制造与修复上具有十分巨大的潜在应用价值。近年来关于激光送丝金属打印的研究明显增多，并取得了显著的成果。但是，当前激光送丝金属打印的研究仍然停留在成形工艺参数对构件组织性能的影响上，其成形构件大多是简单零件(如单道薄壁件)，对于较复杂零件的成形极少涉及。导致这种情况的因素有很多，其中送丝方式是最主要的因素之一。旁轴送丝大大增加了激光送丝金属打印在机械、电气以及控制上的难度，限制了复杂零件的成形复杂度，严重阻碍了激光送丝金属打印的实际应用。
为了避免旁轴送丝的问题，苏州大学的石世宏教授课题组进行了光内同轴送丝激光熔敷设备的开发与工艺研究。专利CN 202367348U提出了一种环形激光光内同轴送丝熔敷成形方案，通过锥形镜将实心激光束转换为环形激光束，再利用环形聚焦镜使环形激光束重新聚焦，并通过送丝管将金属丝送入到环形激光束的中心进行熔化沉积。但是，这种同轴送丝熔敷头存在两点不足：1)激光转变为环形光束之后，再聚焦时光束的汇聚角过大，因此，成形过程中金属丝的热效应变化较大，导致成形过程不稳定；2)由于金属丝是从熔敷头的侧面送入，经过弯折后从喷嘴送出，弯折过程易导致金属丝在离开喷嘴时发生弯曲，从而影响金属丝与环形激光的同轴度，对零件成形造成不良影响。
由于现有的同轴送丝方案尤其是熔敷头对激光的转换方式仍存在不足，因此，进一步研发同轴送丝熔敷头对实际工程应用具有非常重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种新型的同轴送丝熔敷头，使得金属丝由与激光束同轴的位置传输至熔敷位置，保证金属丝在离开喷嘴时不发生弯曲，从而提高构件的成形质量。
本发明提供了一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，包括激光器接口、用于将实心激光束转换为环形中空光束的环形光束发生装置、送丝管、聚焦镜和密封箱体；所述密封箱体内设有相互连通的传输通道和输出通道，所述传输通道和输出通道不在同一轴线上，且在所述传输通道和输出通道的连接处设有反射镜，所述反射镜将所述环形中空光束引入输出通道，所述聚焦镜设置在输出通道中；所述送丝管沿直线设置在输出通道中，并与所述环形中空光束同轴。
优选地，所述环形光束发生装置包括两个锥形镜，所述两个锥形镜的尖部相对。
优选地，所述环形光束发生装置和所述反射镜之间还设有环形光束分裂镜。
优选地，所述密封箱体中还设有输入通道，输入通道的一端与激光器接口相连接，另一端与传输通道相连通，所述输入通道中还设有扩束镜和准直镜。
优选地，所述传输通道和输出通道的夹角为90度。
优选地，所述聚焦镜为凸透镜。
优选地，所述送丝管的外部还套有送气管，送丝管和送气管的端部分别连接有送丝管接口与送气管接口。
优选地，所述输出通道的末端由一保护镜片封闭，所述送丝管的末端同轴地连接有一喷嘴，所述喷嘴延伸到保护镜片以外。
优选地，所述喷嘴设有发热元件并可对金属丝进行加热。
优选地，所述密封箱体外部设有多个水冷模块。
如上所述，本发明的有益效果在于，装置结构紧凑、稳定；金属丝由与激光束同轴的位置传输至熔敷位置，避免了从熔敷头侧面送入金属丝导致的金属丝弯曲问题，提高了金属丝与环形激光束的同轴度；减小了再聚焦时激光束的汇聚角，提升了成形过程中金属丝的稳定性。
附图说明
图1为本发明熔敷头的纵剖图；
图2为本发明熔敷头内部的激光光路示意图；
图3为本发明熔敷头的外部结构示意图。
图4为环形光束分裂镜的结构示意图；
图5为环形中空光束通过环形光束分裂镜时的光路示意图；
图6为环形中空光束通过环形光束分裂镜后产生的两个半圆形中空光束示意图；
元件标号说明
1 激光器接口
101 激光器
102 输入通道
103 传输通道
104 输出通道
2 扩束镜
3 准直镜
4 环形光束发生装置
41 反射镜
42 锥形镜
43 锥形镜
44 反射镜
45 环形光束分裂镜
451 凹痕
452 凸痕
5 密封箱体
6 送丝管接口
61 送丝管
7 送气管接口
71 送气管
8 聚焦镜
9 保护镜片
10 陶瓷连接件
11 喷嘴
12 水冷模块
13 熔池
14 调节装置
15 定位孔
16 螺纹孔
17 外挂件圆盘
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、2所示，本发明提供了一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，包括激光器接口1、用于将实心激光束转换为环形中空光束的环形光束发生装置4、送丝管61、聚焦镜8和密封箱体5。激光器101与激光器接口1相连接并向熔敷头内射出实心激光束。优选地，激光器接口1采用主流IPG或通快激光器接口。
环形光束发生装置4包括设置为尖部相对的小锥形镜42和大锥形镜43。实心激光束通过小锥形镜42时因光的折射转变为锥形中空光束，再通过大锥形镜43转变为环形中空光束。设置环形光束发生装置4的目的是为了实现激光束的整形，将实心激光束转换为环形中空光束，为激光束和金属丝的同轴提供条件。
本发明相较于现有技术的改进之处在于，密封箱体5内设有相互连通，但不在同一轴线上的传输通道103和输出通道104，且两者的连接处设有将环形中空光束引入输出通道104的反射镜41，输出通道104中还设有聚焦镜8。送丝管61沿直线设置在输出通道104中，并与环形中空光束同轴。
如图1、2所示，在本发明的一个优选方案中，传输通道103和输出通道104的夹角设为90度，反射镜41的倾斜角为45度，聚焦镜8为凸透镜。传输通道103中的环形中空光束经反射镜41的反射被引入输出通道104，并通过聚焦镜8后在熔池13处聚焦。反射镜41和聚焦镜8的中心开设有通孔，送丝管61沿直线设置并通过这两个通孔，从而保证管内金属丝一直与输出通道104内的环形中空光束同轴，不发生弯曲。优选地，输出通道104的末端由一保护镜片9封闭，送丝管61的末端通过陶瓷连接件10同轴地连接有一喷嘴11，喷嘴11延伸到保护镜片9以外，从而防止外部灰尘进入熔敷头，损坏熔敷头内部的光学元件。
如图1、2所示，送丝管61的外部还进一步地套有送气管71，送丝管61和送气管71的上端延伸到密封箱体5的外部，并分别连接有送丝管接口6与送气管接口7。由送气管71输送的保护气在喷嘴11下方包围金属丝并同轴地喷向熔池13，保护熔池13不被氧化，提高熔池13的质量。
进一步地，传输通道103中还包括如图4所示的环形光束分裂镜45。该环形光束分裂镜45的主体为圆柱体，其中，圆柱体的一端面中部设有一凹痕451，如图5所示，从俯视角度看该端面是由两个斜面相交形成V型凹陷；圆柱体的另一端面中部设有一凸痕452，从俯视角度看该端面是由两个斜面相交形成V型凸出。该环形光束分裂镜45设置于大锥形镜43和反射镜41之间。当环形中空光束从凹痕451所在端面进入环形光束分裂镜45并由凸痕452所在端面射出时，会经过如图5所示的光路变换，转变为如图6所示的两个半圆形中空光束。这两个半圆形中空光束避让开送丝管61和送气管71，避免激光束直射送丝管61导致送丝管61或其中的金属丝变形甚至熔化。
此外，由于通常使用的金属丝材料，如不锈钢等都对激光有一定的反射率，为提高金属丝对激光的吸收率并降低激光器功率，喷嘴11可优选地设有发热元件并对金属丝进行加热，如采用铜嘴，最高可将丝材加热至400℃，有效地提高了金属丝的激光吸收率并降低激光器101的功率，从而降低生产成本。喷嘴11的升温方式具体为元件自身加热或外部电阻元件加热。
在本发明的一个优选方案中，密封箱体5内还设有输入通道102，输入通道102的一端与激光器接口1相连接，另一端与传输通道103相连通。输入通道102可以设置为与传输通道103水平相连，也可以设置为呈90度夹角并在连接处设有反射镜44，从而将实心激光束由输入通道102引入传输通道103。
如图1、2所示，输入通道102中还设有扩束镜2和准直镜3。设置扩束镜2主要是为了光学元件的安全和稳定性考虑。通常情况下，为了提高激光转化效率，激光器101的振荡光束口径都比较小，光束尺寸小则整体能量密度大，熔敷头中光学元件承受的能量密度也因此增大，而元件表面膜层以及体内吸收带来的热效应对元件性能的影响就不可忽略，甚至可能引起元件灾难性破坏。通过对激光器101射出的激光束进行扩束处理，选择合适的光束直径后再进行传输处理，可以有效地降低激光束的能量密度，减轻光学元件的负担。
如图3所示，优选地，在扩束镜2和聚焦镜8处还设有调节装置14，调节装置14优选地为调整螺栓，以方便使用过程中从外部调节扩束镜2和聚焦镜8的位置，保证两者与激光束的同轴度。
熔敷头外部为密封箱体5，密封箱体5优选地采用铝合金材料，保证在严格无尘和安全无害的环境内使用光学镜片和激光。进一步地，密封箱体5上设有多处水冷模块12对各处光学元件进行有效冷却，避免因长时间工作聚集的高热量引起元件的灾难性损伤。
如图3所示，密封箱体5上还设有定位孔15和螺纹孔16，通过定位销与定位孔15的配合可以准确地确定密封箱体5的固定位置，通过螺丝和螺纹孔16的配合将熔敷头固定安装在相应的机床孔位上。进一步地，密封箱体5的末端连接有外挂件圆盘17，用于安装传感器、保护气体装置等所需外挂件。
本发明的同轴送丝熔敷头经过如图2所示光路变换，将激光器101射出的实心激光束转换为尺寸一定的环形中空光束，使金属丝材从中空部分同轴穿过，避免了从熔敷头侧面送入金属丝导致的金属丝弯曲问题，提高了金属丝与环形激光束的同轴度。经聚焦镜8汇聚的激光束更加贴合由喷嘴11输出的金属丝，有效减小了再聚焦时激光束的汇聚角，提升了成形过程中金属丝的稳定性。此外，本发明根据激光器101的特性，实现激光束的扩束及准直，并通过与水冷模块12的配合，尽可能降低传输损耗以及光路元件损伤的风险。整个熔敷头结构紧凑、稳定，安全，散热。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，包括激光器接口(1)、用于将实心激光束转换为环形中空光束的环形光束发生装置(4)、送丝管(61)、聚焦镜(8)和密封箱体(5)；其特征在于，所述密封箱体(5)内设有相互连通的传输通道(103)和输出通道(104)，所述传输通道(103)和输出通道(104)不在同一轴线上，且在所述传输通道(103)和输出通道(104)的连接处设有反射镜(41)，所述反射镜(41)将所述环形中空光束引入输出通道(104)，所述聚焦镜(8)设置在输出通道(104)中；所述送丝管(61)沿直线设置在输出通道(104)中，并与所述环形中空光束同轴。
2.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述环形光束发生装置(4)包括两个锥形镜(42、43)，所述两个锥形镜(42、43)的尖部相对。
3.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述环形光束发生装置(4)和所述反射镜(41)之间还设有环形光束分裂镜(45)。
4.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述密封箱体(5)中还设有输入通道(102)，输入通道(102)的一端与激光器接口(1)相连接，另一端与传输通道(103)相连通，所述输入通道(102)中还设有扩束镜(2)和准直镜(3)。
5.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述传输通道(103)和输出通道(104)的夹角为90度。
6.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述聚焦镜(8)为凸透镜。
7.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述送丝管(61)的外部还套有送气管(71)，送丝管(61)和送气管(71)的端部分别连接有送丝管接口(6)与送气管接口(7)。
8.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述输出通道(104)的末端由一保护镜片(9)封闭，所述送丝管(61)的末端同轴地连接有一喷嘴(11)，所述喷嘴(11)延伸到保护镜片(9)以外。
9.根据权利要求8述的熔敷头，其特征在于，所述喷嘴(11)设有发热元件并可对金属丝进行加热。
10.根据权利要求1所述的熔敷头，其特征在于，所述密封箱体(5)外部设有多个水冷模块(12)。
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