CN108607993A - 一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置 - Google Patents

Abstract

一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，包括：架体；粉末带电装置，包括用于使粉末带电的加电单元以及用于输送带电粉末的送粉单元，其中加电单元设置在粉管的上游进粉口处，送粉单元的粉管下游出粉口通过粉管位置调节装置设置在架体下部；粉管位置调节装置，沿周向设置在架体下部；磁束粉装置，配装在粉管下游出粉口处，具有可使带电粉末发生偏转的磁场；激光发射单元，其激光头设置在架体上，并且激光头的出光口对准经粉管送出的带电粉末汇聚焦点处。本发明的有益效果是：极大提高粉末流的汇聚性，对改善送粉式激光增材制造技术的成型质量有很大帮助；可以在原有的激光器上进行改造，从而降低了成本。

Description

一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置

技术领域

本发明涉及一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置。

背景技术

自激光增材制造的概念提出以来,激光增材制造技术不断发展。由于其具有能够成形复杂、组织性能优良的零件、加工材料种类多、柔性化程度高等优点，激光增材制造技术可广泛的应用于复杂零件直接制造。但是激光增材制造过程中伴随着激光束、粉末以及熔池形貌之间复杂的相互作用，这就使得增材制造过程的控制比较复杂。目前,激光增材制造高性能的金属零部件技术主要有两种典型的方法,一种是基于同步送粉的激光熔覆沉积技术,另一种是基于预置铺粉的激光选区熔化技术。但是,上述两种技术由于其成形方式以及工艺参数的差别,从而使二者在熔池形貌、冷却速率、凝固组织以及力学性能等若干材料成形基础方面存在着较大的差异。激光选区熔化技术虽然成型精度较高，成型的机械性能较好，但是成型的尺寸受限，不易成型尺寸大的零件。同步送粉的激光熔覆沉积技术能够成型较大尺寸的零件，并且相对于激光选区熔化技术有一定的优势。在采用同步送粉的激光熔覆沉积技术进行激光增材制造过程中，许多参数会影响成型件的质量和性质。而粉末流是影响成型件成型和成性的关键因素之一。由于同步送粉是以载气来输送粉末，因此在粉管出口，粉末流的发散性比较大。

目前在同步送粉方面，很多人通过对送粉装置、喷嘴形状进行改进来提高粉末流的汇聚性，但是粉末流还是比较发散的。因此，若能极大提高粉末的汇聚性对提高激光增材制造过程中的成型质量有比较大的作用。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，通过粉末带电装置使粉末带电，通过磁束粉装置对带电粉末流进行约束，能够提高粉末的汇聚性，从而提高粉末的利用率，使成型件的成型质量得到进一步提升。

本发明所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于，包括：

架体；

粉末带电装置，包括用于使粉末带电的加电单元以及用于输送带电粉末的送粉单元，其中加电单元设置在粉管的上游进粉口处，送粉单元的粉管下游出粉口通过粉管位置调节装置设置在架体下部；

粉管位置调节装置，沿周向设置在架体下部，用于调整粉管下游出粉口位置，使粉末与激光发射单元发出的激光汇聚；

磁束粉装置，配装在粉管下游出粉口处，具有可使带电粉末发生偏转的磁场，用于使得带电粉末在磁场作用下发生偏转以使其汇流至同一焦点；

激光发射单元，其激光头设置在架体上，并且激光头的出光口对准经粉管送出的带电粉末汇聚焦点处，用于对粉管下游出粉口输出的带电粉末进行激光照射。

所述激光发射单元包括用于发射激光的激光控制器、用于传输激光的光纤和用于出光的激光头，激光控制器的发光口通过光纤与激光头的入光口相连；激光头固装在架体上，并且激光头的出光口对准带电粉末的偏转后的焦点处。

所述加电单元包括绝缘板、搅拌器、电极板、静电发生器、摩擦滚轮和壳体，所述壳体从上到下依次划分为用于容纳粉末的粉末区、用于产生静电的摩擦区以及用于输送带电粉末的输送区，粉末区底部设有用于将漏出粉末转移至摩擦区的底部出粉口，其外壁包覆绝缘板，内壁底部贴覆电极板，顶部配装用于搅拌粉末的搅拌器；电极板通过导线与固装在壳体上的静电发生器电连接；摩擦区顶部设有用于与粉末区的底部出粉口连通的顶部进粉口，底部设有用于与粉管上游进粉口连通的底端出粉口，并且摩擦区内安装若干个摩擦滚轮，且摩擦滚轮之间留有用于容纳粉末的间隙；输送区内安装送粉单元，并且送粉单元的粉管上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通。

所述粉末区底部向下渐缩形成锥形结构，并且底端的底部出粉口处配有用于调节粉末漏出速度的流量控制阀。

所述送粉单元包括送粉量控制器和粉管，其中送粉量控制器安装在输送区，送粉量控制器的控制阀设置在粉管的上游进粉口处，用于控制粉管内的送粉量。

所述粉管位置调节装置包括直线轴承固定件、直线轴承、粉管限角块以及粉管固定件，所述直线轴承端部装在架体下部，直线轴承固定件与直线轴承的滑块固接，使得直线轴承固定件与直线轴承的导轨滑动连接；所述粉管限角块固装在直线轴承固定件的底部，其底部倾斜的安装面处安装粉管固定件；粉管固定件上设有用于安装粉管下游出粉口的安装孔，并且粉管下游出粉口喷出的粉末流与激光头射出的激光汇聚于一处。

磁束粉装置包括线圈、隔离架和电流控制装置，所述隔离架设有上下贯通可供粉末通过的轴向通道；线圈设置在隔离架内，且线圈的两端分别通过导线与固定在隔离架上的电流控制装置正负极电连接，使得隔离架内的轴向通道处产生可调控的磁场，用于使得经过轴向通道的带电粉末在下游出粉口处汇聚。

所述架体包括中心用于固定激光头的安装部以及下部用于固定粉管位置调节装置的环形支撑架，所述安装部顶部配装激光头，并且激光头发出的激光贯穿整个轴向通孔后从轴向通孔底部射出；所述环形支撑架沿其周向设置多套粉管位置调节装置，其中每套粉管位置调节装置的直线导轨沿架体径向等距分布。

所述粉管包括主粉管和分管，其中主粉管的一端作为上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通，另一端与分管一端连通，分管另一端作为下游出粉口安装在粉管位置调节装置的粉管固定件上，并且分管的下游出粉口与激光头发出的激光汇聚至同一处焦点。

还包括冷却装置，其中所述冷却装置包括水冷箱和水管，其中水冷箱的出水口与水管一端连通，水管另一端通入架体安装部的冷却腔内，用于对激光头进行降温。

本发明的原理是：激光控制器产生激光，激光通过光纤传输，从激光头传出。静电发生器产生高压静电，其中正极通过导线与电极板相连，使电极板带正电。粉末从外框架的开口处装入。搅拌器搅拌粉末，使粉末不断与带正电的电极板接触，从而使粉末带电。当搅拌时间充分之后，流量控制阀打开，使粉末进入。摩擦滚轮转动，摩擦滚轮之间的粉末与摩擦滚轮摩擦，使粉末摩擦起电，尽量保证粉末流带电。当粉末流带电之后，通过送粉量控制器使输送的送粉量保持稳定。从粉末带电装置出来的粉末流经粉管出来。电流控制器对线圈通电，带电的线圈会产生磁场，电流控制器通过改变电流的大小从而改变磁场的强度。带电粉末从线圈中流过，带电粉末在磁场的作用下，发生偏转，在适宜的磁场强度下，带电粉末会按螺旋状运动，经过磁场后粉末流会汇聚在某一焦点范围内，从而实现粉末流的汇聚。由于采用多束送粉，多束粉末流的交汇处需要调节，因此通过直线轴承的滑块带动直线轴承固定件移动，从而实现调节粉斑。

本发明的有益效果是：相对于其他一些提高粉末流汇聚性的方法，采用磁场束缚带电粉末的方法原理性比较创新，并且能够在一定程度上极大提高粉末流的汇聚性，对改善送粉式激光增材制造技术的成型质量有很大帮助。本发明可以在原有的激光器上进行改造，从而降低了成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的粉管位置调节装置示意图；

图3为本发明的粉末带电装置示意图；

图4为本发明的磁束粉装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，包括：

架体；

粉末带电装置6，包括用于使粉末带电的加电单元以及用于输送带电粉末的送粉单元，其中加电单元设置在粉管的上游进粉口处，送粉单元的粉管下游出粉口通过粉管位置调节装置设置在架体下部；

粉管位置调节装置4，沿周向设置在架体下部，用于调整粉管下游出粉口位置，使粉末与激光发射单元发出的激光汇聚；

磁束粉装置7，配装在粉管下游出粉口处，具有可使带电粉末发生偏转的磁场，用于使得带电粉末在磁场作用下发生偏转以使其汇流至同一焦点；

激光发射单元，其激光头设置在架体上，并且激光头的出光口对准经粉管送出的带电粉末汇聚焦点处，用于对粉管下游出粉口输出的带电粉末进行激光照射。

所述激光发射单元包括用于发射激光的激光控制器1、用于传输激光的光纤2和用于出光的激光头3，激光控制器1的发光口通过光纤2与激光头3的入光口相连；激光头3固装在架体上，并且激光头3的出光口对准带电粉末的偏转后的焦点处。

所述加电单元包括绝缘板61、搅拌器62、电极板63、静电发生器64、摩擦滚轮66和壳体67，所述壳体67从上到下依次划分为用于容纳粉末的粉末区、用于产生静电的摩擦区以及用于输送带电粉末的输送区，粉末区底部设有用于将漏出粉末转移至摩擦区的底部出粉口，其外壁包覆绝缘板61，内壁底部贴覆电极板63，顶部配装用于搅拌粉末的搅拌器62；电极板63通过导线与固装在壳体上的静电发生器电连接；摩擦区顶部设有用于与粉末区的底部出粉口连通的顶部进粉口，底部设有用于与粉管上游进粉口连通的底端出粉口，并且摩擦区内安装若干个摩擦滚轮66，且摩擦滚轮66之间留有用于容纳粉末的间隙；输送区内安装送粉单元，并且送粉单元的粉管上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通。

所述粉末区底部向下渐缩形成锥形结构，并且底端的底部出粉口处配有用于调节粉末漏出速度的流量控制阀65。

所述送粉单元包括送粉量控制器69和粉管44，其中送粉量控制器69安装在输送区，送粉量控制器69的控制阀设置在粉管44的上游进粉口处，用于控制粉管内的送粉量。

所述粉管位置调节装置4包括直线轴承固定件41、直线轴承42、粉管限角块43以及粉管固定件45，所述直线轴承42端部装在架体下部，直线轴承固定件41与直线轴承42的滑块固接，使得直线轴承固定件与直线轴承的导轨滑动连接；所述粉管限角块45固装在直线轴承固定件的底部，其底部倾斜的安装面处安装粉管固定件45；粉管固定件45上设有用于安装粉管下游出粉口的安装孔，并且粉管下游出粉口喷出的粉末流与激光头射出的激光汇聚于一处。

磁束粉装置7包括线圈72、隔离架73和电流控制装置74，所述隔离架设有上下贯通可供带电粉末71通过的轴向通道；线圈设置在隔离架内，且线圈的两端分别通过导线75与固定在隔离架73上的电流控制装置74正负极电连接，使得隔离架73内的轴向通道处产生可调控的磁场，用于使得经过轴向通道的带电粉末71在下游出粉口处汇聚。

所述架体包括中心用于固定激光头的安装部以及下部用于固定粉管位置调节装置的环形支撑架，所述安装部顶部配装激光头，并且激光头发出的激光贯穿整个轴向通孔后从轴向通孔底部射出；所述环形支撑架沿其周向设置多套粉管位置调节装置，其中每套粉管位置调节装置的直线导轨沿架体径向等距分布。

所述粉管44包括主粉管和分管，其中主粉管的一端作为上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通，另一端与分管一端连通，分管另一端作为下游出粉口安装在粉管位置调节装置的粉管固定件上，并且分管的下游出粉口与激光头发出的激光汇聚至同一处焦点。

还包括冷却装置，其中所述冷却装置包括水冷箱9和水管8，其中水冷箱的出水口与水管一端连通，水管另一端通入架体安装部的冷却腔内，用于对激光头进行降温。

激光控制器1产生激光，激光通过光纤2传输，从激光头3传出。静电发生器64产生高压静电，其中正极通过导线与电极板63相连，使电极板63带正电。粉末从外框架67的开口处装入。搅拌器62搅拌粉末，使粉末不断与带正电的电极板接触，从而使粉末带电。当搅拌时间充分之后，流量控制阀65打开，使粉末进入。摩擦滚轮66转动，摩擦滚轮66之间的粉末与摩擦滚轮66摩擦，使粉末摩擦起电，尽量保证粉末流带电。当粉末流带电之后，通过送粉量控制器69使输送的送粉量保持稳定。从粉末带电装置出来的粉末流经粉管5出来。电流控制器74对线圈72通电，带电的线圈72会产生磁场，电流控制器74通过改变电流的大小从而改变磁场的强度。带电粉末71从线圈72中流过，带电粉末71在磁场的作用下，发生偏转，在适宜的磁场强度下，带电粉末71会按螺旋状运动，经过磁场后粉末流会汇聚在某一焦点范围内，从而实现粉末流的汇聚。由于采用多束送粉，多束粉末流的交汇处需要调节，因此通过直线轴承42的滑块带动直线轴承固定件41移动，从而实现调节粉斑。

所述粉管位置调节装置：由于粉末颗粒直径、带电数量的不同，从而在磁场作用下，汇聚点会有所差别，通过粉管位置调节装置，从而实现粉斑汇聚点的变化，实现最优的粉斑状态。

所述粉末带电装置工作原理利用电晕放电的原理以及通过摩擦起电的方式使粉末带电。

所述磁束粉装置：当粉末在磁场的作用下，由于磁场对带电粒子产生洛伦兹力，从而使带电粒子在运动过程中发生偏转，从而使带电粒子在出口处汇聚。

所述直线轴承固定件与直线轴承的滑块相连，这种结构使直线轴承固定件能随直线轴承的滑块移动，方便调试好粉管位置后进行固定。

所述搅拌器采用塑料材质，并采用四分叉结构；这种结构能使搅拌器搅拌粉末的时候充分搅拌，并且搅拌的时候起绝缘的作用。

所述摩擦滚轮间的间隙保持适中，摩擦轮之间的摆放适宜；这种结构使得粉末在流经摩擦滚轮之间充分摩擦，使得粉末经摩擦之后保持继续带电，并且使没带电的粉末经摩擦之后带电。

所述线圈采用多线圈的缠绕方式；这种结构能够使线圈在通电之后产生较大的磁场。

电流控制装置带有电流保护；这种方式使得电流控制装置在为线圈提供电流的同时，能够保证安全。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于，包括：

架体；

粉末带电装置，包括用于使粉末带电的加电单元以及用于输送带电粉末的送粉单元，其中加电单元设置在粉管的上游进粉口处，送粉单元的粉管下游出粉口通过粉管位置调节装置设置在架体下部；

粉管位置调节装置，沿周向设置在架体下部，用于调整粉管下游出粉口位置，使粉末与激光发射单元发出的激光汇聚；

磁束粉装置，配装在粉管下游出粉口处，具有可使带电粉末发生偏转的磁场，用于使得带电粉末在磁场作用下发生偏转以使其汇流至同一焦点；

激光发射单元，其激光头设置在架体上，并且激光头的出光口对准经粉管送出的带电粉末汇聚焦点处，用于对粉管下游出粉口输出的带电粉末进行激光照射。

2.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述激光发射单元包括用于发射激光的激光控制器、用于传输激光的光纤和用于出光的激光头，激光控制器的发光口通过光纤与激光头的入光口相连；激光头固装在架体上，并且激光头的出光口对准带电粉末的偏转后的焦点处。

3.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述加电单元包括绝缘板、搅拌器、电极板、静电发生器、摩擦滚轮和壳体，所述壳体从上到下依次划分为用于容纳粉末的粉末区、用于产生静电的摩擦区以及用于输送带电粉末的输送区，粉末区底部设有用于将漏出粉末转移至摩擦区的底部出粉口，其外壁包覆绝缘板，内壁底部贴覆电极板，顶部配装用于搅拌粉末的搅拌器；电极板通过导线与固装在壳体上的静电发生器电连接；摩擦区顶部设有用于与粉末区的底部出粉口连通的顶部进粉口，底部设有用于与粉管上游进粉口连通的底端出粉口，并且摩擦区内安装若干个摩擦滚轮，且摩擦滚轮之间留有用于容纳粉末的间隙；输送区内安装送粉单元，并且送粉单元的粉管上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通。

4.如权利要求3所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述粉末区底部向下渐缩形成锥形结构，并且底端的底部出粉口处配有用于调节粉末漏出速度的流量控制阀。

5.如权利要求3所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述送粉单元包括送粉量控制器和粉管，其中送粉量控制器安装在输送区，送粉量控制器的控制阀设置在粉管的上游进粉口处，用于控制粉管内的送粉量。

6.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述粉管位置调节装置包括直线轴承固定件、直线轴承、粉管限角块以及粉管固定件，所述直线轴承端部装在架体下部，直线轴承固定件与直线轴承的滑块固接，使得直线轴承固定件与直线轴承的导轨滑动连接；所述粉管限角块固装在直线轴承固定件的底部，其底部倾斜的安装面处安装粉管固定件；粉管固定件上设有用于安装粉管下游出粉口的安装孔，并且粉管下游出粉口喷出的粉末流与激光头射出的激光汇聚于一处。

7.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：磁束粉装置包括线圈、隔离架和电流控制装置，所述隔离架设有上下贯通可供粉末通过的轴向通道；线圈设置在隔离架内，且线圈的两端分别通过导线与固定在隔离架上的电流控制装置正负极电连接，使得隔离架内的轴向通道处产生可调控的磁场，用于使得经过轴向通道的带电粉末在下游出粉口处汇聚。

8.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述架体包括中心用于固定激光头的安装部以及下部用于固定粉管位置调节装置的环形支撑架，所述安装部顶部配装激光头，并且激光头发出的激光贯穿整个轴向通孔后从轴向通孔底部射出；所述环形支撑架沿其周向设置多套粉管位置调节装置，其中每套粉管位置调节装置的直线导轨沿架体径向等距分布。

9.如权利要求8所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：所述粉管包括主粉管和分管，其中主粉管的一端作为上游进粉口与摩擦区的底端出粉口连通，另一端与分管一端连通，分管另一端作为下游出粉口安装在粉管位置调节装置的粉管固定件上，并且分管的下游出粉口与激光头发出的激光汇聚至同一处焦点。

10.如权利要求1所述的一种用于激光增材制造的磁束粉式送粉装置，其特征在于：还包括冷却装置，其中所述冷却装置包括水冷箱和水管，其中水冷箱的出水口与水管一端连通，水管另一端通入架体安装部的冷却腔内，用于对激光头进行降温。