CN109175372B - 一种有级变光斑激光熔覆头及零件制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种有级变光斑熔覆头及零件制造方法，有级变光斑熔覆头包括粉末喷头，粉末喷头下方螺纹连接冷却水套筒，粉末喷头上方安装激光头支架，激光头支架上安装多个大光斑激光输出头与小光斑激光输出头，通过开启与小光斑激光输出头连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束，成形零件的高精度小光斑轮廓熔覆道及零件精细结构，通过开启与大光斑激光输出头连接的激光器的激光输出，输出大光斑激光束，成形零件尺寸较大部分中大光斑填充熔覆道，本发明制造零件可以同时兼顾成形精度与效率，定位精度高，通过控制有级变光斑激光熔覆头上激光输出头连接的激光器的激光输出的启停，易于实现自动化控制。

Description

一种有级变光斑激光熔覆头及零件制造方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种有级变光斑激光熔覆头及零件制造方法。
背景技术
激光熔沉积属于一种个性化制造技术，其原理是采用高能激光束为热源，在基材上形成的熔池，并由惰性气体将金属粉末送入熔池中，依据CAD数据，逐点逐线逐面堆积形成实体零件。在零件修复、涂层、复杂零件制造等领域具有广泛的应用前景。
激光熔覆头作为激光熔覆沉积装备的重要零部件，实现了激光、粉末以及基板的能量耦合。恒定光斑激光熔覆头的优点：激光与粉末具有精确的汇聚性，能够形成尺寸稳定、精确的熔覆道。恒定小光斑(如d＝0.5mm)的激光熔覆头所成形的零件结构精度高，但成形效率低(40mm3/min)，增加了零件制造成本，限制其工业应用。恒定大光斑(如d＝4mm)的激光熔覆头所成形的零件精度成形效率高(＞3000mm3/min)，但精度低，边界处存在明显的熔覆层台阶，需要较大余量的机加工才能使用，且无法成形精细复杂结构类零件。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种有级变光斑激光熔覆头及零件制造方法，能兼顾成形效率与精度,具有成形效率高、精度高的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种有级变光斑激光熔覆头，包括粉末喷头1，粉末喷头1下方螺纹连接冷却水套筒13，粉末喷头1上方安装激光头支架2，激光头支架2上安装2个或2个以上的大光斑激光输出头3与小光斑激光输出头7，每一个大光斑激光输出头3中部安装大光斑透镜5，下部安装大光斑保护镜6；每一个小光斑激光输出头7中部安装小光斑透镜9，下部安装小光斑保护镜10；通过开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束8，成形零件的高精度小光斑轮廓熔覆道及零件精细结构，通过开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，输出大光斑激光束4，成形零件尺寸较大部分中大光斑填充熔覆道。
所述的粉末喷头1上部设有保护气孔11，下部设置粉末输出孔12。
所述的大光斑激光输出头3、小光斑激光输出头7输出的激光光斑尺寸均不相同，或输出的激光光斑中一个为小尺寸光斑，其余为等尺寸大光斑，每个大光斑激光输出头3或小光斑激光输出头7连接一个激光器。
所述的粉末输出孔12采用锥环式或针管式，当采用针管式时，粉末输出孔12数量与大光斑激光输出头3和小光斑激光输出头7的数量一致。
一种有级变光斑激光熔覆头的零件制造方法，包括以下步骤：
1)开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜9与小光斑保护镜10，输出小光斑激光束8，同时开启送粉器，向粉末喷头1的粉末输出孔12输送粉末流15，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高精度的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
2)有级变光斑激光熔覆头提升一层层厚高度，开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束8，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高精度的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
3)重复步骤2)，直至形成的多层高精度的小光斑轮廓熔覆道22的高度接近大光斑填充熔覆道23的高度，则高精度的小光斑轮廓熔覆道22成形结束；
4)有级变光斑激光熔覆头下降多层高精度的小光斑轮廓熔覆道22的高度；
5)开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，激光束经大光斑透镜5与大光斑保护镜6，输出大光斑激光束4；
6)有级变光斑激光熔覆头按照填充轨迹在基板21上成形高效率的大光斑填充熔覆道23；
7)待高效率的大光斑填充熔覆道23成形结束，关闭与大光斑激光输出头3连接的激光器激光输出；
8)有级变光斑激光熔覆头提升一层层厚高度；
重复步骤1)-8)，直到成形所需零件。
所述的有级变光斑熔覆头输出的大小光斑激光束中心与粉末流汇聚中心重合。
所述的步骤5)中能够同时开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出和与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，分别输出大光斑激光束4和小光斑激光束8。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的有级变光斑激光熔覆头能输出不同光斑激光，通过开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，实现小光斑激光输出以实现零件成形的高精度或零件精细结构的成形；通过开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，实现大光斑激光输出，以提高成形零件的成形效率；通过控制有级变光斑激光熔覆头上激光输出头连接的激光器的激光输出的启停，易于实现自动化控制。
附图说明
图1为本发明一种有级变光斑激光熔覆头的结构示意图。
图2为本发明小光斑成形零件轮廓的示意图。
图3为本发明大光斑填充零件内部的示意图。
图4为本发明大小光斑同时开启填充零件内部的示意图。
图5为本发明小光斑成形零件精细结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
参照图1，一种有级变光斑激光熔覆头，包括粉末喷头1，粉末喷头1上部设有保护气孔11，下部设有粉末输出孔12，粉末喷头1下方螺纹连接冷却水套筒13，冷却水套筒13侧向设有冷却水进出口14，粉末喷头1上方安装激光头支架2，激光头支架2上安装大光斑激光输出头3与小光斑激光输出头7，每一个大光斑激光输出头3中部安装大光斑透镜5，下部安装大光斑保护镜6；每一个小光斑激光输出头7中部安装小光斑透镜9，下部安装小光斑保护镜10；通过开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束8，成形零件的高精度小光斑轮廓熔覆道及零件精细结构，通过开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，输出大光斑激光束4，成形零件尺寸较大部分中大光斑填充熔覆道。
所述的大光斑激光输出头3、小光斑激光输出头7输出的激光光斑尺寸均不相同，或输出的激光光斑中一个为小尺寸光斑，其余为等尺寸大光斑，每个大光斑激光输出头3或小光斑激光输出头7连接一个激光器，本实施例中以1个大光斑激光输出头3和1个小光斑激光输出头7为例进行说明。
所述的粉末输出孔12采用锥环式或针管式，当采用针管式时，粉末输出孔12数量与大光斑激光输出头3和小光斑激光输出头7的数量一致。
参照图2和图3，一种有级变光斑激光熔覆头的零件制造方法，包括以下步骤：
1)开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜9与小光斑保护镜10，输出直径为1mm的小光斑激光束8，同时开启送粉器，向粉末喷头1的粉末输出孔12输送粉末流15，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高度为0.2mm的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
2)有级变光斑激光熔覆头提升0.2mm高度，开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出直径为1mm小光斑激光束8，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高度为约大于0.2mm的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
3)重复步骤2)，直至形成的3层高度为0.6mm的小光斑轮廓熔覆道22，则1mm宽0.6mm高的小光斑轮廓熔覆道22成形结束；
4)有级变光斑激光熔覆头下降0.6mm；
5)开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，激光束经大光斑透镜5与大光斑保护镜6，输出直径为3mm的大光斑激光束4；
6)有级变光斑激光熔覆头按照填充轨迹在基板21上成形宽度为3mm高度约为0.6mm的大光斑填充熔覆道23；
7)待大光斑填充熔覆道23成形结束，关闭与大光斑激光输出头3连接的激光器激光输出；
8)有级变光斑激光熔覆头提升0.6mm高度；
重复步骤1)-8)，直到成形所需零件。
所述的有级变光斑熔覆头输出的大小光斑激光束中心与粉末流汇聚中心重合。
参照图2、图3、图4和图5，一种有级变光斑激光熔覆头的零件制造方法，包括以下步骤：
1)开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜9与小光斑保护镜10，输出直径为1mm的小光斑激光束8，同时开启送粉器，向粉末喷头1的粉末输出孔12输送粉末流15，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高度为0.2mm的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
2)有级变光斑激光熔覆头提升0.2mm高度，开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出直径为1mm小光斑激光束8，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板21上成形一层高度为约大于0.2mm的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
3)重复步骤2)，直至形成的3层高度为0.6mm的小光斑轮廓熔覆道22，则1mm宽0.6mm高的小光斑轮廓熔覆道22成形结束；
4)有级变光斑激光熔覆头下降0.6mm；
5)开启与大光斑激光输出头3连接的激光器的激光输出，激光束经大光斑透镜5与大光斑保护镜6，输出直径为3mm的大光斑激光束4；同时开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜9与小光斑保护镜10，输出输出直径为1mm小光斑激光束8；
6)有级变光斑激光熔覆头按照填充轨迹在基板21上成形宽度为3mm高度约为0.6mm的大光斑填充熔覆道23；
7)待大光斑填充熔覆道23成形结束，关闭与大光斑激光输出头3连接的激光器激光输出和与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
8)有级变光斑激光熔覆头提升0.6mm高度；
9)重复步骤1)-8)，直到成形零件尺寸较大部分24；
10)开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜9与小光斑保护镜10，输出直径为1mm的小光斑激光束8，同时开启送粉器，向粉末喷头1的粉末输出孔12输送粉末流15，有级变光斑激光熔覆头按照零件的精细结构轨迹在已成形零件尺寸较大部分24上成形一层高度为0.2mm的小光斑轮廓熔覆道，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
11)有级变光斑激光熔覆头提升0.2mm高度，开启与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出，输出直径为1mm小光斑激光束8，有级变光斑激光熔覆头按照零件的精细结构轨迹在前层熔覆层上成形一层高度为约大于0.2mm的小光斑轮廓熔覆道22，关闭与小光斑激光输出头7连接的激光器的激光输出；
12)重复步骤11)，直至形成零件精细结构25，则零件成形结束。
所述的有级变光斑熔覆头输出的大小光斑激光束中心与粉末流汇聚中心重合。

Claims (4)

1.一种有级变光斑激光熔覆头，包括粉末喷头(1)，其特征在于：粉末喷头(1)下方螺纹连接冷却水套筒(13)，粉末喷头(1)上方安装激光头支架(2)，激光头支架(2)上安装2个以上的大光斑激光输出头(3)与小光斑激光输出头(7)，每一个大光斑激光输出头(3)中部安装大光斑透镜(5)，下部安装大光斑保护镜(6)；每一个小光斑激光输出头(7)中部安装小光斑透镜(9)，下部安装小光斑保护镜(10)；通过开启与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束(8)，成形零件的高精度小光斑轮廓熔覆道及零件精细结构，通过开启与大光斑激光输出头(3)连接的激光器的激光输出，输出大光斑激光束(4)，成形零件尺寸较大部分中大光斑填充熔覆道；
所述的大光斑激光输出头(3)、小光斑激光输出头(7)输出的激光光斑尺寸均不相同，或输出的激光光斑中一个为小尺寸光斑，其余为等尺寸大光斑，每个大光斑激光输出头(3)或小光斑激光输出头(7)连接一个激光器；
所述的粉末输出孔(12)采用锥环式或针管式，当采用针管式时，粉末输出孔(12)数量与大光斑激光输出头(3)和小光斑激光输出头(7)的数量一致；
所述的有级变光斑熔覆头输出的大小光斑激光束中心与粉末流汇聚中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种有级变光斑激光熔覆头，其特征在于：所述的粉末喷头(1)上部设有保护气孔(11)，下部设置粉末输出孔(12)。
3.根据权利要求1一种有级变光斑激光熔覆头的零件制造方法，其特征在于,包括以下步骤：
1)开启与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出，激光束经小光斑透镜(9)与小光斑保护镜(10)，输出小光斑激光束(8)，同时开启送粉器，向粉末喷头(1)的粉末输出孔(12)输送粉末流(15)，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板(21)上成形一层高精度的小光斑轮廓熔覆道(22)，关闭与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出；
2)有级变光斑激光熔覆头提升一层层厚高度，开启与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出，输出小光斑激光束(8)，有级变光斑激光熔覆头按照轮廓轨迹在基板(21)上成形一层高精度的小光斑轮廓熔覆道(22)，关闭与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出；
3)重复步骤2)，直至形成的多层高精度的小光斑轮廓熔覆道(22)的高度接近大光斑填充熔覆道(23)的高度，则高精度的小光斑轮廓熔覆道(22)成形结束；
4)有级变光斑激光熔覆头下降多层高精度的小光斑轮廓熔覆道(22)的高度；
5)开启与大光斑激光输出头(3)连接的激光器的激光输出，激光束经大光斑透镜(5)与大光斑保护镜(6)，输出大光斑激光束(4)；
6)有级变光斑激光熔覆头按照填充轨迹在基板(21)上成形高效率的大光斑填充熔覆道(23)；
7)待高效率的大光斑填充熔覆道(23)成形结束，关闭与大光斑激光输出头(3)连接的激光器激光输出；
8)有级变光斑激光熔覆头提升一层层厚高度；
重复步骤1)-8)，直到成形所需零件。
4.根据权利要求3一种有级变光斑激光熔覆头的零件制造方法，其特征在于：所述的步骤5)中能够同时开启与大光斑激光输出头(3)连接的激光器的激光输出和与小光斑激光输出头(7)连接的激光器的激光输出，分别输出大光斑激光束(4)和小光斑激光束(8)。
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