CN109848559A - 一种含有移动气氛室的激光头以及激光增材有色金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有移动气氛室的激光头以及激光增材有色金属的方法，含有移动气氛室的激光头包括保护罩，保护罩顶端设置有连接面，激光头主体与保护罩密封固定，激光头主体上设置有用于惰性气体进入熔池的第一气体通道；所述保护罩上设置有开口于保护罩外壁面的惰性气体进口，保护罩的罩体内部设置有与所述气体进口连通的第二气体通道，第二气体通道的出口喷嘴位于保护罩底边。本发明利用移动气氛室在空气中或水下环境形成移动的惰性气氛进行上述金属及合金的增材制造，在移动气氛室中，激光沉积采用逐层堆积的方式，完成指定的沉积形状，无需建立固定的较大体积的真空室，节省设备费用，在特定的工艺条件下可以增材制造性能优异的有色金属。

Description

一种含有移动气氛室的激光头以及激光增材有色金属的方法

技术领域

本发明涉及激光增材设备，特别涉及激光增材设备中的含有移动气氛室的激光头以及激光增材有色金属的方法。

背景技术

有色金属包括钛及钛合金、铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金等，由于具有较高的比强度与比刚度、易成型等特点，被广泛应用在航空航天、飞机、汽车、医疗、化工、海洋工程等领域。在有色金属成型时，需要设计并制造复杂的模具，并且需要进行多道加工工序，加工成型周期长，生产成本较高。而激光增材制造是一种通过层层堆积的方式，利用数字化模型制造实体零件的技术，该技术能够有效提高加工效率，实现近净成型，无需大型锻压设备，减少后续加工工序。同时，激光增材制造可以实现复杂形状零件的制造，在有色金属的应用和生产领域，增材制造技术已逐渐成为替换传统铸造与机加工成型的一种新技术，因此激光增材制造技术在航空航天、能源动力、海洋工程等领域具有重要的应用前景。

上述有色金属具有较强的活性，易与空气的氧、氮、氢等气体发生物理化学反应，因此需要在惰性气氛中进行增材制造。目前选区激光熔化和激光直接金属沉积制造钛及钛合金的研究均较为常见。选区激光熔化设备配置有惰性气氛加工室，在该惰性气氛室中进行立体成型。专利201610986062.3公开了一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，在该方法的实施过程中，对惰性气氛室的依赖性较高，而且充惰性气和排惰性气的效率较低，建立合适的加工环境的时间较长，此外加工空间也受到惰性舱室体积的限制。激光直接金属沉积增材有色金属同样需要建立一个小型固定惰性气体保护盒，沉积工件的尺寸受到惰性气体保护盒的限制，难以实现工业应用。此外，专利201711113696.9提出一种激光增材制造或再制造随形保护方法，该方法能省去惰性气体舱室，轻便灵活，方便运输，但是该方法采用的保护罩充氩气空间较大，利用“轻气”驱逐“重气”的思路，在快速运动过程中，很容易受到外部空气窜动造成的干扰，空气中的氧气氮气进入熔池的概率较高，难以保证增材区域惰性气氛的稳定性，并且该保护罩不适用于水下环境有色金属增材制造。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种含有移动气氛室的激光头，可同时在空气中和水下环境工作，无需在固定惰性气氛室中激光增材有色金属，提高了在不同环境激光增材有色金属的适用性。本发明的另一目的是提供了利用该含有移动气氛室的激光头进行金光增材有色金属的方法，该方法降低了制造成本。

技术方案：本发明所述的一种含有移动气氛室的激光头，包括保护罩，所述保护罩为一端开口的内凹结构，保护罩顶端侧边向着保护罩中心轴线方向水平延伸形成连接面，所述连接面中间形成的空间用于密封固定激光头主体，所述激光头主体上设置有用于惰性气体进入熔池的第一气体通道；所述保护罩上设置有开口于保护罩外壁面的惰性气体进口，保护罩的罩体内部设置有与所述气体进口连通的第二气体通道，第二气体通道的出口喷嘴位于保护罩底边。利用本发明的激光头在空气中进行激光增材有色金属时，将保护罩通过连接面与激光头主体相连，激光头主体与数控机床设备相连，利用该设备可以进行空气中激光增材有色金属立体成型。

所述保护罩的沿着远离保护罩顶端的方向，斜向外延伸有保护外缘。

所述激光头主体上设有光纤传输模块。

所述激光头主体上设有温度控制模块。

所述保护罩为钟罩型、圆筒型、长方体型或正方体型。

所述保护罩的外壁面环形均匀分布有若干惰性气体进口，与所述惰性气体进口连通的第二气体通道垂直于所述保护罩的底面。

上述含有移动气氛室的激光头，所述连接面上端固定有罩住所述激光头主体的外罩，所述保护罩内壁面设置有湿度传感模块。

利用上述含有移动气氛室的激光头进行激光增材有色金属的方法，包括以下步骤：

当在无水环境下工作时：

(1a)将含有移动气氛室的激光头连接到数控机床设备上，通过设置于保护罩上的惰性气体进口通入惰性气体，惰性气体通过气氛室通道从出口喷嘴喷出，形成的惰性保护气帘，同时从位于激光头主体上的第一气体通道通入惰性气体，从激光头主体喷出的惰性气体与从出口喷嘴喷出的惰性气体，共同形成的惰性气体保护氛围，建立激光增材的工作环境；(1b)清理基材表面，提供便于熔覆层沉积的基材表面；(1c)将金属或其合金粉末装入送粉系统中，调节粉末流量控制系统以获取适宜的粉末流量，打开激光器工作按钮，惰性气体保护气氛中进行激光增材有色金属，通过温度控制模块控制激光头主体的温度；

当在水下工作时：(2a)在所述激光头主体上增设外罩，将保护罩、激光头主体、以及外罩与遥控潜水器相连，按照步骤(1a)的方法形成惰性气体保护氛围；(2b)将已经形成惰性气体保护氛围的激光头投放到指定水域，将激光头主体垂直对准待增材区域，待水下增材的惰性气体保护氛围稳定后，开始进行激光增材，含有移动气氛室的激光头在遥控潜水器的带动下，通过湿度传感模块监控水下水下环境激光增材有色金属的湿度，完成激光增材。

所述惰性气体为氦气或者氩气，该两种惰性气体由于比空气轻，更好地驱逐保护罩内的空气。

本发明所述的有色金属，包括单体金属及合金，如包括钛及钛合金、铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金等等。

如利用上述含有移动气氛室的激光头，进行有色金属的激光增材，以激光增材钛及钛合金为代表，其具体工艺参数如下：

(1)在空气中进行激光增材钛及钛合金时，采用激光功率1～3kW，激光光斑直径1～4mm，使用的粉末为球形粉末，颗粒尺度为40～200μm，搭接宽度为1～2mm，扫描速度为100～3000mm/min，惰性气体进口输入的气流流量为2～25m³/h。

(2)在水下环境进行激光增材钛及钛合金时，采用激光功率2～4kW，激光光斑直径2～6mm，使用的粉末为球形粉末，颗粒尺度为40～200μm，搭接宽度为2～4mm，扫描速度为100～3000mm/min，惰性气体进口输入的气流流量根据实际水下环境的深度来定，以能够有效排开水的流量为最佳输入流量。

有益效果：(1)本发明无需采用昂贵的较大体积的固定惰性气体舱室，节省了增材配套的费用，能够较灵活的在空气中或水下环境进行激光增材有色金属，其具有很强的灵活性，此方法也克服了随形保护罩充氩体积较大，在快速运动过程中，难以稳定的隔绝外界空气进入加工区域，而且不能适应水下环境的缺点；(2)本发明在空气中激光增材有色金属，保护罩与数控机床设备相连，在水下环境中进行激光增材有色金属，惰性气体保护室与遥控潜水器相连，具有较强的灵活性、操作性和可替换性；(3)本发明利用在保护罩底端的出口喷嘴形成的惰性保护气帘，以及激光头主体喷出的惰性保护气，共同形成惰性气体保护氛围，建立有效的增材工作环境；(4)本发明在保护罩上设置有连接面，激光头通过该连接面可以实现与数控机床设备和遥控潜水器快速拆装；(5)本发明设置有温度控制模块，对激光头主体进行温度控制，当本发明的激光头在水下工作时，在保护罩内壁设置的湿度传感模块能够有效监控水下环境增材有色金属的湿度，控制增材环境中氢元素的含量，有效控制增材成型工件中氢的含量，以防氢脆；(6)本发明较大缩短了以往有色金属增材所需的复杂准备工序，提高了增材效率以及快速响应能力；(7)本发明在水下环境进行激光增材有色金属，形成结构致密的熔覆层，不仅能够修复破损结构，而且能适应水中的个性化定制需求，较大提高增材制造的水下工作适应性。

附图说明

图1是本发明含有移动气氛室的激光头外观示意图；

图2是本发明含有移动气氛室的激光头进行激光增材的工作示意图；

图3是本发明含有移动气氛室的激光头水下环境工作的结构示意图；

图4是本发明水下环境激光增材钛合金样件；

图5是本发明水下环境激光增材钛合金样件的金相图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作出进一步说明：

实施例1：如图1-3所示，本发明所述的含有移动气氛室的激光头10包括圆筒形的保护罩100、位于保护罩100顶端的连接面200、一端穿过连接面200与保护罩100密封固定的激光头主体300以及与激光头主体连接的光纤传输模块400。

保护罩100底边向外扩张，形成喇叭形的保护外沿130，保护外沿的底边位于同一水平面，用于与基材700接触，保护罩100上端设置有开口于保护罩外壁面的惰性气体进口110，惰性气体进口沿着保护罩外壁周向均匀分布，本实施例中共设置有十二个惰性气体进口，每个惰性气体进口110连通与设置于保护罩的罩体内部的第二气体通道120连通，第二气体通道120的出口喷嘴121位于保护罩底边，第二气体通道120垂直于保护罩的底面，氩气或氦气从惰性气体进口110进入位于保护罩的罩体内部的第二气体通道，从出口喷嘴喷出，在保护罩底边形成惰性气体气帘；激光头主体300上设置有斜向下贯穿激光头主体的第一气体通道310，惰性气体从该第一气体通道进入熔池，为熔池提供惰性气体保护气氛，从第一气体通道进入熔池的惰性气体与从第二气体通道进入保护罩的惰性气体共同形成了惰性气体保护气氛600，其能够有效阻断外部空气进入增材区域。

本发明的连接面200为沿着保护罩100顶端边缘向内水平延伸形成的环面，首先将激光头主体300穿过该连接面200，将激光头主体300与该连接面200的内缘焊接，随后将保护罩100顶端与该连接面螺栓连接，实现激光头主体300与保护罩100的密封连接。

激光头主体300上设有温度控制模块320，当激光头主体300温度过高时，温度控制模块320智能降低冷却水温度，以给激光头主体300降温。

为了能够实现本发明的激光头在水下工作，需在连接面200上端固定有罩住激光头主体的外罩500，外罩与连接面200可拆卸连接，同时在保护罩100内壁面底端设置有湿度传感模块140，湿度传感模块能够有效监控水下水下环境激光增材有色金属的湿度，控制增材环境中氢元素的含量，有效控制增材成型工件中氢的含量，以防氢脆。

实施例2：利用含有移动气氛室的激光头在空气中激光增材有色金属：

第一步：将含有移动气氛室的激光头10连接到数控机床设备上，通过设置于保护罩100上的惰性气体进口110连续通入纯度为99.999％的氩气或氦气作为惰性气体，惰性气体通过第二气体通道120从出口喷嘴121喷出，形成的惰性保护气帘，同时从位于激光头主体300上的第一气体通道310连续通入惰性气体，可保护熔池不被氧化，从激光头主体喷出的惰性气体与从出口喷嘴喷出的惰性气体，共同形成的惰性气体保护氛围600，建立激光增材的工作环境，待通气1～2分钟后，惰性气体保护氛围600稳定后，便可进行激光增材。

第二步：在激光头主体300工作前，用汽油、酒精等去油、去污溶剂去除基板700表面油污，然后用砂纸打磨基板700表面进一步去除油污和表面氧化层，便于熔覆层的沉积。

第三步：利用金属或其合金粉末装入送粉系统中，调节粉末流量控制系统以获取适宜的粉末流量，打开激光器工作按钮，惰性气体保护气氛600中进行激光增材有色金属。含有移动气氛室的激光头10可在数控机床设备的带动下实现笛卡尔坐标系三维坐标动作，完成指定激光熔覆程序的运动，并有效的实时的保护熔覆熔池，激光沉积采用逐层堆积的方式，完成指定的沉积形状，实现激光增材有色金属。

本实施例中为在空气中激光增材钛及钛合金，其具体的工艺参数如下：采用激光功率1～3kW，激光光斑直径1～4mm，使用的粉末为球形粉末，颗粒尺度为40～200μm，使用的基板为钛或钛合金，搭接宽度为1～3mm，扫描速度为100～3000mm/min。气氛室进气口2输入的气流流量为2～25m³/h，当温度控制模块320检测到激光头主体的温度超过设定的阈值如80-100℃，温度控制模块智能降低冷却水温度，以给激光头主体300降温。

实施例3：利用含有移动气氛室的激光头在水下激光增材有色金属：

第一步：激光头主体300上增设外罩500，将外罩500底端与连接面固定，将保护罩100、激光头主体300、以及外罩500与遥控潜水器相连，利用实施例2中第一步的方法形成惰性气体保护氛围600。

第二步：将上述装置投放到指定水域，遥控潜水器通过不同方向的推动扇调整位置，通过水下摄像系统，激光头主体300垂直对准待增材区域，在遥控潜水器下水前，惰性气体进口110和第一气体通道310持续通入氩气或氦气，且在增材全程不断供气，待水下增材保护惰性气氛600稳定后，开始进行激光增材，含有移动气氛室的激光头10在遥控潜水器的带动下，进行运动，通过编程对水下遥控潜水器的姿态进行不断调整，以完成指定的激光熔覆程序的运动，通过湿度传感模块140监控水下水下环境激光增材有色金属的湿度，控制增材环境中氢元素的含量，有效控制增材成型工件中氢的含量，以防氢脆。有色金属焊接的环境湿度，宜控制在相对湿度80％以内，如当湿度传感模块140检测的相对湿度超过80％，那么从熔池保护气进口7通入温度为50～60℃的氩气或氦气，利用加热的气体对增材区域进行烘干，降低相对湿度。

惰性气体进口110输入的气流流量根据实际水环境的深度来定，以能够有效排开水的流量为最佳输入流量。

对比空气中增材可知，由于水下环境空气的缺失，因而较大程度降低了空气因素对有色金属增材的影响，本方法能够较大程度提高激光增材质量。本实施例中以在水下环境中激光增材钛及钛合金为代表，具体的工艺参数如下：激光功率2～4kW，激光光斑直径2～6mm，使用的粉末为球形粉末，颗粒尺度为40～200μm，使用的基板为钛或钛合金，搭接宽度为2～4mm，扫描速度为100～3000mm/min，在水深80～120mm时，惰性气体进口110通入氩气或氦气的气体流量为200～300L/min,第一气体通道310通入氩气或氦气的气体流量为65～85L/min。

如图4所示为水下环境激光增材制造的钛合金样件，可见其表面成型质量良好，表面具有钛合金金属光泽，并且表面无裂纹和气孔，增材高度实现了程序预期设定的高度。图5为水下环境激光增材制造钛合金试样的金相图，组织均匀，且未发现明显气孔，层间搭接良好，实现较好的冶金结合。

综上，利用本发明含有移动气氛室的激光头可以实现在空气中的激光增材钛及钛合金，而且可在水下环境实现有效的钛及钛合金增材，能够完成水下设施破损部位的修复，大大延长水下设施的使用寿命。

Claims (9)

1.一种含有移动气氛室的激光头，其特征在于，含有移动气氛室的激光头(10)包括保护罩(100)，所述保护罩为一端开口的内凹结构，保护罩顶端侧边向着保护罩中心轴线方向水平延伸形成连接面(200)，所述连接面中间形成的空间用于密封固定激光头主体(300)，所述激光头主体上设置有用于惰性气体进入熔池的第一气体通道(310)；所述保护罩(100)上设置有开口于保护罩外壁面的惰性气体进口(110)，保护罩的罩体内部设置有与所述气体进口(110)连通的第二气体通道(120)，第二气体通道的出口喷嘴(121)位于保护罩底边。

2.根据权利要求1所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述保护罩(100)的沿着远离保护罩顶端的方向，斜向外延伸有保护外沿(130)。

3.根据权利要求1所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述激光头主体(300)上设有光纤传输模块(400)。

4.根据权利要求1所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述激光头主体(300)上设有温度控制模块(320)。

5.根据权利要求1所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述保护罩为钟罩型、圆筒型、长方体型或正方体型。

6.根据权利要求1所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述保护罩(100)的外壁面环形均匀分布有若干惰性气体进口(110)，与所述惰性气体进口(110)连通的第二气体通道(120)垂直于所述保护罩的底面。

7.一种如权利要求1-6任一所述的含有移动气氛室的激光头，其特征在于，所述连接面(200)上端固定有罩住所述激光头主体的外罩(500)，所述保护罩(100)内壁面设置有湿度传感模块(140)。

8.一种利用如权利要求1-7任一所述的含有移动气氛室的激光头进行激光增材有色金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：

当在无水环境下工作时：

(1a)将含有移动气氛室的激光头(10)连接到数控机床设备上，通过设置于保护罩(100)上的惰性气体进口(110)通入惰性气体，惰性气体通过第二气体通道(120)从出口喷嘴(121)喷出，形成的惰性保护气帘，同时从位于激光头主体(300)上的第一气体通道(310)通入惰性气体，从激光头主体喷出的惰性气体与从出口喷嘴喷出的惰性气体，共同形成的惰性气体保护氛围(600)，建立激光增材的工作环境；

(1b)清理基材表面，提供便于熔覆层沉积的基材表面；

(1c)将金属或其合金粉末装入送粉系统中，调节粉末流量控制系统以获取适宜的粉末流量，打开激光器工作按钮，惰性气体保护气氛(600)中进行激光增材有色金属，通过温度控制模块(320)控制激光头主体的温度；

当在水下工作时：

(2a)在所述激光头主体上增设外罩(500)，将保护罩(100)、激光头主体(300)、以及外罩(500)与遥控潜水器相连，按照步骤(1a)的方法形成惰性气体保护氛围(600)；

(2b)将已经形成惰性气体保护氛围(600)的激光头投放到指定水域，将激光头主体(300)垂直对准待增材区域，待水下增材的惰性气体保护氛围(600)稳定后，开始进行激光增材，含有移动气氛室的激光头在遥控潜水器的带动下，通过湿度传感模块(140)监控水下水下环境激光增材有色金属的湿度，完成激光增材。

9.根据权利要求8所述的激光增材有色金属的方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气或者氩气。