CN111058024B - 用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置 - Google Patents

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Abstract

用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，包括：激光发射装置，包括激光器和固定装置，用于将激光器发出的发射激光束引至激光汇聚装置上；激光汇聚装置，设置在固定装置的激光通路下方，包括菱形分光器和环形反射镜，用于将多道入射激光束汇反射形成的反射激光束聚于位于菱形分光器下方的焦点处形成光斑；遮光装置，包括固定器和调节式遮光部，沿固定器周向调整遮光区的大小以控制照射至环形反射镜上的激光光束的光照强度；以及冷喷涂轨迹调节装置，设置于菱形分光器的下方，包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，保持喷嘴喷出的粉斑与光斑完全或部分重合。本发明的有益效果如下：激光束强度可调，既可进行普通沉积，又可进行窄道沉积。

Description

用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置
技术领域
本发明属于材料表面改性及增材制造领域，具体涉及一种用于超音速激光沉积的激光均匀加热及成形轨迹调节装置。
背景技术
冷喷涂全称冷气动力喷涂(Cold Gas Dynamic Spray，简称CGDS)，是一种基于材料塑性变形实现沉积的表面改性和增材制造技术，其沉积过程主要是通过压缩空气、氮气或者氦气带动喷涂颗粒经过拉瓦尔喷嘴获得极高的速度(一般为1.5-4倍的音速)去撞击待加工基体或已沉积层的表面，撞击瞬间由于基体和喷涂颗粒极高的应力和应变，相互之间产生塑形变形从而实现有效结合而沉积。
冷喷涂技术的出现使得传统高热技术(如激光熔覆、等离子喷涂、HVOF等)难以沉积的氧化敏感、温度敏感、非晶、纳米等材料的表面沉积或者增材制造成为可能。但是冷喷涂技术对沉积材料的塑性变形能力具有较高的要求，当沉积材料为一些高强度材料或者硬质合金时，往往会出现结合力差、致密度低甚至沉积不成功的情况。针对冷喷涂技术的不足，近些年国内外研究者提出了将冷喷涂与激光加热进行复合的超音速激光沉积技术，在冷喷涂的过程中同步引入激光辐射以达到对喷涂粉末与基体进行加热软化而不熔化的目的，从而为拓展冷喷涂技术沉积材料的范围、实现硬质合金的有效沉积提供了可能。在该技术中，激光光斑与喷涂粉斑的耦合对沉积层的形貌和性能均具有非常重要的影响。目前通用的耦合方式是采用类似于旁侧送粉激光熔覆的方式，即保持冷喷涂的拉瓦尔喷嘴垂直于工件表面，激光以一定的角度进行入射。在这种配合方式下，喷涂粉束各个位置的受热不均匀。在面光的一侧，粉末受热多，而在背光的一侧，粉末受热少。由于各个位置的受热程度不一样，会导致不同位置的粉末软化程度不一样，沉积效率也不一样，从而会影响成形形貌以及界面结合、致密度等性能。此外，在进行增材制造过程中，特别是制造一些异形件时，沉积尺寸要能实时调控和变化。因此，需要对喷涂粉束与激光光束的重合度进行实时匹配和调控，通过改变粉束和光束之间的重合率来改变成形轨迹，从而实现超音速激光沉积增材制造与再制造过程中成形形貌的实时调控。
发明内容
鉴于上诉的超音速激光沉积中喷涂粉束与激光光束旁侧匹配存在的受热不均匀以及成形轨迹实时调控难的问题，本发明提供一种激光均匀加热及成形轨迹实时调节装置。
本发明所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于，包括：
激光发射装置，包括激光器和固定装置，固定装置的激光通路与发射激光束同轴，用于将激光器发出的发射激光束引至激光汇聚装置上；
激光汇聚装置，设置在固定装置的激光通路下方，包括菱形分光器和环形反射镜，菱形分光器的顶部入射端设置在固定装置的激光通路的激光出口处，用于将发射激光束分散成若干条入射激光束；所述环形反射镜通过固定装置套于菱形分光器的外部，用于将多道入射激光束汇反射形成的反射激光束聚于位于菱形分光器下方的焦点处形成光斑；
遮光装置，包括固定器和调节式遮光部，其中固定器通过固定装置套设于菱形分光器外部，用于固定调节式遮光部；所述调节式遮光部安装于固定器上，并沿固定器周向调整遮光区的大小以控制照射至环形反射镜上的激光光束的光照强度；
以及冷喷涂轨迹调节装置，设置于菱形分光器的下方，包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，送粉装置的喷嘴安装于喷嘴位置调节装置的活动部，并保持喷嘴喷出的粉斑与光斑完全或部分重合。
所述固定装置包括中空固定筒、第一固定杆和第二固定杆，所述中空固定筒轴向设有用于供入射激光光束通过的激光通路，且中空固定筒的激光出口与菱形分光器的顶部入射端相连，使得激光器发出的发射激光束照射至菱形分光器的顶部入射端；所述中空固定筒通过第一固定杆与激光汇聚装置的环形反射镜相连，通过第二固定杆与套于菱形分光器外部的遮光装置相连。
所述调节式遮光部包括两根平行的遮光卷筒、固定螺栓、弹簧片以及遮光材料层，所述遮光卷筒的分别通过固定螺栓锁定连接于固定器上，遮光卷筒之间通过可绕于遮光卷筒上的弹簧片相连；弹簧片的表面覆盖遮光材料层形成遮光区，通过调整两遮光卷筒之间的距离调整遮光区的大小。
所述的调节式遮光部共两套，对称安装于固定器上，并保持两套调整式遮光部的遮光区正对。
所述的固定器为环道固定器。
所述的喷嘴位置调节装置包括驱动电机、双面齿条和齿套，所述的驱动电机安装于送粉装置上，并且驱动电机的输出轴上配装可与双面齿条其中一侧的齿啮合的齿轮；齿套固装于喷嘴上，并且齿套外部的齿与双面齿条的第二侧的齿啮合，使得喷嘴在驱动电机的带动下沿双面齿条轴向移动以调整喷嘴喷出的粉斑的位置。
所述喷嘴为拉瓦尔喷嘴，且喷嘴的中心轴与经环形反射镜反射的入射激光束中心轴同轴或平行，使得粉斑与光斑同圆心或部分重叠，二者重叠的部分为沉积区。
光斑直径略大于粉斑直径。
所述的激光反射镜并非一面或者多面，而是由环道反射镜面组成。
所述的环道镜面为弧面镜。
所述的菱形分光器可将激光光束分成几十甚至上百光束。
所述的遮光材料附于弹簧片上通过螺母固定在环道固定器上。
所述的激光器初始位置与喷枪同轴，在进行窄道超音速激光沉积时，由于喷枪微量的径向移动，会产生不同轴现象。
所述的环道反射镜反射汇聚的激光光斑与初始位置的粉斑光斑同轴，在进行窄道超音速激光沉积时，两个圆心不重合。
所述的激光器可为光纤激光器、CO2激光器、半导体激光器等。
当拉瓦尔喷嘴处于初始位置时，粉斑中心与多束激光中心重合粉斑区域完全沉积；当需要激光辅助进行部分粉斑沉积时可调节冷喷涂轨迹调节装置中的喷枪调节装置使得拉瓦尔喷嘴与多束激光耦合的光斑偏离一定范围进行沉积；在这一系列的过程偶合成的激光由于环形反射镜的缘故，使得喷涂区域受热高度均匀，从而得到高质量的涂层，且粉斑随喷枪可进行一定量移动，以便可以运用于在需要激光辅助的窄道涂层中，处于光斑照射中的部分粉斑区域同样受热高度均匀，也可以获得高质量的窄道涂层。
本发明的有益效果如下：
1)通过环道反射镜无需改变反射镜的数量即可实现对单束、多束激光束的反射汇聚，改变了一种装置对应一种数量反射镜的局限性；
2)通过遮光器的使用无需更换装置中菱形分光器，即可实现对激光束数量的控制，改变了一种激光器对应一种菱形分光器的局限性；
3)初始位置喷枪与汇聚成的光斑同轴，在无需进行窄道沉积时，喷枪与激光辅助装置相对位置不变；
4)在喷枪结合处设计了驱动装置进行实时调控，可对喷枪进行微量的径向调控使得粉斑位置与光斑位置产生偏移，从而可进行窄道沉积。
附图说明
图1a为本发明的整体示意图；
图1b为本发明的主视图；
图1c为本发明的主视图(省略固定装置部分部件)；
图1d为本发明的俯视图；
图2为激光发散汇聚装置示意图；
图3为遮光装置示意图；
图4为冷喷涂轨迹调节装置，实现一定微量的径向移动；
图5固定装置示意图；
图6为本发明实例中窄道沉积的示意图；
图7为遮光区域为四分之三时的环道反射镜示意图；
图8为遮光区域为四分之三时的遮光装置示意图；
图9为遮光区域为四分之三时的环道反射镜示意图；
图10为遮光区域为四分之三时的遮光装置示意图。
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本发明所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，包括：
激光发射装置，包括激光器和固定装置5，固定装置的激光通路与发射激光束1同轴，用于将激光器发出的发射激光束1引至激光汇聚装置上；
激光汇聚装置2，设置在固定装置的激光通路下方，包括菱形分光器21和环形反射镜22，菱形分光器的顶部入射端设置在固定装置的激光通路的激光出口处，用于将发射激光束分散成若干条入射激光束；所述环形反射镜通过固定装置套于菱形分光器的外部，用于将多道入射激光束汇反射形成的反射激光束聚于位于菱形分光器下方的焦点处形成光斑；
遮光装置3，包括固定器35和调节式遮光部，其中固定器通过固定装置套设于菱形分光器外部，用于固定调节式遮光部；所述调节式遮光部安装于固定器上，并沿固定器周向调整遮光区的大小以控制照射至环形反射镜上的激光光束的光照强度；
以及冷喷涂轨迹调节装置4，设置于菱形分光器21的下方，包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，送粉装置的喷嘴41安装于喷嘴位置调节装置的活动部，并保持喷嘴喷出的粉斑与光斑完全或部分重合。
所述固定装置5包括中空固定筒51、第一固定杆52和第二固定杆53，所述中空固定筒轴向设有用于供入射激光光束通过的激光通路，且中空固定筒的激光出口与菱形分光器的顶部入射端相连，使得激光器发出的发射激光束照射至菱形分光器的顶部入射端；所述中空固定筒通过第一固定杆与激光汇聚装置的环形反射镜相连，通过第二固定杆与套于菱形分光器外部的遮光装置相连。
所述调节式遮光部包括两根平行的遮光卷筒31、固定螺栓34、弹簧片32以及遮光材料层33，所述遮光卷筒的分别通过固定螺栓锁定连接于固定器上，遮光卷筒之间通过可绕于遮光卷筒上的弹簧片相连；弹簧片的表面覆盖遮光材料层形成遮光区，通过调整两遮光卷筒之间的距离调整遮光区的大小。
所述的调节式遮光部共两套，对称安装于固定器35上，并保持两套调整式遮光部的遮光区正对。
所述的固定器35为环道固定器。
所述的喷嘴位置调节装置包括驱动电机44、双面齿条43和齿套42，所述的驱动电机安装于送粉装置上，并且驱动电机的输出轴上配装可与双面齿条其中一侧的齿啮合的齿轮；齿套固装于喷嘴上，并且齿套外部的齿与双面齿条的第二侧的齿啮合，使得喷嘴在驱动电机的带动下沿双面齿条轴向移动以调整喷嘴喷出的粉斑的位置。
所述喷嘴为拉瓦尔喷嘴，且喷嘴的中心轴与经环形反射镜反射的入射激光束中心轴同轴或平行，使得粉斑与光斑同圆心或部分重叠，二者重叠的部分为沉积区。
光斑直径略大于粉斑直径。
实施例2本发明所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，如图1、图2、图3、图4、图5所示包括激光发射装置、激光发散汇聚装置2、遮光装置3和冷喷涂轨迹调节装置4，其中激光发射装置包括用于发出发射激光光束1的激光器和固定装置5，激光发散汇聚装置2包括用于将发射激光光束1分散成几十上百光束的菱形分光器21和将多道光束汇聚于焦点的环道反射镜22；遮光装置3包括固定器35和调节式遮光部，调节式遮光部包括用于遮挡光束的遮光卷筒31、弹簧片32、附于弹簧片上的遮光材料层33和用于固定遮光卷筒的螺栓34；冷喷涂轨迹调节装置4包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，送粉装置的喷嘴41为拉瓦尔喷嘴，喷嘴位置调节装置包括固定于喷嘴上的齿套42、将喷嘴微调的双面齿条43和驱动电机44；固定装置5包括可供激光通过的中空固定筒51、与固定筒相连用于固定激光分散汇聚装置2的第一固定杆52和与固定筒相连用于固定遮光装置3的第二固定杆53。
超音速激光沉积的激光均匀加热及成形轨迹调节装置实施实例1本实例中中，遮光装置3伸长至图8所示，遮住菱形分光器21的四分之三区域，然后通过环道反射镜22反射汇聚至粉斑处，环形反射22反射光线数量如图7所示，此时粉斑处于初始位置，粉斑与光斑同圆心。
超音速激光沉积的激光均匀加热及成形轨迹调节装置实施实例2本实例中中，遮光装置3伸长至如图10所示，遮住菱形分光器21的四分之一区域，然后通过环道反射镜22反射汇聚至粉斑处，环道反射镜反射光束如图9所示，此时粉斑处于初始位置，粉斑与光斑同圆心。
超音速激光沉积的激光均匀加热及成形轨迹调节装置实施实例3中，喷嘴通过喷嘴位置调节装置，沿双面齿条轴向略微移动，此时粉斑与汇聚而成光斑不同轴，如图6窄道沉积示意图所示，此时沉积区域仅为光斑与粉斑重合区域，由于多束反射激光束高度汇聚，使得粉斑与光斑的重合区域受热高度均匀，沉积效果较好，而位处于激光照射范围内的粉斑区域则无法沉积，最终实现窄道沉积(Ⅰ为光斑；Ⅱ为粉斑；Ⅲ颗粒沉积区域)
实施例3本实施例所述的用于超音速激光沉积的激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，包括激光发射装置、激光发散汇聚装置2、遮光装置3和冷喷涂轨迹调节装置4，其中激光发射装置包括用于发出发射激光光束1的激光器和固定装置5，激光发散汇聚装置2包括用于将发射激光光束1分散成几十上百光束的菱形分光器21和将多道光束汇聚于焦点的环道反射镜22；遮光装置3包括固定器35和调节式遮光部，调节式遮光部包括用于遮挡光束的遮光卷筒31、弹簧片32、附于弹簧片上的遮光材料层33和用于固定遮光卷筒的螺栓34；冷喷涂轨迹调节装置4包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，送粉装置的喷嘴41为拉瓦尔喷嘴，喷嘴位置调节装置包括固定于喷嘴上的齿套42、将喷嘴微调的双面齿条43和驱动电机44；固定装置5包括可供激光通过的中空固定筒51、与固定筒相连用于固定激光分散汇聚装置2的第一固定杆52和与固定筒相连用于固定遮光装置3的第二固定杆53。
所述的激光器1发出的发射激光束应与菱形分光器的上方的激光通路同轴；激光束经过菱形分光器21分光出近百条的入射激光束；经过环形反射镜22反射的入射激光束至少数十条反射激光束最总终汇聚到喷嘴初始位置的中轴线处；所述的遮光装置3采取对称遮光的方式使得激光光束对称射出，冷喷涂轨迹调节装置4的送气管应与高压粉末输送管联通；激光器1发出的激光经过菱形分光器21分散出的近百条光束经过遮光装置3的筛选，根据工艺要求的高低选择遮光比例；经过环道反射镜22的激光光束，由于数量较多且可控使得光斑的各个区域的所包含的能量十分均匀；需要喷涂的颗粒最终会处在均匀的激光照射下，形成高效沉积。
喷嘴可通过驱动电机44驱动喷嘴上的齿套42，通过齿条43实现一定的径向移动使得粉斑与光斑不同轴，即进行需要激光辅助的部分粉斑沉积的窄道喷涂。
环形反射镜22的镜面弧度应根据实际要求确定，最终反射出的光线能与初始粉斑位置同轴。
遮光装置3中弹簧片表面覆盖遮光材料层33，为高效吸收激光材料，且附着于弹性材料片32上进行遮光区域的选择，最终通过螺栓34固定在环道固定器35上。
最终经环形反射镜22反射汇聚的光斑直径应略大于粉斑直径。
环形固定器周向设有用于供螺栓插入的环形槽。
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 (8)

1.用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于，包括：
激光发射装置，包括激光器和固定装置，固定装置的激光通路与发射激光束同轴，用于将激光器发出的发射激光束引至激光汇聚装置上；
激光汇聚装置，设置在固定装置的激光通路下方，包括菱形分光器和环形反射镜，菱形分光器的顶部入射端设置在固定装置的激光通路的激光出口处，用于将发射激光束分散成若干条入射激光束；所述环形反射镜通过固定装置套于菱形分光器的外部，用于将多道入射激光束汇反射形成的反射激光束聚于位于菱形分光器下方的焦点处形成光斑；
遮光装置，包括固定器和调节式遮光部，其中固定器通过固定装置套设于菱形分光器外部，用于固定调节式遮光部；所述调节式遮光部安装于固定器上，并沿固定器周向调整遮光区的大小以控制照射至环形反射镜上的激光光束的光照强度；
以及冷喷涂轨迹调节装置，设置于菱形分光器的下方，包括送粉装置和喷嘴位置调节装置，送粉装置的喷嘴安装于喷嘴位置调节装置的活动部，并保持喷嘴喷出的粉斑与光斑完全或部分重合；
所述的喷嘴位置调节装置包括驱动电机、双面齿条和齿套，所述的驱动电机安装于送粉装置上，并且驱动电机的输出轴上配装可与双面齿条其中一侧的齿啮合的齿轮；齿套固装于喷嘴上，并且齿套外部的齿与双面齿条的第二侧的齿啮合，使得喷嘴在驱动电机的带动下沿双面齿条轴向移动以调整喷嘴喷出的粉斑的位置。
2.如权利要求1所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述固定装置包括中空固定筒、第一固定杆和第二固定杆，所述中空固定筒轴向设有用于供入射激光光束通过的激光通路，且中空固定筒的激光出口与菱形分光器的顶部入射端相连，使得激光器发出的发射激光束照射至菱形分光器的顶部入射端；所述中空固定筒通过第一固定杆与激光汇聚装置的环形反射镜相连，通过第二固定杆与套于菱形分光器外部的遮光装置相连。
3.如权利要求1所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述调节式遮光部包括两根平行的遮光卷筒、固定螺栓、弹簧片以及遮光材料层，所述遮光卷筒的分别通过固定螺栓锁定连接于固定器上，遮光卷筒之间通过可绕于遮光卷筒上的弹簧片相连；弹簧片的表面覆盖遮光材料层形成遮光区，通过调整两遮光卷筒之间的距离调整遮光区的大小。
4.如权利要求3所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述的调节式遮光部共两套，对称安装于固定器上，并保持两套调整式遮光部的遮光区正对。
5.如权利要求4所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述的固定器为环道固定器。
6.如权利要求1所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述喷嘴为拉瓦尔喷嘴，且喷嘴的中心轴与经环形反射镜反射的入射激光束中心轴同轴或平行，使得粉斑与光斑同圆心或部分重叠，二者重叠的部分为沉积区。
7.如权利要求6所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：光斑直径大于粉斑直径。
8.如权利要求1所述的用于超音速激光沉积激光均匀加热及成形轨迹调节的装置，其特征在于：所述的激光器可为光纤激光器、CO2激光器或半导体激光器。
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