CN114043091B - 一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置。该装置包括沉积头，沉积头包括壳体，壳体包括横向筒体和竖向筒体，竖向筒体的下端设有端部碰嘴。横向筒体内沿激光传输方向依次设有准直镜、旋转对称棱镜和第一耦合棱镜。横向筒体和竖向筒体的连接拐角处的内壁上倾斜设有偏转镜，偏转镜上设有送丝孔和送粉孔，送丝孔中设有送丝管，送粉孔中设有送粉管，端部碰嘴上设置有送丝嘴和送粉通道。竖向筒体内部设有第二耦合棱镜。竖向筒体的下端于端部碰嘴的外侧设有非球面聚光透镜，送丝嘴和送粉通道的出口方向均朝向圆锥形激光束的焦点处。丝粉同轴送进并位于激光束内部，实现激光增材制造原位合金化梯度或金属基复合材料的高效无缺陷制备。

Description

一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置

技术领域

本发明涉及激光增材加工技术领域，具体涉及一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置。

背景技术

目前，激光增材制造技术已广泛应用于航空航天、核能及军用关键零部件制造领域，就其沉积方式的不同可以分为送粉式和送丝式。两种沉积方式各有优缺点，通过送粉式激光增材制造的零件具有较高的尺寸和表面精度，其中以激光选区熔化(SLM)为代表的送粉式激光增材制造可以制造形状结构复杂、传统工艺无法加工制造的小型零件，但同时存在粉末高成本、低利用率和制造件的孔隙缺陷致使其强度较低，有可能不满足使用性能要求的不足。激光熔化沉积(LMD)增材制造技术既能以粉末作为原料，也能使用丝材作为原料，灵活性大大提高，其中以丝材作为原料，材料的利用率高，送料精度更准确，且沉积效率更高，适合制造大型构件。然而，丝、粉同步激光沉积是在激光熔化沉积的基础上，同时将粉末和丝材送入熔池，逐层沉积，实现增材制造工艺。将丝粉混合同步进行增材制造具有以下优势：

1.相对于单独的送粉式增材制造，其沉积效率高，所制备的零件致密度高。

2.所制备的零件成分设计更加灵活。可以通过调节送丝速度和送粉速度可以分别对每一层的成分进行设计，从而制备梯度功能材料。

3.对于某些合金，由于含有某些少量元素而无法将该合金加工成丝材，因此可以将该材料单独以粉末的形式添加道所制备的零件中。

4、丝、粉混合当前最大优势是用于金属基复合材料的原位制备。将硬质或特殊性能的颗粒以粉末的形式，通过流速可控的气体装置，将其添加到熔池中实现原位合金化制备高性能的金属基符合复合材料。

当前，绝大多数丝、粉同步激光增材制造工艺均采用旁轴送丝加旁轴送粉或旁轴送丝加同轴送粉的制造策略。旁轴送丝加旁轴送粉工艺是激光沿端部碰嘴轴线位置输出，粉末喷嘴与送丝嘴置于激光光束两侧，呈一定夹角排列。而旁轴送丝加同轴送粉工艺是将激光沿端部碰嘴轴线位置输出，同时将粉末运送通道集成于熔覆头周围。在粉末由端部碰嘴运送至熔池的过程中，粉末均匀地分布在激光光束四周，丝材以一定角度以旁轴送进的方式进入熔池。

采用上述两种送料方式进行激光增材制造平面类、柱状类等规则形状的零部件时具有一定的优势和可实现性，但制造如异形不等厚、空间网状结构等不规则复杂零部件时，往往存在激光束、旁轴送丝或送粉方向及装置结构尺寸与空间位置可达性要求不相匹配而无法进行正常的零部件成形过程的突出问题。同时，采用高斯分布的激光热源增材成型具有热膨胀系数大、温度梯度变化比较敏感的金属复合材料或功能梯度材料零部件时，因熔池液态金属成分变化和温度梯度分布不均衡以及激光对熔池的强冲击作用易造成如微裂纹、孔隙等缺陷的产生，影响整体增材件的力学、抗腐蚀等性能。因此，发展丝粉同轴送进的光束整形激光增材制造技术和装置对激光增材制造个性化产品和提升通用性零部件使用性能具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，以解决目前现有丝粉激光增材不规则复杂零部件时存在的激光、旁轴送丝和送粉方向与空间位置可达性要求不一致而无法进行正常成形过程的问题，以及高斯分布的激光束容易在激光增材制造过程中造成材料出现孔隙和微裂纹等缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明的一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置采用如下技术方案：一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，包括沉积头，沉积头包括壳体，壳体包括横向筒体和竖向筒体，竖向筒体的下端内部设置有端部碰嘴；横向筒体的端部设置有准直镜用于接收由激光发生器产生的实心激光束，横向筒体中于准直镜的下游设置有旋转对称棱镜用于将实心激光束整形为圆环状贝塞尔激光束，横向筒体中于旋转对称棱镜下游设置有第一耦合棱镜用于将圆环状贝塞尔激光束变成间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束；横向筒体和竖向筒体的连接拐角处的内壁上倾斜设置有偏转镜，偏转镜将水平方向射来的间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束变成竖直方向向下传送，偏转镜上于呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束之间的间隔空隙上设置有送丝孔和送粉孔，送丝孔中设置有与端部碰嘴连接的送丝管，送粉孔中设置有与端部碰嘴连接的送粉管，端部碰嘴上设置有送丝嘴和送粉通道；竖向筒体内部于端部碰嘴和偏转镜之间设置有第二耦合棱镜以将间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束重新合并为一个完整的圆环状激光束；竖向筒体的下端于端部碰嘴的外侧设置有非球面聚光透镜以将上述圆环状激光束变成圆锥形激光束射出，送丝嘴和送粉通道的出口方向均朝向圆锥形激光束的焦点处。

所述送粉孔的数量为三个以上并与送丝孔整体呈线性分布于呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束之间的间隔空隙处。

所述第二耦合棱镜上设置有供送丝管竖直通过的第一穿孔和与各送粉管竖直通过的第二穿孔；送粉管包括位于第二耦合棱镜上方并与对应第二穿孔连接的刚性管部分和位于第二耦合棱镜与端部碰嘴之间的软管部分；端部碰嘴上进粉通道的进粉口以进丝管为中心沿周向均匀间隔设置。

所述送粉孔的数量为四个，送丝孔的数量为一个，四个送粉孔两两对称设置于送丝孔的两侧。

各耦合棱镜均包括中空屋脊棱镜和直角棱镜，且直角棱镜的斜面与中空屋脊棱镜的屋脊结合平面紧密粘合，中空屋脊棱镜包括两块斜面未镀反射膜的直角棱镜结构且在屋脊结合处镀有激光阻断膜；第一耦合棱镜的直角顶点朝向激光束的去向方向放置，第二耦合棱镜的直角顶点朝向激光束的来向方向放置。

该装置包括气源，气源通过第一气路连接有喷嘴作为金属沉积过程中的保护气体，气源通过第二气路连接有送粉装置，送粉装置通过管道与送粉管连通。

该装置还包括向送丝管中输送丝材的送丝机。

本发明的有益效果：激光发生器产生实心激光束，实心激光束属于实心高斯分布热源，经过准直镜和旋转对称棱镜将实心激光束整形为圆环状贝塞尔激光束，第一耦合棱镜将圆环状贝塞尔激光束转换成间隔的呈两个半圆环状贝塞尔激光束并呈现在偏转镜上，送丝管和送粉管均设置于斜面上并位于呈两个半圆环状贝塞尔激光束之间的空隙处，使激光束避开了送丝管和送粉管。偏转镜将水平射来的间隔的呈两个半圆环状贝塞尔激光束转换成竖直传输的间隔的呈两个半圆环状分布的贝塞尔激光束，第二耦合棱镜将间隔的呈两个半圆环状贝塞尔激光束重新转换成完整的圆环状激光束，并通过非球面聚光透镜将上述圆环状激光束变成圆锥形激光束射出，送丝嘴和送粉通道的出口方向朝向圆锥形激光束的焦点处，送丝和送粉均位于圆锥形激光束内部，且同轴送进，完全避开与激光束之间的干扰，在圆锥形激光束的焦点处实现丝粉共熔池熔化。因本装置采用了丝粉与激光束同轴送进的一体化结构设计，沉积头结构更简单紧凑，整体尺寸小，空间可达性好，并能够始终保持丝粉与激光束的共熔池，因此，在成形不规则复杂形状零部件时可有效避免旁轴送丝或送粉装置与激光束无法同步保持共熔池、旁轴送料机构无法到达狭小空间指定位置而造成的成形过程不稳定、成分调控能力不足等问题，实现成分梯度变化和过程超稳定的复杂结构零部件的成型制造。同时，贝塞尔分布光束表现出光斑中心能量密度较低，靠近边缘位置能量密度较大，呈对称分布，因此，在丝材共熔池时，可以利用激光热、激光辐射热和熔池热共同熔化焊丝，以此减小激光汽化金属粉末形成金属蒸汽的反蒸汽压力对熔池的冲击力，降低孔隙形成率，提高型件内部质量。

附图说明

图1是本发明的一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中沉积头内部的结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4是偏转镜上送丝孔和送粉孔的位置关系示意图；

图5为耦合棱镜的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置的实施例，如图1-图4所示，包括沉积头1，沉积头包括壳体，壳体包括横向筒体10和竖向筒体11，竖向筒体的下端内部设置有端部碰嘴25，端部碰嘴用于将丝材和粉末准确输送至下方基板2上激光焦点处形成的熔池中，熔化材料凝固逐层累加实现增材制造。横向筒体的端部设置有准直镜12用于接收由激光发生器产生的实心激光束，实心激光束由激光发生器3产生，并通过光纤4进行传输。横向筒体中于准直镜的下游设置有旋转对称棱镜13用于将实心激光束整形为圆环状贝塞尔激光束。本实施例中上游是指激光传输方向的来向，下游是指沿激光传输方向的去向。

横向筒体中于旋转对称棱镜下游设置有第一耦合棱镜14用于将圆环状贝塞尔激光束变成间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束29。横向筒体和竖向筒体的连接拐角处的内壁上设置有斜面15，斜面上设置有偏转镜16将水平方向射来的间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束变成竖直方向向下传送。偏转镜呈45度设置，镜面朝向激光束的来向。斜面和偏转镜上于呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束之间的间隔空隙上设置有送丝孔17和送粉孔18，如图4所示。送粉孔的数量为三个以上并与送丝孔整体呈直线分布于两个半圆环分布的激光束之间的间隔空隙上。本实施例中送粉孔的数量为四个，送丝孔的数量为一个，四个送粉孔两两对称设置于送丝孔的两侧。送丝孔中设置有与端部碰嘴连接的送丝管19，送粉孔中设置有与端部碰嘴连接的送粉管20。端部碰嘴25上设置有送丝嘴27和送粉通道(图中未显示)。

竖向筒体内部于端部碰嘴和偏转镜之间设置有第二耦合棱镜21以将间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束合并为一个完整的圆环状激光束。竖向筒体的下端于端部碰嘴的外侧设置有非球面聚光透镜24以将上述圆环状激光束变成圆锥形激光束26射出。送丝嘴27和送粉通道的出口方向均朝向圆锥形激光束的焦点处，粉料的喷出方向为28。在圆锥形激光束的焦点处实现丝粉共熔池熔化，发生原位合金化反应。

送粉管和送丝管的具体结构为：第二耦合棱镜上设置有供送丝管竖直通过的第一穿孔和与各送粉管竖直通过的四个第二穿孔，第一穿孔和第二穿孔的位置和送丝孔和送粉孔一一上下正对设置。端部碰嘴上进粉通道的进粉口以进丝管为中心沿周向均匀间隔设置。送粉管包括位于第二耦合棱镜上方并与对应第二穿孔连接的刚性管部分22和位于第二耦合棱镜与端部碰嘴之间的软管部分23。刚性管部分采用耐热材料制成，该部分管体设置为刚性耐热管目的是保证其竖直传送不发生弯折和软化。由于第二耦合棱镜上的四个穿孔和一个第一穿孔呈直线线行布置，而且下方端部碰嘴上的送粉通道的进粉口是以送丝管为中心沿周向均布排列，因此采用可以变形的软管进行送粉，实现了以送丝为中心均匀送粉，提高成型质量。

各耦合棱镜，如图5所示，均包括中空屋脊棱镜30和直角棱镜31，且直角棱镜的斜面与中空屋脊棱镜的屋脊接合平面紧密粘合。中空屋脊棱镜包括两块斜面未镀反射膜的直角棱镜结构且在屋脊结合处镀有激光阻断膜32。第一耦合棱镜中直角顶点33放置方向与入射旋转对称棱镜的光束方向一致，即第一耦合棱镜的直角顶点33朝向激光束的去向方向放置；第二耦合棱镜中直角顶点33放置方向与经偏转镜转向的激光竖直向下传输方向相反，即直角顶点33向上设置，也即第二耦合棱镜的直角顶点33朝向激光束的来向方向放置。第一耦合棱镜的作用是将圆环状分布的激光束整形为间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束，目的是，当送丝管与送粉管经过45°放置的偏转镜竖直进入端部碰嘴时，为送丝管和送粉管预留一个没有激光束分布的空间区域通道，避免送丝通道与送粉通道与激光束发生干涉。第二耦合棱镜的作用与第一耦合棱镜的作用相反，第二耦合棱镜的作用是将间隔的呈两半圆环状的激光束合成为一个完整的圆环状激光束。第二耦合棱镜和第一耦合棱镜的结构相同，区别在于二者相对于入射激光束的放置位置相反。

本实施例中，偏转镜的作用是将第一耦合棱镜整形后的激光束传播方向由水平转变为竖直方向，其目的是：为了使送丝管和送粉管进入环形光路内，保证不与激光束接触。具体是当水平方向传送的间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束照射到偏转镜上，在偏转镜上留下无激光经过的区域，在该区域内设计五小通孔，其中四个为送粉孔，一个为送丝孔，丝、粉的送进方向平行于激光束传播方向，其中，送丝管的轴线与中空的圆锥型激光束的轴线重合。送丝嘴与送丝管同轴，保证了送丝的同轴性。

本实施例中非球面聚光透镜的作用是：将圆环状激光束进行聚焦，焦点位置位于距端部碰嘴下方一定距离的基板上，该位置为形成熔池的位置。在圆环状激光束经过该非球面聚光透镜到达焦点的区域内，激光的分布为中空的圆锥形，依旧不与粉末和丝材发生干涉。

上述各种光棱的使用，将以高斯分布水平方向传播的实心激光束经旋转对称棱镜转变为以圆环状分布的贝塞尔激光束，激光束继续沿水平方向传播至中第一耦合棱镜，经过该耦合棱镜后，连续圆环状分布的贝塞尔激光束变为间断的呈两个半圆环状分布的激光束，激光束继续沿水平方向传播至一与水平方向呈45°放置的偏转镜13后，传播方向变为竖直方向；激光束继续传播，经过第二耦合棱镜后，间隔的两个半圆环状分布的激光束合成为一完整的圆环状贝塞尔激光束；最后圆环状贝塞尔激光束经过非球面聚光透镜形成圆锥形激光束，并在距沉积头下方一定距离处的基板上聚焦。

本发明将实心高斯分布热源转换成中空贝塞尔热源的作用是：实心高斯热源能量分布是激光圆形光斑中间能量密度最高，靠近边缘处能量密度最低，能量密度从中心到边缘变化巨大，导致在丝粉共熔池时，保证丝粉同时熔化且充分熔化光斑边缘部分金属粉末，需要较大的激光功率，因此，激光光斑中心能量密度过高使熔池金属瞬间汽化，形成金属蒸汽，同时产生的反金属蒸汽压力对熔池中心产生很大的冲击力，极易形成激光匙孔，产生增材过程中的气孔缺陷或裂纹。而圆环状激光光斑，能量分布遵循贝塞尔分布，表现出光斑中心能量密度最低，靠近边缘位置能量密度最大，呈对称分布，因此，在丝粉共熔池时，可以采用较小功率对称熔化金属粉末形成熔池，再通过激光辐射热和熔池热熔化焊丝，实现共熔的目的。这样就可以使激光汽化金属粉末形成金属蒸汽的反蒸汽压力两边达成平衡，对熔池的冲击力减小很多，孔隙形成率降低，增材质量提高。

为了对沉积头进行降温，沉积头上集成有冷却装置8，冷却装置为现有技术，本实施例中不再详述其具体结构，可以采用水冷或液化氮进行冷却。该装置包括气源7，本实施例中气源采用气瓶，气瓶通过第一气路连接有喷嘴9作为金属沉积过程中的保护气体，在增材沉积过程中对沉积层金属和熔池起保护作用。气源通过第二气路连接有送粉装置5，送粉装置再通过四个管道与相应的送粉管连通，该处四个管道可采用软管，通过送气的方式输送粉料。该装置还包括向送丝管中输送丝材的送丝机6。

图3中，最外部为整形后呈圆锥形分布输出的激光束26，内部区域没有激光的分布。焊丝处于中心位置，粉末以丝材为中心，分别从四个粉末通道沿一定角度输送至熔池。丝与粉由该区域输送至熔池且运送过程中不与激光发生接触。因此，通过提前设置激光器出光，经过光束整形后激光束到达基板并加热熔化母材形成一定体积的熔池，同时丝粉通过本发明设计的装置独立稳定同步送进熔池，实现了丝、粉同步同轴光内经送给的激光增材制造工艺。在此基础上，通过调整粉末和丝材组分可实现激光增材制造原位合金化梯度或金属基复合材料的高效无缺陷制备。

本发明提出的丝粉同轴送进的激光增材制造装置极大地简化了现有丝粉混合同步激光增材制造的复杂工艺和降低了增材制造装置的制造难度，克服了现有增材制造材料体系中丝粉单一制造使用带来的性能功能不足，也充分发挥利用了现有增材材料体系的丝粉各自优势，基于该装置实现材料原位合金化制备梯度材料和复合材料具有明显的优势。

在本发明的其他实施例中，送丝孔的数量可根据实际需要进行调整，例如为3个或5个及以上。

Claims (6)

1.一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，包括沉积头，其特征在于：沉积头包括壳体，壳体包括横向筒体和竖向筒体，竖向筒体的下端内部设置有端部碰嘴；横向筒体的端部设置有准直镜用于接收由激光发生器产生的实心激光束，横向筒体中于准直镜的下游设置有旋转对称棱镜用于将实心激光束整形为圆环状贝塞尔激光束，横向筒体中于旋转对称棱镜下游设置有第一耦合棱镜用于将圆环状贝塞尔激光束变成间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束；横向筒体和竖向筒体的连接拐角处的内壁上倾斜设置有偏转镜，偏转镜将水平方向射来的间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束变成竖直方向向下传送，偏转镜上于呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束之间的间隔空隙上设置有送丝孔和送粉孔，送丝孔中设置有与端部碰嘴连接的送丝管，送粉孔中设置有与端部碰嘴连接的送粉管，端部碰嘴上设置有送丝嘴和送粉通道；竖向筒体内部于端部碰嘴和偏转镜之间设置有第二耦合棱镜以将间隔的呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束重新合并为一个完整的圆环状激光束；竖向筒体的下端于端部碰嘴的外侧设置有非球面聚光透镜以将上述圆环状激光束变成圆锥形激光束射出，送丝嘴和送粉通道的出口方向均朝向圆锥形激光束的焦点处；各耦合棱镜均包括中空屋脊棱镜和直角棱镜，且直角棱镜的斜面与中空屋脊棱镜的屋脊结合平面紧密粘合，中空屋脊棱镜包括两块斜面未镀反射膜的直角棱镜结构且在屋脊结合处镀有激光阻断膜；第一耦合棱镜的直角顶点朝向激光束的去向方向放置，第二耦合棱镜的直角顶点朝向激光束的来向方向放置。

2.根据权利要求1所述的丝粉同轴送进的激光增材制造装置，其特征在于：所述送粉孔的数量为三个以上并与送丝孔整体呈线性分布于呈两个半圆环分布的贝塞尔激光束之间的间隔空隙处。

3.根据权利要求2所述的丝粉同轴送进的激光增材制造装置，其特征在于：所述第二耦合棱镜上设置有供送丝管竖直通过的第一穿孔和与各送粉管竖直通过的第二穿孔；送粉管包括位于第二耦合棱镜上方并与对应第二穿孔连接的刚性管部分和位于第二耦合棱镜与端部碰嘴之间的软管部分；端部碰嘴上进粉通道的进粉口以进丝管为中心沿周向均匀间隔设置。

4.根据权利要求2所述的丝粉同轴送进的激光增材制造装置，其特征在于：所述送粉孔的数量为四个，送丝孔的数量为一个，四个送粉孔两两对称设置于送丝孔的两侧。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的丝粉同轴送进的激光增材制造装置，其特征在于：该装置包括气源，气源通过第一气路连接有喷嘴作为金属沉积过程中的保护气体，气源通过第二气路连接有送粉装置，送粉装置通过管道与送粉管连通。

6.根据权利要求5所述的丝粉同轴送进的激光增材制造装置，其特征在于：该装置还包括向送丝管中输送丝材的送丝机。