CN114769875A - 一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置及沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，包括壳体、旋转体以及激光准直。所述壳体底部设置有出光孔；所述旋转体转动设置在所述壳体内；所述激光准直设置在所述壳体上，且所述激光准直位于所述旋转体的旋转轴线上；所述旋转体包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜都设置在旋转体本体内，使所述旋转体本体内形成光路通道。通过旋转体的第一平面反射镜和第二平面反射镜使激光准直发射的激光光束发生偏转，当旋转体旋转时，激光光束从多个方向向旋转体的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点，能有效提升聚焦精度，不会存在空间散焦，而且镜面结构简单，加工和镀膜容易，不易烧损，提升光路稳定性。

Description

一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置及沉积方法
技术领域
本发明涉及激光熔丝增材加工技术领域，特别是涉及一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置及沉积方法。
背景技术
激光同轴熔丝熔粉技术是一种以激光为热源，以同步送进的丝材和/或粉末为原料，丝材和/或粉末从激光头中心送进，激光从四周照射实现材料的熔化沉积，且丝材和/或粉末与激光光束保持同轴的激光增材制造技术。
申请号为CN201911192819.1的发明专利公开的内容中，通过可快速旋转的平面反射镜和环形反射镜来产生交会于所述预设汇聚点处的旋转环形光束，同时通过调焦聚焦镜来调节预设汇聚点处的光斑直径。目前存在以下问题：一、圆锥镜和环形凹面镜的结构复杂，其加工和镀膜困难，制造成本高；二、相对于光学平面镜和透镜，圆锥镜和环形凹面镜的光束能量具有更大的损耗；三、激光功率大，容易导致圆锥镜损坏，锥顶熔化、镀膜脱落或者锥镜开裂，其最大可用激光功率受到限制；四、当环形光束激光同轴送丝(粉)装置的结构固定后，汇聚点处的光斑直径通常是恒定的，难以调整；五、环形反射镜由于是曲面的，无法对聚焦光斑实现完全汇聚，存在空间散焦缺陷。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置及沉积方法。
第一方面，本发明的实施例提出一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，包括：壳体、旋转体以及激光准直。所述壳体底部设置有出光孔；所述旋转体转动设置在所述壳体内；所述激光准直设置在所述壳体上，且所述激光准直位于所述旋转体的旋转轴线上；其中，所述旋转体包括旋转体本体、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜都设置在旋转体本体内，使所述旋转体本体内形成光路通道，通过所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜使所述激光准直发射的激光光束沿光路通道发生偏转，并向下射出。
进一步地，所述第一平面反射镜呈45°倾斜设置。
进一步地，所述第二平面反射镜的倾斜角度可以调节。
进一步地，还包括所述聚焦镜，所述聚焦镜设置在所述旋转体本体上。
进一步地，所述旋转体与所述壳体之间设置有旋转电机，所述旋转体通过所述旋转电机驱动。
进一步地，还包括送料管，所述送料管通过支柱连接所述壳体，且所述送料管的出料口位于所述旋转体的旋转轴线上。
进一步地，所述出光孔为环形开口，且所述环形开口上多处设置有连接部。
进一步地，所述送料管设置在所述连接部下方。
进一步地，还包括机械臂，所述机械臂与所述激光准直或壳体连接。
第二方面，提供了一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉沉积方法，包括步骤：
激光准直发射激光光束；
激光光束垂直入射到第一平面反射镜，通过第一平面反射镜使激光光束发生偏转，并沿水平方向传输到第二平面反射镜；
通过第二平面反射镜使激光光束向下汇聚传输到聚焦镜；
通过聚焦镜实现平行光的聚焦，并由出光孔射出；
旋转体旋转，激光光束从多个方向向旋转体的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点；
通过送料管将丝材送入激光汇聚点，和/或通过送料管将粉末送入激光汇聚点，丝材和/或粉末通过激光汇聚点后熔化沉积。
综上，本发明通过旋转体的第一平面反射镜和第二平面反射镜使激光准直发射的激光光束发生偏转，并由出光孔射出，当旋转体旋转时，激光光束从多个方向向旋转体的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点，通过送料管将物料送入激光汇聚点后熔化沉积，第一平面反射镜和第二平面反射镜由于采用平面反射镜，能有效提升聚焦精度，不会存在空间散焦，而且镜面结构简单，加工和镀膜容易，不易烧损，提升光路稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置的结构示意图。
图2是图1的壳体的仰视结构示意图。
图中：1、壳体；2、旋转体；3、激光准直；10、出光孔；20、第一平面反射镜；21、第二平面反射镜；22、聚焦镜；4、旋转电机；5、送料管；11、连接部；12、支柱；6、机械臂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的实施例提出一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，包括：壳体1、旋转体2以及激光准直3。所述壳体1底部设置有出光孔10；所述旋转体2转动设置在所述壳体1内；所述激光准直3设置在所述壳体1上，且所述激光准直3位于所述旋转体2的旋转轴线上；通过所述激光准直3发射激光光束，激光光束从所述壳体1顶部经由所述旋转体2本体内形成的光路通道向所述壳体1的所述出光孔10射出，当所述旋转体2转动时，激光光束从多个方向向所述旋转体2的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点。
其中，所述旋转体2包括第一平面反射镜20和第二平面反射镜21，所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21相对设置在旋转体2本体内，使所述旋转体2本体内形成光路通道，通过所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21使所述激光准直3发射的激光光束沿光路通道发生偏转，并向下射出。激光光束垂直入射到所述旋转体2上的所述第一平面反射镜20，通过所述第一平面反射镜20使激光光束发生偏转，并沿水平方向传输到第二平面反射镜21，通过第二平面反射镜21使激光光束向下汇聚，由于所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21均设置在所述旋转体2本体内，所以所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21由于采用平面反射镜，平面反射镜能有效提升聚焦精度，不会存在空间散焦，而且平面反射镜结构简单，加工和镀膜容易，不易烧损，提升了光路稳定性。
作为一种优选实施方式，所述第一平面反射镜20呈45°倾斜设置，能使垂直入射的激光光束偏转45°，沿水平方向传输，有利于确保光路通道通畅。
作为一种优选实施方式，所述第二平面反射镜21的倾斜角度可以调节，即所述第二平面反射镜21可以活动连接所述旋转体2，调节范围可以为0°～90°，通过调节所述第二平面反射镜21的倾斜角度，可以对激光光束形成的激光汇聚点进行微调，汇聚点处光斑直径根据具体激光加工工艺需要调整，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm，解决光斑直径通常是恒定的问题。
作为一种优选实施方式，还包括所述聚焦镜22，所述聚焦镜22是用于对平行光的聚焦。其中，所述聚焦镜22可以设置在所述激光准直3上，使激光光束在经由所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21前进行聚焦；所述聚焦镜22还可以设置在所述旋转体2本体上，使经由所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21后的激光光束进行聚焦，由于聚焦后的激光光束能量密度大，因此后者相对于前者能有效降低通过所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21激光光束能量密度，延长所述第一平面反射镜20和所述第二平面反射镜21的使用寿命，而且可使用最大功率为600W～10000W的激光，适用性更强。
作为一种优选实施方式，所述旋转体2与所述壳体1之间设置有旋转电机4，所述旋转体2通过所述旋转电机4驱动，所述旋转电机4可选用步进电机或伺服电机等，所述旋转电机4的转速可以为1r/s～10r/s。
作为一种优选实施方式，还包括送料管5，所述送料管5通过支柱12连接所述壳体1，通过所述支柱12将所述送料管5的出料口引入到位于所述旋转体2的旋转轴线上，通过所述送料管5将0.8mm～1mm的钛合金丝材送入激光汇聚点，也可以通过所述送料管5将20μm～250μm的钛合金粉末送入激光汇聚点，粉末的送料采用气载送粉器进行送料，以上两种送料方式可以同时并存，也可以选择性替代。
作为一种优选实施方式，所述出光孔10为环形开口，且所述环形开口上多处设置有连接部11，在本实施例中所述环形开口的数量为两个，且所述环形开口中可安装保护镜，所述保护镜用于透光。可以理解的，在其它实施例中，所述环形开口的数量可以为多个，当设有多个时，多个环形开口呈圆周阵列分布。由于所述连接部11的遮挡，会在连接部11的下方形成一处或多处无光区，无光区数量与所述环形开口数量一致，无光区尺寸与所述连接部11的宽度有关，所述连接部11的宽度在满足结构强度条件下应尽可能小。
作为一种优选实施方式，所述送料管5设置在所述连接部11下方，即所述送料管5位于无光区，还包括所述旋转电机4的供电线和控制线等均可以设置在所述连接部11下方，避免受到激光光束的影响。
作为一种优选实施方式，还包括机械臂6，所述机械臂6与所述激光准直3或壳体1连接，通过终端控制所述机械臂6动作，使激光汇聚点按照数模分层切片生成的扫描轨迹进行扫描移动，使物料熔化沉积形成所需的加工零件，特别说明所述机械臂6也可以由机床的运动装置进行替代。
第二方面，提供了一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉沉积方法，包括步骤：
(1)终端将零件数模分层切片，按照单道熔道的宽度和搭接率80％形成扫描轨迹；
(2)将成形基板固定在激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置的工作台上；
(3)打开激光准直3，激光准直3发射激光光束；
(4)调节激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置的惰性气氛保护箱内气体组分，当氧含量低于1000PPM后开始激光熔化沉积；
(5)激光光束垂直入射到第一平面反射镜20，通过第一平面反射镜20使激光光束发生偏转，并沿水平方向传输到第二平面反射镜21；
(6)通过第二平面反射镜21使激光光束向下汇聚传输到聚焦镜22；
(7)通过聚焦镜22实现平行光的聚焦，并由出光孔10射出；
(8)旋转体2旋转，激光光束从多个方向向旋转体2的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点；
(9)使激光汇聚点保持在沉积表面上方10mm处；
(10)通过送料管5将丝材送入激光汇聚点，和/或通过送料管5将粉末送入激光汇聚点，丝材和/或粉末通过激光汇聚点后熔化沉积；
(11)机械臂6按照数模分层切片生成的扫描轨迹以10～20mm/s的速度进行扫描移动，使熔化沉积形成一层熔覆层；
(12)完成上一层熔覆层，机械臂6提升30μm～100μm层厚，开始下一层熔覆层的熔化沉积，直到零件数模全部扫描轨迹完成，多层熔覆层向上堆叠实现零件毛坯成形；
(13)关闭激光准直3和停止送料管5送料，待零件冷却至室温后将其从惰性气氛保护箱中取出。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体底部设置有出光孔；
旋转体，所述旋转体转动设置在所述壳体内；
激光准直，所述激光准直设置在所述壳体上，且所述激光准直位于所述旋转体的旋转轴线上；
其中，所述旋转体包括旋转体本体、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜都设置在旋转体本体内，使所述旋转体本体内形成光路通道，通过所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜使所述激光准直发射的激光光束沿光路通道发生偏转，并向下射出。
2.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，所述第一平面反射镜呈45°倾斜设置。
3.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，所述第二平面反射镜的倾斜角度可以调节。
4.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，还包括所述聚焦镜，所述聚焦镜设置在所述旋转体本体上。
5.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，所述旋转体与所述壳体之间设置有旋转电机，所述旋转体通过所述旋转电机驱动。
6.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，还包括送料管，所述送料管通过支柱连接所述壳体，且所述送料管的出料口位于所述旋转体的旋转轴线上。
7.根据权利要求6所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，所述出光孔为环形开口，且所述环形开口上多处设置有连接部。
8.根据权利要求7所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，所述送料管设置在所述连接部下方。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉装置，其特征在于，还包括机械臂，所述机械臂与所述激光准直或壳体连接。
10.一种激光旋转扫描同轴熔丝熔粉沉积方法，其特征在于，包括步骤：
激光准直发射激光光束；
激光光束垂直入射到第一平面反射镜，通过第一平面反射镜使激光光束发生偏转，并沿水平方向传输到第二平面反射镜；
通过第二平面反射镜使激光光束向下汇聚传输到聚焦镜；
通过聚焦镜实现平行光的聚焦，并由出光孔射出；
旋转体旋转，激光光束从多个方向向旋转体的旋转轴线集中，并形成激光汇聚点；
通过送料管将丝材送入激光汇聚点，和/或通过送料管将粉末送入激光汇聚点，丝材和/或粉末通过激光汇聚点后熔化沉积。
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