CN117840459A - 一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，涉及增材制造技术领域，包括机器人、激光头装置和冷水机，所述机器人与所述激光头装置相连，所述激光头装置的下方依次设置有工作台和冷却箱体，所述冷却箱体上表面上设置有第一上板和第二上板，所述第一上板和所述第二上板之间设置有基板，所述第一上板与第一滑盖滑动连接，所述第二上板与第二滑盖滑动连接，所述第一滑盖和所述第二滑盖与置物网相连，所述置物网设置于所述第一滑盖和所述第二滑盖之间，所述置物网上设置有所述基板；本发明通过冷却箱体和冷却套筒不断循环被冷水机冷却的液体而达到给工件、激光头和工作台降温的目的，从而起到超高效散热的目的。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统。
背景技术
激光定向能量沉积技术是一个极其复杂的物理化学过程。工作过程是利用惰性气体将金属粉末材料通过输送装置推送到待加工基体表面，同时利用激光照射使激光、粉末和基体交汇于一点并在极短的时间内烧结在基体上的一种新型增材制造加工方法。激光定向能量沉积技术被广泛应用于各大领域如：航天航海、机械制造与维修、车辆制造、纺织机械、精密加工、微型加工等等，激光定向能量沉积打破了传统的加工理念用增材制造代替减材制造，因此也可以突破传统加工的很多技术壁垒，如复杂表面加工、微型加工等，并且激光定向能量沉积技术在绿色生产、缩短加工周期等方面也凸显优势。
在激光定向能量沉积工作过程中，瞬间的高温高能让粉末和基体都承受了很大的热量，不断的能量累计导致基体和工作台短时间内温升很大并且不能有效散去。尤其在进行多层多道的成型件和块体加工时基体和工作台聚集的热量是非常高的，目前定向沉积的工作台是不配备冷却系统的。
现有的定向能量沉积系统的激光头装置内部都会配备冷却装置，但是却忽略了在激光定向能量沉积过程中激光辐射出来的热量。由于对焦的位置都比较小，使得激光头离工件的高度在20mm左右，这个高度导致工作过程中的激光辐射的热量很多热量都作用在激光头外部。内部热量本身就不易散出再加上外部热量的累计导致激光头一直处于高热状态，而激光头部分没有外部散热装置，这对于长时间作业激光定向能量沉积系统来说是非常不友好的。
综上所述，现有的激光定向能量沉积工作台和激光头都不能解决加工过程中热量急剧累计的问题，这导致工作台、基板和激光头的温升极速增高，尤其基板像一个发热源使工作台的温升特别高，热量在有限空间内急剧增加并且热量撒出的速度远远不及热量累积的速度。这些问题会导致一些不良影响。1、长时间的热量累积会导致熔覆层晶粒粗大。2、激光头长期处于高热环境内对内部零件有很大消耗。3、温度梯度大会使熔覆层内部残余应力分布不均匀从而机械性能不均匀。4、限制了一些零件的使用，例如在一块基板上进行大块的多层多道的激光定向能量沉积就必须采用足够厚和大的基板材料，以防止加工过程中受热不均匀而发生曲翘，这就限制了一部分薄的机械零件利用激光定向能量沉积进行修复。5、激光头、基体和工作台长时间的热量累积，导致激光头、基体和工作台表面温度都非常高，这使实验环境变的危险，对实验员有一定的安全隐患。
发明内容
根据上述提出现有激光定向能量沉积工作台和激光头都不能解决加工过程中热量急剧累计的问题，而提供一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，通过冷却箱体和冷却套筒不断循环被冷水机冷却的液体而达到给工件、工作台和激光头降温的目的，从而起到超高效散热，并且可以根据实验要求和实际情况调节冷水机使实验温度在一定的范围内，减少实验变量使实验研究更有说服力。还可以达到细化熔覆层晶粒，降低熔覆层内部温度梯度不均匀的程度，扩大应用范围，保护激光头组件，提高实验环境安全性的目的。
本发明采用的技术手段如下：
一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，包括机器人、激光头装置和冷水机，机器人与激光头装置相连，激光头装置的下方依次设置有工作台和冷却箱体，冷却箱体上表面上设置有第一上板和第二上板，第一上板和第二上板之间设置有基板，第一上板与第一滑盖滑动连接，第二上板与第二滑盖滑动连接，第一滑盖和第二滑盖与置物网相连，置物网设置于第一滑盖和第二滑盖之间，置物网上设置有基板；
第一上板上开设有第一孔，第一孔与第一入水管相连，冷却箱体下方开设有第二孔，第二孔与第一出水管相连，第一出水管与设置在冷却箱体内部的过滤槽和过滤网相连，第一入水管与冷水机相连，第一出水管与冷水机相连。
进一步地，冷却箱体的内壁上设置有第一温度传感器，第一入水管与冷水机连接处设置有第一电动流量调速阀，第一出水管与冷水机连接处设置有第二电动流量调速阀。
进一步地，第一孔与第一入水管通过密封胶圈相连，第二孔与第一出水管通过密封胶圈相连。
进一步地，第一上板和第二上板的上表面设置有梯形键，第一滑盖和第二滑盖下表面开设有梯形槽，第一上板与第一滑盖通过键槽连接，第二上板与第二滑盖通过键槽连接。
进一步地，第一上板上设置有用以加入液氮的液氮投入口。
进一步地，激光头装置的下部依次连接有挡板和冷却套筒，挡板和冷却套筒分别与第二入水管和第二出水管相连，第二入水管入口处设置有第三电动流量调速阀，第二入水管与冷水机相连，第二出水管的出水口设置有第二温度传感器，第二出水管的末端与冷水机连接。
进一步地，机器人、第一电动流量调速阀、第二电动流量调速阀、第三电动流量调速阀、第一温度传感器和第二温度传感器均与控制系统相连。
进一步地，冷却套筒内部包括上下设置的套筒上板和套筒下板，套筒上板和套筒下板通过套筒外环形板和套筒内环形板相连，套筒外环形板和套筒内环形板间为套筒腔，第二入水管和第二出水管与套筒腔相连；
套筒腔内交替设置有上出水挡板和下出水挡板，上出水挡板的上部与套筒上板的下表面相连，上出水挡板的下部设置于套筒下板的上部，下出水挡板的下部与套筒下板的上表面相连，下出水挡板的上部设置于套筒上板的下部，冷却液在套筒腔内的上出水挡板和下出水挡板间进行蛇形流动，第二入水管和第二出水管之间的套筒腔内设置有分隔挡板。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明设计了一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，通过冷却箱体和冷却套筒不断循环被冷水机冷却的液体而达到给工件、工作台和激光头降温的目的，从而起到超高效散热，并且可以根据实验要求和实际情况调节冷水机使实验温度在一定的范围内，减少实验变量使实验研究更有说服力。还可以达到细化熔覆层晶粒，降低熔覆层内部温度梯度不均匀的程度，扩大应用范围，保护激光头组件，提高实验环境安全性的目的。
本发明在激光头上配备冷却套筒，套筒腔体内的肋板设计提高循环的水流体积和循环效率。冷却套筒、温度传感器、电动流量调速阀组成了一个控制系统，时时观测激光头的状态并做出反应，使整个冷却系统更智能。
关于本发明的冷却箱体结构设计，1、箱体顶部是盖和板的配合为梯形键与槽的配合。实现了盖板间的滑动，满足不同基体尺寸以及不同定位要求，同时也可以承受基体和置物网的重量。2、板上留有液氮投入口，考虑激光定向能量沉积导致瞬间高温，当基体温度不能有效散去时，可根据控制系统的反馈按计量加入液氮。3、出水口处设置过滤腔和过滤网，过滤腔是增大过滤体积降低对滤网压力，过滤网是过滤杂质对冷水机进行保护。4、温度传感器、电动流量调速阀和控制系统对冷却系统形成闭环控制，使整个冷却系统更加智能。5、置物网设计成网状增大基体和冷却液体的接触体积。6、箱体盖的结构设计等间距挂钩可与不同尺寸的置物网相连接。
本发明的冷却套筒和冷却箱体均与冷水机连接，提高冷水机利用效率。两个冷却系统与激光定向能量沉积系统连接形成一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明冷却箱体系统示意图。
图3为本发明冷却箱局部示意图。
图4为图3的A-A向剖面图。
图5为图4的I处局部放大图。
图6为图4的II处局部放大图。
图7为本发明冷却套筒俯视图。
图8为图7的B-B向剖面图。
图9为本发明冷却套筒主视图。
图10为本发明冷却套筒立体图。
图11为本发明冷却套筒中冷却腔俯视图。
图12为本发明冷却套筒中冷却腔主视图。
图13为本发明冷却腔液体流动示意图。
图14为本发明控制系统连接关系图。
图中：1、机器人；2、激光头装置；3、工作台；4、冷却箱体；5、基板；6、第一上板；7、第二上板；8、第一入水管；9、液氮投入口；10、第一滑盖；11、第二滑盖；12、置物网；13、第一温度传感器；14、第一出水管；15、过滤槽；16、过滤网；17、冷水机；18、第一电动流量调速阀；19、第二电动流量调速阀；20、冷却套筒；21、挡板；22、螺栓；23、第二入水管；24、第二出水管；25、第三电动流量调速阀；26、第二温度传感器；27、控制系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，本系统完善了激光定向能量沉积过程。机器人1通过控制系统27满足沉积过程中的轨迹要求，激光、粉末、气体通过激光头装置2实现同轴送粉，工作台3对冷却系统提供支撑台面，冷却箱体4对基板5提供支撑和冷却。冷却箱体4与第一上板6和第二上板7为密闭连接，第一上板6开孔与第一入水管8通过密封胶圈密封连接。第一上板6开孔与液氮投入口9连接。第一上板6与第一滑盖10实现滑动连接，第二上板7与第二滑盖11实现滑动连接。第一滑盖10与第二滑盖11通过自身挂钩与置物网12连接。置物网12上可放置基板5。冷却箱体4内壁上安置第一温度传感器13。冷却箱体4下方开孔与第一出水管14通过密封胶圈相连接。第一出水管14在箱体内与过滤槽15、过滤网16相连。第一入水管8与冷水机17连接，在连接处安装第一电动流量调速阀18。第一出水管14连接冷水机17并在连接处安装第二电动流量调速阀19。激光头装置2上的挡板21与冷却套筒20通过螺栓22连接。冷却套筒20和挡板21均开等尺寸的孔通过密封胶圈与第二入水管23和第二出水管24连接。第二入水管23入口处安有第三电动流量调速阀25，末端与冷水机17连接。第二出水管24出水口安有第二温度传感器26，末端与冷水机17连接。机器人1、第一电动流量阀18、第二电动流量阀19、第三电动流量阀25、第二温度传感器26、第一温度传感器13均与控制系统27连接。
本文发明的工作台冷却箱结构如图2-图6所示，此系统主要由冷却箱体4、第一上板6、第二上板7、第一滑盖10、第二滑盖11等组成。其中冷却箱体4顶端有第一上板6和第二上板7，第一上板6上连接第一入水管8，去除进水管长度后第一上板6与第二上板7长度相等，第二上板7长度约占冷却箱体4总长度的1/3（可根据使用情况调整大小）。第一上板6和第二上板7的宽度完全等于冷却箱体4内部的长度，第一上板6和第二上板7与冷却箱体4为密闭连接，第一滑盖10、第二滑盖11的长宽等于第二上板7的长宽。第一上板6开有孔与液氮投入口9配合，目的是在冷却系统工作负担大时可根据图1中控制系统27的反馈，按计量加入液氮。第一上板6和第二上板7上表面制作梯形键，第一滑盖10、第二滑盖11下表面开有梯形槽。第一上板6和第一滑盖10用梯形键槽配合，第二上板7和第二滑盖11用梯形键槽配合，一方面实现滑动功能可根据基板5大小调节箱的开口尺寸和解决熔覆层定位问题，另一方面可以承受置物网12以及基板5的重量，梯形键槽的具体结构如图6所示。第一滑盖10、第二滑盖11在对立面上制作了等间距挂钩，挂钩与置物网12配合，根据不同的基体尺寸配备不同尺寸的置物网均能挂在第一滑盖10、第二滑盖11的挂钩上。置物网12制作成网状，目的是让放在网上的基板5最大的限度的与冷却箱体4内的冷却液体接触，来提高冷却效率。根据基板5的尺寸要求可配备不同尺寸的置物网12，通过第一滑盖10、第二滑盖11和第一上板6、第二上板7间的梯形键槽来调整第一滑盖10、第二滑盖11的间距来配合置物网12的尺寸要求。冷却箱体4下方与第一出水管14相连接处设计过滤槽15，目的是增大过滤体积，提高过滤效率，降低高水压作业时对过滤网的冲击。过滤网16安装于过滤槽15之上，根据使用频率定期更换，目的是防止工作中的污染物跟随水流进入冷水机对机器造成伤害。整个箱体装配完后第一滑盖10、第二滑盖11和液氮投入口9都要和箱体的上表面在一个平面内，如图5所示。第一入水管8也要设置在冷却箱体4的边缘处，目的是不限激光头的空间运动。如图14所示，第一温度传感器13和第一电动流量调速阀18、第二电动流量调速阀19通过控制系统27形成闭环控制。
本发明的激光头装置的冷却系统如图7-图12所示。图10所示为激光头装置2底部安装的冷却套筒20，冷却套筒20与图1中激光头装置2的底部结构完全贴合，由图8可以看出其是一个腔体结构，顶端连接第二出水管24，第二入水管23。第二出水管24和第二入水管23均与图1中冷水机17连接，这样冷却套筒20、第二入水管23、第二出水管24、冷水机17就形成了一个完善的水路循环。第二入水管23入水端连接第三电动流量调速阀25可根据图1中控制系统27调节液体循环，出水口处安装第二温度传感器26，时时反馈给控制系统27，控制系统27做出反应控制第三电动流量调速阀25。冷却套筒20的内部结构如图11所示，根据腔体结构在整个圆周上设置了上出水挡板和下出水挡板如图12的主视图部分，这些上出水挡板和下出水挡板交错均匀的分布在圆周上如图11的俯视图部分，这些上出水挡板和下出水挡板与腔体接触部分均为密闭连接只留上端出口或是下端出口，这使冷却水进入腔体内就进行蛇形流动，保证腔体内液体的循环体积同时也加快了液体的循环。在入水端和出水端中间的一块上出水挡板或下出水挡板与腔体是完全密闭的，这就将腔体分开，这样加大了循环效率，保证流进腔体的液体时刻运动。将冷却腔体内液体的流动简化为二维视图如图13所示，虚线代表液体的流动轨迹，箭头方向代表液体的流动方向。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于：包括机器人（1）、激光头装置（2）和冷水机（17），所述机器人（1）与所述激光头装置（2）相连，所述激光头装置（2）的下方依次设置有工作台（3）和冷却箱体（4），所述冷却箱体（4）上表面上设置有第一上板（6）和第二上板（7），所述第一上板（6）和所述第二上板（7）之间设置有基板（5），所述第一上板（6）与第一滑盖（10）滑动连接，所述第二上板（7）与第二滑盖（11）滑动连接，所述第一滑盖（10）和所述第二滑盖（11）与置物网（12）相连，所述置物网（12）设置于所述第一滑盖（10）和所述第二滑盖（11）之间，所述置物网（12）上设置有所述基板（5）；
所述第一上板（6）上开设有第一孔，所述第一孔与第一入水管（8）相连，所述冷却箱体（4）下方开设有第二孔，所述第二孔与第一出水管（14）相连，所述第一出水管（14）与设置在所述冷却箱体（4）内部的过滤槽（15）和过滤网（16）相连，所述第一入水管（8）与所述冷水机（17）相连，所述第一出水管（14）与所述冷水机（17）相连。
2.根据权利要求1所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述冷却箱体（4）的内壁上设置有第一温度传感器（13），所述第一入水管（8）与所述冷水机（17）连接处设置有第一电动流量调速阀（18），所述第一出水管（14）与所述冷水机（17）连接处设置有第二电动流量调速阀（19）。
3.根据权利要求1所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述第一孔与所述第一入水管（8）通过密封胶圈相连，所述第二孔与所述第一出水管（14）通过密封胶圈相连。
4.根据权利要求1所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述第一上板（6）和所述第二上板（7）的上表面设置有梯形键，所述第一滑盖（10）和所述第二滑盖（11）下表面开设有梯形槽，所述第一上板（6）与所述第一滑盖（10）通过键槽连接，所述第二上板（7）与所述第二滑盖（11）通过键槽连接。
5.根据权利要求1所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述第一上板（6）上设置有用以加入液氮的液氮投入口（9）。
6.根据权利要求2所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述激光头装置（2）的下部依次连接有挡板（21）和冷却套筒（20），所述挡板（21）和所述冷却套筒（20）分别与第二入水管（23）和第二出水管（24）相连，所述第二入水管（23）入口处设置有第三电动流量调速阀（25），所述第二入水管（23）与冷水机（17）相连，所述第二出水管（24）的出水口设置有第二温度传感器（26），所述第二出水管（24）的末端与冷水机（17）连接。
7.根据权利要求6所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述机器人（1）、第一电动流量调速阀（18）、第二电动流量调速阀（19）、第三电动流量调速阀（25）、第一温度传感器（13）和第二温度传感器（26）均与控制系统（27）相连。
8.根据权利要求6所述的配备冷却系统的激光定向能量沉积系统，其特征在于，所述冷却套筒（20）内部包括上下设置的套筒上板和套筒下板，所述套筒上板和所述套筒下板通过套筒外环形板和套筒内环形板相连，所述套筒外环形板和所述套筒内环形板间为套筒腔，所述第二入水管（23）和所述第二出水管（24）与套筒腔相连；
所述套筒腔内交替设置有上出水挡板和下出水挡板，所述上出水挡板的上部与套筒上板的下表面相连，所述上出水挡板的下部设置于套筒下板的上部，所述下出水挡板的下部与套筒下板的上表面相连，所述下出水挡板的上部设置于套筒上板的下部，冷却液在套筒腔内的上出水挡板和下出水挡板间进行蛇形流动，所述第二入水管（23）和第二出水管（24）之间的套筒腔内设置有分隔挡板。
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