CN208162612U - 同轴复合多束激光+电热丝材沉积装备 - Google Patents
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Abstract
一种丝材沉积装备，能够高效、高质量、低成本地沉积成形金属构件。由多台激光器或1台激光器经分光后输出的多束激光分别经工作头上呈圆周均匀分布的多个准直‑聚焦透镜组先后准直、聚焦后，汇聚于工作头前方；丝材被送丝机沿工作头中心线送进并延伸到工件或基板表面，加热电源与丝材、工件和基板组成电流回路，通电时丝材中产生电阻热，与汇聚的多束聚焦激光形成同轴复合能场；在计算机控制下复合能场加热熔化、沉积不断送进的丝材，进行沉积成形。本实用新型的有益效果是，既确保较高的材料利用率和沉积效率，又利用多束激光与电阻热复合得到高的能量利用率，还因可选用十分成熟且价格较便宜的部件以及丝材价格相对粉末较便宜而降低成本。
Description
技术领域
同轴复合多激光束+电热丝材沉积装备属于成形制造装备领域，具体来说，主要涉及用于金属零件增材制造（3D打印）、修复再制造的一种沉积装备。
背景技术
金属零件增材制造和再制造是目前研究的热点。金属增材制造技术能够根据零件的三维CAD模型，不需要模具，直接成形出金属零件。这种技术节约了模具费用和制造工期，有利于减少产品开发成本、缩短开发周期，快速适应市场需要，而且特别适合结构复杂零件与模具、传统方法难加工的零件以及单件小批量零件的快速制造。再制造以旧的机器设备或其零部件为毛坯，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的产品无论是性能还是质量都不亚于原先的新品，而消耗的能源、资源以及排出的污染物都比制造新品的过程要少。它就是让旧的机器设备重新焕发生命活力的过程，有利于节能降耗，减少环境污染，对推动工业技术革命和社会经济的发展意义重大。
直接能量沉积是金属零件增材制造和再制造的主要工艺之一，目前出现了激光沉积、电子束沉积、电弧沉积和等离子沉积等多种金属零件增材制造和再制造工艺及其相应的设备；另外，金属粉末床熔融也是金属增材制造的主要工艺之一，不过不适合金属零件的再制造。但是，这些工艺和设备在应用方面还存在有很多问题。
目前，金属增材制造和再制造在生产中表现的突出问题是制件质量缺陷、成本过高、生产效率太低。以粉末为材料的增材制造或再制造的金属零件的致密度不高，用丝材增材制造或再制造的零件致密度较好。金属粉末床熔融工艺经常出现球化问题，铺粉动作受到阻碍，成形工艺不能继续进行下去；在送粉激光沉积（熔覆）过程中，通常因为某个工艺参数的波动，导致工艺过程不能继续进行，工件报废。金属增材制造、再制造设备价格相对昂贵，例如进口的金属粉末床熔融设备一般在400万元人民币左右，激光直接沉积设备也需要200万元左右。目前，激光器价格下跌，整个设备成本也相应下降，但因其他重要部件价格仍然比较昂贵，金属增材制造和再制造设备价格还是相对较高。金属增材制造和再制造所用材料，特别是粉末材料比较昂贵，增材制造或再制造投入的人工费用也高。另外，目前金属增材制造和再制造速度很慢，效率极低，有时成形一个零件需要几十天时间。
发明内容
针对这种情况，本专利在分析当前存在的各种金属增材制造方法及其设备的利弊的基础上，并结合当前相关器件的成熟程度与价格，设计了一种新的沉积成形装备，即同轴复合多束激光+电热丝材沉积装备，以提高沉积质量和效率，降低成本。
本实用新型解决问题的方案是：由多台激光器或1台激光器经分光后输出的多束激光分别经工作头上呈圆周均匀分布的多个准直-聚焦透镜组先后准直、聚焦后，汇聚于工作头前方；丝材被送丝机沿工作头中心线送进并延伸到工件或基板表面，加热电源与丝材、工件和基板组成电流回路，通电时丝材中产生电阻热，与汇聚的多束聚焦激光形成同轴复合能场；在计算机控制下复合能场加热熔化、沉积不断送进的丝材，进行沉积成形。工作头中每个准直镜与一个聚焦透镜组成一个共中心轴的平行镜组，多个镜组的中心轴线均匀分布在同一个以丝材中心线为轴的旋转圆锥面上，多束聚焦激光汇聚后在工件或基板表面的光斑形状随该旋转圆锥面与其中心轴之间的夹角变化而变化。聚焦激光束的焦斑中心靠近工件或基板表面，使激光束汇聚于丝材与工件或基板接触的区域。装备控制系统根据电流通断及电流大小，判断沉积成形过程状况，进而调节工艺参数，控制工艺过程。
本实用新型的有益效果是，既确保丝材较高的材料利用率和沉积效率，又利用多束激光与电阻热复合得到高的能量利用率，还因可选用的激光器及其光学传输部件十分成熟且价格较便宜以及丝材价格相对粉末较便宜而降低成本。
附图说明
图1是同轴复合4束激光+电热丝材沉积装备组成示意图。
图2是同轴复合4束激光+电热丝材沉积工作头结构示意图。
图中1.水冷机，2.冷却水路，3.系统控制柜，4.电脑，5.激光光源系统（由4台激光器输出4束激光或者1台激光器经过分光后输出4束激光），6.光纤，7.准直镜，8.加热电极，9.送丝机，10.工作头，11.丝材，12.基板（工件），13.保护气体管路，14.保护气瓶，15送丝管，16.工作台，17.加热电源，18.输电线路，19.聚焦激光束，20.准直光束，21.聚焦透镜，22.加热电极，23.熔池。
具体实施方式
结合附图，具体说明本实用新型的实施方式。
装备工作时，计算机4向控制系统3传输信号，送丝机9通过送丝管15把丝材11从加热电极8中穿出并与基板12接触，开启水冷机1和保护气瓶14，保护气瓶14通过保护气体管路13把惰性气体输送到加热电极8中并吹向基板12，冷却水通过冷却水路2到达激光光源系统5和工作头10，启动激光光源系统5，经过光纤6把4束激光传输到安装在工作头10上的准直镜7，激光束经过准直后形成准直光束20，再经过聚焦透镜21聚焦后形成聚焦激光束19，汇聚于基板12表面并照射丝材11的与基板（工件）12接触的底端，同时，打开加热电源17，电流通过输电线路18、工作台16、基板（工件）12、丝材11、加热电极8，形成回路产生电阻热，电阻热与汇聚激光形成复合能场，加热熔化丝材11底端和基板（工件）12表层，形成熔池23，同时工作台16与工作头10发生相对运动，熔池23不断移动并冷却凝固形成沉积带，继续沉积，进而形成3D金属构件。
Claims (4)
1.一种新的丝材沉积装备，其特征是：由多台激光器或1台激光器经分光后输出的多束激光分别经工作头上呈圆周均匀分布的多个准直-聚焦透镜组先后准直、聚焦后，汇聚于工作头前方；送丝机构送进的丝材沿工作头的中心线进入工作头并延伸到工件或基板表面，加热电源与丝材、工件和基板组成电流回路，通电时丝材中产生电阻热，与汇聚的多束聚焦激光形成同轴复合能场，在计算机控制下复合能场加热熔化、沉积不断送进的丝材，进行沉积成形。
2.根据权利要求1所述的丝材沉积装备，其特征还有：工作头中每个准直镜与一个聚焦透镜组成一个共中心轴的平行镜组，多个镜组的中心轴线均匀分布在同一个以丝材中心线为轴的旋转圆锥面上，多束聚焦激光汇聚后在工件或基板表面的光斑形状随该旋转圆锥面与其中心轴之间的夹角变化而变化。
3.根据权利要求1所述的丝材沉积装备，其特征还有：聚焦激光束的焦斑中心靠近工件或基板表面，使激光束汇聚于丝材与工件或基板接触的区域。
4.根据权利要求1所述的丝材沉积装备，其特征还有：装备控制系统根据电流通断及电流大小，判断沉积成形过程状况，进而调节工艺参数，控制工艺过程。
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2018
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