CN210755853U - 一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路和光路单元，光路单元包括激光器连接头、准直模块、分光模块、及具有能够将光路向下反射镜面的光路转向模块，其中分光模块包括分光镜、与分光镜的镜面一一对应且能够将光束反射至反射镜面的反射镜，反射镜面倾斜设置，且位于光路转向模块底面，送丝管路自上而下自光路转向模块内部穿出，且送丝管路的出丝口位于反射镜面的下方。本实用新型在丝材输送过程中，保持丝材垂直送入，且整个过程保持垂直角度进入熔池，同时激光束通过汇聚、分路、再汇聚的形式形成与送丝管路中心共线的激光焦点，保证进入熔池时光束和丝材同轴，避免了送丝过程中角度变化，提高了成形精度。

Description

一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置

技术领域

本实用新型属于激光增材制造设备领域，具体涉及一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置。

背景技术

激光增材制造技术是一种以粉末或丝材为原料，通过高功率激光熔化/快速凝固逐层累加，能直接制造出全致密且力学性能优异金属零件的先进制造技术，在航空航天、汽车船舶及武器装备等领域具有广阔的应用前景。基于送丝的同步增材制造技术，由于金属丝材为刚性输送，无发散性，材料利用率几乎为100%、节能环保，熔覆表面粗燥度低，可避免送粉带来的问题。另外，丝材成本相对较低且易获得，同时具有容易实现精确控制、送料速度快等优点，送丝熔覆被认为具有极大发展空间。

目前，送丝方式大多采用的是侧向“光外”送丝法，即是将丝材经过激光束外侧送入激光所产生的熔池中，这种方法存在扫描方向性限制及不能保证光、丝准确耦合等问题，这些都限制了“光外”送丝熔覆技术的广泛应用。为解决“光外”送丝的问题，石世宏等提出了“光内”同轴送丝熔覆新方法。该方法利用光束易变换的特点，将入射的实心圆形激光束在喷头装置中进行变换，使投射至成形表面上的聚焦激光束内部形成一中空锥形的无光区，单根送丝喷嘴即可布置在此无光区中并与聚焦激光束同轴。可消除“光外”送丝法扫描方向性的影响，同时可实现光、丝准确耦合。

但是，在现有光内送丝增材制造过程中，由于丝材是弯曲过渡垂直进入熔池，在丝材输送过程中送丝角度逐渐变化，造成在丝材脱离送丝管后由于应力释放，导致丝材发生一定的偏摆，这就造成了熔池的不稳定，进而送丝成形质量较差。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的激光增材制造送丝用的光内送丝装置。

为解决以上技术问题，本实用新型采取如下技术方案：

一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路和光路单元，光路单元包括激光器连接头、准直模块、分光模块、及具有能够将光路向下反射镜面的光路转向模块，其中分光模块包括分光镜、与分光镜的镜面一一对应且能够将光束反射至反射镜面的反射镜，反射镜面倾斜设置，且位于光路转向模块底面，送丝管路自上而下自光路转向模块内部穿出，且送丝管路的出丝口位于反射镜面的下方；自激光器发出的光束在准直模块的校直下形成平行光束，平行光束在分光镜下分成了至少两条光路，每条光路向对应的反射镜反射，并由反射镜将光路反射至反射镜面，再由反射镜面将两条或多条光路向下反射形成汇聚焦点，其中汇聚焦点位于送丝管路出丝口的下方，且汇聚焦点的中心与送丝管路的中心共线。

优选地，平行光束水平设置，送丝管路垂直向下延伸，反射镜面将多条光路垂直向下反射。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，激光器连接头内部形成光束通道，准直模块与激光器连接头对接且能够将光束校直形成平行光束，光内送丝装置还包括光罩、连接在光罩一端部的环形座、可拆卸连接在环形座上的环形盖，其中在环形盖上设有光束通孔，准直模块与环形盖对接，平行光束自光束通孔射入环形盖内，分光镜通过支杆设置在环形座所形成的环形腔内，反射镜设置在环形盖内壁，且与分光镜的镜面对应设置，光路转向模块连接在光罩的另一端部。

优选地，环形座包括与环形盖螺纹配合的环形本体、设置在环形本体内部的环形定位条，支杆沿着环形定位条的径向延伸且固定在环形定位条上，分光镜自底座设置在支杆的一侧，且分光镜面朝向环形本体的内壁。

进一步的，分光镜沿着支杆的长度方向延伸，且具有位于支杆相对两侧的两个镜面，反射镜对应有两个，且轴向对称设置环形盖内壁的相对两侧。

具体的，分光镜的长度大于或等于光束通孔的孔径。这确保不会有未经过分路的光束存在。

优选地，反射镜沿着环形盖周向延伸并呈弧形段，且通过外接件能够沿着环形盖的径向活动调节的在环形盖上。这样一来，能够对反光镜进行聚焦调节，以便于最后汇聚的激光束和丝材同轴。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，分光镜的镜面呈自表面向内凹陷的弧形反射面，在弧形段反射镜的镜面上也对应设有弧形反射面。该弧形反射面的设置，能够起到良好的聚光效果，使得激光能量能够充分的被使用。

优选地，光罩自环形座所在端部向光路转向模块所在端部外径逐渐变小，光内送丝装置还包括用于将光罩与所述光路转向模块对接的连接套，其中连接套上形成有外形与光路转向模块匹配缺角，且连接套的底面与外界贯通设置。

本例中，连接套和光路转向模块通过外连接件对接后形成方形体。

此外，在光路转向模块上安装有自上而下贯穿光路转向模块顶面和底面的套管，送丝管路设置在套管中。

优选地，送丝管路包括位于内部的送丝通道、位于送丝通道外周的保护气体通道，其中出丝口对应设置在送丝通道的底部，保护气体通道的出口也设置在底部，使得丝材在保护气体所形成的气氛中进行热熔。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型在丝材输送过程中，保持丝材垂直送入，且整个过程保持垂直角度进入熔池，同时激光束通过汇聚、分路、再汇聚的形式形成与送丝管路中心共线的激光焦点，保证进入熔池时光束和丝材同轴，避免了送丝过程中角度变化，提高了成形精度。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为本实用新型光内送丝装置的立体结构示意图；

图2为图1的结构分解示意图；

图3为图1的主视示意图；

图4为图3中A-A向剖视示意图；

图5为本实用新型光路走向示意图（1）；

图6为本实用新型光路走向示意图（2）；

图7为图5和图6中的不同位置处光路的剖视示意图；

1、送丝管路；1a、出丝口；

2、光路单元；20、激光器连接头；21、准直模块；22、分光模块；220、分光镜；b、镜面；221、反射镜；23、光路转向模块；a、反射镜面；

3、光罩；

4、环形座；40、环形本体；41、环形定位条；c、支杆；

5、环形盖；50、光束通孔；

6、连接套；60、缺角；

7、套管。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1和图2所示，激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路1和光路单元2。

光路单元2包括激光器连接头20、准直模块21、分光模块22、及具有能够将光路向下反射镜面a的光路转向模块23，其中分光模块22包括分光镜220、与分光镜220的镜面b一一对应且能够将光束反射至反射镜面a的反射镜221。

具体的，反射镜面a倾斜设置，且位于光路转向模块23底面，送丝管路1自上而下自光路转向模块23内部穿出，且送丝管路1的出丝口1a位于反射镜面a的下方。

激光器连接头20内部形成光束通道，准直模块21与激光器连接头20对接且能够将光束校直形成平行光束。

光内送丝装置还包括光罩3、连接在光罩3一端部的环形座4、可拆卸连接在环形座4上的环形盖5，其中在环形盖5上设有光束通孔50，准直模块21与环形盖5对接，平行光束自光束通孔50射入环形盖5内。

分光镜220通过支杆c设置在环形座4所形成的环形腔内，反射镜221设置在环形盖5内壁，且与分光镜221的镜面一一对应设置。

环形座4包括与环形盖5螺纹配合的环形本体40、设置在环形本体40内部的环形定位条41，支杆c沿着环形定位条41的径向延伸且固定在环形定位条41上，分光镜220自底座设置在支杆c的一侧，且分光镜220镜面朝向环形本体40的内壁。

分光镜220沿着支杆c的长度方向延伸，且具有位于支杆c相对两侧的两个镜面b，反射镜221对应有两个，且轴向对称设置环形盖5内壁的相对两侧。

分光镜220的长度大于光束通孔50的孔径。这确保不会有未经过分路的光束存在。

反射镜221沿着环形盖5周向延伸并呈弧形段，且通过外接件能够沿着环形盖5的径向活动调节的在环形盖5上。这样一来，能够对反光镜221进行聚焦调节，以便于最后汇聚的激光束和丝材同轴。

同时，结合图5至图7所示，分光镜220的镜面b呈自表面向内凹陷的弧形反射面，在弧形段反射镜221的镜面d上也对应设有弧形反射面。该弧形反射面的设置，能够起到良好的聚光效果，使得激光能量能够充分的被使用。

光罩3自环形座4所在端部向光路转向模块24所在端部外径逐渐变小，光内送丝装置还包括用于将光罩3与光路转向模块24对接的连接套6，其中连接套6上形成有外形与光路转向模块24匹配缺角60，且连接套6的底面与外界贯通设置。

本例中，连接套6和光路转向模块24通过外连接件对接后形成方形体。同时，连接套6和光罩3一体形成设置。

此外，在光路转向模块24上安装有自上而下贯穿光路转向模块24顶面和底面的套管7，送丝管路1设置在套管7中。

送丝管路1包括位于内部的送丝通道10、位于送丝通道10外周的保护气体通道11，其中出丝口1a对应设置在送丝通道10的底部，保护气体通道11的出口1b也设置在底部，使得丝材在保护气体所形成的气氛中进行热熔。

综上所述，自激光器发出的光束进入激光器连接头20内部的光束通道后，通过准直模块21对光束进行校直并呈水平方向右射出（所形成的平行光束），并通过光束通孔50照射至弧形反射的分光镜220上，由分光镜220的弧形反射面将光束聚集并呈两条光路分别向所对应的弧形段反射镜221反射，并由反射镜221上的弧形反射面将光路反射至反射镜面a，再由反射镜面a将两条光路向下反射形成汇聚焦点，此时，位于送丝通道内部的丝材垂直向下送丝，光路自两侧向下反射进行汇聚，因此，丝材与光路之间没有任何的干扰，而且还能确保进入熔池时光束和丝材同轴，这样才能有效的避免了送丝过程中角度的变化，提高了成形精度。

以上对本实用新型做了详尽的描述，但本实用新型不限于上述的实施例。凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路和光路单元，其特征在于：

所述光路单元包括激光器连接头、准直模块、分光模块、及具有能够将光路向下反射镜面的光路转向模块，其中所述分光模块包括分光镜、与所述分光镜的镜面一一对应且能够将光束反射至所述反射镜面的反射镜，所述反射镜面倾斜设置，且位于所述光路转向模块底面，

所述送丝管路自上而下自所述光路转向模块内部穿出，且所述送丝管路的出丝口位于所述反射镜面的下方；

自激光器发出的光束在所述准直模块的校直下形成平行光束，所述平行光束在所述分光镜下分成了至少两条光路，每条光路向对应的所述反射镜反射，并由所述反射镜将光路反射至所述反射镜面，再由所述反射镜面将两条或多条光路向下反射形成汇聚焦点，其中所述的汇聚焦点位于所述送丝管路出丝口的下方，且所述汇聚焦点的中心与所述送丝管路的中心共线。

2.根据权利要求1所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述的平行光束水平设置，所述送丝管路垂直向下延伸，所述的反射镜面将多条光路垂直向下反射。

3.根据权利要求1所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述激光器连接头内部形成光束通道，所述准直模块与所述激光器连接头对接且能够将光束校直形成平行光束，所述光内送丝装置还包括光罩、连接在所述光罩一端部的环形座、可拆卸连接在所述环形座上的环形盖，其中在所述的环形盖上设有光束通孔，所述准直模块与所述环形盖对接，平行光束自所述光束通孔射入所述环形盖内，所述分光镜通过支杆设置在环形座所形成的环形腔内，所述的反射镜设置在所述环形盖内壁，与所述的分光镜的镜面对应设置，所述的光路转向模块连接在所述光罩的另一端部。

4.根据权利要求3所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述环形座包括与所述环形盖螺纹配合的环形本体、设置在所述环形本体内部的环形定位条，所述支杆沿着所述环形定位条的径向延伸且固定在所述环形定位条上，所述的分光镜自底座设置在所述支杆的一侧，且所述分光镜的镜面朝向所述环形本体的内壁。

5.根据权利要求4所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述的分光镜沿着所述支杆的长度方向延伸，且具有位于所述支杆相对两侧的两个镜面，所述的反射镜对应有两个，且轴向对称设置所述环形盖内壁的相对两侧。

6.根据权利要求5所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述分光镜的长度大于或等于所述光束通孔的孔径。

7.根据权利要求5所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述反射镜沿着所述环形盖周向延伸并呈弧形段，且通过外接件能够沿着所述环形盖的径向活动调节的在所述环形盖上。

8.根据权利要求7所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述分光镜的镜面呈自表面向内凹陷的弧形反射面，在弧形段所述反射镜的镜面上也对应设有所述的弧形反射面。

9.根据权利要求3所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述光罩自所述环形座所在端部向所述光路转向模块所在端部外径逐渐变小，所述的光内送丝装置还包括用于将所述光罩与所述光路转向模块对接的连接套，其中所述连接套上形成有外形与所述光路转向模块匹配缺角，且所述连接套的底面与外界贯通设置。

10.根据权利要求1所述的激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其特征在于：所述的送丝管路包括位于内部的送丝通道、位于所述送丝通道外周的保护气体通道。

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