CN215713378U - 具有辅助光束的同轴式激光融覆装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，可应用于积层制造辅助系统，凭借在激光加工系统中的激光工具头外部增加多个激光束实现激光束分段启动、激光光斑尺寸扩大的需求。当主激光束激光开启并且进行扫描移动时，可针对欲加工的材料，同步实现预热、热源扩大并且提升积层制造产品的品质。该多光束激光架构乃是由主光束结合辅助光束所形成的激光融覆喷嘴，通过运用辅助光束增加融覆效率的激光加工，以实现弹性可控制输入的激光加工头。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光适用领域，尤其是一种可运用于积层材料制造的具有辅助光束的同轴式激光融覆装置。
背景技术
随着智能制造以及数位实体转换技术的到来，为了能够满足绿色环保为前提的发展基础的下，迫切的需要对目前传统的制造模式进行升级，原因在于模具领域、汽车领域、以及航空领域等，使用着大量的零组件，而这些零组件因为频繁的被使用，致使零组件容易受到磨耗/腐蚀等损伤，降低零组件的使用寿命。另一方面，上述的零组件往往在几何形状上偏向复杂，加工程序繁琐且耗时长，因此，为了解决上述的问题，对于表面磨耗的修复再制造技术以及快速积层制造零组件的技术具有极大的发展空间。
由于激光加工系统于修复再制造与快速积层制造方面，不论是设备或是制程气体的使用，相较于热/冷喷涂对于可修复的面积与零件可修复的深度以及内孔表面处理而言，其应用面与成本考量更较热/冷喷涂具有发展优势。发展至今，不论是金属材料或是陶瓷材料，都可使用，特别是针对材料表面进行改质处理，提升或是增加材料表面的耐磨耗，耐腐蚀或抗高温氧化等功能。
然而，裂纹与孔隙乃是激光修复再制造与快速积层制造中最为常见的缺欠。这些缺欠形成的主要原因来自于无法精准的控制冶金材料由高温冷却至常温的冶金化学反应与凝固行为。
制程中，凝固裂纹又称结晶裂纹，产生在金属凝固过程的后期。当金属材料由形核、晶粒成长、到通过晶界，一直到最后快要完成结晶，与此同时，晶粒间尚存在着很薄的液相层，流动性且塑性低，一旦，冷却过程中温度分布不均匀，当材料冷凝收缩，产生拉伸变形超过临界值时，则裂纹便会沿着晶界附近的液相层发生开裂。这种裂纹大多起源于树枝晶的最终汇合处，沿着晶间扩展，严重时，裂纹将会一直扩展到融覆层表面，特别是，含硫、磷(有时含硅，碳)较多的碳钢材料中、例如高碳钢材、耐热钢、镍基合金及铝合金，于焊缝处都特别容易出现凝固裂纹。
另一方面，在激光积层制造中，激光的焦点距离决定了激光光斑尺寸的大小，而光斑尺寸决定了熔池的大小，因此，为了获得一足够大的光斑尺寸，焦点位置往往处于离焦状态，又由于激光作用到材料表面的能量密度以及融覆过程中粉末材料的得料率很大程度取决于光斑尺寸，因此，为了获得一良好品质的融覆层，往往需要高功率的激光源才能实现。
为了解决上述在激光积层制造制程中常见的缺失，本团队就多年来的经验，构思一种多光束激光融覆加工头应用于积层制造辅助系统的装置。通过支架机构辅助架设辅激光束，将辅激光束对准主激光束光斑，有效地解决激光光斑尺寸，熔池偏小与提供一相对均匀的熔池温度范围，使融覆材料进入熔池时可以有效被熔融结合进一步提升得料率。
实用新型内容
本实用新型的一目的，旨在提供一种激光融覆装置，以增加光斑尺寸，促使融覆粉末材料进入到熔池中时能更有效的提升得料率，凭借均匀稳定温度分布的特性，使该融覆涂层具有较高均匀性生产品质。
为达上述目的，本实用新型揭示一种具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，供以针对一待加工物进行激光融覆加工，包含：一融覆头本体，具有一内喷嘴与一外喷嘴，其中该内喷嘴可供一主激光束射出激光后而形成一主光斑；该外喷嘴相对该内喷嘴同轴环绕设置而供以提供一屏蔽气体；复数个支架，分别设置有一辅助激光束，该复数个支架环绕设置于该融覆头本体的侧边，而使该些辅助激光束环绕该主激光束设置，且该些辅助激光束供以形成一次光斑；其中，该主光斑与该次光斑叠合后形成一融覆光斑；及一粉末流道，相对该内喷嘴位置而环设于该内喷嘴侧边形成同轴设置，且该粉末流道提供一融覆粉末至该融覆光斑中所形成的一熔池中形成一融覆涂层；其中该粉末流道与该内喷嘴及该外喷嘴都为同轴设置，该粉末流道介于该内喷嘴与该外喷嘴之间而供应该融覆粉末，且该复数个支架可相对该融覆头本体移动。
较佳地，其中，该些辅助激光束系等间隔设置。
较佳地，其中，该次光斑系接续于该主光斑周缘而叠合形成该融覆光斑。
较佳地，其中，该融覆粉末相对该融覆光斑为非对称式侧送粉模式进行融覆；或该融覆粉末相对该融覆光斑为对称式同轴送粉模式进行融覆。
较佳地，该激光融覆装置更具有一基座供以放置该待加工物，且该复数个支架可移动后分别相对该基座形成60～80度的夹角。较佳地，其中，该复数个支架可移动后分别与该基座形成100～180mm的间距。
综上所述，本实用新型具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，可应用于积层制造辅助系统，凭借在激光加工系统中的激光工具头外部增加多个激光束实现激光束分段启动、激光光斑尺寸扩大的需求。当主激光束激光开启并且进行扫描移动时，可针对欲加工的材料，同步实现预热、热源扩大并且提升积层制造产品的品质。据此利用弹性可控制输入的激光加工头，有效增加光斑尺寸，促使融覆粉末材料进入到熔池中时能更有效的提升得料率，凭借均匀稳定温度分布的特性，使该融覆涂层具有较高均匀性生产品质。
附图说明
图1为本实用新型较佳实施例的作动示意图。
图2为本实用新型另一较佳实施例的作动示意图。
图3为本实用新型又一较佳实施例的作动示意图。
图4为本实用新型较佳实施例的装置示意图。
附图标记说明：1-融覆头本体；10-主激光束；11-内喷嘴；101-主光斑；12-外喷嘴；120-屏蔽气体；2-支架；20-辅助激光束；201-次光斑；30-粉末流道；301-融覆粉末；302-熔池；303融覆涂层；40-融覆光斑；5-基座；9-待加工物。
具体实施方式
为使能清楚了解本实用新型的内容，谨以下列说明搭配图式，敬请参阅。其中各图所示的表现，都仅为利于说明本案技术特征的示意，并非指本实用新型仅能以该些方式为其实施。请参阅图1～图4，分别为本实用新型的各个较佳实施例的作动示意图及装置示意图。
其中，本实用新型系揭示一种具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，供以针对一待加工物9进行激光融覆加工，其中该激光融覆装置包含有一融覆头本体1、复数个支架2及一粉末流道30。其中该融覆头本体1设有一内喷嘴11与一外喷嘴12，其中该内喷嘴11可供一主激光束10射出激光后形成一主光斑101；该外喷嘴12相对该内喷嘴11同轴环绕射置而供以提供一屏蔽气体120。而该复数个支架2分别设置有一辅助激光束20，且该复数个支架2环绕设置于融覆头本体1的侧边，而使等辅助激光束20环绕该主激光束10设置，且该些辅助激光束20可供以形成一次光斑201。进一步地，该主光斑101与该次光斑201的设置角度可以使二者叠合后形成一融覆光斑40。据此，该融覆光斑40具有较佳的温度分布均匀稳定特性，且融覆光斑尺寸面积也较传统融覆范围大，据此可提升得料率。另外，该粉末流道30设于该主激光束10的一侧，且该粉末流道30提供一融覆粉末301至该融覆光斑40而形成一熔池302。又，为了增加弹性可控制输入的激光加工，其中该复数个支架2可相对该融覆头本体1移动。另外，该粉末流道30相对该内喷嘴11位置而环设于该内喷嘴11侧边形成同轴设置，且该粉末流道30提供该融覆粉末301至该熔池302而形成一融覆涂层303。其中该粉末流道30与该内喷嘴11及该外喷嘴12都为同轴设置，且该粉末流道30介于该内喷嘴11与该外喷嘴12之间而供应该融覆粉末301。由于旁轴送粉乃采用气动方式将粉末送到光斑内，而旁轴送粉可分为非对称的侧送粉和对称的同轴送粉两种，侧送粉易受运动方向影响，融覆质量相对较差；同轴送粉融覆质量好，通用性强。换言之，本实用新型的该同轴设计可轻易理解地设计为圆环型出口结构，并利用该同轴进料方式达到较佳的激光融覆效果。
进一步地，为了使该些辅助激光束20形成的该次光斑201与该主光斑101具有较佳的叠覆效果，其中该些辅助激光束20是等间隔设置，以一圈360度而言，设置三个该些辅助激光束20，彼此间系以间隔约120度夹角而为设置；设置四个该些辅助激光束20，彼此间系以间隔约90度夹角而为设置，而依此类推。
进一步地，由于增加该融覆光斑40大小可以提升得料率，故基此考量，该次光斑201可接续于该主光斑101周缘，进而叠合形成该融覆光斑40的整体范围。如此一来，融覆光斑40便使可相应生成的该熔池302范围大幅提升，当融覆粉末201进入至该熔池302范围之后，可有效增加得料率。
再者，为了加强弹性可控制输入的激光加工，其中该激光融覆装置更具有一基座5供以放置该待加工物9，且该复数个支架2可移动后分别相对该基座5形成60～80度的夹角。较佳地，其中，该复数个支架2可移动后分别与该基座5形成100～180mm的间距。通过前述角度与距离的变化，可有效弹性调整该融覆光斑40尺寸及该熔池302温度分布，据此可针对不同积层材及该融覆粉末301都可有效实现激光融覆后材料制程功效。
综上所述，本实用新型具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，可应用于积层制造辅助系统，凭借在激光加工系统中的激光工具头外部增加多个激光束实现激光束分段启动、激光光斑尺寸扩大的需求。当主激光束激光开启并且进行扫描移动时，可针对欲加工的材料，同步实现预热、热源扩大并且提升积层制造产品的品质。据此利用弹性可控制输入的激光加工头，有效增加光斑尺寸，促使融覆粉末材料进入到熔池中时能更有效的提升得料率，凭借均匀稳定温度分布的特性，使该融覆涂层具有较高均匀性生产品质。
以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，能够针对一待加工物进行激光融覆加工，其特征在于，包含：
一融覆头本体，具有一内喷嘴与一外喷嘴，其中该内喷嘴可供一主激光束射出激光后而形成一主光斑；该外喷嘴相对该内喷嘴同轴环绕设置而供以提供一屏蔽气体；
复数个支架，分别设置有一辅助激光束，该复数个支架环绕设置于该融覆头本体的侧边，而使复数个辅助激光束环绕该主激光束设置，且该复数个辅助激光束供以形成次光斑；其中，该主光斑与该次光斑叠合后形成一融覆光斑；及
一粉末流道，相对该内喷嘴位置而环设于该内喷嘴侧边形成同轴设置，且该粉末流道提供一融覆粉末至一熔池而形成一融覆涂层；其中该粉末流道与该内喷嘴及该外喷嘴都为同轴设置，该粉末流道介于该内喷嘴与该外喷嘴之间而供应该融覆粉末，且该复数个支架能够可相对该融覆头本体移动。
2.如权利要求1所述的具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，其特征在于，该复数个辅助激光束等间隔设置。
3.如权利要求2所述的具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，其特征在于，该次光斑接续于该主光斑周缘而叠合形成该融覆光斑。
4.如权利要求1～3中任一项所述的具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，其特征在于，具有一基座，供以放置该待加工物，且该复数个支架能够在移动后分别相对该基座形成60～80度的夹角。
5.如权利要求4所述的具有辅助光束的同轴式激光融覆装置，其特征在于，该复数个支架能够在移动后分别与该基座形成100～180mm的间距。
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