TW202200351A - 具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，可應用於積層製造輔助系統，藉由在雷射加工系統中之雷射工具頭外部增加多個雷射束實現雷射束分段啟動、雷射光斑尺寸擴大之需求。當主雷射束激光開啟並且進行掃描移動時，可針對欲加工之材料，同步實現預熱、熱源擴大並且提升積層製造產品的品質。該多光束雷射架構乃是由主光束結合輔助光束所形成之雷射融覆噴嘴，透過運用輔助光束增加融覆效率之雷射加工，以實現彈性可控制輸入之雷射加工頭。

Description

具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置

本發明係與雷射適用領域相關，尤其是一種可運用於積層材料製造之具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置。

隨著智慧製造以及數位實體轉換技術的到來，為了能夠滿足綠色環保為前提的發展基礎之下，迫切的需要對目前傳統的製造模式進行升級，原因在於模具領域、汽車領域、以及航空領域等，使用著大量的零組件，而這些零組件因為頻繁的被使用，致使零組件容易受到磨耗/腐蝕等損傷，降低零組件的使用壽命。另一方面，上述的零組件往往在幾何形狀上偏向複雜，加工程序繁瑣且耗時長，因此，為了解決上述的問題，對於表面磨耗的修復再製造技術以及快速積層製造零組件的技術具有極大的發展空間。

由於雷射加工系統於修復再製造與快速積層製造方面，不論是設備或是製程氣體的使用，相較於熱／冷噴塗對於可修復的面積與零件可修復的深度以及內孔表面處理而言，其應用面與成本考量更較熱／冷噴塗具有發展優勢。發展至今，不論是金屬材料或是陶瓷材料，皆可使用，特別是針對材料表面進行改質處理，提升或是增加材料表面之耐磨耗，耐腐蝕或抗高溫氧化等功能。

然而，裂紋與孔隙乃是雷射修復再製造與快速積層製造中最為常見的缺欠。這些缺欠形成的主要原因來自於無法精準的控制冶金材料由高溫冷卻至常溫的冶金化學反應與凝固行為。

製程中，凝固裂紋又稱結晶裂紋，產生在金屬凝固過程的後期。當金屬材料由形核、晶粒成長、到通過晶界，一直到最後快要完成結晶，與此同時，晶粒間尚存在著很薄的液相層，流動性且塑性低，一旦，冷卻過程中溫度分佈不均勻，當材料冷凝收縮，產生拉伸變形超過臨界值時，則裂紋便會沿著晶界附近的液相層發生開裂。這種裂紋大多起源於樹枝晶的最終匯合處，沿著晶間擴展，嚴重時，裂紋將會一直擴展到融覆層表面，特別是，含硫、磷(有時含矽，碳)較多的碳鋼材料中、例如高碳鋼材、耐熱鋼、鎳基合金及鋁合金，於焊縫處都特別容易出現凝固裂紋。

另一方面，在雷射積層製造中，雷射的焦點距離決定了雷射光斑尺寸的大小，而光斑尺寸決定了熔池的大小，因此，為了獲得一足夠大的光斑尺寸，焦點位置往往處於離焦狀態，又由於雷射作用到材料表面的能量密度以及融覆過程中粉末材料之得料率很大程度取決於光斑尺寸，因此，為了獲得一良好品質的融覆層，往往需要高功率的雷射源才能實現。

為了解決上述在雷射積層製造製程中常見之缺失，本團隊就多年來的經驗，構思一種多光束雷射融覆加工頭應用於積層製造輔助系統之裝置。透過支架機構輔助架設輔雷射束，將輔雷射束對準主雷射束光斑，有效地解決雷射光斑尺寸，熔池偏小與提供一相對均勻之熔池溫度範圍，使融覆材料進入熔池時可以有效被熔融結合進一步提升得料率。

本發明之一目的，旨在提供一種雷射融覆裝置，藉以增加光斑尺寸，促使融覆粉末材料進入到熔池中時能更有效的提升得料率，藉由均勻穩定溫度分佈之特性，使該融覆塗層具有較高均勻性生產品質。

為達上述目的，本發明係揭示一種具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，供以針對一待加工物進行雷射融覆加工，包含：一融覆頭本體，具有一內噴嘴與一外噴嘴，其中該內噴嘴係可供一主雷射束射出雷射後而形成一主光斑；該外噴嘴係相對該內噴嘴同軸環繞設置而供以提供一屏蔽氣體；複數個支架，係分別設置有一輔助雷射束，該等支架係環繞設置於該融覆頭本體之側邊，而使該等輔助雷射束係環繞該主雷射束設置，且該等輔助雷射束供以形成一次光斑；其中，該主光斑與該次光斑疊合後形成一融覆光斑；及一粉末流道，係相對該內噴嘴位置而環設於該內噴嘴側邊形成同軸設置，且該粉末流道提供一融覆粉末至該融覆光斑中所形成之一熔池中形成一融覆塗層；其中該粉末流道與該內噴嘴及該外噴嘴皆為同軸設置，該粉末流道介於該內噴嘴與該外噴嘴之間而供應該融覆粉末，且該等支架係可相對該融覆頭本體移動。

較佳地，其中，該等輔助雷射束係等距間隔設置。

較佳地，其中，該次光斑係接續於該主光斑週緣而疊合形成該融覆光斑。

較佳地，其中，該融覆粉末係相對該融覆光斑為非對稱式側送粉模式進行融覆；或該融覆粉末係相對該融覆光斑為對稱式同軸送粉模式進行融覆。

較佳地，該雷射融覆裝置更具有一基座供以置放該待加工物，且該等支架係可移動後分別相對該基座形成60~80度之夾角。較佳地，其中，該等支架係可移動後分別與該基座形成100~180mm之間距。

為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。其中各圖所示之表現，皆僅為利於說明本案技術特徵之示意，並非指本發明僅能以該些方式為其實施。請參閱第1~4圖，係分別為本發明之各個較佳實施例之作動示意圖及裝置示意圖。

其中，本發明係揭示一種具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，供以針對一待加工物9進行雷射融覆加工，其中該雷射融覆裝置係包含有一融覆頭本體1、複數個支架2及一粉末流道30。其中該融覆頭本體1設有一內噴嘴11與一外噴嘴12，其中該內噴嘴11係可供一主雷射束10射出雷射後形成一主光斑101；該外噴嘴12係相對該內噴嘴11同軸環繞射置而供以提供一屏蔽氣體120。而該等支架2係分別設置有一輔助雷射束20，且該等支架2係環繞設置於融覆頭本體1之側邊，而使等輔助雷射束20環繞該主雷射束10設置，且該等輔助雷射束20係可供以形成一次光斑201。進一步地，該主光斑101與該次光斑201之設置角度係可以使二者疊合後形成一融覆光斑40。據此，該融覆光斑40具有較佳之溫度分佈均勻穩定特性，且融覆光斑尺寸面積亦較傳統融覆範圍大，據此可提升得料率。另外，該粉末流道30係設於該主雷射束10之一側，且該粉末流道30提供一融覆粉末301至該融覆光斑40中而形成一熔池302。又，為了增加彈性可控制輸入之雷射加工，其中該等支架2係可相對該融覆頭本體1移動。另外，該粉末流道30係相對該內噴嘴11位置而環設於該內噴嘴11側邊形成同軸設置，且該粉末流道30提供該融覆粉末301至該融覆光斑40中之該熔池302而形成一融覆塗層303。其中該粉末流道30與該內噴嘴11及該外噴嘴12皆為同軸設置，且該粉末流道30介於該內噴嘴11與該外噴嘴12之間而供應該融覆粉末301。由於旁軸送粉乃採用氣動方式將粉末送到光斑內，而旁軸送粉可分為非對稱的側送粉和對稱的同軸送粉兩種，側送粉易受運動方向影響，融覆質量相對較差；同軸送粉融覆質量好，通用性強。換言之，本發明之該同軸設計可輕易理解地設計為圓環型出口結構，並利用該同軸進料方式達到較佳之雷射融覆效果。

進一步地，為了使該等輔助雷射束20形成之該次光斑201與該主光斑101具有較佳之疊覆效果，其中該等輔助雷射束20係為等距間隔設置，以一圈360度而言，設置三個該等輔助雷射束20，彼此間係以間隔約120度夾角而為設置；設置四個該等輔助雷射束20，彼此間係以間隔約90度夾角而為設置，而依此類推。

進一步地，由於增加該融覆光斑40大小可以提升得料率，故基此考量，該次光斑201係可接續於該主光斑101週緣，進而疊合形成該融覆光斑40之整體範圍。如此一來，融覆光斑40便可使相應生成之該熔池302範圍大幅提升，當融覆粉末201進入至該熔池302範圍之後，可有效增加得料率。

再者，為了加強彈性可控制輸入之雷射加工，其中該雷射融覆裝置更具有一基座5供以置放該待加工物9，且該等支架2係可移動後分別相對該基座5形成60~80度之夾角。較佳地，其中，該等支架2係可移動後分別與該基座5形成100~180mm之間距。透過前述角度與距離之變化，可有效彈性調整該融覆光斑40尺寸及該熔池302溫度分佈，據此可針對不同積層材及該融覆粉末301皆可有效實現雷射融覆後材料製程功效。

綜上所述，本發明具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，可應用於積層製造輔助系統，藉由在雷射加工系統中之雷射工具頭外部增加多個雷射束實現雷射束分段啟動、雷射光斑尺寸擴大之需求。當主雷射束激光開啟並且進行掃描移動時，可針對欲加工之材料，同步實現預熱、熱源擴大並且提升積層製造產品的品質。據此利用彈性可控制輸入之雷射加工頭，有效增加光斑尺寸，促使融覆粉末材料進入到熔池中時能更有效的提升得料率，藉由均勻穩定溫度分佈之特性，使該融覆塗層具有較高均勻性生產品質。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本創作之權利範圍；故在不脫離本發明之均等範圍下所做之變化、修飾或替換相同功能之元件，仍皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1:融覆頭本體 10:主雷射束 11:內噴嘴 101:主光斑 12:外噴嘴 120:屏蔽氣體 2:支架 20:輔助雷射束 201:次光斑 30:粉末流道 301:融覆粉末 302:熔池 302:融覆塗層 40:融覆光斑 5:基座 9:待加工物

第1圖，為本發明較佳實施例之作動示意圖。 第2圖，為本發明另一較佳實施例之作動示意圖。 第3圖，為本發明又一較佳實施例之作動示意圖。 第4圖，為本發明較佳實施例之裝置示意圖。

1:融覆頭本體

10:主雷射束

11:內噴嘴

12:外噴嘴

2:支架

20:輔助雷射束

30:粉末流道

5:基座

Claims (5)

1. 一種具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，供以針對一待加工物進行雷射融覆加工，包含： 一融覆頭本體，具有一內噴嘴與一外噴嘴，其中該內噴嘴係可供一主雷射束射出雷射後而形成一主光斑；該外噴嘴係相對該內噴嘴同軸環繞設置而供以提供一屏蔽氣體； 複數個支架，係分別設置有一輔助雷射束，該等支架係環繞設置於該融覆頭本體之側邊，而使該等輔助雷射束係環繞該主雷射束設置，且該等輔助雷射束供以形成一次光斑；其中，該主光斑與該次光斑疊合後形成一融覆光斑；及 一粉末流道，係相對該內噴嘴位置而環設於該內噴嘴側邊形成同軸設置，且該粉末流道提供一融覆粉末至該融覆光斑中而形成一熔池；其中該粉末流道與該內噴嘴及該外噴嘴皆為同軸設置，該粉末流道介於該內噴嘴與該外噴嘴之間而供應該融覆粉末，且該等支架係可相對該融覆頭本體移動。
2. 如請求項1所述之具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，其中，該等輔助雷射束係等距間隔設置。
3. 如請求項2所述之具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，其中，該次光斑係接續於該主光斑週緣而疊合形成該融覆光斑。
4. 如請求項1~3其中任一項所述之具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，更具有一基座供以置放該待加工物，且該等支架係可移動後分別相對該基座形成60~80度之夾角。
5. 如請求項4所述之具輔助光束之同軸式雷射融覆裝置，其中，該等支架係可移動後分別與該基座形成100~180mm之間距。

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