分束激光聚焦同軸熔絲激光頭和激光同軸熔絲成形設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種分束激光聚焦同軸熔絲激光頭，還是一種含有該分束激光聚焦同軸熔絲激光頭的分束激光聚焦同軸送絲沉積成形設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沉積成形技術(shù)是一種將3D數(shù)模分層切片并生成掃描軌跡，以高功率激光為熱源，激光沿著掃描軌跡熔化粉末或絲材直接逐層堆積的近凈成形工藝。為了防止金屬熔化凝固過程中的氧化和氫脆，成形系統(tǒng)通常在惰性氣體保護(hù)箱中，通過惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)將惰性氣體充滿手套箱。激光熔覆頭固定在機(jī)械手或數(shù)控機(jī)床上，粒度為30μπι?250μπι的金屬粉末通過送粉器惰性氣體載送到激光聚焦點(diǎn)內(nèi)，或直徑0.8mm?2.0mm的金屬絲材通過送絲機(jī)送到激光聚焦點(diǎn)內(nèi)，材料受到激光加熱熔化并凝固沉積在基體上，數(shù)控機(jī)床或機(jī)械手程序控制激光頭的運(yùn)動(dòng)完成激光掃描沉積成形。
[0003]對(duì)于粉末材料，激光送粉沉積過程中，通過氣霧化或旋轉(zhuǎn)電極法制備的粉末材料，其形貌、粒度和化學(xué)成分的一致性較難控制，因此會(huì)影響后續(xù)的激光沉積工藝一致性。并且，成形過程是一個(gè)由點(diǎn)到線、由線到面、再由面到體的自然重力堆積過程，以粉末為原材料，掃描堆積過程形成的凝固邊界區(qū)域過多，因此凝固金屬的堆積過程容易出現(xiàn)氣孔、未熔合和微裂紋等微缺陷。這些微缺陷會(huì)降低成形金屬樣件的動(dòng)態(tài)疲勞和靜態(tài)拉伸力學(xué)性能。激光送絲沉積成形，由于絲材在成分和形貌的一致性優(yōu)于粉末材料，絲材的機(jī)械送進(jìn)方式、熔化狀態(tài)更容易控制。成形過程的原材料堆積界面減少，減少微缺陷萌生原。絲材的制備成本、成形利用率和激光沉積效率要優(yōu)于粉末材料。與此同時(shí)，其還具備激光沉積成形工藝的高加工柔性等其他優(yōu)點(diǎn)，所以激光熔絲沉積成形比熔粉具有更好的工程價(jià)值。
[0004]激光熔絲工藝關(guān)鍵技術(shù)在于激光分束和同軸送絲絲光的耦合方式。傳統(tǒng)側(cè)向送絲由于不同掃描方向絲光相對(duì)位置的變化，其表現(xiàn)出掃描沉積的各向異性，所以只能滿足激光焊接等工藝的一維單向掃描。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有側(cè)向送絲激光三維沉積成形中無法實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的各向同性自由掃描的問題，本發(fā)明提供了一種分束激光聚焦同軸熔絲激光頭和分束激光聚焦同軸送絲成形設(shè)備，該分束激光聚焦同軸熔絲激光頭和分束激光聚焦同軸送絲成形設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面的各向同性激光熔絲沉積，解決了側(cè)向送絲掃描沉積各向異性。相對(duì)于送粉激光沉積成形，提高了成形效率和材料利用率，得到一種高效低成本激光近凈成形增材制造工藝，可用于大型尺寸金屬結(jié)構(gòu)件毛坯的快速制造。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種分束激光聚焦同軸熔絲激光頭，包括分束透鏡、多個(gè)反射鏡和多個(gè)聚焦透鏡，分束透鏡能夠?qū)⒔邮盏降钠叫屑す夥譃橐灰簧湎蛎總€(gè)反射鏡的多束分支激光束，反射鏡與聚焦透鏡一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)聚焦透鏡均能夠?qū)?duì)應(yīng)的反射鏡反射的分支激光束聚焦后會(huì)聚為一個(gè)共同的焦點(diǎn)。
[0008]一種分束激光聚焦同軸送絲沉積成形設(shè)備，包括激光器、惰性氣體保護(hù)手套箱、分束激光聚焦同軸熔絲激光頭、送絲機(jī)、成形平臺(tái)和控制單元，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭為上述的分束激光聚焦同軸熔絲激光頭，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭和成形平臺(tái)均設(shè)置于惰性氣體保護(hù)手套箱內(nèi)，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭位于成形平臺(tái)的上方，激光器能夠向分束激光聚焦同軸熔絲激光頭的分束透鏡發(fā)射平行激光，送絲機(jī)能夠向焦點(diǎn)供應(yīng)金屬絲。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1、將分束激光聚焦光學(xué)系統(tǒng)和同軸送絲絲光耦合沉積工藝相結(jié)合。
[0011 ] 2、為了實(shí)現(xiàn)激光從絲材周圍聚焦照射，一束激光通過分束透鏡實(shí)現(xiàn)多束(三束以上)分束激光，這樣激光之間形成一個(gè)無激光區(qū)域，從而可以利用導(dǎo)絲管將金屬絲材的同軸送入。
[0012]3、同軸送絲絲光耦合沉積工藝解決了側(cè)向送絲沉積熔道各向異性的關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了二維平面內(nèi)的各向同性沉積，提高了送絲沉積二維運(yùn)動(dòng)自由度，最終實(shí)現(xiàn)三維零件的逐層堆積成形。
【附圖說明】
[0013]構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0014]圖1是實(shí)施例1中的分束激光聚焦同軸熔絲激光頭的示意圖。
[0015]圖2是實(shí)施例2中的分束激光聚焦同軸熔絲激光頭的示意圖。
[0016]圖3是分束激光聚焦同軸送絲沉積成形設(shè)備的示意圖。
[0017]圖中附圖標(biāo)記:1、平行激光;2、分束透鏡;3、鏡片支架;4、導(dǎo)絲管;5、反射鏡;6、聚焦透鏡;7、輸氣管接頭;8、分支激光束;9、焦點(diǎn)；1、準(zhǔn)直器；
[0018]11、激光器；12、惰性氣體保護(hù)手套箱；13、分束激光聚焦同軸熔絲激光頭；14、送絲機(jī);15、成形平臺(tái)；16、機(jī)械手;17、控制單元。
【具體實(shí)施方式】
[0019]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0020]實(shí)施例1
[0021]—種分束激光聚焦同軸熔絲激光頭，包括分束透鏡2、多個(gè)反射鏡5和多個(gè)聚焦透鏡6，分束透鏡2能夠?qū)⒔邮盏降钠叫屑す釯分為一一射向每個(gè)反射鏡5的多束分支激光束8，反射鏡5與聚焦透鏡6—一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)聚焦透鏡6均能夠?qū)?duì)應(yīng)的反射鏡5反射的分支激光束8聚焦后會(huì)聚為一個(gè)共同的焦點(diǎn)9，如圖1所示。
[0022]在本實(shí)施例中，多個(gè)反射鏡5圍繞分束透鏡2和焦點(diǎn)9之間的連線均勻分布，所有的反射鏡5位于垂直于該連線的一個(gè)平面上，每個(gè)反射鏡5到該連線的距離均相同，相鄰的兩個(gè)反射鏡5之間的距離相同，每個(gè)反射鏡5均位于分束透鏡2和焦點(diǎn)9之間，聚焦透鏡6位于反射鏡5和焦點(diǎn)9之間，如圖1所不，分束透鏡2分出的每一束分支激光束8均依次通過一個(gè)反射鏡5和一個(gè)聚焦透鏡6后會(huì)聚為一個(gè)共同的焦點(diǎn)9，聚焦透鏡6的作用是使每一束分支激光束8實(shí)現(xiàn)聚焦，聚焦透鏡6為凸透鏡，每一束分支激光束8聚焦的共同點(diǎn)即為上述焦點(diǎn)9。
[0023]在本實(shí)施例中，該連線沿豎直方向設(shè)置，分束透鏡2位于焦點(diǎn)9的上方，分束透鏡2能夠接收豎直向下的平行激光I，反射鏡5與聚焦透鏡6的數(shù)量和位置一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，如聚焦透鏡6—一對(duì)應(yīng)的設(shè)置于反射鏡5的下方。所述分束激光聚焦同軸熔絲激光頭還包括鏡片支架3，鏡片支架3呈立方體結(jié)構(gòu)，鏡片支架3有沿水平方向支桿和沿豎直方向設(shè)置的支桿連接組成，分束透鏡2設(shè)置于鏡片支架3的頂部的中心，反射鏡5設(shè)置于鏡片支架3的中部的內(nèi)側(cè)，聚焦透鏡6設(shè)置于鏡片支架3的下部。
[0024]在本實(shí)施例中，所述分束激光聚焦同軸熔絲激光頭還包括激光頭外殼和導(dǎo)絲管4，分束透鏡2、反射鏡5、聚焦透鏡6和鏡片支架3均設(shè)置于封閉的激光頭外殼內(nèi)，導(dǎo)絲管4的一部分或全部位于該激光頭外殼內(nèi)，即導(dǎo)絲管4和該激光頭外殼為一體式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)絲管4能夠?qū)⒔饘俳z以弧線形輸送至焦點(diǎn)9(即導(dǎo)絲管4輸出的金屬絲為弧線形)并且該金屬絲在焦點(diǎn)9處的切線與該連線重合。殼體內(nèi)部送絲的激光頭更加緊湊，導(dǎo)絲的彎曲半徑更大。
[0025]在本實(shí)施例中，所述分束激光聚焦同軸熔絲激光頭還包括準(zhǔn)直器10，該準(zhǔn)直器10能夠?qū)⒔邮艿降募す庾兂善叫衅叫屑す釯后射向分束透鏡2，該準(zhǔn)直器10位于分束透鏡2的上方，如圖1所示。
[0026]在本實(shí)施例中，焦點(diǎn)9位于該激光頭外殼外的下方，該激光頭外殼的下部設(shè)置有用于使分支激光束8離開該激光頭外殼的通孔，分束透鏡2、反射鏡5和聚焦透鏡6均設(shè)置有水冷機(jī)構(gòu)，該激光頭外殼的上部設(shè)有用于向該激光頭外殼內(nèi)輸送保護(hù)氣體的輸氣管接頭7。
[0027]在本實(shí)施例中，所述分束激光聚焦同軸熔絲激光頭主要包括光學(xué)系統(tǒng)、外殼支架系統(tǒng)、鏡片氣氛保護(hù)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和導(dǎo)絲系統(tǒng)。
[0028]光學(xué)系統(tǒng)包括:準(zhǔn)直器10、分束透鏡2、反射鏡5、聚焦透鏡6和保護(hù)鏡片。
[0029]外殼支架系統(tǒng):鏡片支架3、激光頭金屬外殼和導(dǎo)絲管支架。
[0030]鏡片氣氛保護(hù)系統(tǒng):激光熔絲頭內(nèi)部的分束透鏡2、反射鏡5和聚焦透鏡6的惰性氣氛，用于鏡片的防塵和冷卻。
[0031]水冷系統(tǒng):光學(xué)鏡片、導(dǎo)絲管4的出口和激光頭金屬殼體的水冷系統(tǒng)，用于冷卻由于激光輻射和熱輻射導(dǎo)致的溫度過高。
[0032]在本實(shí)施例中，分束透鏡2可以將激光分為四束分支激光束，相應(yīng)的反射鏡5和聚焦透鏡6可以為四個(gè)。
[0033]下面介紹一種分束激光聚焦同軸送絲沉積成形設(shè)備，包括激光器11、惰性氣體保護(hù)手套箱12、分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13、送絲機(jī)14、成形平臺(tái)15和控制單元17，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13為上述的分束激光聚焦同軸熔絲激光頭，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13和成形平臺(tái)15均設(shè)置于惰性氣體保護(hù)手套箱12內(nèi)，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13位于成形平臺(tái)15的上方，成形平臺(tái)15用于安裝待加工工件，激光器11能夠通過準(zhǔn)直器1向分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13的分束透鏡12發(fā)射平行激光11，送絲機(jī)14能夠向焦點(diǎn)9供應(yīng)金屬絲，如圖3所示。
[0034]優(yōu)選該分束激光聚焦同軸送絲沉積成形設(shè)備還包括機(jī)械手16，分束激光聚焦同軸熔絲激光頭13設(shè)置于機(jī)械手16的一端，激光器11設(shè)置于惰性氣體保護(hù)手套箱12外，送絲機(jī)14設(shè)置于惰性氣體保護(hù)手套箱12內(nèi)，控制單元17設(shè)置于惰性氣體保護(hù)手套箱12外，激光器11的激光開關(guān)控制單元和送絲機(jī)14的開關(guān)控制單元集成在機(jī)械手16的主機(jī)箱內(nèi)。通過機(jī)械手16的示教器可以控制激光器11和送絲機(jī)14的啟動(dòng)和停