CN100436031C - 激光精密熔覆光粉同轴装置 - Google Patents

Abstract

一种激光精密熔覆光粉同轴装置，包括T型状筒体、聚焦镜、光束吸收体、固定于桶筒体上的送粉管，以及冷却水套、和保护气管，其特征在于：沿入射光方向设置在筒体内腔的反射镜，其镜面中心开有一通孔，以及将通孔与其镜片外沿连通的通槽；在该反射镜背面的入射光延伸方向的筒体内还设置着一个具有吸光内锥面、且置有冷却水道的光束吸收体；在筒体的下部腔体内安置着一片聚焦镜，在该聚焦镜以下的筒体内腔设置着一根自筒体外伸进的直角弯折形送粉管，弯折后的送粉管的向下延伸管体与设于送粉管上方筒体腔体内的所述聚焦镜、以及反射镜上的通孔的中心在同一轴线位置。本发明从聚焦光束中心送粉，真正实现光、粉同轴，结构简单，调节容易，送粉准确稳定，适于激光熔覆、激光合金化、激光焊接、激光快速原型制造等。

Description

激光精密熔覆光粉同轴装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及激光熔覆特别是激光精密熔覆用光粉同轴装置。

背景技术

激光精密熔覆主要用于精细涂层熔覆、零件精密三维快速制造等。在熔覆过程中，激光束照射并聚焦在成形加工表面，送粉器将金属粉末送入成形加工表面上的激光聚焦光斑中。由计算机控制激光头和送粉器相对成形件作成形运动，移动的激光束在不同成形位置将随动的送粉器送入的粉末熔化而不断形成新的熔池，粉末快速熔化并快速凝固，从而实现精密熔覆成形。在这种动态加工过程中，将粉末始终准确送入成形加工面上的激光聚焦光斑中是实现精密熔覆和保证成型质量的关键和难题。

国内外现有技术主要有偏置送粉和同轴送粉两种。在早期的偏置送粉装置中，激光束垂直入射并聚焦到加工表面上，喷嘴相对光束倾斜安装，粉末以倾斜抛射方式送入激光光斑内。这种装置一般为单道送粉，结构较简单，但送粉具有明显的方向性，加工中容易造成光粉偏离。随着技术发展，美、英、德、中等国都开发了各自的同轴送粉喷嘴。如美国专利(US5418350；US5477026；US5961862)、欧洲专利(WO2005028151)、日本专利(JP2005219060)等公开了多种同轴送粉头，其基本结构均采用多层同心锥筒形式，其中包含同轴光路通道、粉路通道、水路通道和气路通道。其中粉路通道为避开激光束的照射，采用了在筒体上围绕光路通道周围倾斜布置的环形粉道或多道送粉管结构，然后再将输出的粉束调整在光束中心线上汇聚到一点，使该汇聚点正好处于工件的加工表面，同时在加工前调整光束焦点与各粉束的汇聚点重合或靠近。

中国在同轴送粉技术方面也进行了深入研究，对同轴送粉喷头作了许多改进。文献《中国材料工程大典第25卷》(王至尧主编.北京：化学工业出版社，2006)综合了国内外现有同轴送粉技术，各种同轴送粉头在送粉方式上均采用在筒体上围绕中心光路通道均匀倾斜布置环形或2～8路送粉通道的结构方案，送粉时需均分粉量给多通道，多路粉末倾斜喷射再汇聚成一点。

现有同轴送粉装置由于采用多粉末通道以及粉末通道相对光束中心倾斜，存在以下不足：

(1)需精心调节多路倾斜粉末通道输出的斜喷粉束在光束中心线上汇聚为一点，由于每个粉道喷出的粉量、喷射力度与方位很难均匀、对称和一致，所以各路斜喷粉末汇聚调节困难，粉末汇聚精度难以保证。

(2)需调整各路粉末在加工表面汇聚并使光束焦点与之重合或靠近。当加工过程中工件表面相对同轴送粉头有上下位置变动，即光束焦点相对加工表面为正离焦或负离焦时，粉束汇聚点也将高于或低于加工表面，这样落到加工表面上的多路斜喷粉束尚未汇聚或已发散，都造成落粉面积加大。

(3)粉束抛射的速度、下落方位等与送粉量、粉末粒度与流动性、气载压力与形式等参数相关，在加工中如出现上述参数波动时，将会引起粉束汇聚不稳定，其偏歪程度和发散面积加大，粉末落点与光斑分离或时离时合。

(4)因粉末不能准确落入激光聚焦光斑内，为保证落入光斑内的粉量，需要加大送粉量，这样将造成粉末利用率降低，光粉偏离造成落在光斑外边缘的粉末受光斑热影响会烧结成球。上述存在的问题对熔覆精度和熔覆质量都将造成不利影响，使得实现激光精细熔覆和三维快速制造等精密工艺较困难。

发明内容

本发明的任务是提供一种激光精密熔覆光粉同轴装置，该装置粉束中心与光束中心重合，不需要调节多路粉束汇聚点，在离焦或送粉参数变化情况下仍然能将粉末准确送入成形加工面上的激光聚焦光斑中。

这种激光精密熔覆光粉同轴装置，包括T型状筒体11、聚焦镜14、光束吸收体12、固定于桶筒体11上的送粉管19，以及冷却水套111、和保护气管112，其特征在于：沿入射光方向设置在筒体11内腔的反射镜13，其镜面中心开有一通孔22，以及将通孔与其镜片外沿连通的通槽23；在该反射镜13背面的入射光延伸方向的筒体11内还设置着一个具有吸光内锥面、且置有冷却水道121的光束吸收体12；同时，在T型状筒体11的下部腔体内安置着一片聚焦镜14，在该聚焦镜14以下的筒体内腔设置着一根自筒体11外伸进的直角弯折形送粉管19，并且要求弯折后的送粉管19的向下延伸管体与设于送粉管上方筒体腔体内的所述聚焦镜14、以及反射镜13上的通孔22的中心在同一轴线位置。

所述的反射镜13镜面上的通槽23的轴向走向应与送粉管19的水平向管体在同一垂面上。

设于筒体11入射光方向的反射镜13和设于下部筒体内腔的聚焦镜14，由设于与反射镜同一位置、并同样在镜面上设有通孔22、通槽23的一片反射聚焦镜替代。

所述送粉管截面尺寸、长度、其喷口至光束焦点的距离与所述锥形无光区尺寸相匹配，使送粉管处于锥形无光区内，同时使喷口尽量靠近筒体出光口。

开口的通孔截面形状为圆形或矩形，相应所述送粉管截面也为圆形、矩形或排管结构，筒体出光口形状也对应为圆形或矩形。

本发明由于采用了带开口反射镜技术，在聚焦镜与焦点之间的聚焦光束中形成了锥形无光区，因而送粉管可以放置在光束中心的无光区而不会受到激光束的照射，实现了粉束中心与光束中心完全重合，粉束可沿光束中心线方向垂直喷射到加工表面的聚焦光斑中。与现有激光熔覆送粉装置相比，可达到以下有益效果：

1、送粉管相对聚焦光束同轴安装，光、粉对中调节容易，一般不需重复调节并使粉束喷出后始终与光束中心同轴，粉末垂直喷射比倾斜喷射汇聚度更高，发散更慢。不需调整多路粉束在光束中心线上汇聚及其与光束焦点的重合度。

2、无论工作表面怎样变动位置，单束粉末始终与光束同轴，落点一直对准光斑中心，避免了粉管斜装带来粉末斜喷的方向性及工作面上下离焦波动变化引起的粉束未聚合和发散问题。

3、在加工中送粉量、粉末粒度与流动性、气载压力等参数的变化波动不影响粉束与光斑的对中性。

4、供粉准确、均匀度高。使现有送粉装置送粉不准确、落入光斑中的粉量波动、散落大造成光斑对粉末的少熔、多熔、过熔或欠熔问题得到很大改善，加工面上粉末散落少，熔道边缘欠熔的烧结颗粒减少，熔道更清晰，缺陷率降低，精度质量和粉末利用率都得以提高。

5、本发明装置去掉了现有技术中沿圆周均匀布置的多路送粉管结构，筒体直径更小，结构更简单、紧凑。受加工表面激光反射和热辐射的筒体下端面面积也减小，可提高冷却效果，延长装置寿命。

附图说明

图1为激光精密熔覆光粉同轴装置实施例结构图；

图2为图1和图3从入射光方向观察反射镜的开口形状图；

图3为激光精密熔覆光粉同轴装置另一实施例结构图；

图4为带矩形通孔的反射镜开口形状图。

图中11、筒体  111、冷却水套  12、光束吸收体  121、冷却水道  13、反射镜  14、聚焦镜  15、锥形无光区  16、聚焦点  17、出光口  18、喷口  19、送粉管  20、调节螺丝  21、开口  22、22′、通孔  23、23′、通槽  24、工件  33、反射聚焦镜

具体实施方式

应用实施例一：

参照图1、图2，光束的反射和聚焦分别由平面型反射镜13和透射型聚焦镜14完成，适合于透射聚焦场合。平面型反射镜13、聚焦镜14、光束吸收体12、送粉管19依次安装在筒体11内。平面型反射镜13上有一开口21，开口形式为：在平面型反射镜13中心部位有一圆形通孔22，还有一个将通孔22与镜片外沿连通的矩形通槽23。沿入射光方向在平面型反射镜13的后方安装光束吸收体12。激光束先从图1左端平行入射到平面型反射镜13上，此后光束被分为两部分。一部分光束透过平面型反射镜13的开口21，进入到光束吸收体12内，光束吸收体12具有一个吸光内锥面，其上涂镀了吸光材料，并具有循环冷却水道121。光束进入光束吸收体12后，被吸收并转变成热能，再由循环冷却水带走。另一部分光束则入射在平面型反射镜13除开口21以外的镜面上，这一部分光束将垂直反射成中空带开口的光束，并由透射型聚焦镜14聚焦形成焦点16。由此，在透射型聚焦镜14与其焦点16之间的锥形聚焦光束中形成了一个横截面与反射镜开口21形状对应的锥形无光区15。送粉管19固定在筒体11的侧壁上，从透射聚焦镜14下方正对所述通槽23对应形成的无光区伸入并在通孔22对应形成的无光区的中心位置弯折成与聚焦光束同轴。送粉管19上的喷口18接近并朝向筒体11的出光口17。

本实施例中所述平面型反射镜13上的通孔22截面形状为圆形，由透射型聚焦镜14聚焦形成的焦点16为圆形光斑，相应送粉管19下部及喷口17的截面形状也为圆形，筒体11下部的出光口17的形状也对应为圆形。送粉管19的直径、长度、喷口18至筒体出光口17的距离等参数与锥形无光区15尺寸相匹配，在保证送粉管19处于锥形无光区15内的前提下使喷口18尽量靠近筒体出光口17，以进一步减少粉束的发散。通过调节螺纹20对送粉管19的进出和摆动进行微调，以保证送粉管19及其喷口18的中心与聚焦光束中心重合。筒体11上还安装有惰性气体进气管112，工作中朝筒体出光口17外喷出惰性气体以避免工件24表面上产生的烟尘进入筒体11内并防止熔覆材料的氧化。在筒体下部安装有循环冷却水套111，用以冷却筒体下部内外壁避免其受激光反射和加工热辐射影响。

应用实施例二：

参照图3、图2，光束的反射和聚焦皆由反射聚焦镜33完成，适合于反射聚焦场合。反射聚焦镜33、光束吸收体12、送粉管19依次安装于筒体11内。其中反射聚焦镜33上有开口21，开口21的结构形状如图2，由通孔22和通槽23组成。沿入射光方向在反射聚焦镜33的后方安装光束吸收体12。当激光束平行入射到反射聚焦镜33后分成两部分，一部分光束透过反射聚焦镜33的开口21进入光束吸收体12后被吸收，另一部分入射在反射聚焦镜33除开口21以外部分的光束被直接反射聚焦形成为焦点16，并在反射聚焦镜33与其焦点16之间的锥形聚焦光束中形成一个横截面与反射聚焦镜33的开口21对应的锥形无光区15。送粉管19固定在筒体11侧面，从聚焦反射镜33下方正对通槽23的部位伸入无光区15内并在对应通孔22的中心位置弯折成与聚焦光束同轴。送粉管19上的喷口18接近并朝向筒体11的出光口17。送粉管19的直径、长度、喷口18至筒体出光口17的距离等参数与锥形无光区15的尺寸相匹配，在保证送粉管19处于锥形无光区15内的前提下使喷口18尽量靠近筒体出光口17，以进一步减少粉束的发散。通过调节螺纹20对送粉管19的进出和摆动进行微调，以保证喷口18的中心与聚焦光束中心重合。筒体11上还安装有惰性气体进气管、循环冷却水套等部件。

应用实施例三：

参照图4，对于实施例一和实施例二，激光精密熔覆光粉同轴装置的反射镜上有开口21，开口21由矩形通孔22′和矩形通槽23′组成。入射光束可由聚焦镜聚焦的焦点成矩形光斑，相应送粉管下部与其喷口的截面做成矩形或排管结构，筒体出光口也相对应为矩形。本实施例可从喷口喷出与矩形截面的锥形聚焦光束同轴的矩形粉束，适合于精密宽带熔覆。

本发明是这样进行工作的：直接由激光器发射出的、或激光器发射后通过反射、透射、扩束等转换得到的平行激光束，通过本发明中带开口的反射镜反射后，光束一部分被吸收，另一部分变成中空带开口的光束，当开口光束在筒体内被聚焦并射向加工表面时，位于锥形无光区中的送粉管与光束同轴，送粉管内的粉束通过气载等方式输送并由喷口喷出，粉束沿光束中心线方向垂直喷射到工件表面的聚焦光斑中，实现光对粉末的精密、精确熔覆。

Claims (5)

1、一种激光精密熔覆光粉同轴装置，包括T型状筒体(11)、聚焦镜(14)、光束吸收体(12)、固定于筒体(11)上的送粉管(19)，以及冷却水套(111)和保护气管(112)，其特征在于：沿入射光方向设置在筒体(11)内腔的反射镜(13)，其镜面中心开有一通孔(22)，以及将通孔与其镜片外沿连通的通槽(23)；在该反射镜(13)背面的入射光延伸方向的筒体(11)内还设置着一个具有吸光内锥面、且置有冷却水道(121)的光束吸收体(12)；同时，在T型状筒体(11)的下部腔体内安置着一片聚焦镜(14)，在该聚焦镜(14)以下的筒体内腔设置着一根自筒体(11)外伸进的直角弯折形送粉管(19)，并且要求弯折后的送粉管(19)的向下延伸管体与设于送粉管上方筒体腔体内的所述聚焦镜(14)、以及反射镜(13)上的通孔(22)的中心在同一轴线位置。

2、如权利要求1所述的一种激光精密熔覆光粉同轴装置，其特征在于：所述的反射镜(13)镜面上的通槽(23)的轴向走向应与送粉管(19)的水平向管体在同一垂面上。

3、如权利要求1所述的一种激光精密熔覆光粉同轴装置，其特征在于：设于筒体(11)入射光方向的反射镜(13)和设于下部筒体内腔的聚焦镜(14)，由设于与反射镜同一位置、并同样在镜面上设有通孔(22)、通槽(23)的一片反射聚焦镜替代。

4、如权利要求1至3之一所述激光精密熔覆光粉同轴装置，其特征在于：所述送粉管截面尺寸、长度、其喷口至光束焦点的距离与锥形无光区尺寸相匹配，使送粉管处于所述锥形无光区内，同时使喷口尽量靠近筒体出光口。

5、如权利要求1至3之一所述激光精密熔覆光粉同轴装置，其特征在于：开口的通孔截面形状为圆形或矩形，相应所述送粉管截面也为圆形或矩形，筒体出光口形状也对应为圆形或矩形。

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