CN109852967A - 细束流激光熔化沉积增材制造方法及其使用的激光加工头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细束流激光熔化沉积增材制造方法及其使用的激光加工头。方法包括：平行准直激光变换成圆环形激光束，继而将圆环形激光束先变换为两个具有间隙的半圆环形激光束后再复原回圆环形激光束，继而将圆环形激光束在基体表面附近汇聚成聚焦光斑，粉末从间隙处侧向送入，并在射流动能作用下加速从喷嘴喷射，喷射的粉末与聚焦光斑在基体表面附近交汇，粉末和基体表面被加热至全熔化或半熔化状态，使粉末在基体表面上实现液相或固相沉积。实施时，喷射的粉末和聚焦光斑一起相对于基体表面持续移动，粉末逐层沉积叠加增厚，最终成形制造出预定形状的零件。本发明实现了中心同轴送粉，激光光路无遮挡，达到低粉末飞溅的高速激光熔覆或喷涂目的。

Description

细束流激光熔化沉积增材制造方法及其使用的激光加工头

技术领域

本发明涉及一种细束流激光熔化沉积增材制造方法，以及该制造方法所使用到的激光加工头，属于激光增材制造技术领域。

背景技术

激光增材制造(LAM)技术是一种以激光为能量源，基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。激光具有能量密度高的特点，可实现难加工金属及塑料、陶瓷等非金属材料的制造，同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。

目前激光熔化沉积增材制造技术多采用中心光束侧向同轴送粉，也有采用中空光束中心同轴送粉的方式。

对于中心光束侧向同轴送粉的熔覆或喷涂沉积增材制造技术，粉末通常通过3～6个围绕光束周向均匀布置的送粉管送至光斑焦点处，或者通过一个与光束同轴的环形锥状送粉通道送至光斑焦点处。中心光束的送粉方式通常存在以下不足：①由于粉末倾斜汇聚至光斑焦点处后再次分散，与激光作用区间小，受热程度不一，致使粉末飞溅严重、利用率低；②由于粉斑的直径直接决定了沉积斑点(焊道)的大小，侧向同轴的方式对激光加工头的同轴度精度要求高，导致粉斑的直径可调节范围小，难以缩小到毫米级以下水平，进而导致沉积斑点(焊道)宽，成形精度提高受限。

对于中空光束中心同轴送粉的方式，申请号为201711184987.7的中国发明专利申请公布了一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用，通过至少两个激光输出头的多束激光组合设计实现中心送粉，即多个激光输出头以送粉管为中心周向排布在主体架顶部，并在熔覆头内部进行空间合束以完成与中心送粉通道的交汇，该设计需要使用多束激光，如果光束数量太少则不利于能量的均匀分布，不是真正意义上的同轴，而且该设计对激光器和传输光路提出了更高的要求，一定程度上增加了设备的复杂程度和使用成本。总体来说，中空光束中心同轴送粉激光熔覆或喷涂技术中粉末束流的一致性较好，且粉末的受热过程基本不受基体离焦距离影响，或者说加工头与基体表面距离可调节范围宽，工艺灵活性好。目前的中心同轴送粉激光熔化沉积增材制造技术，多采用丝材或金属粉末为原料，但是沉积的斑点宽度大都在几毫米甚至几十毫米，不适用于零件的高精度增材制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细束流激光熔化沉积增材制造方法及其使用的激光加工头，此制造方法和激光加工头通过一系列光束变换，将单激光束变换为环形激光束，最终聚焦成微小聚焦光斑，采用微米甚至纳米级金属或非金属粉末作为沉积材料，沉积的斑点直径能够缩小至微米量级，可用于高精度增材制造，同时实现中心同轴送粉，激光光路无遮挡，达到低粉末飞溅的高速激光增材制造目的。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)通过锥透镜将入射的一束平行准直激光变换成圆环形激光束；

2)通过一对屋脊棱相对的上、下折射棱镜将圆环形激光束先变换为两个之间有间隙的半圆环形激光束后再复原回圆环形激光束；

3)通过聚焦透镜将圆环形激光束在基体表面附近汇聚成聚焦光斑；

4)粉末从两个半圆环形激光束之间的间隙处侧向送入，并在激光束的中空区域内、在压缩气体或高压液体形成的射流动能作用下沿光轴传送且加速至亚音速或超音速后，从出口直径为10μm～1000μm的喷嘴向待沉积的基体表面喷射；

5)喷射的粉末与聚焦光斑在基体表面附近交汇，被加热至全熔化或半熔化状态，同时基体表面被加热至全熔化或半熔化状态，使得粉末在基体表面上实现液相或固相沉积；

其中：锥透镜、上折射棱镜、下折射棱镜、聚焦透镜及喷嘴同轴设置；在执行步骤1)-5)时，喷射的粉末和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，以使粉末逐层沉积叠加而不断增厚，最终成形制造出预定形状的零件。

一种所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法使用的激光加工头，其特征在于：激光加工头包括壳体，壳体内从上到下同轴依次安装有将激光源发射的激光变换为一束平行准直激光的准直透镜、将平行准直激光变换为圆环形激光束的锥透镜、将圆环形激光束变换为两个之间有间隙的半圆环形激光束的上折射棱镜、将两个半圆环形激光束还原回圆环形激光束的下折射棱镜以及将圆环形激光束汇聚成聚焦光斑的聚焦透镜；在壳体内、位于上、下折射棱镜之间设有内梁，内梁从两个半圆环形激光束之间的间隙穿过，下折射棱镜和聚焦透镜上贯穿安装有同轴的送粉管，向上穿出下折射棱镜的送粉管顶部与内梁连接，向下穿出聚焦透镜的送粉管底部连接有喷嘴，壳体上设置的送粉口经由内梁上的传送通道、送粉管的送粉通道与喷嘴的喷射通道连通；聚焦光斑汇聚于喷嘴出口前方，其中，送粉口送入并在压缩气体或高压液体经由喷嘴形成的射流动能作用下加速的粉末从喷嘴喷射出后与聚焦光斑交汇。

本发明的优点是：

1、激光能量利用率高：环形激光能量集中被基体表面的待沉积区域和粉末吸收，粉末材料在半熔化状态下就能可靠沉积成形，需要的热能少；激光与粉末在聚焦交汇前基本不与激光加工头发生干涉，激光能量利用率高；环形聚焦光斑加热粉末的同时，部分能量还用来加热基体表面，使粉末和基体表面同时全熔化或半熔化。

2、加工效率高：激光加工头集成了送粉和激光能量传递功能，且能够在基体表面快速移动，可提升加工效率；在高速激光喷涂工作模式下，由于所需激光功率较小，激光照射时间较短，激光照射基体的加热深度很浅，使得冗余能量减小，可以提高增材制造效率。

3、增材制造结合质量较高：粉末加速和加热过程分开进行，极大限度地降低了氧化缺陷的产生；由于环形聚焦光斑处于基体表面附近，粉末和聚焦光斑交汇时才受到激光的加热作用，在此之前只受射流动能作用，因此，一方面对于推动介质而言，可以使压缩气体或高压液体保持较低的温度，避免了使用过热的推动介质流而导致粉末氧化、环境温度过高等不利影响，另一方面，粉末受激光的加热距离和加热时间都非常短，一定程度上也降低了粉末的氧化程度，改善了增材制造质量；环形聚焦光斑的能量在加热粉末的同时可以加热基体表面，使粉末和基体表面同时全熔化或半熔化，显著提高了结合强度，从而改善增材制造质量。

4、增材制造成形精度较高：目前的激光沉积增材中的沉积斑点直径一般都是毫米数量级，其成形精度低，导致变形严重，本发明使用了环形聚焦光斑，其激光细束流汇聚光斑外圆直径可降低至10μm～1000μm，采用微米甚至纳米级粉末送粉，在实现沉积成形加工的同时，显著提高了成形精度，实现了微细结构高精度增材制造。

5、本发明可适用于喷涂和熔覆两种增材制造工艺：通过调节激光加工头的激光功率、送粉速度、激光加工头移动速度等参数，可以控制粉末和基体表面的加热温度、粉末的流动速度，控制粉末熔化状态和基体表面熔化状态。若控制全熔化或半熔化的粉末落在半熔化的基体表面上，则利用激光喷涂实现了增材制造，若控制全熔化或半熔化的粉末落在全熔化的基体表面上，则利用激光熔覆实现了增材制造。

附图说明

图1是本发明激光加工头一较佳实施例的结构剖视示意图。

图2是图1的B-B向剖视示意图。

图3是图1中的C部分放大示意图。

图4是折射棱镜基座的一实施例结构示意图。

图5是下折射棱镜的一实施例结构示意图。

图6是下折射棱镜的下垫片的一实施例结构示意图。

图7是聚焦透镜的一实施例结构示意图。

图8是防尘平面镜的一实施例结构示意图。

图9是喷嘴的一实施例结构示意图。

图10是本发明激光加工头较佳实施例的光路及实现原理说明图。

图11是图10中的截面A1处的光斑示意图。

图12是图10中的截面A2处的光斑示意图。

图13是图10中的截面A3处的光斑示意图。

图14是图10中的A4处的光斑示意图。

图15是从图10仰视看去，本发明激光加工头较佳实施例的光路及实现原理说明图。

具体实施方式

参考图10至图15来理解，本发明提出了一种细束流激光熔化沉积增材制造方法，包括如下步骤：

1)通过锥透镜12将入射的一束平行准直激光变换成圆环形激光束(如图11)；

2)通过一对屋脊棱相对的上、下折射棱镜13、14将圆环形激光束先变换为两个之间有间隙120的半圆环形激光束后再复原回圆环形激光束，其中：上折射棱镜13将圆环形激光束(如图11)变换为两个之间有间隙120的半圆环形激光束(如图12)，下折射棱镜14将两个半圆环形激光束再还原回圆环形激光束(如图13)；

3)通过聚焦透镜15将圆环形激光束(如图13)在基体70表面附近汇聚成微细的聚焦光斑(如图14)；

4)粉末从两个半圆环形激光束之间的间隙120经由传送通道104侧向送入(图10中的标号50示出了粉末的传送路径，此处的侧向送入是指粉末从激光束一侧送入，粉末送入方向基本上与光轴L垂直)，并在上述激光束的中空区域内、在压缩气体或高压液体(通常入口压力0.2MPa～50MPa)形成的射流动能作用下沿光轴L传送且加速至亚音速或超音速后，从出口直径为10μm～1000μm的喷嘴18(如图1)向待沉积的基体70表面喷射，其中，粉末先经由送粉通道172沿光轴L传送，然后再经由喷嘴18沿光轴L加速喷射；

5)喷射的粉末与聚焦光斑在基体70表面附近交汇，被加热至全熔化或半熔化状态，同时基体70表面上的待沉积区域受聚焦光斑作用，同样被加热至全熔化或半熔化状态，使得粉末在基体70表面上实现液相或固相沉积；

其中：

锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15及喷嘴18基于中心轴L同轴设置，平行准直激光束、各圆环形激光束、两个半圆环形激光束、聚焦光斑涉及的光轴即为中心轴L；

在执行步骤1)-5)时，基于锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15及喷嘴18等构成的激光加工头，喷射的粉末和聚焦光斑一起相对于基体70表面按照设定轨迹快速持续移动，以使粉末逐层沉积叠加而不断增厚，最终成形制造出预定形状的零件。

在步骤1)之前还可包括步骤：激光源发射的激光60通过准直透镜11变换成一束平行准直激光，其中：准直透镜11与锥透镜12同轴设置。

在本发明中，粉末为金属、塑料或陶瓷材料中的任一种构成的固体粉末，或者粉末为金属、塑料或陶瓷材料中的任几种组合而成的固体复合粉末。金属材料如选用镍基、铁基、钛基合金粉末等。

在本发明中，粉末粒度为10nm～50μm，即为微米或纳米级的粒度，其中：当粉末粒度为纳米级(通常十纳米至几百纳米)时，可通过团聚雾化造粒工艺制备，也可将粉末颗粒均匀悬浮分布在液体中制成液固混合物送入。

如图10，聚焦光斑靠近待沉积的基体70表面，聚焦光斑的外圆直径不小于喷嘴18的出口直径，且聚焦光斑的外圆直径范围为10μm～1000μm。

在激光加工头与基体表面保持设定距离的前提下，两者产生相对移动，较佳地，粉末和聚焦光斑相对于基体表面的移动速度不大于2m/s，在移动的过程中，喷嘴18始终对准基体70表面，聚焦光斑距离基体70表面的离焦量为0至15mm(15mm可正可负，+15mm表示正离焦，-15mm表示负离焦)。

在实际实施时，通过调节激光功率、射流压力、送粉速度、离焦量、移动速度、喷嘴结构等参数，可以分别实现激光熔覆和激光喷涂这两种激光增材制造工艺。

当激光功率较高、或者射流压力较低、或者送粉速度较慢、或者离焦量较小、或者移动速度较慢，使得激光照射基体表面和粉末的温度较高，基体发生全熔化，使全熔化或半熔化的粉末落在全熔化的基体表面上，便发生激光熔覆。例如：采用高激光功率输入，提高聚焦光斑处粉末和基体表面温度；减小射流压力，如采用直通形喷嘴，降低送粉速度，使粉末全熔化；保持较小的离焦量，使聚焦位置距离基体表面较近，提高基体表面吸收的激光能量，使基体表面全熔化，从而使全熔化的粉末熔覆在全熔化的基体表面，循环往复，实现激光增材制造加工。采用激光熔覆方式可以提高粉末与基体的结合强度，表面质量较好，可以提高增材制造效率。

当激光功率较低、或者射流压力较高、或者送粉速度较快、或者离焦量较大、或者移动速度较快，使得激光照射基体表面和粉末的温度较低，基体没有发生全熔化，使全熔化或半熔化的粉末落在半熔化的基体表面上，便发生激光喷涂。例如：采用低激光功率输入，降低聚焦光斑处粉末和基体表面温度；加大射流压力，采用收缩形或缩扩形喷嘴，提高送粉速度，使粉末软化；保持较大的离焦量，使聚焦位置距离基体表面较远，减少基体表面吸收的激光能量，使基体表面软化，从而使软化的粉末高速喷涂在软化的基体表面，循环往复，实现激光增材制造加工。采用激光喷涂方式可以减小粉末与基体表面的氧化程度，基体材料选择范围大，表面质量较好，喷涂层厚度可调，激光加工头移动速度较高，可以提高增材制造效率。

在激光喷涂工艺中，粉末发生碰撞沉积时的粒子速度可以是亚音速或超音速，此可通过调节送粉射流压力和喷嘴结构来实现。

本发明还提出了一种上述细束流激光熔化沉积增材制造方法所使用的激光加工头，如图1至图9所示，本发明激光加工头包括呈圆柱状的壳体10，壳体10内从上到下同轴依次安装有将激光源发射的激光变换为一束平行准直激光的准直透镜11、将平行准直激光变换为圆环形激光束的锥透镜12、将圆环形激光束变换为两个之间有间隙的半圆环形激光束的上折射棱镜13、将两个半圆环形激光束还原回圆环形激光束的下折射棱镜14以及将圆环形激光束汇聚成聚焦光斑的聚焦透镜15；在壳体10内、位于上、下折射棱镜13、14之间设有内梁101，内梁101连结壳体10相对两内壁，内梁101从两个半圆环形激光束之间的间隙120穿过而不与半圆环形激光束交汇，下折射棱镜14和聚焦透镜15上贯穿安装有同轴的送粉管17，向上穿出下折射棱镜14的送粉管17顶部与内梁101连接，向下穿出聚焦透镜15的送粉管17底部连接有喷嘴18，壳体10上设置的用于侧向送粉的送粉口102经由内梁101上的传送通道104、送粉管17的送粉通道172与喷嘴18的喷射通道连通；聚焦光斑汇聚于喷嘴18出口前方，如图10，一方面，准直透镜11、锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15、送粉管17、喷嘴18沿中心轴L同轴设置，另一方面，粉末与聚焦光斑交汇于光轴L轴心位置，其中，从送粉口102送入并在压缩气体或高压液体经由喷嘴18形成的射流动能作用下加速至亚音速或超音速的粉末，从喷嘴18喷射出后与聚焦光斑交汇。

如图1，送粉管17上设有细长管状腔的送粉通道172，送粉通道172的一端为入口171而另一端为出口173，送粉管17的结构不受局限。

本发明使用的喷嘴18为一种细束流喷嘴。喷嘴18可为直通形、收缩形或缩扩形喷嘴中的任一种，其中：直通形喷嘴用于基于气体送粉或液体送粉的激光熔覆；收缩形喷嘴用于基于气体送粉或液体送粉的激光熔覆、低速激光喷涂；缩扩形喷嘴用于基于气体送粉的高速激光喷涂。

在本发明中，通常，低速激光喷涂的低速是指粒子沉积速度约小于100m/s，高速激光喷涂的高速是指粒子沉积速度约高于100m/s(甚至超音速)。音速是指声音的速度，标准速度是在15℃(气温)的海平面测试声音在空气中传播的速度(在水中或其他介质中速度不同)。通常，亚音速是指小于声音速度的传播速度，超音速是指大于声音速度的传播速度。

在实际设计中，喷嘴18的出口直径小于或等于聚焦光斑的外圆直径，为提高增材制造精度，本实施例中，聚焦光斑的外圆直径选用为200μm。

如图9，图中示出了缩扩形喷嘴的结构示意图，缩扩形喷嘴包括本体，本体上设有喷射通道，喷射通道由依次连通的收缩段181、直管段182、扩张段183构成，其中：呈喇叭状的收缩段181的截面尺寸逐渐减小至与直管段182一端连结，与直管段182另一端连结的扩张段183的截面尺寸逐渐增大，扩张段183的最大截面尺寸小于收缩段181的最大截面尺寸。

在本发明中，壳体10的顶部设有入射口110，而底部敞口使得喷嘴18处于壳体10外部，如图1，壳体10的底部可安装有保护帽30，保护帽30将喷嘴18罩住，保护帽30的底开口301与喷嘴18的出口相对，但保护帽30与喷嘴18之间保持的间隙应不能阻挡激光束的光路。保护帽30的设计进一步减小了外界粉尘进入的可能。

在本发明中，准直透镜11、锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15可分别根据各自需要实现的功能而优化设计其尺寸结构，以减小***产生的像差和改善聚焦光斑的能量分布。

在实际设计中，壳体10可由几部分组成，其中，图4示出了处于壳体10中间的折射棱镜基座的结构示意图，内梁101可设计在折射棱镜基座上，各内梁101在轴心交汇的位置设有中心孔103，送粉管17顶部安装在中心孔103中，折射棱镜基座的外壁上设有送粉口102，送粉口102经由在内梁101上设有的传送通道104与中心孔103连通，上折射棱镜13、下折射棱镜14这些镜片固定在折射棱镜基座上。

图4示出了两根内梁101的情形，此时，上折射棱镜13将圆环形激光束变为两个之间有间隙的半圆环形激光束。在实际设计中，每个内梁101的宽度应小于两个半圆环形激光束之间的间隙120宽度，两个内梁101之间的中空部分保证了激光束不受阻挡的通过。

对于上、下折射棱镜13、14，较佳的结构设计为：

上折射棱镜13包括形成一凹入夹角的两个入射平面以及形成另一凸出夹角的两个出射平面，两个出射平面形成一屋脊棱，其中，上述两夹角角度通常设计为相同，不受局限。

如图5，下折射棱镜14包括形成一凸出夹角的两个入射平面142以及形成另一凹入夹角的两个出射平面141，两个入射平面形成一屋脊棱143，其中，上述两夹角角度通常设计为与上折射棱镜中的夹角相同。

上折射棱镜13的屋脊棱与下折射棱镜14的屋脊棱143相向设置，如图2。

图5示出了下折射棱镜14的结构，上折射棱镜13结构与下折射棱镜14相同，只是下折射棱镜14还沿其中心轴设有用于贯穿送粉管17的中心孔140，而上折射棱镜13可以没有中心孔，因此上折射棱镜13可参考图5来理解。

如图7，聚焦透镜15沿其中心轴设有用于送粉管17贯穿的中心孔150。

如图1至图3，聚焦透镜15的下方安装有防尘平面镜16，送粉管17贯穿防尘平面镜16的中心孔160(如图8)设置，防尘平面镜16将喷嘴18出口与准直透镜11、锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15相隔离。

如图1，位于下折射棱镜14与聚焦透镜15之间空腔位置的壳体10上设有通气孔44。下折射棱镜14的中心孔140与送粉管17之间做密封处理，而聚焦透镜15和防尘平面镜16与送粉管17之间留有气路缝隙，如图3，聚焦透镜15的中心孔150与送粉管17之间留有气路缝隙191，防尘平面镜16的中心孔160与送粉管17之间留有气路缝隙192，防尘平面镜16下方安装有防尘帽19，防尘帽19与防尘平面镜16之间的间隙193和防尘平面镜16与送粉管17之间的气路缝隙192形成一直角拐角气路，以使从通气孔44通入的洁净气体在经由下折射棱镜14与聚焦透镜15之间的空腔、聚焦透镜15与送粉管17之间的气路缝隙191、直角拐角气路流动的过程中，将进入的粉尘最终从喷嘴18与保护帽30间的空隙排出，从而阻止外界粉尘进入。直角拐角气路的设计使得洁净气体沿防尘平面镜16外表面切向流过，从而保证防尘平面镜16的表面无粉尘污染。另外，洁净气体还可兼具冷却聚焦透镜15、防尘平面镜16的作用。

在本发明中，准直透镜11、锥透镜12、上折射棱镜13、下折射棱镜14、聚焦透镜15、防尘平面镜16均设计为圆柱体状或圆盘体状，这样的设计优点在于，一方面便于借由垫圈等进行密封处理，另一方面，有利于保证同轴度，有利于下折射棱镜14、聚焦透镜15和防尘平面镜16沿中心轴钻孔，提高装配精度。

在实际安装中，如图1，准直透镜11一端卡在壳体10内的卡槽上而另一端通过压紧帽212实现在壳体10内的卡固，并且，压紧帽212与准直透镜11之间设有垫圈211。同样地，锥透镜12一端卡在壳体10内的卡槽上而另一端通过压紧帽223实现在壳体10内的卡固，并且，锥透镜12与卡槽之间、压紧帽223与锥透镜12之间分别设有上垫圈221、下垫圈222。同样地，上折射棱镜13一端卡在壳体10内的卡槽上而另一端通过压紧帽233实现在壳体10内的卡固，并且，上折射棱镜13与卡槽之间、压紧帽233与上折射棱镜13之间分别设有下垫片232、上垫片231。同样地，下折射棱镜14一端卡在壳体10内的卡槽上而另一端通过压紧帽243实现在壳体10内的卡固，并且，下折射棱镜14与卡槽之间、压紧帽243与下折射棱镜14之间分别设有上垫片241、下垫片242。下垫片242如图6所示。上垫片231的结构与下垫片242相同，可参考图6来理解。同样地，聚焦透镜15一端卡在壳体10内的卡槽上而另一端通过压紧帽252实现在壳体10内的卡固，并且，压紧帽252与聚焦透镜15之间设有垫圈251。

在本发明中，激光加工头可设计有冷却***，具体来说：

在实际实施时，用于冷却的冷却介质可采用冷却压缩气体或冷却液体。

如图1，壳体10的相对两壁上对应锥透镜12设有第一冷却入口411、第一冷却回口412，第一冷却入口411、第一冷却回口412和锥透镜12与壳体10之间的间隙共同形成供冷却介质流动的第一冷却通道。冷却介质从第一冷却入口411通入，经上述间隙后从第一冷却回口412流出，从而对锥透镜12进行冷却。

如图1，壳体10的相对两壁上对应上折射棱镜13设有第二冷却入口421、第二冷却回口422，第二冷却入口421、第二冷却回口422和上折射棱镜13与壳体10之间的间隙共同形成供冷却介质流动的第二冷却通道。冷却介质从第二冷却入口421通入，经上述间隙后从第二冷却回口422流出，从而对上折射棱镜13进行冷却。

如图1，壳体10的相对两壁上对应下折射棱镜14设有第三冷却入口431、第三冷却回口432，第三冷却入口431、第三冷却回口432和下折射棱镜14与壳体10之间的间隙共同形成供冷却介质流动的第三冷却通道。冷却介质从第三冷却入口431通入，经上述间隙后从第三冷却回口432流出，从而对下折射棱镜14进行冷却。

图1中未示出对准直透镜11进行冷却的冷却通道，可参照第一冷却通道来理解，通常，壳体10的相对两壁上对应准直透镜11设有第四冷却入口、第四冷却回口，第四冷却入口、第四冷却回口和准直透镜11与壳体10之间的间隙共同形成供冷却介质流动的第四冷却通道。冷却介质从第四冷却入口通入，经上述间隙后从第四冷却回口流出，从而对准直透镜11进行冷却。

在实际实施时，第一至第四冷却通道之间可分别独立进行冷却作业，也可互相串联起来共同进行冷却作业，不受局限。

下面参见图1、图2、图10和图15来说明本发明激光加工头的工作过程和原理：

激光源(激光器)发射的激光60从壳体10的入射口110输入，激光通过准直透镜11变换为一束平行准直激光，然后通过锥透镜12变换为圆环形激光束(如图11)，然后通过上折射棱镜13变换为两个半圆环形激光束(如图12)，两个半圆环形激光束之间具有间隙120，然后通过下折射棱镜14还原为圆环形激光束(如图13)，最终通过聚焦透镜15汇聚成聚焦光斑(如图14)。

粉末从送粉口102送入，经由内梁101上的传送通道104、送粉管17的送粉通道172、喷嘴18的喷射通道后喷射出。具体地，粉末经由内梁101从两个半圆环形激光束之间的间隙120处引入，然后通过送粉管17沿光轴L传送，而后在压缩气体或高压液体通过喷嘴18形成的射流动能作用下，粉末沿光轴L被加速至亚音速或超音速，最终从喷嘴18喷射出，与汇聚于喷嘴18出口前方的聚焦光斑在基体70表面附近交汇，粉末和基体70表面上的待沉积区域同时被聚焦光斑加热至全熔化或半熔化状态，从而粉末在基体70表面上完成液相或固相沉积。

粉末在沉积的过程中，相对于基体表面按照设定轨迹快速持续移动本发明激光加工头，于是粉末沉积逐层叠加，不断增厚，最终成形制造出预定形状的零件。

本发明涉及的制造方法和激光加工头通过一系列光束变换，将单激光束变换为环形激光束，最终聚焦成微小聚焦光斑，可用于高精度增材制造，同时通过实现了中心同轴送粉，激光光路无遮挡，达到低粉末飞溅的高速激光熔覆或喷涂目的。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)通过锥透镜将入射的一束平行准直激光变换成圆环形激光束；

2)通过一对屋脊棱相对的上、下折射棱镜将圆环形激光束先变换为两个之间有间隙的半圆环形激光束后再复原回圆环形激光束；

3)通过聚焦透镜将圆环形激光束在基体表面附近汇聚成聚焦光斑；

4)粉末从两个半圆环形激光束之间的间隙处侧向送入，并在激光束的中空区域内、在压缩气体或高压液体形成的射流动能作用下沿光轴传送且加速至亚音速或超音速后，从出口直径为10μm～1000μm的喷嘴向待沉积的基体表面喷射；

5)喷射的粉末与聚焦光斑在基体表面附近交汇，被加热至全熔化或半熔化状态，同时基体表面被加热至全熔化或半熔化状态，使得粉末在基体表面上实现液相或固相沉积；

其中：锥透镜、上折射棱镜、下折射棱镜、聚焦透镜及喷嘴同轴设置；在执行步骤1)-5)时，喷射的粉末和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，以使粉末逐层沉积叠加而不断增厚，最终成形制造出预定形状的零件。

2.如权利要求1所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：

在所述步骤1)之前还包括步骤：激光源发射的激光通过准直透镜变换成所述平行准直激光，其中：准直透镜与所述锥透镜同轴设置。

3.如权利要求1所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：

所述粉末为金属、塑料或陶瓷材料中的任一种构成的固体粉末，或者所述粉末为金属、塑料或陶瓷材料中的任几种组合而成的固体复合粉末；所述粉末粒度为10nm～50μm。

4.如权利要求1所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：

所述聚焦光斑的外圆直径不小于所述喷嘴的出口直径，且所述聚焦光斑的外圆直径范围为10μm～1000μm。

5.如权利要求1所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：

粉末和聚焦光斑相对于基体表面的移动速度不大于2m/s，聚焦光斑距离基体表面的离焦量为0至15mm。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的细束流激光熔化沉积增材制造方法使用的激光加工头，其特征在于：激光加工头包括壳体，壳体内从上到下同轴依次安装有将激光源发射的激光变换为一束平行准直激光的准直透镜、将平行准直激光变换为圆环形激光束的锥透镜、将圆环形激光束变换为两个之间有间隙的半圆环形激光束的上折射棱镜、将两个半圆环形激光束还原回圆环形激光束的下折射棱镜以及将圆环形激光束汇聚成聚焦光斑的聚焦透镜；在壳体内、位于上、下折射棱镜之间设有内梁，内梁从两个半圆环形激光束之间的间隙穿过，下折射棱镜和聚焦透镜上贯穿安装有同轴的送粉管，向上穿出下折射棱镜的送粉管顶部与内梁连接，向下穿出聚焦透镜的送粉管底部连接有喷嘴，壳体上设置的送粉口经由内梁上的传送通道、送粉管的送粉通道与喷嘴的喷射通道连通；聚焦光斑汇聚于喷嘴出口前方，其中，送粉口送入并在压缩气体或高压液体经由喷嘴形成的射流动能作用下加速的粉末从喷嘴喷射出后与聚焦光斑交汇。

7.如权利要求6所述的激光加工头，其特征在于：

所述喷嘴为直通形、收缩形或缩扩形喷嘴中的任一种，其中：直通形喷嘴用于基于气体送粉或液体送粉的激光熔覆；收缩形喷嘴用于基于气体送粉或液体送粉的激光熔覆、低速激光喷涂；缩扩形喷嘴用于基于气体送粉的高速激光喷涂。

8.如权利要求6所述的激光加工头，其特征在于：

所述上折射棱镜包括形成一凹入夹角的两个入射平面以及形成另一凸出夹角的两个出射平面，两个出射平面形成一屋脊棱；

所述下折射棱镜包括形成一凸出夹角的两个入射平面以及形成另一凹入夹角的两个出射平面，两个入射平面形成一屋脊棱；

所述上折射棱镜的屋脊棱与所述下折射棱镜的屋脊棱相向设置。

9.如权利要求6至8中任一项所述的激光加工头，其特征在于：

所述聚焦透镜的下方安装有防尘平面镜，所述送粉管贯穿防尘平面镜设置，防尘平面镜将所述喷嘴出口与所述准直透镜、所述锥透镜、所述上折射棱镜、所述下折射棱镜、所述聚焦透镜相隔离。

10.如权利要求9所述的激光加工头，其特征在于：

位于所述下折射棱镜与所述聚焦透镜之间的空腔位置的所述壳体上设有通气孔；

所述下折射棱镜与所述送粉管之间密封，而所述聚焦透镜和所述防尘平面镜与所述送粉管之间留有气路缝隙，所述防尘平面镜下方安装有防尘帽，防尘帽与所述防尘平面镜之间的间隙和所述防尘平面镜与所述送粉管之间的气路缝隙形成一直角拐角气路，以使从通气孔通入的洁净气体在经由所述下折射棱镜与所述聚焦透镜之间的空腔、所述聚焦透镜与所述送粉管之间的气路缝隙、直角拐角气路流动的过程中，阻止外界粉尘进入。