[发明专利]激光加工成形制造光内送粉工艺与光内送粉喷头

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及激光加工成形制造光内送粉工艺及实现该工艺的光内送粉喷头。

背景技术

激光加工成形制造科学与技术，是利用聚焦高能激光束进行高性能金属零部件特种加工、高性能材料制备及高性能零部件直接成形制造的一门新兴的多学科交叉工程科学技术，是先进制造技术的重要组成部分，是该学科领域中的国际前沿研究方向。目前处于前沿研究领域的先进激光加工成形制造技术主要有：(1)基于快速凝固激光材料制备与材料添加制造的金属结构件激光熔覆快速成形技术；(2)提高零件表面材料性能与赋予零件表面特殊功能的激光表面加工制造新技术；(3)难加工高性能材料的激光制备、激光焊接与特种连接技术；(4)重要关键零部件的激光修复与再制造。

在上述几种先进激光加工成形制造技术中，有一个共同的关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入加工面上按预定轨迹作扫描运动的光斑内，实现光粉精确耦合，以在小区域内瞬间进行光能与热能的转换，完成材料的快速冶金过程，此技术即光粉耦合的关键技术。

在各种加工成形制造过程中，光斑和材料都需相对加工成形对象作二维或三维的运动，例如在激光熔覆快速制造的层片堆积过程中，金属粉末被不断实时添加到移动的有限尺寸的光斑中实现熔覆并形成一条条熔道，而这一条条熔道本身及各熔道之间的连接质量，如熔道间的冶金结合质量，组织的均匀性和致密度，熔道及熔道之间的平整、光滑、粗糙度等，取决于光源质量和参数、加工工艺参数、基体与粉末材料参数等。其中，在许多情况下相邻熔道之间注入的能量不足，是造成熔道之间的结合质量和几何质量不高的重要原因之一。

国内外现行的送粉法大多数为多粉管同轴送粉法。现有送粉装置中比较先进的各种同轴送粉头，如美国专利(US5418350；US5477026；US5961862)、欧洲专利(WO2005028151)、日本专利(JP2005219060)等，其基本结构均采用多层同心锥筒形式。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，各种送粉方式均采用在筒体上围绕中心光路呈倾斜布置环形通道，或3～8路倾斜送粉喷头环绕光路中心同轴均匀布置的结构方案，送粉时需均分粉量给各喷头，多路粉末相对光束倾斜喷射，并在加工表面汇聚于光斑之中。

综上述，现有送粉方式均为从光束外部多粉管倾斜同轴送粉方式，送粉效果如图1。其不足之处在于：

(1)粉末由倾斜送粉喷嘴13喷出，粉粒离开喷嘴后的运动方向受到本身惯性力、气载压力、重力的影响，在运动过程中又可能受到保护气和光压的作用，它们对粉粒的作用方向不完全一致，故粉粒呈抛物线状下落，不同粒度和形状的粉粒受各粉管内的流动性、送粉量及均匀性等参数波动变化的影响，各粉粒惯性、在空中的运动轨迹和落点也会不一致，这些都造成粉粒跌落区域变大和波动。此外，由于是多粉道倾斜喷粉，其各自体位、均分粉量误差、喷射力度的均匀、对称性等不尽一致，使汇聚精度很难稳定。在粉粒运动过程中，有的粉粒落入光斑，但进入光束后的密度分布不均匀，有的粉粒则未进入光束就跌落，还有的可能穿过光束吸热后又跌落并粘接在熔池旁的熔道上，在熔池侧旁烧结成泪珠状。

(2)多粉管喷射出的多束粉末10由光束11外呈抛物线状射入光束中，然后再落入光斑中并形成熔池，由于多束粉末都是由光束外部进入光束，故实际粉束直径远大于光束，粉束在落入光斑前先与光束发生干涉，对光束产生吸收和漫反射，使光束照射至加工表面上的光斑光强大大减弱，特别造成本熔道12与临近熔道14、15之边界注入的能量不足，造成边界熔合不好，光滑平整度不好，内部缺陷增多，边界还极易附着由于粉末熔融不足形成的烧结颗粒。对于三维快速成形件，其侧壁16由于上下熔道间熔合不好，明显显现出不平整，表面粗糙和可见的未熔合颗粒。

(3)粉末散落度大，加上有的粉粒入光路径较长或颗粒太细会造成烧损，故粉末利用率低，环境污染大。