[发明专利]一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工成形领域，具体涉及一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的方法及装置。

背景技术

在现有技术中，金属材料同步送粉激光熔覆成形制造由专门的激光熔覆喷头完成，其方法和结构如欧洲专利WO2005028151及日本专利JP2005219060等中公开的。基本原理为光束居中，金属粉末包围输送的方案：将激光器发出的圆柱形激光束聚焦成实心圆锥形激光束，加工表面置于焦点附近，在实心的圆锥形激光束外围布置多个相对光束轴线倾斜的粉末喷粉嘴，由多个喷粉嘴中喷射出的多根粉束的汇聚点正好也置于焦点附近。聚焦光斑和粉束都相对工件作二维或三维的扫描运动，金属粉末被不断实时添加到聚焦光斑中实现熔覆并凝固而形成熔道，并逐步堆积成形。在熔覆过程中，还有一个重要的工艺环节，就是需要不断的由喷头内向下方喷射出一定压力的惰性保护气体，这是因为熔覆过程中熔池的上方会产生较多的热气流和粉尘等飞溅物，热气流与飞溅物可能顺着光路上升进而污染喷头内的光学镜片，造成输出功率下降和发热等故障，严重时甚至会引发镜片炸裂。另外，在熔池表面也需要覆盖上一层惰性保护气体，以保护熔池不被氧化。因此，喷射保护气是压制热气流和飞溅物，保护熔池，使激光熔覆成形过程能够持续进行的必要措施。

现有的同步送粉激光熔覆以及保护气喷射方法参见图1所示：实心激光束2聚焦于工件的表面，多根粉束4包围激光束外围相对激光束轴线倾斜布置，并在汇聚工件表面的聚焦光斑附近汇聚。为防止热气流与飞溅物上升进入喷头内部和污染光路上方的镜片，在镜片下方设置了保护气1沿光束朝下喷射。由于保护气1与倾斜布置的粉束4不平行，当气压过大时将会吹开粉束，因此保护气1只能采用较小的气压，但气压过小不能有效压制上升的热气流与飞溅物，也不能对工件表面的熔池形成有效保护，因此在粉束4的外围又加上一圈保护气5，与保护气1组成双层保护气。然而现有方案存在较大的不足，粉末的轨迹为汇聚一发散的抛物面，当粉束喷出粉管时，粉末失去了管壁的约束，不同粒度和形状的粉粒运动参数将发生波动，粉粒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范围较大，汇聚精度很难稳定，粉束刚性差，易发散。从粉末中间喷射的保护气1使粉束往外扩散，而保护气5使粉束往内扩散，故双层保护气存在压力相互协调的问题，其大小调节控制非常敏感，粉束精确汇聚困难。由于进入熔池的粉末量不稳定，喷洒在熔池旁边的粉末在熔池凝固后未熔或未熔透，造成成形表面的物理和几何缺陷。熔覆实践证明，双层保护气在喷头附近的形成的气流一般都是紊流，加工时粉末四处飞溅，粉末利用率极低，环境污染很大。

针对上述不足，申请人曾在中国专利CN200610116413.1公开了一种激光加工成形制造光内送粉工艺与光内送粉喷头，实现了中空聚焦激光束光内送粉，提高了光、粉耦合的精度，但未涉及到保护气的输送方式，以及保护气与聚焦激光束、粉束之间的相互关系；粉末喷出送粉嘴后仍有一定发散；粉束准直性和刚性都有待提高。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的方法及装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的方法，通过光路变换，将由激光器发出的圆截面实心激光束进行变换和扩束后，成为圆环形激光束，将所述圆环形激光束聚焦，成为一中空的圆环锥形聚焦激光束，在圆环锥形聚焦激光束中空部位布置一根喷粉嘴，喷粉嘴与圆环锥形聚焦激光束同轴线；在喷粉嘴喷出的单根粉束外围设置一圈准直保护气气帘，所述准直保护气气帘与圆环锥形聚焦激光束以及喷粉嘴喷出的单根粉束三者同轴。

上述技术方案中，所述准直保护气气帘的气压为0.1～0.5Mpa。

一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的装置，包括一送粉喷头筒体，所述筒体上方开设有入光口，其下方开设有出光口，所述筒体内面对入光口设有圆锥反射镜，与所述圆锥反射镜相对并同轴设有圆环形反射聚焦镜，所述圆锥反射镜下方固定设有送粉管，所述送粉管下端设有一喷粉嘴，所述喷粉嘴与激光束同轴，所述喷粉嘴外围、位于所述圆锥反射镜与喷粉嘴出口处间设有准直保护气套。

上述技术方案中，所述准直保护气套沿圆周方向上开设有至少4个圆形出气孔，所述圆形出气孔孔径为0.4～1.5mm，所述圆形出气孔的轴线与所述喷粉嘴的轴线平行。

另一种技术方案是，所述准直保护气套沿圆周方向上开设有至少3个圆弧形出气孔，所述圆弧形出气孔宽度为0.4～1.5mm，所述圆弧形出气孔的长度方向与所述喷粉嘴的轴线平行。