[发明专利]一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法 及装置。

背景技术

在高能束激光熔覆制造技术中，有一个关键技术，即将激光和金属材料同 步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按 预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在聚焦光斑内进 行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成小熔池，连续移动的小熔池不断完成熔 池内材料的快速熔化和凝固过程，从而形成连续的熔道。

目前，现有技术中最为成熟的就是同步送粉激光熔覆技术，比较先进的送 粉装置有美国专利US5961862、欧洲专利WO2005028151等，其基本结构均 采用在激光束外围均匀布置多个送粉喷嘴的结构方案。近来，由于送丝熔覆具 有材料价格低廉、丝材无发散利用率高、送丝过程易于控制等优点，同步送丝 激光熔覆成形逐渐成为新的研究热点。送丝方法也是将单根送丝管布置在实心 聚焦光束的一侧，丝材相对光束轴线倾斜送进并在熔池附近进入熔池。上述送 粉或送丝工艺可称之为“光外送料”，综合送粉与送丝的特点，出现了一种送 粉送丝复合熔覆成形方法，其基本原理参见图1：在实心聚焦光束的周末，布 置了数根送粉管，从各送粉管喷射的多路粉束均匀朝聚熔池倾斜，并在光束熔 池附近汇聚。单根送丝管则在光束的某一侧倾斜布置，丝材在熔池附近进入熔 池，成形过程所需的惰性保护气则在粉束中心与光束同轴喷出。研究证明：与 单独送粉相比，其沉积率大大增加，熔池吸收的能量比高，孔隙少20％-30％； 与单独送丝相比，熔道凹凸度减低，平整率提高。在大中型金属件快速熔覆堆 积成型中，粉丝复合熔覆成形方法更具有沉积率高、成型精度较好的优势，粉 丝复合激光熔覆成形在大面积厚层激光熔覆、修复、焊接，特别在大中型金属 件的三维实体快速成形制造等领域有广泛的应用前景。

然而，现有的同步送粉或送丝以及粉丝复合激光熔覆方法存在以下不足：

(1)能量分布不合理。由于光斑为聚焦实心光斑，熔池中部温度偏高，熔池 中心与边缘的温度和张力差都较大，造成熔池熔体对流强烈，凝固后的熔层表 面凹凸较大；而且，扫描时沿扫描线宽上中部辐照时间长，吸收能量多，而两 侧扫描辐照时间短，吸收能量少，熔层与邻层、下层的搭接处出现熔不透、裂 纹等缺陷。特别对于送丝工艺而言，侧向送丝方式使得丝材为单边受到激光辐 照，造成材料受热不均，功耗增加并且熔层质量下降。

(2)粉、丝送进轨迹不合理。多粉束从实心光束外侧倾斜送进光斑，各粉束 在汇聚点相交发生碰撞，汇聚点粉斑大，保护喷头内腔与镜片的下吹气体使汇 聚粉束散开，有的另加包围粉束斜吹的熔池保护气也会使多粉束加剧碰撞而发 散。一般送入熔池的粉束很少，粉末沉积率只有10％～30％左右，粉束分为上 部未汇聚区，中部汇聚区和下部发散区。加工中当喷头相对加工面距离不准确 或上下有波动变化时，粉斑面积变大和变形，熔池捕获的粉量会急剧减少，熔 池粉末吸收的比光能随之变化，使熔池物理冶金过程不稳定，同时造成熔层层 厚变化。未进入熔池的余粉飞溅且污染环境，喷射在运动熔池周围的部分余粉 会粘结，造成凝固表面物理缺陷和粗糙度增大。同样，丝材送进时也必须在工 件表面与光束熔池位置与之相交重合，其交点又应限制在熔池表面上下一块很 小的区域内，但如果加工中此交点相对加工表面(或熔池)上下有位置波动和 变化时，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的融化过程断续进行，丝材 前段弯曲，光和丝断续对准和错位，这样使熔覆过程的连续性和熔道质量对熔 池与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。

(3)扫描方向性的影响。由于丝材倾斜进入熔池，上方受到光束照射、下方 受到熔池热传导和辐射，各种热作用不对称、不均匀。特别当熔覆中不可避免 的出现方向性变化，即加工中激光束相对加工面作不同方向的扫描运动时，光 束和丝材相对扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作 用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙 度等均会发生较大变化，甚至造成熔融过程的时断时续，这对复杂型面堆焊特 别是三维直接快速成型等工艺而言，影响尤为突出，严重时熔覆的连续性或熔 道质量都很难保证。

此外，现有粉丝复合熔覆方法中，送粉部分和送丝部分的结构相互分离， 使用中需要分别调整多个送粉嘴和送丝嘴的对准方法，调整困难。

发明内容