[发明专利]激光熔覆侧向送粉加工头

说明书

技术领域

本发明属于激光加工设备领域，具体涉及一种激光熔覆侧向送粉加工头。

背景技术

激光加工技术是利用高能量密度激光束对材料进行非接触式加工的一类先进加工方法的总称。激光熔覆是发展较为活跃的激光加工技术之一，其原理是利用铺粉或送粉的方法在基材表面预置金属粉末，并使高能激光束聚焦在基材表面，聚焦激光束辐照基材表面的金属粉末，焦点位置的金属粉末和基材表面薄层发生熔化，形成一定形状和大小的熔池，当激光束焦点以一定速度按预定轨迹运动，激光束移开后的熔池迅速凝固，从而在基材表面激光束扫过的区域熔覆上一层具有特殊物理、化学或力学性能的金属涂层。所谓金属粉末激光成形技术就是将激光熔覆技术与快速成形技术相结合，以金属粉末为原料，采用高功率激光熔覆技术，利用快速成形分层制造思想，以单层选区熔化和层层堆叠的组合形式制造出金属零件。

目前，激光熔覆技术按照金属粉末送给的方式主要有三种方法：铺粉法、同轴送粉法和侧向送粉法。其中，侧向送粉法激光熔覆加工系统主要包括激光器、光路系统、送粉器、数控加工机床和加工头等，为了实现加工过程中的同步送粉，其中加工头内一般包含一个金属粉末送给装置。金属粉末送给装置一般是相对激光筒固定的安装连接方式，即加工过程中粉末束与激光束之间的夹角是固定的，要调整该夹角需要将二者拆卸开并重新调整后再安装起来，调整很不方便，也不能在加工过程中调整。专利号为200710159206.9的中国发明专利《一种金属粉末激光成形系统的金属粉末送给装置》中公开了一种应用垂直送粉法的金属粉末送给装置。该金属粉末送给装置采用侧向激光和垂直送粉的方式，其包括可摆动侧向激光筒、激光筒、平行四边形机构、粉末喷嘴支撑件及垂直粉末喷嘴等，蜗轮蜗杆传动机构带动可摆动侧向激光筒旋转，同时平行四边形机构带动垂直粉末喷嘴支撑件上下移动，从而调整侧向激光筒发出的聚焦激光束与垂直粉末喷嘴发出的聚焦粉末束之间的夹角，而平行四边形机构保证了可摆动侧向激光筒发出的聚焦激光束与垂直粉末喷嘴发出的聚焦粉末束始终重合于汇聚点，该加工方式可以简称为侧向激光、垂直送粉方式。但是，这种金属粉末送给装置在调整侧向激光筒发出的聚焦激光束与垂直粉末喷嘴发出的聚焦粉末束之间的夹角过程中，没有考虑聚焦激光束与聚焦粉末束的汇聚点相对工件的位置变化。实际上，在调整过程中，一方面，激光束相对工件表面的入射角会随着可摆动侧向激光筒的旋转而发生变化，原本是圆形或方形的光束截面光斑形状将随着激光束相对工件表面的入射角的减小而畸变为椭圆或矩形，从而使得工件表面的光束能量分散、分布不均匀，影响激光熔覆的粉末利用效率，甚至会由于能量密度不足而无法熔化成形，而且畸变量的变化会使单道熔覆线宽不均匀，多道熔覆的搭接部分成形质量差；另一方面，聚焦激光束与聚焦粉末束的汇聚点(也是激光束焦点)会随着可摆动侧向激光筒旋转而发生空间位置变化，即相对于工件表面会有位置变化，具体的说，在高度方向上，该汇聚点(也是激光束焦点)随着可摆动侧向激光筒旋转会离开工件表面或落入工件表面以下，在水平面方向上，该汇聚点(也是激光束焦点)在工件表面的位置也会发生偏移，该水平偏移不是由数控编程通过工件相对加工头的整体相对运动来实现的。由于激光熔覆是一种表面加工技术，因此这种汇聚点(也是激光束焦点)相对加工工件表面的空间位置变化，尤其是激光束焦点离开工件表面的情况，对于激光熔覆工艺过程来说是不允许的。工程应用中，必须利用工作台带动工件运动，使得在调整侧向激光筒发出的聚焦激光束与垂直粉末喷嘴发出的聚焦粉末束之间的夹角时，汇聚点(也是激光束焦点)相对加工工件表面的高度位置保持不变，水平位置按照预定编程轨迹运动，而这要求工作台的三维运动与蜗轮蜗杆传动机构带动可摆动侧向激光筒的旋转运动协调一致，这从多轴数控运动控制的角度来说是很难实现的。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种激光熔覆侧向送粉加工头，该激光熔覆侧向送粉加工头采用垂直激光、侧向送粉加工方式，既可以有效调整聚焦激光束与粉末喷嘴发出的聚焦粉末束之间的空间夹角，又不会发生光束截面光斑形状畸变的问题，极大简化了对工作台协调运动的控制技术要求。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种激光熔覆侧向送粉加工头，包括激光筒、粉末喷嘴和粉末喷嘴夹持机构，其特征在于，所述激光筒为空心筒状结构，激光筒上设置有一激光入射口和一激光出射口，激光筒内安装有导光光路，导光光路使入射激光束变换为聚焦激光束输出；