[发明专利]一种高效双光束光内同轴送粉熔覆头光路结构及加工方法

说明书

本发明涉及一种高效双光束光内同轴送粉熔覆头光路结构及加工加法，包括第一凸透镜、第一反射镜、分光棱镜、第二反射镜、锥镜、分光扩束单元、第三反射镜、聚束单元、第二凸透镜以及第三凸透镜，其中第一凸透镜接收第一道激光光束，输出汇聚光至分光棱镜，分光棱镜输出两束光，第一束光经第一反射镜由第三凸透镜汇聚形成实心光斑，第二束光进入第二反射镜；第二反射镜接收第二道激光光束，经锥镜反射后与第二束光混合进入分光扩束单元；分光扩束单元输出的光线经第三反射镜、聚束单元以及第二凸透镜，输出中空光斑。本发明通过光路设计使位于后方的光斑反射成实心的正方形光斑进行二次扫描，减少因送粉量过大造成的熔合不良夹杂气孔等成形缺陷。

技术领域

本发明涉及一种激光送粉技术，具体为一种高效双光束光内同轴送粉熔覆头光路结构及加工方法。

背景技术

激光熔化沉积技术是增材制造技术的一种，是指采用大功率激光束在加工基板表面形成熔池的同时，将由保护气运输的金属粉末经由同轴送粉熔覆头送入熔池互熔并形成熔覆层。随着激光束与基板按事先设计的加工轨迹进行相对运动，将在基板表面沉积形成熔覆层，激光加工每完成一层沉积，同轴喷嘴将相对基板向上平移一层的高度，继续沉积下一层，直至零件制备结束。主要应用于四个领域：零部件及工具的表面强化；残损零件和工具的改造和修复；多金属材料复合工件的加工制造；复杂大型工件的直接成形制造。

激光熔化沉积技术的特点在于：

(1)LMD技术使用的是千瓦级以上的激光器,成型速度较SLM技术快三十倍以上；

(2)采用的激光聚焦光斑较大,一般在1mm以上,可得到冶金结合的致密金属实体,但其尺寸精度(±1mm误差)和表面光洁度一般,需进一步机加工后才能使用。

(3)材料使用范围广，不锈钢、钛、镍、钴铬合金等粉末均可；

(4)实现激光熔覆和激光打印等多种加工工艺，实现一机多用；

(5)粉末利用率不高；

由此可见，同轴送粉熔覆头是激光熔化沉积技术的核心工艺部件，它决定着粉末的利用率，成形精度，成形效率，激光能量分布等关键指标。

目前国内外研究的同轴送粉技术又可分为光外同轴送粉和光内同轴送粉两种。这两种送粉方式对于激光熔覆工艺有各自的优势和局限性，下面将对它们进行详细介绍并比较。

光外同轴送粉是以激光束为中心轴，其圆周方向均匀对称地分布多个载气送粉喷嘴，且送粉管道的延伸中心线汇聚于激光束中轴线上一点的送粉方式。原理如图1由于粉末流呈对称分布，在粉末流分布均匀及与激光束完全同心的前提下，各个方向没有差异，也就是成形过程中能克服侧向送粉的方向性问题，因而能完成复杂形状零件的成形。同时，光外同轴送粉能在熔池附近形成一个惰性气体保护圈，有效防止金属粉末的氧化。但是，由于其结构相对较为复杂，粉末流与气体流相互影响，因此粉末流的控制相对困难，特别是要将粉末汇聚到很小的区域较为困难，粉末利用率较低。目前大部分送粉头采用的都是光外同轴送粉技术。

针对激光熔覆技术对送粉技术的要求和光外同轴送粉方式中存在的不足，目前存在一种中空激光光内送粉激光熔覆工艺及装置，其原理示意图如图2所示。这种送粉方式具有以下特点：1)光路系统利用分光镜配合聚光镜得到中空倒锥形的环形聚焦激光束，单根送粉管至于中空部分，粉末居中竖直降落，环形激光束环绕包围粉末流。2)聚焦系统采用反光镜，而不是传统使用的透光镜。由于反射聚焦焦距较长，光学镜片离加工区域距离较远，能有效保护镜片，并且能量损失主要体现在镜子的温升，能大大降低了能量损耗。与传统的“同轴送粉”不同，光内同轴送粉方式较容易实现激光束与粉束真正意义上的“同轴”，由粉束包围光束转变为光束包围粉束，大大提高了光粉耦合的精确度，因而成形件表面质量及粉末利用率都得到较大程度上的提高。