[实用新型]可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头

说明书

本实用新型公开了一种可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，安装在工作头框架上的多个调向定位装置对相应的准直聚焦镜筒组进行精确定位，并调节各束激光照射方向，使激光束到达设定的汇聚点，导料导气装置安装在框架中心轴线上，把粉末或丝材与保护气体同时送到多束激光汇聚点或其附近的工件表面进行直接沉积，还可通过向丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量直接沉积丝材。本工作头兼具有粉末、丝材中轴供料作用，可调节激光束汇聚的位置，其结构也比较紧凑，其多束激光的光纤容易并拢，便于工作头灵活运动，还可进行多束激光与电阻热复合直接沉积。

技术领域

本实用新型涉及一种用于激光成形制造、表面改性的工作头，具体来说，涉及用于金属零件增材制造（3D打印）、修复再制造、表面改性的一种能量直接沉积的工作头。

背景技术

金属零件增材制造和修复再制造是目前研究的热点，金属零件表面改性的应用也很广泛。能量直接沉积是金属零件增材制造和修复再制造的主要工艺之一，也是表面改性的主要方法之一。该工艺利用高密度能量直接加热熔化金属粉末或丝材，使之沉积在基底表面，并与基底冶金结合。目前出现了激光沉积、电子束沉积、电弧沉积和等离子沉积等多种金属零件增材制造、修复再制造、表面改性工艺及其相应的设备，其中应用较多的是激光沉积。被熔化沉积的材料形态有粉末状和丝状，因而有送粉激光直接沉积（熔覆）和送丝激光直接沉积（熔覆）。送粉激光直接沉积又有同轴送粉和侧向送粉之分，而送丝也有侧向送丝和同轴送丝两种，只不过同轴送丝目前应用较少。侧向送粉和侧向送丝激光直接沉积的方向性较差，因而人们越来越趋向于使用同轴进料（粉末或丝材）激光直接沉积工艺，但送丝激光直接沉积必须把丝材置于中轴位置，对于实心的单束激光而言，是不能实现的。而目前大多数的送粉激光直接沉积比送丝激光直接沉积的材料利用率低，其原因是以单束聚焦激光轴线为中轴输送的粉末流从喷嘴出来后收敛性差，被激光束直接照射熔化而沉积的颗粒少，或者是与激光束相交一定角度的粉末流中，能够被激光熔化沉积的颗粒少。

目前比较典型的有光内送丝（粉）激光直接沉积（熔覆）工作头和多束激光直接沉积（熔覆）工作头。光内送丝（粉）激光直接沉积（熔覆）工作头把实心的激光束转化成中空的激光束，存在的问题是丝或粉末流进入工作头中轴前，必须穿过环形光束，既损失激光能量，又影响导料管的安装定位。目前的多束激光直接沉积（熔覆）工作头的形式有两种，一种是把一束激光用分光镜分成三束激光，然后经过反射聚焦后汇聚到一点，送丝管从其中两束光之间穿过，容易造成偏心，且分开的激光束数量有限。另外一种是把均匀分布的几束激光分别固定在一个架子上，聚焦后以一定角度传输并汇聚到一点，例如，公告号为CN207713821U的中国实用新型专利，公开了一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头，它提出在一个主体架上开设一个中心通孔，在其底部接一个带定位槽的定位器，送粉管穿过中心通孔固定在定位槽内；激光输出头固定在主体架顶部并通过激光通孔传输激光；在主体架下部又带有较大纵截面的气体喷嘴和水冷嘴（带类锥状环形空腔）。该专利气体喷嘴、水冷嘴尺寸太大，而且水冷嘴对主体架、定位器和送粉管的冷却作用不大。公告号为CN107813050A的中国发明专利，公开了一种用于金属熔融快速成型的多激光束3D打印头，这个专利把多个单光束聚焦装置呈几个环形固定在一个球弧形打印头主体上，其问题是工作头显得十分庞大，而且输送激光到达工作头的光纤张开较大角度，不便于把几根光纤并拢在一起，妨碍工作头运动。还有一种多束激光工作头，如公告号为CN106583726A、106757014A的中国发明专利发明的一种激光多光束熔覆装置，把一束激光分成熔覆光束和余热光束，而不是用多束激光同时熔覆（直接沉积）。

另外，目前的工作头要么只能用于输送粉末的激光直接沉积，要么只能用于丝材的激光直接沉积；而且不能调节单个激光束与工作头中心轴之间的夹角，因而不能解决因加工误差等原因造成的光束不能汇聚问题和汇聚点偏心问题，也不能调节光束汇聚处的离焦量而改变汇聚光光斑直径。

发明内容