[发明专利]一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头

说明书

一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头，包括连接装置，固定在连接装置上端的激光聚焦头以及固定在连接装置下端的套筒，滑动套设在套筒外部的移动套筒和固定在套筒外部的送粉机构，还包括连接在移动套筒下端的连接机构及熔覆头，送粉机构内部设置有内部滑道及送粉铜管。送粉机构通过连接机构及内部滑道在移动套筒竖直上下运动的牵引下调整送粉铜管的角度变化改变粉斑大小，激光聚焦头通过移动套筒竖直上下运动同步改变光斑大小，在变熔宽熔覆过程中同步改变激光光斑与粉斑的大小，实现激光光斑与粉斑的适配，使熔覆过程更加稳定，实现兼顾效率和精度的高质量同轴送粉激光增材制造。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头。

背景技术

同轴送粉激光增材制造技术，以合金粉末为原材料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，由零件三维CAD模型直接驱动，一步实现复杂构件近净成形制造，是一种先进的激光快速成形技术，相比于传统制造技术，具有无模具、高柔性、短周期、成形结构复杂等系列优点，在航空航天、能源动力、核工业及模具制造等领域具有广阔的应用前景。

当前，同轴送粉激光增材制造技术基本采用不变熔宽的制造方式，普遍存在高效率低精度、高精度低效率的技术瓶颈。一方面，为提高精度通常采用小的激光光斑实现小熔宽熔覆，由单道或多道搭接实现高精度成形，成形精度高但效率偏低；另一方面，为提高沉积效率通常采用大的激光光斑实现大熔宽熔覆，成形效率高但精度相应下降。这直接导致壁厚多变构件往往须频繁采用不同数量多道搭接方式实现制造，极大地降低了沉积效率。

与此同时，针对变壁厚构件成形，目前国内外已经发展了变光斑同轴送粉激光增材制造技术，通过动态改变光斑大小控制熔道宽度，进而实现一些宽度变化构件的形状适应性成形甚至单道成形，提高了成形效率。其方法是改变聚焦透镜等与工作表面的相对距离，以离焦方式来改变光斑大小，粉末喷嘴与工作表面的相对距离保持不变，其粉斑大小不变。然而，同轴送粉激光增材制造工艺过程激光与粉末交互作用复杂，实际成形过程中光斑尺寸、粉斑尺寸及其它成形工艺参数必须有良好匹配才能实现优异的成形效果，仅仅动态改变激光光斑尺寸，而不同步控制粉斑及粉末输送将无法保证变熔宽成形的成形质量。

此外，目前送粉铜管普遍采用普通结构形式的铜合金薄壁管，结构形式缺乏聚敛性、耐磨性不足，无法保证粉末长时高精度汇聚性，粉末汇聚性及粉斑尺寸长时工作过程中动态变化大、稳定性不足，无法保证粉斑与激光光斑长时的精确适配，无法保证变熔宽成形的成形质量。

发明内容

本发明提出一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头，用于自动协同调控激光光斑与粉斑的适配性，实现兼顾效率和精度的高质量同轴送粉激光增材制造。

为解决上述难题，实现兼顾效率和精度的高质量同轴送粉激光增材制造，本发明提出一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头，具体技术方案为：

一种光粉紧耦合自协调同轴送粉激光增材加工头，包括连接装置，固定在连接装置上端的激光聚焦头以及固定在连接装置下端的套筒，滑动套设在套筒外部的移动套筒和固定在套筒外部的送粉机构，还包括连接在移动套筒下端的连接机构及熔覆头。

优选的，所述送粉机构包括内部滑道及送粉铜管，所述内部滑道与所述连接机构的一端铰链式连接，以实现连接机构与内部滑道的相对滑动。

优选的，所述送粉机构数量设置优选2、3或4。

优选的，所述送粉机构沿所述熔覆头周向均匀排布，保证粉斑圆形度的各向一致性。

优选的，所述送粉机构采用铜合金材质，优选铬锆铜、铍青铜。

优选的，所述送粉机构内置水冷却通路，防止送粉铜管过热，保证送粉的稳定性及连续性。

优选的，所述熔覆头上端固定有挡光板，防止激光反射及烟尘上逸，所述挡光板上安装有水冷块，防止过热。