本發(fā)明屬于激光熔覆工藝與設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種變斑激光熔覆裝置。
背景技術(shù):
激光熔覆成型技術(shù)綜合了激光熔覆技術(shù)與快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),將激光束聚焦光斑照射在工件表面,將熔覆材料以粉斑形式輸送至光斑內(nèi),以實(shí)現(xiàn)熔覆過(guò)程。在這種動(dòng)態(tài)加工過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)熔覆材料粉斑與激光聚焦光斑的精確耦合是降低加工成本的關(guān)鍵,而適時(shí)改變激光聚焦光斑大小是提高熔覆效率的重要手段。
現(xiàn)有的光斑激光熔覆成型系統(tǒng)在熔覆過(guò)程中不改變光斑大小,采用的是區(qū)域多道搭接堆積成型方案,該方法在熔道搭接處存在著搭接缺陷,主要包括:搭接率不合理影響成型表面精度、熔覆層冷卻不均勻?qū)е氯鄹矊娱_(kāi)裂、掃描路徑規(guī)劃不合理導(dǎo)致效率低下、內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均直接影響熔覆層的微觀組織及力學(xué)性能。
相比較以上的等光斑熔覆方式,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一種變光斑激光熔覆成型系統(tǒng),采用移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變焦方式實(shí)現(xiàn)變斑,需要電機(jī)控制鏡片移動(dòng),光斑變化范圍較小,操作難度大,調(diào)節(jié)精度低,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)于復(fù)雜不規(guī)則不等厚壁構(gòu)件的一次性成型無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的激光熔覆;另外該方法采用透鏡式準(zhǔn)直,不方便加載水冷系統(tǒng),并且激光變斑范圍無(wú)法固定在一個(gè)平面,不利于光粉耦合。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求,本發(fā)明提供了一種變斑激光熔覆裝置,其目的在于解決現(xiàn)有的移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變斑方式需要附加電機(jī)控制、光斑變化范圍小的問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,按照本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種變斑激光熔覆裝置,包括可調(diào)變光斑鏡組和可調(diào)變粉斑激光噴頭;
其中,可調(diào)變光斑鏡組包括自適應(yīng)反射鏡和聚焦鏡,其自適應(yīng)反射鏡的表面曲率半徑可連續(xù)變化;在對(duì)入射平行光束進(jìn)行匯聚過(guò)程中,通過(guò)這種曲率半徑的連續(xù)變化以改變輸出的光斑大小,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)變光斑;
可調(diào)變光斑鏡組輸出的光斑平面與可調(diào)變粉斑激光噴頭輸出的粉斑平面均固定在可調(diào)變粉斑激光噴頭下方的工作面內(nèi),且粉末只在工作面上進(jìn)入光斑與光斑耦合。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,其自適應(yīng)反射鏡具有氣動(dòng)式可調(diào)節(jié)能力,通過(guò)改變氣壓值,使自適應(yīng)反射鏡表面曲率半徑連續(xù)變化。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,自適應(yīng)反射鏡為水冷自適應(yīng)反射鏡,包括第一水冷裝置、第二水冷裝置、反射鏡面和空氣腔;第一水冷裝置和第二水冷裝置分散設(shè)于空氣腔腔體的兩側(cè),反射鏡面覆蓋在空氣腔上;通過(guò)控制空氣腔內(nèi)氣壓變化來(lái)改變反射鏡面的反射面的焦距,從而對(duì)入射平行光束進(jìn)行匯聚,以改變最終輸出光斑大小。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,其可調(diào)變粉斑激光噴頭為同軸式變粉斑光外送粉噴頭。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,同軸式變粉斑光外送粉噴頭由多個(gè)同心環(huán)形送粉噴嘴組成,或者由多個(gè)環(huán)形分布的送粉噴管組成,均可根據(jù)光斑大小來(lái)選擇不同環(huán)道進(jìn)行組合;送粉噴頭采用上述多種不同的送粉管道組合方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)變粉斑以增強(qiáng)光粉耦合效果。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,聚焦鏡為水冷反射式離軸拋物鏡。
優(yōu)選的,上述變斑激光熔覆裝置,還包括準(zhǔn)直鏡,準(zhǔn)直鏡設(shè)置在自適應(yīng)反射鏡之前,用于對(duì)外部激光器輸出的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直處理后再送入自適應(yīng)反射鏡。
總體而言,通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,能夠取得下列有益效果:
(1)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,可以進(jìn)行變斑熔覆,解決復(fù)雜不規(guī)則不等厚壁構(gòu)件激光增材制造中一次性成型的技術(shù)難題,提高激光增材制造構(gòu)件質(zhì)量和精度;
(2)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,采用自適應(yīng)鏡變焦變斑方式,相比移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變焦變斑法,光斑變化范圍更大,調(diào)節(jié)精度更高,響應(yīng)快;解決了現(xiàn)有的移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變斑方式的光斑變化范圍小、操作難度大、調(diào)節(jié)精度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題;
(3)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,采用反射鏡實(shí)現(xiàn)變焦變斑,更方便對(duì)鏡體進(jìn)行水冷卻,降低由于高溫造成的鏡片損壞風(fēng)險(xiǎn);
(4)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,將變斑范圍固定在工作面上的一個(gè)平面內(nèi),有利于粉斑與光斑在工作面上的耦合;
(5)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,不需要電機(jī)控制鏡片移動(dòng),節(jié)約加工成本,降低操作難度,控制更加方便,解決了現(xiàn)有的移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變斑方式需要附加電機(jī)控制的問(wèn)題;
(6)本發(fā)明提供的這種變斑激光熔覆裝置,針對(duì)加工過(guò)程中的粉末浪費(fèi)現(xiàn)象,采用一種變粉斑送粉噴頭,可配合不同的輸出光斑半徑選擇不同大小的粉斑輸送,進(jìn)一步提高了光粉耦合效率,課有效減少粉末浪費(fèi)。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明變斑激光熔覆裝置實(shí)施例1的示意圖;
圖2是實(shí)施例1的自適應(yīng)反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是實(shí)施例1的聚焦鏡的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4是實(shí)施例1的可調(diào)變粉斑激光噴頭的示意圖;
圖5是實(shí)施例1的可調(diào)變粉斑激光噴頭的送粉噴管組合圖樣;
圖6是本發(fā)明變斑激光熔覆裝置實(shí)施例2示意圖;
圖7是實(shí)施例2的可調(diào)變粉斑激光噴頭的示意圖;
圖8是實(shí)施例2的可調(diào)變粉斑激光噴頭輸出的粉斑組合示意圖;
圖9是本發(fā)明變斑激光熔覆裝置實(shí)施例3的示意圖;
圖10是本發(fā)明變斑激光熔覆裝置中準(zhǔn)直鏡5的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11是本發(fā)明變斑激光熔覆裝置實(shí)施例4的示意圖;
在所有附圖中,相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu),其中:
1-自適應(yīng)反射鏡、2-聚焦鏡、3-實(shí)施例1的可調(diào)變粉斑激光噴頭、4-實(shí)施例2的可調(diào)變粉斑激光噴頭、5-準(zhǔn)直鏡、11-第一水冷裝置、12-反射鏡面、13-空氣腔、14-第二水冷裝置、21-反射鏡體、22-第三水冷裝置、31-第一送粉噴管組、32-第二送粉噴管組、33-第三送粉噴管組、34-第一控制裝置、35-光束通道、36-第二控制裝置、3a-第一噴管組合、3b-第二噴管組合、3c-第三噴管組合、41-第一送粉通道、42-第二送粉通道、43-第三送粉通道、45、44、46、4a-光束輸出光斑位置、4b-第一送粉環(huán)道、4c-第二送粉環(huán)道、4d-第三送粉環(huán)道、51-反射鏡體、52-第四水冷裝置。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
本發(fā)明的采用自適應(yīng)鏡變焦方式實(shí)現(xiàn)光斑大小連續(xù)可調(diào),相比現(xiàn)有的移動(dòng)準(zhǔn)直鏡變斑法,具有操作更加方便,調(diào)節(jié)精度更高,加工效率高的優(yōu)點(diǎn);并使用可調(diào)變粉斑激光噴頭以進(jìn)一步提高光粉耦合效率,有效減少粉末浪費(fèi)。以下結(jié)合實(shí)施例和附圖進(jìn)一步具體闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1提供的變斑激光熔覆裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示意的,包括可調(diào)變光斑鏡組和可調(diào)變粉斑激光噴頭;其中,可調(diào)變光斑鏡組包含自適應(yīng)反射鏡1和聚焦鏡2;入射平行光束通過(guò)自適應(yīng)反射鏡1后偏轉(zhuǎn)90度,再經(jīng)由聚焦鏡2聚焦,再次偏轉(zhuǎn)90度后,輸出大小符合預(yù)設(shè)要求且可連續(xù)變換的光斑照射在工件的工作面上。
實(shí)施例1中,自適應(yīng)反射鏡1的結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括第一水冷裝置11、第二水冷裝置14、反射鏡面12和空氣腔13;第一水冷裝置11和第二水冷裝置14分別設(shè)于空氣腔13的腔體上,反射鏡面12覆蓋在空氣腔13上;通過(guò)控制空氣腔13內(nèi)氣壓變化改變反射鏡面12的反射面的焦距,從而對(duì)入射平行光束進(jìn)行匯聚,以改變最終輸出光斑大小。
聚焦鏡2為反射式離軸拋物鏡放置在自適應(yīng)鏡1的出射光束方向上,用于將光束聚焦,并通過(guò)可調(diào)變粉斑激光噴頭3輸出;其結(jié)構(gòu)如圖3所示,包含反射鏡體21、第三水冷裝置22,第三水冷裝置22設(shè)于反射鏡體21上;第三水冷裝置22用于冷卻光束聚焦所產(chǎn)生的熱量。
可調(diào)變粉斑激光噴頭3為同軸送粉噴頭,其截面圖如圖4所示,包括第一控制裝置34、第二控制裝置36和三組同軸環(huán)形分布的送粉噴管組:第一送粉噴管組31、第二送粉噴管組32、第三送粉噴管組33;三組送粉噴管組的上端分別與第一控制裝置34和第二控制裝置36相連;圖中35標(biāo)識(shí)的為光束通道,由第一控制裝置34、第二控制裝置36控制送光束通道進(jìn)口的開(kāi)關(guān),根據(jù)光斑大小選擇不同的送粉噴管組進(jìn)行匹配。
可調(diào)變粉斑激光噴頭3的送粉噴管組合圖樣如圖5所示,3a,3b,3c代表三組不同噴管組合,其中3a、3b由4個(gè)噴頭組成,3c由8個(gè)噴頭組成;所有噴頭輸出口均在同一平面上,每組噴頭都分布在以輸出光斑中心為圓心,半徑不同的圓上,組內(nèi)噴頭相互間等距;根據(jù)分布半徑不同,每組噴頭輸出粉斑大小也不同,按照從小到大依次為3a,3b,3c,用于匹配大小不同的輸出光斑,以提高光粉耦合效率,節(jié)約成本。
實(shí)施例2提供的變斑激光熔覆裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示,包括可調(diào)變光斑鏡組和可調(diào)變粉斑激光噴頭;其可調(diào)變光斑鏡組包含自適應(yīng)反射鏡1和聚焦鏡2;其可調(diào)變粉斑激光噴頭4的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1不同,具體如圖7所示意的,送粉部分包括三個(gè)同心環(huán)錐面送粉通道:第一送粉通道41、第二送粉通道42、第三送粉通道43,圖中45標(biāo)識(shí)的為光束通道,由第一控制裝置44、第二控制裝置46控制光束通道進(jìn)口的開(kāi)關(guān),根據(jù)光斑大小,選擇不同半徑的送粉環(huán)道進(jìn)行匹配。
可調(diào)變粉斑激光噴頭的送粉環(huán)道組合輸出的粉斑組合如圖8所示,其中,4a表示光束輸出光斑位置,4b、4c、4d代表半徑不同的三層送粉環(huán)道;所有環(huán)道輸出端口均在同一平面上,構(gòu)成以輸出光斑中心為圓心,半徑不同的三組圓環(huán);根據(jù)圓環(huán)半徑不同,每條粉道輸出粉斑大小也不同,按照從小到大依次為4b,4c,4d,用于匹配大小不同的輸出光斑,以提高光粉耦合效率,節(jié)約成本。
實(shí)施例3提供的變斑激光熔覆裝置的結(jié)構(gòu)如圖9所示,包括可調(diào)變光斑鏡組和送粉激光噴頭;本實(shí)施例提供的變斑激光熔覆裝置針對(duì)光纖激光器輸出的擴(kuò)散型光束,通過(guò)前置一個(gè)準(zhǔn)直鏡以獲得準(zhǔn)直光束;其可調(diào)變光斑鏡組包含準(zhǔn)直鏡5、自適應(yīng)反射鏡1和聚焦鏡2;準(zhǔn)直鏡5放置在激光出射方向上,將輸出光束準(zhǔn)直并偏轉(zhuǎn)90度,照向自適應(yīng)反射鏡1;本實(shí)施例中,所采用的準(zhǔn)直鏡5為反射式離軸拋物鏡,結(jié)構(gòu)如圖10所示,包含反射鏡體51、第四水冷裝置52;本實(shí)施例采用的可調(diào)變粉斑激光噴頭與實(shí)施例2采用的可調(diào)變粉斑激光噴頭相同。
實(shí)施例4提供的變斑激光熔覆裝置的結(jié)構(gòu)如圖11所示,包括可調(diào)變光斑鏡組和送粉激光噴頭;其可調(diào)變光斑鏡組包含準(zhǔn)直鏡5、自適應(yīng)反射鏡1和聚焦鏡2;本實(shí)施例采用的可調(diào)變粉斑激光噴頭與實(shí)施例1采用的可調(diào)變粉斑激光噴頭相同。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。