本實(shí)用新型涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置。

背景技術(shù)：

激光-電弧復(fù)合焊接結(jié)合了激光和電弧兩個(gè)獨(dú)立熱源各自的優(yōu)點(diǎn)，比如：激光熱源具有高的能量密度、極優(yōu)的指向性、及透明介質(zhì)傳導(dǎo)的特性，電弧等離子體具有高的熱-電轉(zhuǎn)化效率、低廉的設(shè)備成本的運(yùn)行成本、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)勢，故激光-電弧復(fù)合焊接極大程度地避免了二者各自的缺點(diǎn)，比如：金屬材料對(duì)激光的高反射率造成的激光能量損失、激光設(shè)備高的設(shè)備成本、低的電-光轉(zhuǎn)化效率等，電弧熱源較低的能量密度、高速移動(dòng)時(shí)放電穩(wěn)定性差等，同時(shí)，激光焊接和電弧焊接的有機(jī)結(jié)合還衍生出了很多新的特點(diǎn)：高能量密度、高能量利用率、高的電弧穩(wěn)定性、較低的工裝準(zhǔn)備精度以及待焊接工件表面質(zhì)量等，故激光-電弧復(fù)合焊接成為具有極大應(yīng)用前景的新型焊接熱源。

目前，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)主要使用MIG/MAG與激光復(fù)合，但MIG/MAG存在熱輸入量大、變形嚴(yán)重、飛濺無法避免等缺陷。而冷金屬過渡技術(shù)CMT(Cold Metal Transfer)是Fronius公司在研究薄板焊接、無飛濺過渡技術(shù)及鋁與鋼異種金屬連接技術(shù)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和成熟起來的一門新的焊接技術(shù)，CMT焊接方法由于具有更快的焊接速度，更好的搭橋能力，更小的變形，更均勻一致的焊縫，并且沒有飛濺等優(yōu)點(diǎn)，拓展了普通MIG/MAG焊所不能涉及的領(lǐng)域。但是，單純使用CMT焊接時(shí)，由于CMT電弧焊的熔池溫度相對(duì)較低，在采用多層多道焊時(shí)，易出現(xiàn)未熔合或夾渣等缺陷；且采用純Ar保護(hù)的CMT電弧焊接不銹鋼、鎳基合金或高強(qiáng)鋼時(shí)，存在電弧飄動(dòng)，挺度不足，焊接過程不穩(wěn)定等問題，對(duì)焊接質(zhì)量有不利的影響。

針對(duì)上述問題，公開號(hào)為CN101811231B的中國實(shí)用新型專利公開了一種激光-CMT復(fù)合焊接工藝，針對(duì)CMT弧焊焊縫鋪展性不佳以及純Ar保護(hù)的CMT電弧焊接存在的不足，在充分利用CMT電弧熱輸入低、飛濺小、焊縫變形小，焊接冶金質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將CMT電弧焊接與激光焊接相結(jié)合，利用復(fù)合熱源中激光的作用，克服了CMT電弧焊方法的不足，得到高質(zhì)量的焊接。但是，根據(jù)其說明書及附圖的記載，激光束的光斑與CMT電弧的斑點(diǎn)之間中心間距L為0-8mm，或者說，CMT電弧位于激光束的外圍側(cè)，這種復(fù)合焊接方法依然存在以下缺點(diǎn)：1、CMT電弧熱源和激光熱源兩者之間為非對(duì)稱性，受焊接方向影響較大，難以用于復(fù)雜曲面或三維焊接；2、CMT電弧斑點(diǎn)與激光束聚焦光斑之間的相互位置關(guān)系在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不易保持穩(wěn)定，對(duì)焊接過程穩(wěn)定性影響大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置，其容易控制CMT電弧斑點(diǎn)與激光束聚焦光斑之間的相互位置、并可避免焊接方向?qū)附舆^程的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置，包括用于發(fā)射入射激光光束的激光器、CMT焊接電源、以及復(fù)合焊接頭，所述復(fù)合焊接頭包括具有內(nèi)腔的固定座、CMT焊槍、以及安裝在內(nèi)腔中的分光鏡和至少兩個(gè)反射聚焦鏡，所述固定座上還開設(shè)有容入射激光光束通過的光束入口，該光束入口正對(duì)分光鏡，所述分光鏡上具有至少兩個(gè)分光鏡面、用于將入射激光光束分成至少兩束反射激光光束，所述反射聚焦鏡上具有朝向分光鏡面的聚焦鏡面、用于接收反射激光光束并將反射激光光束反射成聚焦激光光束，所述固定座上開設(shè)有容多束聚焦激光光束射出的光束出口；多束聚焦激光光束的末端聚焦有聚焦激光光斑、且多束聚焦激光光束之間形成有中空區(qū)域，所述CMT焊槍與CMT焊接電源相連接、且CMT焊槍的焊槍噴嘴位于中空區(qū)域中，所述聚焦激光光斑、焊槍噴嘴、以及中空區(qū)域同軸線設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述CMT焊槍位于所述中空區(qū)域中，且聚焦激光光斑位于焊槍噴嘴的正下方側(cè)。

優(yōu)選地，所述光束入口開設(shè)在固定座的上端面上，所述光束出口開設(shè)在固定座的下端面上。

進(jìn)一步地，所述固定座在光束入口處固定連接有光束入射管，該光束入射管遠(yuǎn)離固定座的一端與激光器相連接。

優(yōu)選地，所述激光器為CO2激光器、Nd:YAG激光器、碟形激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。

進(jìn)一步地，所述分光鏡面為平面或弧形面。

進(jìn)一步地，所述聚焦鏡面為弧形面。

優(yōu)選地，所述分光鏡面、反射聚焦鏡、以及光束出口三者的數(shù)量相等。

如上所述，本實(shí)用新型涉及的激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置，具有以下有益效果：

本申請通過同軸線設(shè)置的聚焦激光光斑、焊槍噴嘴和形成在多束聚焦激光光束內(nèi)周側(cè)的中空區(qū)域，可將CMT電弧斑點(diǎn)與聚焦激光光斑同軸復(fù)合成對(duì)稱復(fù)合熱源，使得焊接過程不受焊接方向的影響，進(jìn)而方便地用于復(fù)雜曲面焊接、三維焊接、復(fù)雜零件的增材制造等。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型中激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2和圖3為圖1的不同實(shí)施例。

元件標(biāo)號(hào)說明

1 固定座

11 內(nèi)腔

12 光束入口

13 光束出口

2 CMT焊槍

21 焊槍噴嘴

3 分光鏡

31 分光鏡面

4 反射聚焦鏡

41 聚焦鏡面

5 中空區(qū)域

6 焊絲

7 光束入射管

81 入射激光光束

82 反射激光光束

83 聚焦激光光束

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

須知，本說明書附圖所繪的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本實(shí)用新型可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本實(shí)用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本實(shí)用新型所揭示的技術(shù)內(nèi)容能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述明了，而非用以限定本實(shí)用新型可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本實(shí)用新型可實(shí)施的范疇。

本申請?zhí)峁┮环N激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置，其將一束激光和冷金屬過渡電弧(即CMT電弧)混合在一起獲得同軸圓周對(duì)稱復(fù)合熱源，進(jìn)而在基材上形成焊接增材，所述基材即為被焊工件。所述激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置包括激光器、CMT焊接電源、以及復(fù)合焊接頭；其中，激光器用于發(fā)射入射激光光束81，復(fù)合焊接頭用于實(shí)現(xiàn)激光和CMT電弧的同軸復(fù)合。具體說，如圖1所示，所述復(fù)合焊接頭包括具有內(nèi)腔11的固定座1、CMT焊槍2、以及固定安裝在內(nèi)腔11中的分光鏡3和至少兩個(gè)反射聚焦鏡4；所述固定座1上開設(shè)有容入射激光光束81通過的光束入口12，該光束入口12正對(duì)分光鏡3、使由激光器發(fā)射出的入射激光光束81照射到分光鏡3的分光鏡面31上；所述分光鏡3的分光鏡面31至少有兩個(gè)，分光鏡面31用于將入射激光光束81分成至少兩束反射激光光束82、并將反射激光光束82反射至反射聚焦鏡4的聚焦鏡面41上；所述反射聚焦鏡4的聚焦鏡面41朝向分光鏡3的分光鏡面31，聚焦鏡面41用于將反射激光光束82再反射成聚焦激光光束83；所述固定座1上開設(shè)有容多束聚焦激光光束83射出的光束出口13。多束聚焦激光光束83從光束出口13處射出后、其末端聚焦，從而形成位于固定座1外部的聚焦激光光斑，多束聚焦激光光束83之間還形成有位于固定座1外部、且無遮擋的中空區(qū)域5，該中空區(qū)域5呈錐形。所述CMT焊槍2與CMT焊接電源相連接，CMT焊槍2通過其焊槍噴嘴21輸送焊絲6，在基材上形成CMT電弧斑點(diǎn)。所述CMT焊槍2從相鄰的兩束聚焦激光光束83之間(即從中空區(qū)域5的側(cè)面)伸入中空區(qū)域5中，從而至少使CMT焊槍2的焊槍噴嘴21位于中空區(qū)域5中，所述聚焦激光光斑、焊槍噴嘴21、以及中空區(qū)域5同軸線設(shè)置。

本申請還提供一種激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造方法，使用如上所述的激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置，如圖1所示，所述激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造方法依次包括以下步驟：

步驟A、開啟激光器、接通CMT焊接電源；激光器發(fā)射入射激光光束81，所述入射激光光束81從固定座1的光束入口12處進(jìn)入內(nèi)腔11中、并照射到分光鏡3的分光鏡面31上；

步驟B、分光鏡3將入射激光光束81分成至少兩束反射激光光束82、并將至少兩束反射激光光束82反射至各反射聚焦鏡4的聚焦鏡面41；

步驟C、反射聚焦鏡4的聚焦鏡面41將各反射激光光束82反射后形成聚焦激光光束83，多束聚焦激光光束83從固定座1的光束出口13處射出、并在基材上聚焦形成聚焦激光光斑；

步驟D、CMT焊槍2通過焊槍噴嘴21輸送出焊絲6、從而在基材上形成CMT電弧斑點(diǎn)；由于焊槍噴嘴21位于中空區(qū)域5中并與中空區(qū)域5同軸線設(shè)置，故由焊槍噴嘴21輸送出的焊絲6處于多束聚焦激光光束83的中心、始終被多束均勻?qū)ΨQ的聚焦激光光束83包圍，且焊絲6也與中空區(qū)域5同軸線設(shè)置，進(jìn)而使CMT焊槍2的CMT電弧斑點(diǎn)與聚焦激光光斑同軸復(fù)合后形成圓周對(duì)稱復(fù)合熱源，或者說，多束聚焦激光光束83的中心對(duì)稱軸與CMT電弧的中心對(duì)稱軸重合，并共同作用在基材表面獲得圓周對(duì)稱的復(fù)合熱源，該圓周對(duì)稱的復(fù)合熱源在基材上形成焊接增材，最終實(shí)現(xiàn)不受焊接方向限制的同軸復(fù)合焊接或增材制造。

本申請涉及的激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置及方法中，首先通過光路變換得到多束聚焦激光光束83，再使焊槍噴嘴21輸送出的電極焊絲6置于多束聚焦激光光束83內(nèi)周的中空區(qū)域5中并與中空區(qū)域5同軸線，即電極焊絲6與多束聚焦激光光束83同軸線，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊絲6與多束聚焦激光光束83同軸被送入光斑中心，即CMT電弧斑點(diǎn)與聚焦激光光斑同軸復(fù)合成對(duì)稱復(fù)合熱源，使得焊接過程不受焊接方向的影響，進(jìn)而方便地用于復(fù)雜曲面焊接、三維焊接、復(fù)雜零件的增材制造等。同時(shí)，其所形成的CMT電弧斑點(diǎn)和多束聚焦激光光束83聚焦形成的聚焦激光光斑之間的相互位置關(guān)系保持穩(wěn)定，從而大大提高焊道質(zhì)量。除此之外，本申請還充分利用激光以及冷金屬過渡電弧(CMT電弧)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了高能效、低成本、高質(zhì)量的焊接以及增材制造方法。

進(jìn)一步地，如圖1所示，所述CMT焊槍2整體位于所述中空區(qū)域5中，且聚焦激光光斑位于焊槍噴嘴21的正下方側(cè)，所述入射激光光束81由上至下進(jìn)入固定座1的內(nèi)腔11中，所述聚焦激光光束83由上至下從固定座1的內(nèi)腔11中射出，因此，所述光束入口12開設(shè)在固定座1的上端面上，所述光束出口13開設(shè)在固定座1的下端面上，所述固定座1的上端面和下端面都為平面。同時(shí)，所述固定座1在光束入口12處固定連接有上下豎直延伸的光束入射管7，該光束入射管7遠(yuǎn)離固定座1的上端與激光器的光輸出端相連接。所述激光器可以為CO2激光器、Nd:YAG激光器、碟形激光器、半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。

進(jìn)一步地，所述分光鏡面31為平面或弧形面；所述聚焦鏡面41為弧形面，且聚焦鏡由一個(gè)弧形鏡面或多個(gè)弧形鏡面組成。

較優(yōu)地，所述分光鏡面31、反射聚焦鏡4、以及光束出口13三者的數(shù)量相等，比如：當(dāng)分光鏡面31有兩個(gè)時(shí)，則反射聚焦鏡4和光束出口13都設(shè)置為兩個(gè)，所形成的反射激光光束82和聚焦激光光束83都為兩束；或者，當(dāng)分光鏡面31有三個(gè)時(shí)，則反射聚焦鏡4和光束出口13都設(shè)置為三個(gè)，所形成的反射激光光束82和聚焦激光光束83都為三束，以下例舉兩個(gè)激光-冷金屬過渡電弧同軸復(fù)合增材制造裝置的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例一、如圖2所示，該實(shí)施例中，分光鏡3上具有兩個(gè)分光鏡面31，固定座1的內(nèi)腔11中安裝有兩個(gè)180°對(duì)稱分布的拋物面反射聚焦鏡4。因此，激光器輸出的入射激光光束81經(jīng)光束入口12入射到分光鏡3上后，分光鏡3將入射激光光束81分成對(duì)稱分布的兩束反射激光光束82；兩束反射激光光束82分別經(jīng)兩個(gè)拋物面反射聚焦鏡4反射后形成兩束聚焦激光光束83；兩束聚焦激光光束83從固定座1的光束出口13處射出后在基材上聚焦，并與CMT電弧共同作用在基材表面，依靠激光-CMT同軸復(fù)合對(duì)稱熱源實(shí)施焊接或增材制造。

實(shí)施例二、如圖3所示，該實(shí)施例中，分光鏡3為棱形分光鏡3、具有三個(gè)分光鏡面31，固定座1的內(nèi)腔11中安裝有三個(gè)120°周向均布的拋物面反射聚焦鏡4。因此，激光器輸出的入射激光光束81經(jīng)光束入口12入射到棱形分光鏡3上后，棱形分光鏡3將入射激光光束81分成三束120°周向均布的反射激光光束82；三束反射激光光束82分別經(jīng)三個(gè)拋物面反射聚焦鏡4反射后形成三束聚焦激光光束83；三束聚焦激光光束83從固定座1的光束出口13處射出后在基材上聚焦，并與CMT電弧共同作用在基材表面，依靠激光-CMT同軸復(fù)合對(duì)稱熱源實(shí)施焊接或增材制造。

綜上所述，本實(shí)用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本實(shí)用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本實(shí)用新型的權(quán)利要求所涵蓋。