專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光變斑熔覆成型工藝及用于該工藝的同軸噴頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及激光變斑熔覆工藝及其專(zhuān)用同軸噴頭。
背景技術(shù)：
激光熔覆主要用于涂層熔覆、零件精密三維快速制造等。在熔覆過(guò)程中，激光束照射并聚焦在成形加工表面，送料器將金屬粉末或金屬絲材送入成形加工表面上的激光聚焦光斑中。激光熔覆快速制造工作過(guò)程是根據(jù)建立的三維實(shí)體CAD模型，對(duì)模型沿某一方向按一定厚度進(jìn)行分層處理，得到一系列層片數(shù)據(jù)。對(duì)層片數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃后，生成執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。數(shù)控工作臺(tái)和同軸噴頭按此軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行熔覆堆積加工。加工好一層后，再在已成型部分上面熔覆新的層片。如此循環(huán)，直至零件全部加工完成。在這種動(dòng)態(tài)加工過(guò)程中，將粉末或絲材始終準(zhǔn)確送入成形加工面上的激光光斑中是保證熔覆成型質(zhì)量的關(guān)鍵，而適時(shí)改變光斑尺寸和送料量大小是提高熔覆效率的重要手段。
現(xiàn)有的激光熔覆成型工藝大都采用等光斑，即在熔覆過(guò)程中一般不改變光斑大小。每一層片堆積的厚度和熔覆光斑越小，即掃描熔覆的熔道越薄越窄，則堆積出的三維實(shí)體精度越高，其表面的“臺(tái)階效應(yīng)”越小，但加工效率非常低。對(duì)于通常零件，層面中部填充區(qū)域面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣輪廓線所占面積，故層面中部填充所花費(fèi)的時(shí)間對(duì)總成型時(shí)間影響很大。若采用輪廓法堆積即用小光斑、小粉斑熔覆每一層片的外輪廓，然后再用大光斑、大粉斑熔覆充填內(nèi)部區(qū)域，這樣既可保證成型零件的表面精度，又可提高堆積速度。美國(guó)Optemec Design公司研究的一種多噴點(diǎn)噴頭，它有四束平行布置的激光和十個(gè)傾斜布置的粉管，采用輪廓法進(jìn)行三維堆積時(shí)，可控制使其中一束激光和二至四根粉管送粉來(lái)熔覆外部輪廓，而內(nèi)部充填時(shí)則可開(kāi)啟二至四束平行激光束與四至十根粉管同時(shí)工作以加快充填速度。但是四路激光排成一列，這種充填具有方向性?？焖俪尚图庸ぶ行璨粩嘈D(zhuǎn)工作臺(tái)或光頭以滿足改變充填角度的需要。目前激光熔覆成型技術(shù)中未普遍采用變斑熔覆的一個(gè)主要原因是現(xiàn)有送粉裝置結(jié)構(gòu)上的不適應(yīng)。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有送粉裝置中比較先進(jìn)的是同軸送粉頭。如美國(guó)專(zhuān)利(US5418350；US5477026；US5961862)、歐洲專(zhuān)利(WO2005028151)、日本專(zhuān)利(JP2005219060)等公開(kāi)了多種同軸送粉頭，其基本結(jié)構(gòu)均采用多層同心錐筒形式。文獻(xiàn)《中國(guó)材料工程大典第25卷》(王至堯主編.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006)綜合了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有同軸送粉技術(shù)，在送粉方式上均采用在筒體上圍繞中心光路通道呈傾斜環(huán)形或2～8路傾斜送粉通道均勻布置的結(jié)構(gòu)方案，送粉時(shí)需均分粉量給各通道，多路粉末相對(duì)光束傾斜噴射，并在加工表面匯聚成一點(diǎn)。
現(xiàn)有同軸送粉裝置均為多粉末通道并相對(duì)光束傾斜布置，粉束的運(yùn)動(dòng)軌跡均為拋物線狀，其對(duì)稱(chēng)度、匯聚調(diào)節(jié)性能以及送粉的準(zhǔn)確性、精密度、均勻度、穩(wěn)定性和可控性都較差，熔覆精度與成型質(zhì)量都受到限制；當(dāng)需要變斑熔覆而提高或下降噴頭使光斑變大時(shí)，多路粉束的匯聚點(diǎn)也將高于或低于加工表面，這樣落到光斑中的粉束尚未匯聚或已發(fā)散，其粉末直徑、分布均勻性、散落度都不好控制，難以實(shí)現(xiàn)變斑熔覆。前述Optemec Design公司的多噴點(diǎn)噴頭可實(shí)現(xiàn)變斑熔覆，但同樣存在多粉管傾斜布置的問(wèn)題。且這種噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，靈活性和使用范圍都受到限制。
本申請(qǐng)人已申請(qǐng)的專(zhuān)利(200510112041.0)提出將光路中的反射鏡設(shè)計(jì)為帶開(kāi)口，開(kāi)口處的光束由吸收體吸收，開(kāi)口區(qū)外的光束繼續(xù)反射并在聚焦鏡與其焦點(diǎn)之間形成錐形無(wú)光區(qū)。單根送粉管可以放置在聚焦光束中心的無(wú)光區(qū)而不會(huì)受到激光束的照射，實(shí)現(xiàn)了粉管中心與光束中心完全重合，粉束可沿光束中心線方向垂直噴射到加工表面的聚焦光斑中。與以前的激光熔覆送粉裝置相比，大大提高了粉末的均勻性和匯聚度；無(wú)論工作表面相對(duì)噴頭怎樣上下變動(dòng)位置，單束粉末始終與光束同軸，落點(diǎn)一直對(duì)準(zhǔn)光斑中心，避免了變焦時(shí)粉末斜噴的方向性及粉束未聚合和發(fā)散問(wèn)題。但該發(fā)明送粉管是彎折形的單層管不便實(shí)現(xiàn)變斑熔覆。

發(fā)明內(nèi)容
需要一種變斑激光熔覆工藝以及實(shí)現(xiàn)該工藝的裝置，實(shí)現(xiàn)粉斑大小能夠變換，當(dāng)掃描層片輪廓時(shí)用小光斑和小粉斑，當(dāng)掃描層片內(nèi)部區(qū)域時(shí)用大光斑和大粉斑；熔覆時(shí)不需要調(diào)節(jié)粉末匯聚點(diǎn)，總能與光斑精確耦合；可適應(yīng)任意掃描方向。
本發(fā)明即為達(dá)到上述目的而提出。
本發(fā)明的激光變斑熔覆成型工藝，其主要工藝過(guò)程為a、將三維成型零件進(jìn)行實(shí)體分層，用輪廓法規(guī)劃每一層片的掃描路徑，即先沿層片的外輪廓掃描，再在層片的內(nèi)部區(qū)域填充掃描；b、采用小口徑管單道送粉，將成型表面調(diào)節(jié)至激光光束焦點(diǎn)附近，在成型面上形成小光斑，粉束和光束同軸并垂直于成型表面，進(jìn)行層片輪廓的熔覆；c、采用大口徑管單道送粉，通過(guò)離焦法，即將所述激光變斑熔覆同軸噴頭上升或下降，在成型面上形成大光斑，粉束和光束同軸并垂直于成型表面，進(jìn)行層片內(nèi)部區(qū)域的填充熔覆；d、完成一層材料的掃描熔覆后，移動(dòng)成型零件與光粉噴頭的相對(duì)位置，在零件已成型部分上面按步驟b、c再熔覆一層新的層片，如此循環(huán)，直至零件全部加工完成。
小光斑直徑在0.5mm～2mm之間選取，大光斑直徑在2mm～10mm之間選取。為保證熔道整齊均勻，粉斑直徑略大于光斑直徑。調(diào)節(jié)激光器的輸出功率和送粉器的送粉量，使變斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不變。
本發(fā)明工藝采用的激光變斑熔覆同軸噴頭，包含L形筒體、安裝在筒體內(nèi)的帶徑向開(kāi)口的平面反射鏡及其光束吸收體、聚焦反射鏡、送粉管和安裝在筒體上方的送粉器等部分。其特點(diǎn)是所述平面反射鏡的開(kāi)口開(kāi)設(shè)在鏡面中心及最低母線半徑方向并與入射光方向平行，沿入射光方向在平面反射鏡開(kāi)口后方安裝光束吸收體，光束吸收體可吸收通過(guò)開(kāi)口的光束能量。在筒體內(nèi)沿所述平面反射鏡的反射光方向安裝聚焦反射鏡，在聚焦反射鏡的鏡面中心沿聚焦反射光束方向開(kāi)一個(gè)通孔，對(duì)應(yīng)通孔的上方筒體壁上也開(kāi)一小孔，該小孔與所述通孔同軸線。所述送粉管為可變口徑直管結(jié)構(gòu)，送粉管經(jīng)由小孔插入筒體內(nèi)，并經(jīng)過(guò)聚焦反射鏡中心的通孔朝筒體下部延伸，送粉管與平面反射鏡的開(kāi)口在同一垂面上，送粉管的噴口靠近筒體出光口。
送粉管為同軸心的雙層直管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為小口徑管，外層為大口徑管，送粉管上部與筒體上方的送粉器聯(lián)接，兩層管道的粉末入口不連通；送粉管還可由軸線平行的大、小口徑管并聯(lián)構(gòu)成，且兩軸線沿反射聚焦鏡的入射光方向共面，將送粉管上部與筒體上方的送粉器聯(lián)接，兩層管道的粉末入口不連通。在送粉管伸出筒體的一端上固聯(lián)一齒輪，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)送粉管轉(zhuǎn)動(dòng)。送粉管以大、小口徑管的連心線的中點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸。
筒體上小孔內(nèi)裝配一用于保證送粉管垂直度的定位套，送粉管外徑與定位套內(nèi)徑相配合。送粉管與定位套的規(guī)格可以更換，以適應(yīng)不同體積成型零件的需要。
本發(fā)明采用輪廓法進(jìn)行層片堆積加工，其工作過(guò)程是在快速制造的第一階段一離散過(guò)程中，每一層片的路徑規(guī)劃按照輪廓法進(jìn)行，加工中用小光斑先熔覆每一層片的外部輪廓，然后再用大光斑熔覆充填內(nèi)部區(qū)域。變斑過(guò)程中光斑變大采用離焦法，即同軸噴頭升高或降低；由計(jì)算機(jī)控制激光器的電流調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)和送料器的粉末流量開(kāi)關(guān)，保持變斑前后的光束功率密度和粉束密度不變，從而保證均勻的熔覆質(zhì)量。粉束大小變化由雙口徑送粉管完成。送粉管的大、小口徑粉末入口是不連通的，因此可以獨(dú)立控制。當(dāng)采用小光斑熔覆每一層片的外部輪廓時(shí)由內(nèi)層小粉管送粉，大光斑熔覆充填內(nèi)部區(qū)域時(shí)則采用外層大粉管送粉。為保證熔道寬度均勻，粉斑直徑略大于光斑直徑。熔覆完成某一層片后，整個(gè)同軸噴頭上升一個(gè)層片高距離，再按上述步驟熔覆下一層片，直至所有層片熔覆堆積完成。
本發(fā)明采用變光斑熔覆工藝，用小光斑熔覆成型零件的外輪廓，減少了“臺(tái)階效應(yīng)”，提高了成型零件的外表面質(zhì)量和精度；大光斑熔覆可提高生產(chǎn)率，并可減少熔道搭接次數(shù)，減少因搭接接口帶來(lái)的質(zhì)量缺陷。
本發(fā)明采用了在平面反射鏡上設(shè)計(jì)徑向開(kāi)口并在聚焦反射鏡上設(shè)計(jì)中心通孔的技術(shù)。當(dāng)入射激光反射至聚焦反射鏡時(shí)，形成了與開(kāi)口對(duì)應(yīng)的無(wú)光區(qū)，送粉管可以通過(guò)聚焦反射鏡中心的的通孔伸入此無(wú)光區(qū)，使送粉管與聚焦光束完全同軸。這種送粉方式粉束與光束始終同軸并可在光斑焦點(diǎn)及任意離焦位置耦合，單粉束軌跡為直線狀，其尺寸可控，粉粒密度及分布均勻，發(fā)散小，不需要調(diào)節(jié)多路粉管的匯聚。采用了可變口徑送粉管，可實(shí)現(xiàn)變斑熔覆。直形結(jié)構(gòu)的送粉管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝、更換容易，可以制作多種規(guī)格的送粉管組合以適應(yīng)不同體積成型零件的需要。單道圓形粉斑可按設(shè)定的掃描路徑沿任意方向掃描，即掃描無(wú)方向性。


圖1為激光變斑熔覆同軸噴頭實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；圖2為送粉管的剖面放大結(jié)構(gòu)圖；圖3為并聯(lián)式送粉管的剖面放大結(jié)構(gòu)圖；圖4并聯(lián)式送粉管的俯視圖。
圖中59——平面反射鏡54——聚焦反射鏡61——光束吸收體57——送粉管53——筒體60——平面反射鏡開(kāi)口 62——聚焦反射鏡焦點(diǎn) 63——無(wú)光區(qū)64——成型零件 51——通孔55——定位套57—送粉管 71、71′——小口徑管 72、72′——大口徑管73′——齒輪74′——并聯(lián)式送粉管回轉(zhuǎn)中心具體實(shí)施方式
應(yīng)用實(shí)施例一參照?qǐng)D1、圖2，平面反射鏡59、聚焦反射鏡54、光束吸收體61、送粉管57依次安裝在L形筒體53內(nèi)。平面反射鏡59上從鏡面中心至最下方半徑方向開(kāi)有徑向開(kāi)口60，沿入射光方向在開(kāi)口60下方安裝光束吸收體61。激光束從圖1上方垂直入射到平面反射鏡59上，此后光束被分為兩部分一部分光束透過(guò)開(kāi)口60，進(jìn)入到光束吸收體61內(nèi)被吸收；另一部分光束經(jīng)平面反射鏡59除開(kāi)口60以外的鏡面反射到聚焦反射鏡54，反射光束為中空帶開(kāi)口的平行光束。此光束經(jīng)聚焦反射鏡54繼續(xù)反射，反射后的光束為中空帶開(kāi)口的聚焦光束。在聚焦反射鏡54與其焦點(diǎn)62之間具有一錐形中空無(wú)光區(qū)63。聚焦反射鏡54中心沿其反射光束方向開(kāi)一通孔51，對(duì)應(yīng)通孔51上方筒體53壁上開(kāi)一與通孔同軸線的小孔，小孔內(nèi)裝配一個(gè)定位套55保證送粉管57的垂直度。送粉管57外徑與定位套55內(nèi)徑相配合。所述送粉管57為同軸的雙層直管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為小口徑管71，外層為大口徑管72，兩層管道的粉末入口不連通。送粉管57上部與位于筒體53上方的送粉器聯(lián)接，經(jīng)由定位套55插入筒體內(nèi)，并經(jīng)過(guò)聚焦反射鏡54中心的通孔51朝筒體下部延伸進(jìn)入所述無(wú)光區(qū)63。工作時(shí)先按照輪廓法進(jìn)行每一層片的路徑規(guī)劃，即先沿層片的外輪廓掃描，再在層片的內(nèi)部區(qū)域填充掃描。對(duì)任一層片，先采用小口徑管71送粉，將成型零件64表面調(diào)節(jié)至激光光束焦點(diǎn)62附近，在成型面上形成小光斑，進(jìn)行層片輪廓的熔覆；然后采用大口徑管72送粉，通過(guò)離焦法，即將整個(gè)激光變斑熔覆同軸噴頭上升或下降，在成型面上形成大光斑，進(jìn)行層片內(nèi)部區(qū)域的填充熔覆；完成一層材料的掃描熔覆后，同軸噴頭相對(duì)成型零件向上移動(dòng)一個(gè)層片高度，在零件已成型部分上面按上述步驟再熔覆一層新的層片，如此循環(huán)，直至零件全部加工完成。由于從反射聚焦鏡54的中心安裝直管結(jié)構(gòu)送粉管57，光束和粉束自然重合并皆垂直于成型表面。
層片輪廓熔覆工藝參數(shù)小口徑管送粉，粉斑直徑0.8mm，光斑直徑為0.7mm；層片內(nèi)部區(qū)域熔覆工藝參數(shù)大口徑管送粉，粉斑直徑2.5mm，光斑直徑為2.2mm。
熔覆層片輪廓時(shí)，采用較小的激光器輸出功率和較小的噴頭送粉量，熔覆層片內(nèi)部區(qū)域時(shí)，采用較大的激光器輸出功率和較大的噴頭送粉量，使變斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不變。
本實(shí)施例送粉采用重力或氣載方式輸送。
應(yīng)用實(shí)施例2實(shí)施例一中，更換送粉管的規(guī)格。層片輪廓熔覆工藝參數(shù)小口徑管送粉，粉斑直徑1.8mm，光斑直徑為1.7mm；層片內(nèi)部區(qū)域熔覆工藝參數(shù)大口徑管送粉，粉斑直徑9mm，光斑直徑為8mm。
應(yīng)用實(shí)施例3實(shí)施例一中，送粉管由圖3的兩軸線平行的大、小口徑管并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即送粉管57含有小口徑管71′和大口徑管72′，兩管的軸線平行并沿反射聚焦鏡的入射光方向共面。送粉管57上部與筒體53上方的送粉器聯(lián)接，大、小口徑管的粉末入口不連通。在送粉管57伸出筒體53的一端上固聯(lián)一齒輪73′，齒輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)送粉管57轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)軸在大、小口徑管連心線的中點(diǎn)74′。當(dāng)掃描層片輪廓時(shí)，使小口徑管71′中心與聚焦光束中心重合，當(dāng)掃描層片內(nèi)部區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪從而使送粉管轉(zhuǎn)動(dòng)180°，使大口徑管72′中心與聚焦光束中心重合。
權(quán)利要求
1.一種激光變斑熔覆成型工藝，其主要工藝過(guò)程為a、將三維成型零件進(jìn)行實(shí)體分層，用輪廓法規(guī)劃每一層片的掃描路徑；b、采用小口徑管單道送粉，將成型表面調(diào)節(jié)至激光光束焦點(diǎn)附近，在成型面上形成小光斑，粉束和光束同軸并垂直于成型表面，進(jìn)行層片輪廓的熔覆；c、采用大口徑管單道送粉，通過(guò)離焦法，在成型面上形成大光斑，粉束和光束同軸并垂直于成型表面，進(jìn)行層片內(nèi)部區(qū)域的填充熔覆；d、完成一層材料的掃描熔覆后，移動(dòng)成型零件與光粉噴頭的相對(duì)位置，在零件已成型部分上面按步驟b、c再熔覆一層新的層片，如此循環(huán)，直至零件全部加工完成。
2.如權(quán)利要求1所述激光變斑熔覆成型工藝，其特征在于小光斑直徑為0.5mm～2mm，大光斑直徑為2mm～10mm，且粉斑直徑略大于光斑直徑。
3.如權(quán)利要求1所述激光變斑熔覆成型工藝，其特征在于調(diào)節(jié)激光器的輸出功率和送粉器的送粉量，使變斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不變。
4.一種激光變斑熔覆成型工藝用的同軸噴頭，包含L形筒體(53)、安裝在筒體內(nèi)的帶徑向開(kāi)口(60)的平面反射鏡(59)及其光束吸收體(61)、聚焦反射鏡(54)、送粉管(57)和安裝在筒體上方的送粉器部分，其特征是所述平面反射鏡(59)的開(kāi)口(60)開(kāi)設(shè)在鏡面的中心及最低半徑方向并與入射光方向平行，沿入射光方向在平面反射鏡開(kāi)口后方安裝光束吸收體(61)，在筒體內(nèi)沿所述平面反射鏡的反射光方向安裝聚焦反射鏡(54)，在該聚焦反射鏡的鏡面中心沿聚焦反射光束方向開(kāi)一個(gè)通孔(51)，對(duì)應(yīng)通孔(51)的上方筒體(53)壁上也開(kāi)一小孔，該小孔與所述通孔同軸線，所述送粉管(57)為可變口徑直管結(jié)構(gòu)，送粉管經(jīng)由小孔插入筒體內(nèi)，并經(jīng)過(guò)聚焦反射鏡(54)中心的通孔(51)朝筒體下部延伸，送粉管(57)與平面反射鏡的開(kāi)口(60)處于同一垂面，送粉管(57)的噴口靠近筒體出光口。
5.如權(quán)利要求4所述激光變斑熔覆成型工藝用的同軸噴頭，其特征在于所述送粉管(57)為同軸心的雙層直管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為小口徑管(71)，外層為大口徑管(72)，送粉管上部與筒體(53)上方的送粉器聯(lián)接，兩層管道的粉末入口不連通。
6.如權(quán)利要求4所述激光變斑熔覆成型工藝用的同軸噴頭，其特征在于所述送粉管(57)由軸線平行的小口徑管(71′)和大口徑管(72′)并聯(lián)構(gòu)成，且兩管軸線沿反射聚焦鏡的入射光方向共面，送粉管(57)上部與筒體(53)上方的送粉器聯(lián)接，兩管道的粉末入口不連通，在送粉管伸出筒體的一端上固聯(lián)一齒輪(73′)，齒輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，送粉管以大、小口徑管連心線的中點(diǎn)(74′)為轉(zhuǎn)軸。
7.如權(quán)利要求4、5和6所述激光變斑熔覆成型工藝用的同軸噴頭，其特征在于所述筒體(53)上小孔內(nèi)裝配一用于保證送粉管(57)與光束同軸的定位套(55)，送粉管(57)的外徑與定位套(55)內(nèi)徑相配合。
全文摘要
一種激光變斑熔覆成型工藝用輪廓法規(guī)劃成型零件每一層片的掃描路徑；用小光斑和小口徑管送粉進(jìn)行層片輪廓的熔覆、大光斑和大口徑管送粉進(jìn)行層片內(nèi)區(qū)域的熔覆，單粉束和光束同軸并垂直于成型表面；小光斑直徑0.5mm～2mm，大光斑直徑2mm～10mm，且粉斑直徑略大于光斑直徑。該工藝用的同軸噴頭，含筒體、帶徑向開(kāi)口的平面反射鏡、帶中心通孔的聚焦反射鏡、送粉管等。本發(fā)明可在聚焦光束中形成錐形無(wú)光區(qū)，送粉管從聚焦反射鏡的通孔插入此無(wú)光區(qū)實(shí)現(xiàn)光束和粉束完全同軸并垂直于成型表面。送粉管具有大小不同的口徑。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)變斑熔覆，粉束與光束可實(shí)現(xiàn)光斑焦點(diǎn)及任意離焦位置耦合而不需調(diào)節(jié)多路粉管的匯聚。單道圓形粉斑可沿任意方向掃描而無(wú)方向性。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1814380SQ20061002426
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月1日
發(fā)明者石世宏, 傅戈雁 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)