專利名稱：一種激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)，具體涉及一種送粉均勻、分辨率高、可控性好、具有廣
適性的激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置。
背景技術(shù)：
激光精密微成形或微熔覆，成形零件尺寸小至毫米級，粉束、激光光斑與熔池尺寸要達(dá)到微米級，成形材料為微納米金屬粉體(粒徑小于50 i！ m)，送粉微管道或微噴嘴內(nèi)徑要求達(dá)到微米級，而微納米粉體表面張力大，在微管道中輸送粉體，極易架橋堵塞，輸送不暢，而激光微成形或微熔覆高精度的梯度材料或多層復(fù)合材料的零件，對送粉的準(zhǔn)確性、均勻度、穩(wěn)定性、連續(xù)性及可控性要求更高，且送粉系統(tǒng)應(yīng)具有高的分辨率，對粉體具有廣適性，光束與粉束保持同軸，粉束匯聚性能好，光粉耦合精度高，微噴嘴制造工藝簡單，成本低。 目前，用于激光成形或激光熔覆的送粉技術(shù)主要有偏置送粉和同軸送粉，對于偏置送粉，送粉系統(tǒng)與光束系統(tǒng)相對獨立，送粉器與噴嘴相對激光光束傾斜安裝，主要有自重式送粉器、螺桿式送粉器、磁力送粉器、霧化式送粉器等，如專利ZL92220906. 5，ZL02290424. 7、ZL200420120300. 5、ZL200720144035. 8等，此類送粉器雖可以輸送微米尺寸的粉體(小于100 ii m)，但不能實現(xiàn)數(shù)字化自動控制，粉體輸送與光路不同軸，光粉耦合性能差，可控性不好，送粉具有方向性，分辨率低，激光成形過程中易造成光粉偏離，成形件質(zhì)量差，精度低，故不適合精密微成形。 對于同軸送粉，國內(nèi)外許多研究人員作了相關(guān)的研究，如美國專利US5418350、US5477026、歐洲專利W02005028151、日本專利JP2005219060、中國專利CN01267740. X、CN200520128123. X、 CN200620026479. 7等公開了多種同軸送粉裝置，其基本結(jié)構(gòu)均采用多層同心錐筒形式，即采用在筒體上圍繞中心光路通道均勻傾斜布置環(huán)形或2 8路送粉通道的結(jié)構(gòu)方案，在同軸送粉基礎(chǔ)上，中國專利CN200510112041. 0、 CN200610024264. 6對反射鏡或聚焦鏡進行結(jié)構(gòu)形狀改變，通過光路變換形成錐形無光區(qū)，從光束中心送粉，實現(xiàn)光粉同軸。與偏置送粉相比，同軸送粉其送粉的準(zhǔn)確性、均勻度、穩(wěn)定性、可控性以及光粉耦合精度得到提高，材料成形精度與質(zhì)量也得到提高。但此類同軸送粉裝置，其送粉方式多采用載氣式，送粉的可控性、連續(xù)性較差，尤其對于微納米粉體(粒徑小于50 ii m)，表面張力大，粉體輸送容易架橋，阻隔通道，即使連續(xù)加壓，亦無明顯效果。因此，這種載氣式送粉不適合微納米粉體的輸送與精密成形要求，而且送粉噴嘴金屬材質(zhì)，機械加工微米級內(nèi)孔尺寸，成本高。 中國專利CN01131777. 9、 CN02114474. 5等公開了利用混流器送粉對梯度材料成形，材料的成分與組織可控，但此類專利采用側(cè)向送粉，成形精度與質(zhì)量不高，不適合微納米粉體的精密微成形要求。 因而，目前需要一種送粉均勻、穩(wěn)定、分辨率高、可控性好，具有廣適性，光粉耦合精度高，可激光微成形梯度材料的送粉方法與裝置，尤其是一種適合高精度激光精密微成形的送粉方法與光粉同軸裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種送粉均勻、分辨率
高、可控性好、具有廣適性的激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置，該送粉方法及其
光粉同軸裝置可以實現(xiàn)數(shù)字化自動控制，且光粉同軸，光粉耦合精度高，能夠滿足激光微成
形均一材質(zhì)或梯度材料金屬零件的高精度高質(zhì)量要求。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的 本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法采用送粉裝置進行壓電驅(qū)動送粉，送粉裝置中壓電驅(qū)動器的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴，驅(qū)動金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動器的壓電陶瓷由計算機控制工作。
在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)靈活調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合，成形精度高。 在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置的軸線與光路中心成小于25。的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，計算機根據(jù)成形要求，實時控制各路送粉獨立工作或相互配合工作。 本發(fā)明的一種實現(xiàn)中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括送粉裝置、噴嘴、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述的送粉裝置通過定位支撐盤由筒體支撐長側(cè)板和筒體支撐短側(cè)板支撐，筒體支撐長側(cè)板、支撐短側(cè)板內(nèi)側(cè)設(shè)有定位止口 ，方便送粉裝置更換裝卸；所述的聚焦光路系統(tǒng)包括光筒筒座、螺紋活動筒和安裝在聚焦反射鏡鏡座上的聚焦反射鏡，通過改變螺紋活動筒的螺紋尺寸規(guī)格實現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座通過筒體支撐短側(cè)板與噴嘴筒座的定位止口精確定位，裝卸方便，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過本發(fā)明的聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑；所述的噴嘴包括內(nèi)錐筒、中間錐筒和噴嘴側(cè)擋板，內(nèi)錐筒與噴嘴筒座通過螺紋連接，中間錐筒與內(nèi)錐筒通過錐螺紋連接，裝卸方便，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述的激光光斑調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)絲杠、螺母和調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)絲杠通過套筒與筒體支撐長側(cè)板固連，聚焦反射鏡鏡座通過中間連接塊與螺母連接，旋動調(diào)節(jié)旋鈕通過絲杠螺母副傳動，改變聚焦反射鏡的位置，從而靈活調(diào)節(jié)激光光斑的直徑與焦距，實現(xiàn)在筒體噴嘴外直接連續(xù)調(diào)節(jié)光斑直徑的功能；所述的聚焦反射鏡鏡座設(shè)有對聚焦反射鏡進行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道，噴嘴中間錐筒與側(cè)擋板之間設(shè)有對噴嘴實施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道，噴嘴中間錐筒內(nèi)設(shè)有保護金屬熔池的保護氣流通道。本發(fā)明的石英微噴嘴由聚焦反射鏡內(nèi)部穿出，結(jié)構(gòu)緊湊，同軸送粉，光粉充分耦合。
所述的送粉裝置包括壓電驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器夾頭、送粉管、石英微噴嘴、導(dǎo)套、鎖緊螺母、定位套和端蓋螺母，所述定位套與筒體用螺釘固連并通過鎖緊螺母鎖緊；所述的壓電驅(qū)動器通過螺釘連接由壓電驅(qū)動器夾頭固定支撐，且由擋圈軸向定位，所述的導(dǎo)套外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母、定位套、壓電驅(qū)動器夾頭、端蓋螺母的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管與導(dǎo)套內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母支撐壓電驅(qū)動器及壓電驅(qū)動器夾頭結(jié)構(gòu)；所述的石英微噴嘴上端部與導(dǎo)套內(nèi)孔配合連接，且石英微噴嘴通過端蓋螺母內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定，再由聚焦反射鏡內(nèi)孔穿出，實現(xiàn)軸向?qū)蚝蛷较蚬潭?；所述的定位套上端部銑出四方形，便于旋動?dǎo)套，通過螺紋傳動使石英微噴嘴上下移動，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離，定位套與夾頭之間，端蓋螺母與聚焦反射鏡之間，送粉管與石英微噴嘴之間均留有合適間隙，便于調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離。 —種實現(xiàn)側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括一組送粉裝置、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述聚焦光路系統(tǒng)包括螺紋活動筒、光筒筒座和聚焦反射鏡，本發(fā)明中直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑；本發(fā)明通過改變螺紋活動筒的螺紋尺寸規(guī)格實現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座與內(nèi)錐筒螺紋連接，旋合內(nèi)錐筒可以調(diào)節(jié)聚焦反射鏡的聚焦光斑直徑大??；所述的一組送粉裝置均布于支承座上，送粉裝置通過定位孔與定位支撐盤固連，支承座設(shè)有使送粉裝置精確定位的定位止口 ，裝卸方便；所述的噴嘴包括內(nèi)錐筒和噴嘴側(cè)擋板，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述內(nèi)錐筒與支撐座之間設(shè)有對聚焦反射鏡與內(nèi)錐筒進行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道，噴嘴內(nèi)錐筒與側(cè)擋板之間設(shè)有對噴嘴實施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道，噴嘴內(nèi)錐筒內(nèi)設(shè)有保護金屬熔池的保護氣流通道。 所述的送粉裝置包括壓電驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器夾頭、送粉管、石英微噴嘴、導(dǎo)套、鎖緊螺母、定位套和端蓋螺母，所述定位套與筒體用螺釘固連并通過鎖緊螺母鎖緊；所述的壓電驅(qū)動器通過螺釘連接由壓電驅(qū)動器夾頭固定支撐，且由擋圈軸向定位，所述的導(dǎo)套外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母、定位套、壓電驅(qū)動器夾頭、端蓋螺母的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管與導(dǎo)套內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母支撐壓電驅(qū)動器及夾頭結(jié)構(gòu)；所述的石英微噴嘴上端部與導(dǎo)套內(nèi)孔配合連接，且石英微噴嘴通過端蓋螺母內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定；所述的定位套上端部銑出四方形，便于旋動導(dǎo)套，通過螺紋傳動使石英微噴嘴上下移動，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離，定位套與夾頭之間，送粉管與石英微噴嘴之間均留有合適間隙，便于調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離。 本發(fā)明的石英微噴嘴，由石英直管毛坯先通過高溫拉制成形，其端部拉長，外徑與內(nèi)徑逐漸變小，再通過高溫煅制，其端部內(nèi)徑最小尺寸可以控制在20 200iim，而該尺寸直接決定激光微成形時金屬粉末從微噴嘴噴射出時的散斑大小。 本發(fā)明在應(yīng)用于激光微成形和微熔覆時，將待成形金屬零件基板或待熔覆零件置于水平安置的二維數(shù)控工作臺面上，壓電驅(qū)動光粉同軸噴頭與Z軸數(shù)控工作臺連接，并隨數(shù)控工作臺上下移動、進給，三維運動控制器控制數(shù)控工作臺移動，壓電驅(qū)動控制電源直接控制壓電陶瓷工作，從而使同軸噴頭按一定頻率噴出金屬粉末?；诜謱盈B加成形原理，激光精密微成形金屬零件的工作過程是計算機控制根據(jù)零件的三維實體模型進行分層處理，得到一系列層片數(shù)據(jù)，進行掃描路徑規(guī)劃后，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的運動軌跡。計算機控制激光器與壓電驅(qū)動器工作，激光束照射并聚焦于金屬零件表面，同軸噴頭噴出金屬粉末，匯聚于激光光斑內(nèi)，運動控制器根據(jù)生成的控制指令控制二維數(shù)控工作臺按軌跡運動，進行零件直接成形或熔覆堆積成形。成形好一層后，Z軸數(shù)控工作臺根據(jù)指令上移一定高度，計算
5機控制激光器、二維數(shù)控工作臺、壓電驅(qū)動光粉同軸噴頭協(xié)調(diào)工作，再在已成形部分上面熔覆新的層片。如此循環(huán)，直至零件全部成形完成。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(1)采用壓電驅(qū)動方法送粉，進行數(shù)字化控制，控制波形可選，振幅、頻率連續(xù)可調(diào)，使送粉具有廣適性，且送粉系統(tǒng)、光束系統(tǒng)、工作臺移動控制系統(tǒng)集成控制，使光路系統(tǒng)、送粉裝置與工作臺協(xié)調(diào)動作，以進行高精度的三維成形；(2)可采用中心單粉管送粉或側(cè)向多路送粉方法，成形材料的成分與組織可控，可微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件，亦可微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件，進行同軸送粉，匯聚度高，光粉耦合性能好，以適應(yīng)高精度成形要求；(3)壓電驅(qū)動送粉裝置的離焦距離、送粉散斑，方便可調(diào)，送粉系統(tǒng)分辨率高，單脈沖噴量可精確到微克量級，且送粉均勻、穩(wěn)定、連續(xù)，送粉密度符合微成形要求；(4)送粉微噴嘴采用石英材料，高溫拉制再熱煅成形，成本低，微噴嘴內(nèi)徑尺寸可調(diào)，適應(yīng)不同種類、不同物性干粉體的輸送要求；(5)同軸噴嘴多層組合式、端部錐形結(jié)構(gòu)可二次反射光束與粉束；冷卻水道采用組合式結(jié)構(gòu)，拆裝方便；組合式光筒采用螺紋連接，聚焦反射鏡設(shè)有調(diào)節(jié)機構(gòu)，光斑與焦距調(diào)節(jié)方便，以適應(yīng)精密微成形要求。


圖1是本發(fā)明的中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明中送粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明圖3的旋轉(zhuǎn)剖視結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明中石英微噴嘴的結(jié)構(gòu)示意 圖6是石英微噴嘴端部結(jié)構(gòu)的局部視圖； 圖7是本發(fā)明在激光微成形和微熔覆中的應(yīng)用實例示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。 如圖2所示，本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法，采用送粉裝置2進行壓電驅(qū)動送粉，送粉裝置2中壓電驅(qū)動器26的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴27，驅(qū)動金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動器26的壓電陶瓷由計算機控制工作。 本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法，根據(jù)金屬粉末的不同成分、均勻度、球形度及粉體成形方法的不同，其石英微噴嘴27噴射粉體的散斑直徑可以控制在100 500 ii m之間，單脈沖噴量可精確到P g量級；本發(fā)明中的控制波形根據(jù)需要可變，頻率、振幅連續(xù)方便可調(diào)，實現(xiàn)數(shù)字化控制，以適應(yīng)激光精密微成形需要。 如圖1所示，在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置2垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡15反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過光斑調(diào)節(jié)機構(gòu)靈活調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合，成形精度高。
如圖3所示，在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置2的軸線與光路中心成小于25°的角度沿光筒周圍均勻 對稱送粉，計算機根據(jù)成形要求，實時控制各路送粉裝置2獨立工作，也可控制相向?qū)ΨQ的 兩路送粉裝置2同時輸送同一種金屬粉末。如圖4所示，六路送粉裝置2的軸線分別與光路 中心成20°的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，A、 B兩路、C、 D兩路與E、 F兩路，根據(jù)成形要 求，依次輸送三種金屬粉末，實現(xiàn)三層復(fù)合材料或梯度材料成形，由光筒上方入射的平行激 光束，沿著噴嘴中心，通過聚焦鏡41聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，光粉充分耦合，
成形精度高。 如圖1所示，本發(fā)明的一種實現(xiàn)中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同 軸裝置包括送粉裝置2、噴嘴10、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，送粉裝置2通過定位 支撐盤1由筒體支撐長側(cè)板3和筒體支撐短側(cè)板17支撐，筒體支撐長側(cè)板3和支撐短側(cè)板 17內(nèi)側(cè)設(shè)有定位止口，方便送粉裝置2更換裝卸；聚焦光路系統(tǒng)包括光筒筒座13、螺紋活 動筒14和安裝在聚焦反射鏡鏡座4上的聚焦反射鏡15，通過改變螺紋活動筒14的螺紋尺 寸規(guī)格實現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座13通過筒體支撐短側(cè)板17與噴嘴筒座 12的定位止口精確定位，裝卸方便，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透 射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過本發(fā)明的聚焦反射鏡15反射聚焦后投射到工件表面形 成聚焦光斑；噴嘴10包括內(nèi)錐筒103、中間錐筒102和噴嘴側(cè)擋板101，內(nèi)錐筒103與噴嘴 筒座12通過螺紋連接，中間錐筒102與內(nèi)錐筒103通過錐螺紋連接，裝卸方便，噴嘴內(nèi)外錐 筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流， 提高激光能量和金屬粉末的利用率；激光光斑調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)絲杠6、螺母7和調(diào)節(jié)旋鈕 8，調(diào)節(jié)絲杠6通過套筒與筒體支撐長側(cè)板3固連，聚焦反射鏡鏡座4通過中間連接塊5與 螺母7連接，旋動調(diào)節(jié)旋鈕8通過絲杠螺母副傳動，改變聚焦反射鏡15的位置，從而靈活調(diào) 節(jié)激光光斑的直徑與焦距，實現(xiàn)在筒體噴嘴外直接連續(xù)調(diào)節(jié)光斑直徑的功能；聚焦反射鏡 鏡座4設(shè)有對聚焦反射鏡15進行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道16，噴嘴中間錐筒102與側(cè)擋板 101之間設(shè)有對噴嘴實施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道ll，噴嘴中間錐筒102內(nèi)設(shè)有保護金屬 熔池的保護氣流通道9。本發(fā)明的石英微噴嘴27由聚焦反射鏡15內(nèi)部穿出，結(jié)構(gòu)緊湊，光 粉充分耦合。 如圖1和2所示，送粉裝置2包括壓電驅(qū)動器26、壓電驅(qū)動器夾頭25、送粉管22、石 英微噴嘴27、導(dǎo)套21、鎖緊螺母23、定位套24和端蓋螺母28，定位套24與筒體用螺釘固連 并通過鎖緊螺母23鎖緊；壓電驅(qū)動器26通過螺釘連接由夾頭25固定支撐，且由擋圈29軸 向定位，導(dǎo)套21外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母23、定位套24、壓電驅(qū)動器夾頭25、 端蓋螺母28的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管22與導(dǎo)套21內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母28支撐 壓電驅(qū)動器26及夾頭25結(jié)構(gòu)；石英微噴嘴27上端部與導(dǎo)套21內(nèi)孔配合連接，且石英微噴 嘴27通過端蓋螺母28內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定，再由聚焦反射鏡15內(nèi)孔穿出，實現(xiàn)軸向 導(dǎo)向和徑向固定；定位套24上端部銑出四方形，便于旋動導(dǎo)套21，通過螺紋傳動使石英微 噴嘴27上下移動，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離，定位套24與夾頭25之間，端 蓋螺母28與聚焦反射鏡3之間，送粉管22與石英微噴嘴27之間均留有合適間隙，便于調(diào) 節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離。 如圖3和4所示， 一種實現(xiàn)側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包 括一組送粉裝置2、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，聚焦光路系統(tǒng)包括螺紋活動筒31、光筒筒座32和聚焦反射鏡41，本發(fā)明中直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通 過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡41聚焦后投射到工件表面形成聚 焦光斑；本發(fā)明通過改變螺紋活動筒31的螺紋尺寸規(guī)格實現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接， 光筒筒座32與內(nèi)錐筒33螺紋連接，旋合內(nèi)錐筒33可以調(diào)節(jié)聚焦反射鏡41的聚焦光斑直 徑大?。灰唤M送粉裝置2均布于支承座35上，送粉裝置2通過定位孔與定位支撐盤34固 連，支承座35設(shè)有使送粉裝置2精確定位的定位止口，裝卸方便；噴嘴包括內(nèi)錐筒36和噴 嘴側(cè)擋板38，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以 反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述內(nèi)錐筒33與支撐座35之 間設(shè)有對聚焦反射鏡41與內(nèi)錐筒33進行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道40，噴嘴內(nèi)錐筒33與側(cè) 擋板38之間設(shè)有對噴嘴實施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道37，噴嘴內(nèi)錐筒33內(nèi)設(shè)有保護金屬 熔池的保護氣流通道39。 如圖2和3所示，送粉裝置2包括壓電驅(qū)動器26、壓電驅(qū)動器夾頭25、送粉管22、 石英微噴嘴27、導(dǎo)套21、鎖緊螺母23、定位套24和端蓋螺母28，定位套24與筒體用螺釘固 連并通過鎖緊螺母23鎖緊；壓電驅(qū)動器26通過螺釘連接由夾頭25固定支撐，且由擋圈29 軸向定位，導(dǎo)套21外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母23、定位套24、壓電驅(qū)動器夾頭 25、端蓋螺母28的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管22與導(dǎo)套21內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母28 支撐壓電驅(qū)動器26及夾頭25結(jié)構(gòu)；石英微噴嘴27上端部與導(dǎo)套21內(nèi)孔配合連接，且石英 微噴嘴27通過端蓋螺母28內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定；定位套24上端部銑出四方形，便于 旋動導(dǎo)套21 ，通過螺紋傳動使石英微噴嘴27上下移動，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴27的離焦 距離，定位套24與夾頭25之間，送粉管22與石英微噴嘴27之間均留有合適間隙，便于調(diào) 節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離。 如圖5和6所示，本發(fā)明的石英微噴嘴27，由石英直管毛坯先通過高溫拉制成 形，其端部拉長，外徑與內(nèi)徑逐漸變小，再通過高溫煅制，其端部內(nèi)徑最小尺寸可以控制在 20 200iim，而該尺寸直接決定激光微成形時金屬粉末從微噴嘴噴射出時的散斑大小。
圖7為本發(fā)明在激光微成形和微熔覆中的應(yīng)用實例，將待成形金屬零件基板或待 熔覆零件置于水平安置的二維數(shù)控工作臺面上，壓電驅(qū)動光粉同軸噴頭與Z軸數(shù)控工作臺 連接，并隨數(shù)控工作臺上下移動、進給，三維運動控制器控制數(shù)控工作臺移動，壓電驅(qū)動控 制電源直接控制壓電陶瓷工作，從而使同軸噴頭按一定頻率噴出金屬粉末?；诜謱盈B加 成形原理，激光快速精密微成形金屬零件的工作過程是計算機根據(jù)零件的三維實體模型 進行分層處理，得到一系列層片數(shù)據(jù)，進行掃描路徑規(guī)劃后，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的運動軌跡。計 算機控制激光器與壓電驅(qū)動器工作，激光束照射并聚焦于金屬零件表面，同軸噴頭噴出金 屬粉末，匯聚于激光光斑內(nèi)，運動控制器根據(jù)生成的控制指令控制二維數(shù)控工作臺按軌跡 運動，進行零件直接成形或熔覆堆積成形。成形好一層后，Z軸數(shù)控工作臺根據(jù)指令上移一 定高度，計算機控制激光器、二維數(shù)控工作臺、壓電驅(qū)動光粉同軸噴頭協(xié)調(diào)工作，再在已成 形部分上面熔覆新的層片。如此循環(huán)，直至零件全部成形完成。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于該方法采用送粉裝置(2)進行壓電驅(qū)動送粉，送粉裝置(2)中的壓電驅(qū)動器(26)的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴(27)，驅(qū)動金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動器(26)的壓電陶瓷由計算機控制工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置(2)垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過激光光斑調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置(2)的軸線與光路中心成小于25°的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，計算機根據(jù)成形要求，實時控制各路送粉獨立工作或相互配合工作。
4. 一種實現(xiàn)權(quán)利要求2所述的中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括送粉裝置(2)、噴嘴(10)、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的送粉裝置(2)由定位支撐盤(1)支撐，送粉裝置(2)包括壓電驅(qū)動器(26)、壓電驅(qū)動器夾頭(25)、送粉管(22)、石英微噴嘴(27)、導(dǎo)套(21)、鎖緊螺母(23)、定位套(24)和端蓋螺母(28)，所述的壓電驅(qū)動器(26)固定在壓電驅(qū)動器夾頭(25)上，且由擋圈(29)軸向定位；在導(dǎo)套(21)的外圓柱面設(shè)有螺紋，并通過螺紋分別與鎖緊螺母(23)、定位套(24)、壓電驅(qū)動器夾頭(25)、端蓋螺母(28)配合連接，端蓋螺母(28)支撐壓電驅(qū)動器(26)及壓電驅(qū)動器夾頭(25);所述的石英微噴嘴(27)由端蓋螺母(28)固定，且石英微噴嘴(27)的上端部與導(dǎo)套(21)內(nèi)孔配合連接。
5. —種實現(xiàn)權(quán)利要求3所述的側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，其特征在于該光粉同軸裝置包括一組送粉裝置(2)、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述的一組送粉裝置(2)均布于支承座(35)上并與定位支撐盤(34)固連，送粉裝置(2)包括壓電驅(qū)動器(26)、壓電驅(qū)動器夾頭(25)、送粉管(22)、石英微噴嘴(27)、導(dǎo)套(21)、鎖緊螺母(23)、定位套(24)和端蓋螺母(28);所述的壓電驅(qū)動器(26)固定在壓電驅(qū)動器夾頭(25)上，且由擋圈(29)軸向定位；在導(dǎo)套(21)的外圓柱面設(shè)有螺紋，并通過螺紋分別與鎖緊螺母(23)、定位套(24)、壓電驅(qū)動器夾頭(25)、端蓋螺母(28)配合連接，端蓋螺母(28)支撐壓電驅(qū)動器(26)及壓電驅(qū)動器夾頭(25);所述的石英微噴嘴(27)由端蓋螺母(28)固定，且石英微噴嘴(27)的上端部與導(dǎo)套(21)內(nèi)孔配合連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置，本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法采用送粉裝置進行壓電驅(qū)動送粉，送粉裝置中壓電驅(qū)動器的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴，驅(qū)動金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動器的壓電陶瓷由計算機控制工作。當(dāng)微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時，采用中心單粉管送粉方法；當(dāng)微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時，采用側(cè)向多路送粉方法。實現(xiàn)本發(fā)明的激光精密微成形送粉方法的光粉同軸裝置，其離焦距離和送粉散斑方便可調(diào)，送粉分辨率高，單脈沖噴量可精確到微克量級，且送粉均勻、穩(wěn)定、連續(xù)，送粉密度符合微成形要求。
文檔編號B22F3/105GK101695752SQ20091023337
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉秀波, 王明娣, 陳書法, 陳勁松, 雷劍波 申請人:淮海工學(xué)院;