激光熔覆送料装置的制作方法

本发明涉及一种激光熔覆送料装置，属于激光加工领域。

背景技术：

在先进激光加工成形制造技术中，有一个关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。国内外现行的送料方法可以分为光外送丝和光内送丝。

光外送丝的结构如图1所示，其采用单侧送丝，在现有激光送丝熔覆或焊接方法中，由激光器发射的激光束11被聚焦镜110聚焦成锥形光束12，但，由于送丝管和喷丝嘴13只能相对锥形光束12倾斜一角度安装，由喷丝嘴送出的丝材14只能被倾斜送入激光束，所以一般需要在加工前需调整丝材使其在光斑位置与光束相交(参考文献：王至尧主编.中国材料工程大典第25卷.北京：化学工业出版社，2006；2、左铁钏主编.21世纪的先进制造—激光技术与工程.北京，科学出版社，2007，5；3、Waheed UI Haq Syed,Lin Li.Effects of wire feeding direction and location in multiple layer diode laser direct metal deposition.Applied Surface Science,24March 2005)。通过上述可以看出，单侧送丝带来的最大缺陷就是丝材是倾斜进入熔池，所受光束照射、熔池热传导和辐射的热作用不对称、不均匀，特别当熔覆中不可避免地出现方向性变化，即加工中激光束相对加工面作不同方向的扫描运动时，光束和丝材相对扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙度等均会发生较大变化，甚至造成熔融过程的时断时续。单侧送丝中对于普通单方向扫描的单层或多层熔覆堆焊不存在方向性影响，因其送进方位角度不会改变，而对复杂型面堆焊特别是三维直接快速成型等工艺而言，由于扫描轨迹和方向在不断变化，其影响就很突出，熔覆的连续性或熔道质量都很难保证。此外，熔覆时丝材送入点必须在工件表面与光束焦点位置与之相交重合，其交点又因限制在熔池表面上下一很小的区域内，但如果加工中此交点相对加工表面(或熔池)上下有位置波动和变化(难免，特别在多层堆积中)，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的熔化过程断续进行，丝材前段弯曲，光和丝断续对准和错位，这样使熔覆过程的连续性和熔道质量对焦点与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。此外，激光熔覆过程常需要在熔池周围输送惰性保护气体，以吹压熔覆产生的热焰、熔渣等，从而保护筒体内腔镜片不受污染，同时熔池不被氧化。在现有技术侧向送丝装置中，由于结构限制，保护气体也只能侧向吹送，其对熔池的吹压力不均匀，气流紊乱，保护效果差。

光内送丝方法如中国专利第CN101386111A号公开的激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置，该激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置的筒体上方有入光口，下方有出光口，入光口与出光口同轴。筒体中心均匀设计三根筋条与筒体内壁相连，筋条上固定了一个圆锥镜，圆锥镜的锥形镜面朝向入光口并与之同轴线。圆锥镜将入射激光束切割、反射变换为环形光束。筒体内壁上还与圆锥镜同轴安装了一个环形反射聚焦镜，其镜面朝向所述圆锥镜。圆锥镜反射的环形光束入射到环形反射聚焦镜上，再由环形反射聚焦镜反射聚焦成环锥形聚焦光束，环锥形聚焦光束中形成一锥形中空无光区和焦点，焦点在出光口之外。单根送丝管从筒体外部插入，穿过圆锥镜与环形反射聚焦镜之间的空隙，到达圆锥镜背面后转为与环锥形光束同轴线，使得送丝管端部的喷丝嘴置于所述环锥形光束的锥形中空无光区内，并与环锥形光束同轴线。喷丝嘴出口位置靠近环锥形光束的焦点。丝材从送丝管中送入，通过送丝管下端的喷丝嘴输出，在接近焦点处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与基材表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材表面调整到所述焦点附近，熔入熔池的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随光束与基材的相对移动而连续凝固形成熔道。筋条上方的迎光面涂镀有吸光材料，筋条内部设置了冷却水道。通过设置成筋条结构可有效减少迎光面积，减少光照损失。所述送丝管处于筒体内的迎光面涂镀有吸光材料，内部设置了冷却水道。

此光内送丝装置虽然具有如下效果：

通过光路变换得到中空环形聚焦光束，使送丝管置于聚焦光束中空部位并与光束同轴线，加工中丝材与聚焦光束同轴被正向送入光斑中心，丝材一直被环形光束均匀对称包围。熔覆加工过程中，无论丝材和光束相对加工面(或熔池)的相对运动方向如何改变，如在三维熔覆加工中当光束扫描方向任意变化时，光束和丝材相对扫描运动方向的方位和姿态完全相同，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程理论上不发生变化，完全消除了扫描方向性带来的影响。另一方面，光束相对熔池上下波动产生离焦时，丝材可始终对准光斑和熔池的中心，光斑和丝材不会错位。这样，丝材与熔池受热作用的方式保持不变，使热作用保持均匀、稳定。在扫描光束相对加工面三维位置变化影响下，丝材与熔池之间的作用力恒为正向，丝材不造成偏歪，有利于熔池驱动力均衡和熔体流动对称。同时，丝材下段和加工表面始终受到均匀对称的激光辐照和熔池的热作用，均匀的受热和凝固过程可大大提高熔道质量。

但依然存在如下不足：

由于入射光不得不经过筒体上的三根筋板，会带来如下缺陷：

1、光通过三个筋板，会有能量损耗，减小了有效的熔覆能量；

2、虽然筋条的迎光面上涂镀有吸光材料，但如果工艺稳定性不好，依然会有光反射到聚光镜，容易使得其过热损坏，所以，对涂镀吸光材料工艺难度要求较高；

3、由于圆锥镜和聚焦镜装配时存在尺寸误差，导致聚焦光照射到三根筋板上的光束面积不同或光束在筋板上的位置尺寸不同，故容易导致三根筋板变形不一致，容易导致在熔覆过程中光斑和丝材的同轴精度不高，从而导致熔覆质量下降；

4、冷却水道仅设置在筋条内部，所以，降温效果不明显；喷丝嘴出口位置离熔覆区域比较近，丝材会将温度传递到喷丝嘴上，喷丝嘴由于高温的存在，不但容易变形导致光斑和丝材的同轴精度变差，而且容易导致喷头损坏。由于圆环光束和送丝嘴之间的空间很小，无法布置水路冷却，更加导致喷丝嘴容易损坏；

5、光也经过送丝管，不但增加了能量损耗，而且由于整条送丝管上只有部分光照射到其表面，由于受热不均匀，也会导致送丝管变形，导致送丝阻力加大，最终导致送丝过程中速度变化，影响熔覆层形状精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现良好降温效果的激光熔覆送料装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔覆送料装置，接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆送料装置包括支撑架、设置在所述支撑架上的分光镜和反射聚焦镜及位于所述反射聚焦镜下方的喷嘴，所述分光镜将入射光束分为至少两束反射光束，再通过反射聚焦镜将至少两束反射光束聚焦成至少两束聚焦光束，至少两束所述聚焦光束形成中空无光区和焦点，所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统。

进一步的：所述光路冷却系统包括开设在所述支撑架内的供冷却介质通过的第一冷却通道、开设在所述分光镜内的供冷却介质通过的第二冷却通道及开设在所述反射聚焦镜内的供冷却介质通过的第三冷却通道，所述第一冷却通道分别于第二冷却通道和第三冷却通道连通。

进一步的：所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述喷嘴降温的喷嘴冷却系统。

进一步的：所述喷嘴上套设有喷嘴外套，所述喷嘴外套包括基部、贯穿所述基部的喷嘴安装通孔及于基部朝所述喷嘴安装通孔内凸伸形成的冷却板筋，所述喷嘴外套通过所述喷嘴安装通孔套至在所述喷嘴上，所述基部内形成有中间通道，所述冷却板筋位于中间通道与所述喷嘴之间，且贴靠于所述喷嘴，所述基部上还开设有与所述中间通道联通的冷却介质进口和冷却介质出口，所述喷嘴冷却系统由所述中间通道、冷却介质进口、冷却介质出口及冷却板筋组成，所述冷却介质依次流经冷却介质进口、中间通道和冷却介质出口。

进一步的：所述喷嘴外套位于所述中空无光区内。

进一步的：所述激光熔覆送料装置还包括中间轴，所述支撑架包括下支撑架，所述中间轴安装在所述下支撑架上，所述中间轴位于所述分光镜和反射聚焦镜的下方，所述喷嘴安装在所述中间轴上，且位于所述中空无光区内，所述下支撑架内设置有第一送料通道，所述下支撑架上设置有由所述第一送料通道贯穿所述下支撑架一侧的送料入口，所述中间轴内设置有送料导槽，所述喷嘴内设置有贯穿所述喷嘴的第二送料通道，所述送料导槽的一端与第一送料通道连通，另一端与第二送料通道连通。

进一步的：所述下支撑架内设第一保护气体通道，所述中间轴内设置第二保护气体通道，所述喷嘴内设置有第三保护气体通道，所述第二保护气体通道的一端与第一保护气体通道对接，另一端与第三保护气体通道对接。

进一步的：所述喷嘴上设置有喷嘴外套，所述喷嘴外套内形成有贯穿所述喷嘴外套的第四保护气体通道，所述第三保护气体通道的两端分别于第二保护气体通道、第四保护气体通道对接，所述第四保护气体通道、第二送料通道及中空无光区、焦点同轴。

进一步的：所述激光熔覆送料装置还包括中间轴，所述支撑架包括下支撑架，所述中间轴安装在所述下支撑架上，所述中间轴位于所述分光镜和反射聚焦镜的下方，所述喷嘴安装在所述中间轴上，且位于所述中空无光区内，所述下支撑架内设第一保护气体通道，所述中间轴内设置第二保护气体通道，所述喷嘴内设置有第三保护气体通道，所述第二保护气体通道的一端与第一保护气体通道对接，另一端与第三保护气体通道对接。

进一步的：所述分光镜与反射聚焦镜同轴，所述分光镜包括两个分光镜面，所述分光镜面为平面或弧型面；所述反射聚焦镜具有朝向分光镜面的聚焦镜面，所述聚焦镜面为一弧型镜面，或者，所述聚焦镜面由多个弧型镜面构成。

本发明的有益效果在于：通过在该激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统，从而可同时给支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温，实现良好降温效果，进而可提高支撑架、分光镜、反射聚焦镜的使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为现有激光熔覆技术光外送丝方法的原理图；

图2为本发明一较佳实施例所示的激光熔覆送料装置的剖视图，含光路示意；

图3为图2中分光镜的结构示意图；

图4为图3所示的分光镜于另一方向上的结构示意图；

图5为图2中下支撑架的结构示意图；

图6为图5所示的下支撑架于另一方向上的结构示意图；

图7为图2中部分结构示意图；

图8为图2所示的激光熔覆送料装置于另一方向上的剖视图，不含光路；

图9为图8中的部分结构的放大图；

图10为图2中部分结构的组装图；

图11为图2中的部分结构的放大图；

图12为图2中喷嘴外套的结构示意图；

图13为图12所示的喷嘴外套于另一方向上的结构示意图；

图14为本发明另一实施例所示的光熔覆送料装置的结构示意图；

图15为图14所示的光熔覆送料装置于另一视角上的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图2和图7，实施例一所示的激光熔覆送料装置用以接受入射光束20并将所述入射光束20转换成聚焦光束30以在基材80上形成焦点40。所述激光熔覆送料装置包括支撑架21、设置在所述支撑架21上的分光镜22和反射聚焦镜23、位于所述反射聚焦镜23下方的喷嘴24及安装在所述支撑架21上的中间轴25，所述分光镜22将入射光束20分为两束反射光束50，再通过反射聚焦镜23将两束反射光束50聚焦成两束聚焦光束30，两束所述聚焦光束30形成中空无光区60和焦点40。图2中，黑色阴影部分所指为光路部分，该光路部分包括入射光束20、反射光束50、聚焦光束30及在基材80上所形成的焦点40。请结合图2、图5及图6，所述支撑架21包括下支撑架211和固定在所述下支撑架211上的上支撑架212，所述下支撑架211包括呈环形结构的上支撑架安装部2111、于所述上支撑架安装部2111上向上凸伸形成的反射聚焦镜安装部2112、位于所述上支撑架安装部2111的中空内的固定件2113及连接固定件2113和上支撑架安装部2111的支撑筋板2114，所述反射聚焦镜安装部2112呈环形，所述上支撑架安装部2111的外圆直径大于反射聚焦镜安装部2112的外圆直径。所述上支撑架212安装在所述上支撑架安装部2111上，所述反射聚焦镜23安装在所述反射聚焦镜安装部2112上，所述固定件2113包括相背设置的分光镜安装面2115和中间轴安装面2116，所述分光镜22固定在分光镜安装面2115上。所述中间轴25固定在所述中间轴安装面2116上，该中间轴25位于分光镜22下方，所述喷嘴24安装在该中间轴25上。所述固定件2113与上支撑架安装部2111不相接，两者之间形成有供聚焦光束30穿过的环形中空2117。所述支撑筋板2114的投影位于所述环形中空2117内，所述支撑筋板2117与聚焦光束30错开。在本实施例中，该支撑筋板2114位于环形中空2117内，且该支撑筋板2114将环形中空2117划分成供两束聚焦光束30穿过的两个弧形区。在本实施例中，该所述喷嘴24位于中空无光区60内，在本实施例中，由于喷嘴24设置在中间轴25上，且位于中空无光区60内，所以本实施例的激光熔覆送料装置采用光内送料。所述上支撑架212和下支撑架211围设形成一腔体(未标号)，所述反射聚焦镜23、分光镜22位于所述腔体内，所述上支撑架212的上方设置有入射光束开口2121。请参见图2和图7，所述支撑架21与入射光束20、反射光束50、聚焦光束30均错开设置，具体的：所述入射光束20、反射光束50、聚焦光束30均与支撑筋板2114错开设置，该聚焦光束30从环形中空2117内穿过。通过将支撑架21与入射光束20、反射光束50、聚焦光束30均错开设置，以使得该支撑架21与入射光束20、反射光束50、聚焦光束30均不干涉，减少光路的能量损耗，提高能量利用率，另外，通过此种设计，避免了现有技术中在光路经过的区域涂镀吸光材料，从而有助于降低工艺难度，有助于降低成本。请结合图3，所述分光镜22包括两个分光镜面221，所述分光镜面221为平面或弧型面。请结合图4，所述反射聚焦镜23为中空圆柱体结构，所述反射聚焦镜23具有朝向分光镜面221的聚焦镜面231，所述聚焦镜面231为一弧型镜面，或者，所述聚焦镜面231由多个弧型镜面构成。请参见图2，所述分光镜22与反射聚焦镜23同轴。

所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架21、分光镜22、反射聚焦镜23降温的光路冷却系统和供冷却介质循环流动以给所述喷嘴24降温的喷嘴24冷却系统。诚然，在其他实施方式中，该光路冷却系统和喷嘴24冷却系统可以择一存在。请参见图8，所述光路冷却系统包括开设在所述支撑架21内的且供冷却介质通过的第一冷却通道213、开设在所述分光镜22内的且供冷却介质通过的第二冷却通道222及开设在所述反射聚焦镜23内的且供冷却介质通过的第三冷却通道232。所述第一冷却通道213分别于第二冷却通道222和第三冷却通道232连通。请参见图2和图9，并结合图12和图13，所述喷嘴24上套设有喷嘴外套70，所述喷嘴外套70包括基部71、贯穿所述基部71的喷嘴安装通孔72及于基部71朝所述喷嘴安装通孔72内凸伸形成的冷却板筋73，所述喷嘴外套70通过所述喷嘴安装通孔72套至在所述喷嘴24上，所述基部71内形成有中间通道74，所述冷却板筋73位于中间通道74与所述喷嘴24之间，且贴靠于所述喷嘴24。所述基部71上还开设有与所述中间通道74联通的冷却介质进口75和冷却介质出口76。所述基部具有相背冷却板筋73设置的外侧面711，该冷却介质进口75和冷却介质出口76贯穿基部71的外侧面711。所述冷却介质依次流经冷却介质进口75、中间通道74和冷却介质出口76，所述喷嘴冷却系统由上述中间通道74、冷却介质进口75、冷却介质出口76及冷却板筋73组成。由于喷嘴外套70通过冷却板筋73与喷嘴24直接接触，从而可以降低喷嘴24的温度，以提供喷嘴24的使用寿命。请结合图2，在本实施例中，所述喷嘴外套70位于所述中空无光区60内，通过将喷嘴外套70至于中空无光区60内，可以从而防止喷嘴外套70与聚焦光束30形成干涉，避免光路照射到从而影响冷却效果，且也有助于以减少光路的能量损耗，提高能量利用率。

请参见图9并结合图5，所述下支撑架211内设置有第一送料通道214，该第一送料通道214具体为开设在支撑筋板2114内。所述下支撑架211上设置有由所述第一送料通道214贯穿所述下支撑架211一侧的送料入口215，所述送料入口215位于反射聚焦镜安装部2112的外圆端面2118上。所述中间轴25内设置有送料导槽251，所述喷嘴24内设置有贯穿所述喷嘴24的第二送料通道241，所述送料导槽251的一端与第一送料通道214连通，另一端与第二送料通道241连通。通过该第一送料通道214、送料导槽251、第二送料通道241形成送料通道系统。被熔材料通过送料入口215进入第一送料通道214，并通过送料导槽251以及第二送料通道241进入焦点40所在的熔覆区域，通过该送料导槽251和第二送料通道241直接对接，从而方便被熔材料的流动顺畅，离开喷嘴24后的被熔材料和光路理论上能够完全同轴，离开喷嘴24后的被熔材料先进入中空无光区60，在接近焦点40处被所述两束聚焦光束30下部包围照射，然后在光照与基材80表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材80表面调整到所述焦点40附近，熔入熔池的材料与部分熔化的基材80表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随两束光束与基材80的相对移动而连续凝固形成熔道。

请参见图8，所述下支撑架211内设第一保护气体通道216，所述中间轴25内设置第二保护气体通道252，所述喷嘴24内设置有第三保护气体通道242，所述第二保护气体通道252的一端与第一保护气体通道216对接，另一端与第三保护气体通道242对接。由于本实施例中设置有喷嘴外套70，所以，在本实施例中，所述喷嘴外套70内形成有贯穿所述喷嘴外套70的第四保护气体通道77，该第四保护气体通道77部分为形成基部71上的内凹部771(请见图12)，其由基部71与冷却板筋73形成，所述基部71上设置有环形板78，该第四保护气体通道77的另一部分位于所述环形板78上，该另一部分第四保护气体通道77为沿环形板78的直径方向延伸形成的凹槽772，该凹槽772贯通环形板78的内端面781及底端面782(请见图13)。所述第三保护气体通道242的两端分别于第二保护气体通道252、第四保护气体通道77对接，所述第四保护气体通道77、第二送料通道241及中空无光区60、焦点40同轴。

请参见图14和图15，本实施例二所示的激光熔覆送料装置与实施例一所示的激光熔覆送料装置的结构大致相同，区别点在于：一、本实施例中，所述聚焦光束30’为三束；二、本实施例中喷嘴24’上未设置喷嘴外套。聚焦光束30’为三束具体通过如下结构实现：所采用的分光镜22’包括三个分光镜面，所述分光镜面同样为平面或弧型面，所采用的反射聚焦镜(未图示)同实施方式一，所述分光镜22’与反射聚焦镜同轴，由于分光镜22’具有三个分光镜面，所以该分光镜22’将入射光束20’分为三束反射光束50’，反射聚焦镜23’将三束反射光束50’聚焦成三束聚焦光束30’，三束所述聚焦光束30’形成中空无光区(未标号)和焦点(未标号)。所述固定件2113’与上支撑架安装部2111’同样不相接，且两者之间形成有供聚焦光束30’穿过的环形中空2117’，所述支撑筋板2114’将环形中空2117’划分成供三束聚焦光束30’穿过的三个弧形区。通过将聚焦光束30’为变为三束，与实施例一中两束聚焦光束相比，使得反射聚焦镜23’受力更加均匀，不容易变形，且更容易保证熔覆精度与可靠性。

诚然，在其他实施方式中，在具有三光束聚焦光束的激光熔覆送料装置中的喷嘴上同实施例一同样设置喷嘴外套，或者，该聚焦光束可以设置成其他数量。

综上所述：上述激光熔覆送料装置具有如下优点：

1、通过在该激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架21、分光镜22(22’)、反射聚焦镜23降温的光路冷却系统，从而可同时给支撑架21、分光镜22(22’)、反射聚焦镜23降温，实现良好降温效果，进而可提高支撑架21、分光镜22(22’)、反射聚焦镜23的使用寿命。

2、通过在设置喷嘴外套70，且在喷嘴外套70内设置给喷嘴24降温的喷嘴冷却系统，以降低喷嘴24的温度，提高喷嘴24的寿命；同时将喷嘴外套70设置在中空无光区60，使喷嘴冷却系统与光路完全错开，避免光照射到从而影响冷却效果。

3、通过将支撑架21与入射光束20(20’)、反射光束50(50’)、聚焦光束均错开设置，以使得该支撑架21与入射光束20(20’)、反射光束50(50’)、聚焦光束均不干涉，减少光束的能量损耗，提高能量利用率，另外，通过此种设计，避免了现有技术中在光束经过的区域涂镀吸光材料，从而有助于降低工艺难度，有助于降低成本。

4、由于光路不经过送料通道系统，被熔材料以及被熔材料相关区域不会受到光路的光照影响，从而有效保证了送料通道系统的通畅，减小了送料速度变化，提高熔覆层形状精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。