分束激光聚焦同轴熔丝激光头和激光同轴熔丝成形设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光增材制造技术领域，具体是一种分束激光聚焦同轴熔丝激光头，还是一种含有该分束激光聚焦同轴熔丝激光头的分束激光聚焦同轴送丝沉积成形设备。
【背景技术】
[0002]激光沉积成形技术是一种将3D数模分层切片并生成扫描轨迹，以高功率激光为热源，激光沿着扫描轨迹熔化粉末或丝材直接逐层堆积的近净成形工艺。为了防止金属熔化凝固过程中的氧化和氢脆，成形系统通常在惰性气体保护箱中，通过惰性气体循环系统将惰性气体充满手套箱。激光熔覆头固定在机械手或数控机床上，粒度为30μπι?250μπι的金属粉末通过送粉器惰性气体载送到激光聚焦点内，或直径0.8mm?2.0mm的金属丝材通过送丝机送到激光聚焦点内，材料受到激光加热熔化并凝固沉积在基体上，数控机床或机械手程序控制激光头的运动完成激光扫描沉积成形。
[0003]对于粉末材料，激光送粉沉积过程中，通过气雾化或旋转电极法制备的粉末材料，其形貌、粒度和化学成分的一致性较难控制，因此会影响后续的激光沉积工艺一致性。并且，成形过程是一个由点到线、由线到面、再由面到体的自然重力堆积过程，以粉末为原材料，扫描堆积过程形成的凝固边界区域过多，因此凝固金属的堆积过程容易出现气孔、未熔合和微裂纹等微缺陷。这些微缺陷会降低成形金属样件的动态疲劳和静态拉伸力学性能。激光送丝沉积成形，由于丝材在成分和形貌的一致性优于粉末材料，丝材的机械送进方式、熔化状态更容易控制。成形过程的原材料堆积界面减少，减少微缺陷萌生原。丝材的制备成本、成形利用率和激光沉积效率要优于粉末材料。与此同时，其还具备激光沉积成形工艺的高加工柔性等其他优点，所以激光熔丝沉积成形比熔粉具有更好的工程价值。
[0004]激光熔丝工艺关键技术在于激光分束和同轴送丝丝光的耦合方式。传统侧向送丝由于不同扫描方向丝光相对位置的变化，其表现出扫描沉积的各向异性，所以只能满足激光焊接等工艺的一维单向扫描。
【发明内容】
[0005]为了克服现有侧向送丝激光三维沉积成形中无法实现二维平面内的各向同性自由扫描的问题，本发明提供了一种分束激光聚焦同轴熔丝激光头和分束激光聚焦同轴送丝成形设备，该分束激光聚焦同轴熔丝激光头和分束激光聚焦同轴送丝成形设备能够实现二维平面的各向同性激光熔丝沉积，解决了侧向送丝扫描沉积各向异性。相对于送粉激光沉积成形，提高了成形效率和材料利用率，得到一种高效低成本激光近净成形增材制造工艺，可用于大型尺寸金属结构件毛坯的快速制造。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种分束激光聚焦同轴熔丝激光头，包括分束透镜、多个反射镜和多个聚焦透镜，分束透镜能够将接收到的平行激光分为一一射向每个反射镜的多束分支激光束，反射镜与聚焦透镜一一对应设置，每个聚焦透镜均能够将对应的反射镜反射的分支激光束聚焦后会聚为一个共同的焦点。
[0008]一种分束激光聚焦同轴送丝沉积成形设备，包括激光器、惰性气体保护手套箱、分束激光聚焦同轴熔丝激光头、送丝机、成形平台和控制单元，分束激光聚焦同轴熔丝激光头为上述的分束激光聚焦同轴熔丝激光头，分束激光聚焦同轴熔丝激光头和成形平台均设置于惰性气体保护手套箱内，分束激光聚焦同轴熔丝激光头位于成形平台的上方，激光器能够向分束激光聚焦同轴熔丝激光头的分束透镜发射平行激光，送丝机能够向焦点供应金属丝。
[0009]本发明的有益效果是:
[0010]1、将分束激光聚焦光学系统和同轴送丝丝光耦合沉积工艺相结合。
[0011 ] 2、为了实现激光从丝材周围聚焦照射，一束激光通过分束透镜实现多束(三束以上)分束激光，这样激光之间形成一个无激光区域，从而可以利用导丝管将金属丝材的同轴送入。
[0012]3、同轴送丝丝光耦合沉积工艺解决了侧向送丝沉积熔道各向异性的关键技术问题，实现了二维平面内的各向同性沉积，提高了送丝沉积二维运动自由度，最终实现三维零件的逐层堆积成形。
【附图说明】
[0013]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0014]图1是实施例1中的分束激光聚焦同轴熔丝激光头的示意图。
[0015]图2是实施例2中的分束激光聚焦同轴熔丝激光头的示意图。
[0016]图3是分束激光聚焦同轴送丝沉积成形设备的示意图。
[0017]图中附图标记:1、平行激光;2、分束透镜;3、镜片支架;4、导丝管;5、反射镜;6、聚焦透镜;7、输气管接头;8、分支激光束;9、焦点；1、准直器；
[0018]11、激光器；12、惰性气体保护手套箱；13、分束激光聚焦同轴熔丝激光头；14、送丝机;15、成形平台；16、机械手;17、控制单元。
【具体实施方式】
[0019]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0020]实施例1
[0021]—种分束激光聚焦同轴熔丝激光头，包括分束透镜2、多个反射镜5和多个聚焦透镜6，分束透镜2能够将接收到的平行激光I分为一一射向每个反射镜5的多束分支激光束8，反射镜5与聚焦透镜6—一对应设置，每个聚焦透镜6均能够将对应的反射镜5反射的分支激光束8聚焦后会聚为一个共同的焦点9，如图1所示。
[0022]在本实施例中，多个反射镜5围绕分束透镜2和焦点9之间的连线均匀分布，所有的反射镜5位于垂直于该连线的一个平面上，每个反射镜5到该连线的距离均相同，相邻的两个反射镜5之间的距离相同，每个反射镜5均位于分束透镜2和焦点9之间，聚焦透镜6位于反射镜5和焦点9之间，如图1所不，分束透镜2分出的每一束分支激光束8均依次通过一个反射镜5和一个聚焦透镜6后会聚为一个共同的焦点9，聚焦透镜6的作用是使每一束分支激光束8实现聚焦，聚焦透镜6为凸透镜，每一束分支激光束8聚焦的共同点即为上述焦点9。
[0023]在本实施例中，该连线沿竖直方向设置，分束透镜2位于焦点9的上方，分束透镜2能够接收竖直向下的平行激光I，反射镜5与聚焦透镜6的数量和位置一一对应设置，如聚焦透镜6—一对应的设置于反射镜5的下方。所述分束激光聚焦同轴熔丝激光头还包括镜片支架3，镜片支架3呈立方体结构，镜片支架3有沿水平方向支杆和沿竖直方向设置的支杆连接组成，分束透镜2设置于镜片支架3的顶部的中心，反射镜5设置于镜片支架3的中部的内侧，聚焦透镜6设置于镜片支架3的下部。
[0024]在本实施例中，所述分束激光聚焦同轴熔丝激光头还包括激光头外壳和导丝管4，分束透镜2、反射镜5、聚焦透镜6和镜片支架3均设置于封闭的激光头外壳内，导丝管4的一部分或全部位于该激光头外壳内，即导丝管4和该激光头外壳为一体式结构，导丝管4能够将金属丝以弧线形输送至焦点9(即导丝管4输出的金属丝为弧线形)并且该金属丝在焦点9处的切线与该连线重合。壳体内部送丝的激光头更加紧凑，导丝的弯曲半径更大。
[0025]在本实施例中，所述分束激光聚焦同轴熔丝激光头还包括准直器10，该准直器10能够将接受到的激光变成平行平行激光I后射向分束透镜2，该准直器10位于分束透镜2的上方，如图1所示。
[0026]在本实施例中，焦点9位于该激光头外壳外的下方，该激光头外壳的下部设置有用于使分支激光束8离开该激光头外壳的通孔，分束透镜2、反射镜5和聚焦透镜6均设置有水冷机构，该激光头外壳的上部设有用于向该激光头外壳内输送保护气体的输气管接头7。
[0027]在本实施例中，所述分束激光聚焦同轴熔丝激光头主要包括光学系统、外壳支架系统、镜片气氛保护系统、水冷系统和导丝系统。
[0028]光学系统包括:准直器10、分束透镜2、反射镜5、聚焦透镜6和保护镜片。
[0029]外壳支架系统:镜片支架3、激光头金属外壳和导丝管支架。
[0030]镜片气氛保护系统:激光熔丝头内部的分束透镜2、反射镜5和聚焦透镜6的惰性气氛，用于镜片的防尘和冷却。
[0031]水冷系统:光学镜片、导丝管4的出口和激光头金属壳体的水冷系统，用于冷却由于激光辐射和热辐射导致的温度过高。
[0032]在本实施例中，分束透镜2可以将激光分为四束分支激光束，相应的反射镜5和聚焦透镜6可以为四个。
[0033]下面介绍一种分束激光聚焦同轴送丝沉积成形设备，包括激光器11、惰性气体保护手套箱12、分束激光聚焦同轴熔丝激光头13、送丝机14、成形平台15和控制单元17，分束激光聚焦同轴熔丝激光头13为上述的分束激光聚焦同轴熔丝激光头，分束激光聚焦同轴熔丝激光头13和成形平台15均设置于惰性气体保护手套箱12内，分束激光聚焦同轴熔丝激光头13位于成形平台15的上方，成形平台15用于安装待加工工件，激光器11能够通过准直器1向分束激光聚焦同轴熔丝激光头13的分束透镜12发射平行激光11，送丝机14能够向焦点9供应金属丝，如图3所示。
[0034]优选该分束激光聚焦同轴送丝沉积成形设备还包括机械手16，分束激光聚焦同轴熔丝激光头13设置于机械手16的一端，激光器11设置于惰性气体保护手套箱12外，送丝机14设置于惰性气体保护手套箱12内，控制单元17设置于惰性气体保护手套箱12外，激光器11的激光开关控制单元和送丝机14的开关控制单元集成在机械手16的主机箱内。通过机械手16的示教器可以控制激光器11和送丝机14的启动和停