一种适用于半导体激光增材制造或熔敷的均匀送粉头的制造方法与工艺

本发明涉及一种激光加工用喷嘴，特别是一种适用于半导体激光增材制造或熔覆的均匀送粉头，属于材料加工领域。

背景技术：
激光加工是利用高能激光束进行加工的一种新型加工手段，是当今材料加工的先进方法，一种无与伦比的材料加工工具，目前有五大研究热点依次为：激光焊接、激光成形与制造、新激光器和新激光加工研究、激光表面强化以及激光加工过程的传感、检测与控制。其中激光增材制造技术自从20世纪70年代末到80年代初提出来后，虽中期经历了一段时间的发展低谷，但随着技术的发展，激光增材制造技术现在已经成为发达国家和各研究机构的研究的热点，其中美国及欧洲等发达国家的技术发展及产业增长都很迅速，2014年增材制造设备与服务全球直接产值已达41.03亿美元，增长率达到35.2％，我国自20世纪90年代初开始发展后，现在在金属零件直接制造技术领域已达到了国际领先水平。增材制造的原理是基于离散—堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，而激光增材制造技术其所采用的原料有丝和粉末两种，目前对于激光增材制造金属零件原料主要采用的是粉末，这就不可避免的涉及到粉末的传输过程，而且在激光应用的其他领域如激光焊接、激光熔覆等都会用到粉末，因此粉末的传输过程至关重要。目前常用的送粉方式有两种分别为预置式和同步式送粉，其中预置式送粉容易导致激光加工的涂层存在表面不平整、容易产生裂纹、气孔以及稀释率低等缺点，而且其适用范围受限。其中同步式送粉法是现在较为先进和较广应用的一种方法，同步式送粉又可分为同轴送粉和旁轴送粉两种方式，但目前这两种方式所用喷嘴大多数为圆型喷嘴，这种结构简单加工方便，适用于采用圆形光斑的激光加工工艺，但由于喷嘴结构的限制，这种喷嘴并不适用于采用其他形式光斑的进行的激光加工工艺，如矩形光斑，而在大型零件的修复再制造工艺中，采用矩形光斑可以进行大面积加工，具有圆形光斑所不具备的优越性。但目前有的矩形喷嘴结构具有难以保证粉末的均匀性以及与光束的匹配，且调整过程较为复杂等缺点。专利CN2838760Y中提出了一种激光宽带熔覆用喷嘴，结构简单，装卸方便，加工成本低，但较难实现均匀送粉。

技术实现要素：
本发明针对上述存在的问题，而提供一种适用于半导体激光增材制造或熔敷的均匀送粉头。本发明为一种适用于半导体激光增材制造或熔敷的均匀送粉头，它包括粉末输入器、气体输入接头、粉末汇聚腔、转换通道、粉末输送通道、喷嘴、圆盘和送粉管等；所述的粉末输入器左右两端分别设置有送粉管；粉末输入器下部与圆盘上端连接；在粉末汇聚腔上部设置有四个气体输入接头，四个气体输入接头以粉末汇聚腔中轴线对称设置于粉末汇聚腔上部的前后左右处，并分别与粉末汇聚腔连通；且四个气体输入接头的出口均指向粉末汇聚腔底端中心；粉末汇聚腔下部与转换通道上部连通，转换通道下部与粉末输送通道上部连通，粉末输送通道下部与喷嘴连接；沿圆盘竖直方向开设有2个通孔，且以轴心线左右对称设置，并分别与设置在粉末输入器两侧的送粉管连通；所述的粉末输送通道和喷嘴内沿竖直方向设置有矩形通道和通道；矩形通道和通道相连通；矩形通道上部与转换通道连通。本发明针对半导体激光能量分布均匀、且输出形状一般为矩形或圆形特点，设计了该送粉头。针对目前增材制造过程中同步式送粉一般都采用同轴送粉和旁轴送粉两种方式，所用喷嘴大多数为圆型喷嘴，粉末束流比较集中且较适合于激光束能量为高斯分布的圆形光斑激光增材制造的特点，为了适应利用半导体激光进行增材制造，根据半导体激光能量分布均匀、且输出形状一般为矩形或圆形特点，本发明提供了一种适用于半导体激光增材制造或熔覆的均匀送粉头，可以针对在半导体激光增材制造或熔覆过程中激光的矩形光斑形状实现矩形粉斑的匹配，并且可以实现粉末的均匀传输，达到粉末均匀传输的目的。本发明的送粉头可实现均匀送粉和矩形粉斑，包括粉末汇聚部分和粉末输送部分；所述粉末汇聚部分包括：粉末输入器、粉末汇聚腔以及定位指示灯模块等，其中定位指示灯安装在整个送粉工作头的最上部，其安装模块底部及圆盘上开一圆孔，为避免粉末对指示灯造成污染，用透明镜片将圆孔封住；所述粉末输入模块为以中心带有圆孔的矩形块，在圆孔侧壁开孔并连接接头，接头与送粉管相连；所述粉末汇聚腔上部为一柱形圆筒，圆筒的上部有一面板，面板开有三个圆孔其中左右两边与送粉管连接，中心放置透明镜片封住并起到传输指示灯光线的作用。汇聚腔中部为一较大的锥形腔，并且锥形腔上部开有四个气体输送通道，其主要作用是输入气体，输送至锥形腔内的粉末在输入气体吹动的作用下会使整个粉气混合体变得更加均匀。粉末汇聚腔的下部安装有一圆形筛网，筛网的作用会使由粉末汇聚腔输送至粉末输送通道的粉末的均匀性进一步得到加强。所述粉末输送通道上部与粉末汇聚腔下部连接，并且输送通道上部的结构可以实现通道由圆形通道向矩形通道的光滑均匀过度；输送通道的中部通道为矩形通道可以实现对粉末束流形态的拘束，使粉末的形态逐步转换为矩形束流形态，并且中部开有数个槽口，在由上至下的槽口内插入目数由小至大的矩形筛网，可以起到进一步均匀粉末束流的作用；所述粉末输送通道的下部连接为一矩形喷嘴，矩形喷嘴的结构为一锥形，上部与输送通道下部连接的矩形大小与输送通道匹配，下部为一面积较小的矩形，通过整个矩形喷嘴可以实现对粉末束流形态的进一步拘束，实现矩形粉末束流的输出。本发明包含以下有益效果：本发明的技术方案，可以在很大程度上面消除粉末不均匀的现象，即采用其他喷嘴容易出现的粉末中间多两边少的现象，能够使得粉末均匀得从送粉口输出，实现均匀送粉的目的，并且经过粉末输送通道及喷嘴的约束可以实现矩形粉斑的输出。从而使送出的金属粉末的连续性、均匀性、挺度等都得到保证，并且可以与半导体激光器的矩形光斑相匹配。附图说明图1为本发明送粉头结构示意图；图2为图1的F-F剖面图；图3为粉末输送通道与矩形喷嘴的结构示意图；图4为图3的C-C向剖视图；图5为转换通道结构示意图；图6为图5的A-A剖面图；图7为本发明的圆形筛网示意图；图8为本发明的较大孔径的矩形筛网示意图；图9为本发明的大孔径的矩形筛网示意图；图10为本发明的较小孔径的矩形筛网示意图；图11为实施例1采用本发明的送粉头得到的涂层金相图；图12为实施例1采用现有的送粉头得到的涂层金相图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的一种适用于半导体激光增材制造或熔敷的均匀送粉头，它包括粉末输入器1、气体输入接头2、粉末汇聚腔3、转换通道4、粉末输送通道5、喷嘴6、圆盘7和送粉管8；所述的粉末输入器1左右两端分别设置有送粉管8；粉末输入器1下部与圆盘7上端连接；在粉末汇聚腔3上部设置有四个气体输入接头2，四个气体输入接头2以粉末汇聚腔3中轴线对称设置于粉末汇聚腔3上部的前后左右处，并分别与粉末汇聚腔3连通；且四个气体输入接头2的出口均指向粉末汇聚腔3底端中心；粉末汇聚腔3下部与转换通道4上部连通，转换通道4下部与粉末输送通道5上部连通，粉末输送通道5下部与喷嘴6连接；沿圆盘7竖直方向开设有2个通孔，且以轴心线左右对称设置，并分别与设置在粉末输入器1两侧的送粉管8连通；所述的粉末输送通道5和喷嘴6内沿竖直方向设置有矩形通道5-1和通道6-1；矩形通道5-1和通道6-1相连通；矩形通道5-1上部与转换通道4连通。本实施方式的惰性气体由四个气体输入接头2进入粉末汇聚腔内3，通过输入气体的扰动作用，从而可以促使由粉末输入模块输入至汇聚腔粉末的状态变得更加均匀。转换通道4可以实现粉末束流形态由圆形到矩形的转换，并且在其上部与4粉末汇聚腔连接的部位放置有一个圆形筛网9，起到提高粉末均匀性的作用。本实施方式通过粉末输送通道5由上至下的圆形筛网和数个矩形筛网的作用从而提高整个传输过程中粉末束流的均匀性。具体实施方式二：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：粉末输送通道5两侧从上至下对称开有多个槽口5-2，按照矩形筛网孔径由大至小的顺序将矩形筛网从上至下插入到槽口5-2内。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式三：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：喷嘴6为“棱台”外形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式的喷嘴6的结构可以实现对粉末束流的形态进一步拘束。从而使输出的矩形粉斑的形状进一步得到约束。喷嘴送出的金属粉末的连续性、均匀性、挺度等都得到保证，并且可以与半导体激光器的矩形光斑相匹配，从而可以大大提高激光增材制造或熔覆的效率。具体实施方式四：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：喷嘴6的通道6-1为“棱台”形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式五：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：转换通道4内部中空，其上部中空部分为通道一4-1，其为倒“梯形”，下部中空部分为通道二4-2，其为倒“棱台”形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式六：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：通道一4-1与通道二4-2之间设置有圆形筛网9。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。通过以下实施例验证本发明的有益效果：实施例1分别为采用现有常规喷嘴和本发明的均匀送粉的矩形送粉头在2mm厚的Ti-6Al-4V钛合金表面制备无机非金属陶瓷复合涂层的横截面。比较二者的效果，在实验过程中，采用激光器为半导体激光器，矩形光斑尺寸为2mm×4mm，激光功率都为1000W，扫描速度为0.3m/min。结果如图11和图12所示，其中图11为采用本发明的矩形送粉头操作后的涂层；图12为采用现有常规喷嘴操作后的涂层；由图11和图12可以看出，与常规圆形喷嘴比较，采用矩形喷嘴进行激光旁轴填粉熔敷的涂层均匀，在基体上面的熔敷深度基本一致，形状呈现方形；而采用常规圆形喷嘴进行激光旁轴填粉熔敷稍微涂层呈现一个“碗”形，由于中间粉末较多，所以中间涂层较厚且突出，而周围涂层较薄。需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。