激光多光束送料熔覆及预热装置的制作方法

本发明涉及一种激光多光束送料熔覆及预热装置，属于激光增材制造领域。

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。

在现有技术中，由于激光熔覆的骤冷骤热作用会使加工材料产生大的过热和过冷度，容易引起熔层的开裂。为了解决上述问题，引入预热冷缓技术，基体的预热和熔覆后缓冷可有效降低温度梯度，释放残余热应力。现预热技术较多采用电磁感应、电阻加热等外部热源的方法，对加工件基体进行整体加热，加热温度一般为200—600℃，整体加热有一定的效果，但在大件的修复或3D成形时，加工点的位置变化会造成离加热区的距离变化，从而带来预热温度的变化，另附加装置也显累赘。为了避免上述影响，方法之一是直接采用低密度激光束在熔池前方和后方进行局部随动预热和缓冷，此方法不需采用其他热源及装置。如，美国专利申请第US2009/0283501A1号提出了使用一台激光器输入高密度小圆形光束进行熔覆，另一台激光器输入同轴的低密度大圆形光束进行对被熔覆材料进行预热；中国专利申请第CN201380036006.8号提出了对丝材进行熔覆和预热，该中国专利申请公开了如下内容系统包括高强度能量源和送进器系统，所述高强度能量源被配置来加热至少一个工件以创建熔池，所述送进器系统包括被配置来将消耗品送进到熔池的焊丝送进器。系统还包括感应系统，所述感应系统接收消耗并且在一段消耗品进入熔池之前感应加热那部分消耗品。所述方法包括加热至少一个工件来创建熔池以及将消耗品送进到熔池。所述方法还包括在一段消耗品的进入熔池之前感应加热那部分消耗品。

上述采用主、辅多光束进行随动预热和缓冷的内容大都报道了光路及原理，有的采用仿真方法进行了效果验证，有的用预涂覆方法进行了熔覆。但现有技术中，采用熔覆和预热技术结合的相关专利中存在如下问题：美国专利申请第US2009/0283501A1所公开内容，采用独立的激光器对工件进行预热，会存在如下问题：1、喷头结构非常复杂，成本高；2、喷头体积会很大，无法进入狭小空间展开一些熔覆工作。

中国专利申请第CN201380036006.8号公开的内容，采用电感装置给被熔覆材料进行预热，和熔覆工作完全独立，会存在如下问题：1、喷头结构非常复杂，成本高；2、喷头体积会很大，无法进入狭小空间展开一些熔覆工作；3、丝材是在通道中进行电感加热，在离开通道进入熔池中的这段过程，丝材就失去加热源，丝材上的温度会发生变化，很容易导致丝材位置精度发生变化，很容易对熔覆层表面质量和精度产生影响，甚至导致无法开展熔覆工作；4、电感加热仅仅对丝材进行加热，没有对基体进行加热，仅仅是提高了熔覆效率，没有真正起到降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷的功能。

另外，除上述实施例外，在现有的其他内送粉或送丝熔覆送料装置中，还普遍存在如下问题：熔覆光束会与支撑架交叉，从而造成了能力损失，且由于熔覆光束照射在支撑架上，所以，加快了支撑架的劳损，又，现有技术中通常需要在支撑架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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光多光束送料熔覆及预热装置，其可实现同时熔覆和预热两种工艺，其中在预热时，其可以预热基材和被熔覆材料，从而不但可以提高熔覆效率，而且还可以满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率；又该装置可减少光路的能量损耗，提高能量利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光多光束送料熔覆及预热装置，用以将该入射光束转换以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光多光束送料熔覆及预热装置包括支撑架及设置在所述支撑架上的分光镜和反射聚焦组件，所述入射光束被所述分光镜转化为反射光束，所述反射光束沿所述分光镜的中轴线的周向反射，所述反射聚焦组件包括反射聚焦面和反射面，所述反射聚焦面和反射面均朝向分光镜；所述反射聚焦面将部分所述反射光束反射聚焦形成熔覆光束，所述熔覆光束对喷射至基材上的被熔覆材料进行熔覆以形成熔池；所述反射面将部分所述反射光束反射形成预热光束，所述预热光束对位于所述基材上方的被熔覆材料预热，和/或所述预热光束对所述基材进行预热和缓冷；所述支撑架与熔覆光束、预热光束均错开设置。

进一步的：所述支撑架上形成有供熔覆光束、预热光束穿过的中空部。

进一步的：所述支撑架包括下支撑架和固定在所述下支撑架上的上支撑架，所述下支撑架包括呈环形结构的上支撑架安装部、于所述上支撑架安装部上向上凸伸形成的反射聚焦组件安装部、位于所述上支撑架安装部的中空内的固定件及连接固定件和上支撑架安装部的支撑筋板，所述反射聚焦组件安装部呈环形，所述上支撑架安装部的外圆直径大于反射聚焦组件安装部的外圆直径，所述上支撑架安装在所述上支撑架安装部上，所述反射聚焦组件安装在所述反射聚焦组件安装部上，所述分光镜固定在固定件上，所述固定件与上支撑架安装部不相接，且两者之间形成有供所述熔覆光束、预热光束穿过的所述中空部，所述支撑筋板的投影位于所述中空部内，所述支撑筋板与熔覆光束、预热光束错开。

进一步的：所述反射聚焦面沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上排布，所述反射面沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上排布，所述反射聚焦面投射在所述基板上的正投影、反射面投射在所述基板上的正投影与支撑筋板投射在所述基板上的正投影均错开。

进一步的：所述反射聚焦面沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上等间距均匀分布，所述反射面沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上等间距均匀分布。

进一步的：所述反射聚焦面、反射面间隔设置；或者所述反射聚焦面、反射面上下排布。

进一步的：所述反射聚焦面、所述反射面均为偶数个。

进一步的：所述分光镜包括沿所述分光镜的中轴线的圆周方向上排布的第一镜面部和第二镜面部；所述第一镜面部投射在所述基板上的正投影、第二镜面部投射在所述基板上的正投影与支撑筋板投射在所述基板上的正投影均错开；所述第一镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束投射在所述反射聚焦面上以转换形成所述熔覆光束；所述第二镜面部接收部分入射光束并将该部分入射光束反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束投射在所述反射面上以转换形成所述预热光束。

进一步的：所述分光镜具有第一镜面部，所述第一镜面部同时朝向反射聚焦面和反射面，所述第一镜面部可以接收入射光束并形成反射光束，所述反射光束通过反射聚焦面、反射面分别转换形成熔覆光束、预热光束。

进一步的：所述熔覆光束、预热光束均至少为两束，每束所述预热光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同；每束所述熔覆光束与所述分光镜的中轴线的距离相同，且与所述分光镜的中轴线所形成的夹角大小相同。

进一步的：所述反射聚焦面的面积大于反射面的面积。

本发明的有益效果在于：本发明的激光多光束送料熔覆及预热装置具有如下优点：

1、通过反射聚焦镜、反射镜将反射光束转换成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束、用以预热被熔覆材料和/或基材的预热光束，从而实现同时熔覆和预热两种工艺，其中，通过预热被熔覆材料以提高熔覆效率，通过预热基材以降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率；

2、将一个入射光束同时转化成熔覆光束、预热光束，从而减小了整体尺寸，使整体结构简单，有助于降低成本；

3、通过反射聚焦镜、反射镜的设置，可有助于纠正反射光束的反射角度，所以，相对来说，该反射光束即使出现偏差，亦可通过调节反射聚焦镜、反射镜的位置实现纠正，所以，其对于分光镜的安装位置误差值有一个较大的包容范围；

4、在该激光多光束送料熔覆及预热装置运行时，由于预热光束、被熔覆材料和熔覆光束之间位置尺寸不会发生改变，而且其随喷嘴同步运动，从而保证了熔覆工艺稳定，有助于提高熔覆层表面质量和精度；

5、由于支撑架与入射光束、反射光束、熔覆光束、预热光束均错开设置，可以使得该支撑架与入射光束、反射光束、熔覆光束、预热光束均不干涉，减少光路的能量损耗，提高能量利用率。

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为本发明一实施例所示的激光多光束送料熔覆及预热装置的剖视图；

图2为图1所示的激光熔覆送料装置于另一方向上的剖视图；

图3为图1中部分结构图；

图4为图3于另一方向上的结构图；

图5为图1中支撑架的结构示意图；

图6为图1中支撑架于另一方向上的结构示意图；

图7为图1中分光镜的结构示意图；

图8为再一种分光镜的结构示意图；

图9为另一种分光镜的结构示意图；

图10为又一种分光镜的结构示意图。

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1至图4，本发明一较佳实施例所示的激光多光束送料熔覆及预热装置用以将该入射光束10转换以在基材30上熔覆被熔覆材料(未图示)，本实施例中，该被熔覆材料为丝材。所述激光多光束送料熔覆及预热装置包括支撑架1、设置在所述支撑架1上的分光镜2和反射聚焦组件3及位于所述反射聚焦组件3下方的喷嘴5。所述分光镜2将入射光束10转化为反射光束，所述反射光束沿所述分光镜2的中轴线的周向反射，所述反射聚焦组件3包括反射聚焦面311和反射面321，所述反射聚焦面311和反射面321均朝向分光镜2；所述反射聚焦面311将部分所述反射光束反射聚焦形成熔覆光束201，所述熔覆光束201对喷射至基材30上的被熔覆材料进行熔覆以形成熔池；所述反射面321将部分所述反射光束反射形成预热光束202，所述预热光束202对位于所述基材30上方的被熔覆材料进行预热；所述支撑架1与入射光束10、反射光束、熔覆光束201、预热光束202均错开设置。该预热光束202对被熔覆材料预热时，该预热光束202部分被被熔覆材料遮挡，另一部分未被遮挡，该未被遮挡的部分预热光束202投射至所述基材30以形成光斑，从而对基材30进行预热和缓冷。对基材30的预热、缓冷由熔覆时熔覆路径决定。当然，在其他实施例中，当被熔覆材料为粉末时，其可以仅对基材进行预热和缓冷。

请参见图1至图6，所述支撑架1包括下支撑架11和固定在所述下支撑架11上的上支撑架12，所述下支撑架11包括呈环形结构的上支撑架安装部111、于所述上支撑架安装部111上向上凸伸形成的反射聚焦组件安装部112、位于所述上支撑架安装部111的中空内的固定件113及连接固定件113和上支撑架安装部111的支撑筋板114，所述反射聚焦组件安装部112呈环形，所述上支撑架安装部111的外圆直径大于反射聚焦组件安装部112的外圆直径。所述上支撑架12安装在所述上支撑架安装部111上，所述反射聚焦组件3安装在所述反射聚焦组件安装部112上，所述固定件113包括上下相背设置的分光镜安装面1131和中间轴安装面(未标号)，所述分光镜2固定在分光镜安装面1131上。所述中间轴安装面上固定有一中间轴13，该中间轴13位于分光镜2下方，所述喷嘴5安装在该中间轴13上。所述固定件113与上支撑架安装部111不相接。在本实施例中，所述熔覆光束201和预热光束202围设形成有中空无光区50，所述喷嘴5位于中空无光区50内，在本实施例中，由于喷嘴5设置在中间轴13上，且位于中空无光区50内，所以，本实施例的激光多光束送料熔覆及预热装置采用光内送料。所述上支撑架12和下支撑架11围设形成一腔体14，所述反射聚焦组件3、分光镜2位于所述腔体14内，所述上支撑架12的上方设置有入射光束开口121。所述固定件113与上支撑架安装部111之间形成有供预热光束202穿过的环形中空部115。所述支撑筋板114的投影位于所述环形中空部115内，所述支撑筋板2117与熔覆光束201、预热光束202错开。在本实施例中，该支撑筋板114位于环形中空部115内，该支撑筋板114的数量为四个，四个支撑筋板114将环形中空部115划分成四个弧形区1151，熔覆光束201、预热光束202分别穿过四个弧形区1151。由于熔覆光束201、预热光束202分别穿过四个弧形区1151，所以，该熔覆光束201、预热光束202不与支撑架1相交，故可以防止光损耗。在其他实施方式中，该弧形区1151可以根据需求设置数量。

请参见图1至图3，在本实施例中，该反射聚焦组件3包括反射聚焦镜31和反射镜32，该反射聚焦面311形成在反射聚焦镜31上，反射面321形成在反射镜32上。所述反射聚焦面311的面积大于反射面321的面积。在本实施例中，所述反射聚焦面311相对所述分光镜2的中轴线(该分光镜2的中轴线与激光多光束送料熔覆及预热装置的中轴线同轴)的倾斜角度与所述反射面321相对所述分光镜2的中轴线的倾斜角度不相等。所述反射聚焦镜31和反射镜32沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上排布。所述反射聚焦镜31的反射聚焦面311投射在所述基板30上的正投影、反射镜32的反射面321投射在所述基板30上的正投影与支撑筋板114投射在所述基板30上的正投影均错开，通过此种设置从而实现熔覆光束201、预热光束202与支撑筋板114的错位设置，进而熔覆光束201、预热光束202与支撑筋板114相互不干涉。所述反射聚焦镜31和反射镜32周向布置在所述分光镜2的外侧。在本实施例中，所述聚焦镜31、反射镜32的数量均为两个，且间隔设置。由于所设置的聚焦镜31、反射镜32的数量均为两个，所以，最终所形成的熔覆光束201、预热光束202均为两束。在其他实施方式中，该反射聚焦镜31、反射镜32可以根据实际需求设置其他数量。为了使得熔覆、预热均匀，每条所述预热光束202与所述分光镜2的中轴线的距离相同，且与所述分光镜2的中轴线所形成的夹角大小相同；每条所述熔覆光束201与所述分光镜2的中轴线的距离相同，且与所述分光镜2的中轴线所形成的夹角大小相同。所述反射聚焦镜31沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上等间距均匀分布，所述反射镜32沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上等间距均匀分布。本实施例中，所述反射聚焦镜31和反射镜32延所述分光镜2的中轴线的圆周方向等间距间隔布置。为了便于安装及维护，所述反射聚焦镜31和反射镜32分别为单独个体。在本实施例中，所述反射聚焦面311为弧形面，所述反射面321为平面。由于反射聚焦面311为弧形面，所以，部分反射光束通过该弧形面311反射形成的光束为可以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201，故可以对基材30上的被熔覆材料进行熔覆；由于反射面321为平面，故部分反射光束通过该平面321反射形成的光束为平行光束(即预热光束202)，其不具有熔覆作用，但其可以起到预热的作用，所以其可以对基材30、被熔覆材料进行预热。

请参见1、图2及图7，在本实施例中，所述分光镜2包括沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上排布的第一镜面部21和第二镜面部22；所述第一镜面部21投射在所述基板30上的正投影、第二镜面部22投射在所述基板30上的正投影与支撑筋板投射在所述基板上的正投影均错开。所述第一镜面部21接收部分入射光束10并将该部分入射光束10反射以形成第一反射光束401，所述第一反射光束401投射在所述反射聚焦面311上以转换形成所述熔覆光束201；所述第二镜面部22接收部分入射光束10并将该部分入射光束10反射以形成第二反射光束402，所述第二反射光束402投射在所述反射面321上以转换形成所述预热光束201。所述第一镜面部21的数量为两个，所述第二镜面部22的数量为两个。两个所述第一镜面部21和两个所述第二镜面部22形成在一块分光镜上(即一体式结构)。诚然，第一镜面部21、第二镜面部22可以均分别为单独个体。一体式设计可以使分光镜2结构更紧凑，也便于安装；而分体结构则有助于后续的维护，节约更换维护的成本。诚然，如图9，该分光镜2”还可以具有第一镜面部21”和第一镜面部22”，该第一镜面部21”同时朝向反射聚焦面和反射面。第一镜面部21”与分光镜2”的中轴线的倾斜角度大于0且小于90°，所以，该第一镜面部21”可以接收入射光束10”并形成反射光束，进而，反射光束通过反射聚焦面、反射面反射形成熔覆光束和预热光束。由于，所述第二镜面部22”与分光镜2”的中轴线的倾斜角度为0，所以，其无法接收入射光束10”并形成无法反射光束，由于该第二镜面部22”不发生作用，所以，也可以不设置第二镜面部22”，而仅设第一镜面部21”。或者，如图10，该分光镜(未标号)可以为一个锥形装置，该第一镜面部(未标号)为锥形面。

在本实施例中，所述反射聚焦镜31和反射镜32沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上等间距间隔排布。当然，在其他实施方式中，该反射聚焦镜31和反射镜32沿所述分光镜2的中轴线的圆周方向上排布、且反射聚焦镜31和反射镜32沿分光镜2的高度方向上上下排布；此种设置时，对应的分光镜的第一镜面和第二镜面也可以沿分光镜的高度方向(该高度方向为图8中箭头a所示方向，该高度方向与可减少光损耗的激光熔覆送料装置的高度方向一致)上上下排布，如图8。另外，除本实施例外，可以仅将第一镜面、第二镜面与支撑筋板错位设置，即：所述第一镜面部投射在所述基板上的正投影、第二镜面部投射在所述基板上的正投影与支撑筋板投射在所述基板上的正投影均错开。在此种结构中，反射聚焦面、反射面可以采用本实施例中的设置，或者反射聚焦面、反射面为环形喇叭状结构。

请参见图2，所述激光多光束送料熔覆及预热装置内可形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架1、分光镜2、反射聚焦组件3降温的光路冷却系统，从而延长支撑架1、分光镜2、反射聚焦组件3的使用寿命。

综上所述：综上所述，上述激光多光束送料熔覆及预热装置具有如下优点：

1、通过反射聚焦镜31、反射镜32将反射光束转换成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201、用以预热被熔覆材料和/或基材30的预热光束202，从而实现同时熔覆和预热两种工艺，其中，通过预热被熔覆材料以提高熔覆效率，通过预热基材30以降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率；

2、将一个入射光束10同时转化成熔覆光束201、预热光束202，从而减小了整体尺寸，使整体结构简单，有助于降低成本；

3、通过反射聚焦镜31、反射镜32的设置，可有助于纠正反射光束的反射角度，所以，相对来说，该反射光束即使出现偏差，亦可通过调节反射聚焦镜31、反射镜32的位置实现纠正，所以，其对于分光镜2的安装位置误差值有一个较大的包容范围；

4、在该激光多光束送料熔覆及预热装置运行时，由于预热光束202、被熔覆材料和熔覆光束201之间位置尺寸不会发生改变，而且其随喷嘴5同步运动，从而保证了熔覆工艺稳定，有助于提高熔覆层表面质量和精度；

5、由于支撑架1与入射光束10、反射光束、熔覆光束201、预热光束202均错开设置，可以使得该支撑架1与入射光束10、反射光束、熔覆光束201、预热光束202均不干涉，减少光路的能量损耗，提高能量利用率。

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。