一种感应辅助加热的光内送丝装置的制作方法

本发明属于激光增材制造设备领域，具体涉及一种感应辅助加热的光内送丝装置。

背景技术：

激光增材制造技术以高功率激光为能量源熔化金属粉末或丝材，由点到线再到面，再逐层累加制造出三维实体零件。由于该项技术可以直接制造出全致密且力学性能优异金属零件，在航空航天，汽车船舶及军工装备等领域具有广阔的应用前景。基于送丝的同步激光增材制造技术，由于金属丝材为刚性输送，无发散性，材料利用率几乎为100%、节能环保，熔覆表面粗燥度低，可避免送粉带来的粉末易发散、粉末利用率低等问题。另外，丝材成本相对较低且易获得，同时具有容易实现精确控制、送料速度快等优点，送丝熔覆被认为具有极大发展空间。

但就目前发展而言，同步送丝激光增材制造技术并没有得到实质性工业应用。究其原因，主要受制于送丝激光增材制造设备不完善、光丝耦合精度相对较差，导致成形精度较差。因此，本申请人，提出的中国专利，其公开号为cn110640322a，并公开了一种激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路和光路单元，光路单元包括激光器连接头、准直模块、分光模块、及具有能够将光路向下反射镜面的光路转向模块，其中分光模块包括分光镜、与分光镜的镜面一一对应且能够将光束反射至反射镜面的反射镜，反射镜面倾斜设置，且位于光路转向模块底面，送丝管路自上而下自光路转向模块内部穿出，且送丝管路的出丝口位于反射镜面的下方；自激光器发出的光束在准直模块的校直下形成平行光束，平行光束在分光镜下分成了至少两条光路，每条光路向对应的反射镜反射，并由反射镜将光路反射至反射镜面，再由反射镜面将两条或多条光路向下反射形成汇聚焦点，其中汇聚焦点位于送丝管路出丝口的下方，且汇聚焦点的中心与送丝管路的中心共线。因此，该文件的公开，解决了保证进入熔池时光束和丝材同轴的问题，避免了送丝过程中角度变化，提高了成形精度。

然而，在上述光内送丝装置的熔覆过程中，丝材末端的熔滴有一个逐渐长大再脱离的过程，容易造成熔道的不连续，熔覆层凝固表面呈鱼鳞状凸凹不平，进而影响熔覆层质量。所以，为解决这一问题，需要考虑对丝材进入熔池前对其进行预热。经研究发现，当对丝材进行预热时，丝材熔覆效率和熔覆层质量都有大幅提高。

例如，针对侧向“光外”送丝而言，一般采用电阻加热的方式对丝材预热。所谓“光外”送粉即是将丝材经过激光束外侧送入激光所产生的熔池中，这种方法存在扫描方向性限制及不能保证光、丝准确耦合等问题，且在预热时，丝材和基板形成一回路通以电流，这样预热效率较低且成本高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的感应辅助加热的光内送丝装置。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种感应辅助加热的光内送丝装置，其包括：

光路单元，其中光路单元包括激光器连接头、准直模块、分光模块、及具有能够将光路向下反射镜面的光路转向模块，其中分光模块包括分光镜、与分光镜的镜面一一对应且能够将光束反射至反射镜面的反射镜，反射镜面倾斜设置，且位于光路转向模块底面；

送丝管路，自上而下自光路转向模块内部穿出，且送丝管路的出丝口位于反射镜面的下方，

特别是，送丝管路包括相断开且中心线重合的上送丝管和下送丝管，其中上送丝管和下送丝管之间形成间隔区，

光内送丝装置还包括位于间隔区的一侧且将上送丝管和下送丝管相衔接的连接件、设置在连接件上且位于间隔区内的感应加热线圈、以及与感应加热线圈连通的供电部件，其中感应加热线圈包括沿着上送丝管或下送丝管长度方向螺旋缠绕的线圈本体、自线圈本体的始末端与供电部件的正负极连通的连接部，线圈本体的中心线、上送丝管的中心线、及下送丝管的中心线三者共线设置，且线圈本体的内壁能够避开自反射镜面向下反射的光束。

优选地，连接件包括沿着间隔区高度方向延伸的连接面板、自连接面板上部与上送丝管相连接的上连接板、自连接面板下部与下送丝管相连接的下连接板，感应加热线圈的自连接部连接在连接面板上。

进一步的，上连接板和下连接板上分别形成有螺纹孔接口，上连接块自螺纹孔接口可拆卸的连接在上送丝管的下端部，下连接块自螺纹孔接口可拆卸的连接在下送丝管的上端部。

优选地，上连接板和下连接板结构相同，且自远离螺纹孔接口的端部连接在连接面板朝向间隔区的同一侧面上。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，上送丝管的下部管口内径与下送丝管的上部管口内径相等。

优选地，线圈本体内部的孔径大于或等于上部管口内径。避免线圈本体对光束干扰。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，送丝管路还包括设置在下送丝管外周的套管，其中套管的内壁和下送丝管的外壁之间形成保护气体通道，保护气体通道的通道出口对应下送丝管的出丝端部，保护气体通道的通道入口位于套管的一侧且靠近下送丝管上端部设置。

优选地，下送丝管的下端部形成自上而下口径逐渐变小的出丝嘴，其中出丝嘴的内壁能够避开自反射镜面向下反射的光束。

进一步的，套管底部形成与出丝嘴相似且形成环形腔体的出气嘴，其中出气嘴的底面与出丝嘴的底面齐平。

具体的，在下送丝管上形成环形连接耳，套管在上端部与环形连接耳螺纹配合连接。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在保证进入熔池的光束和丝材同轴且互不干扰的前提下，光束和丝材自感应加热线圈内部穿过，并由感应加热线圈对经过的丝材进行预热，进而大幅提高丝材熔覆效率和熔覆的质量，此外，成本低，实施方便。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明光内送丝装置的立体结构示意图；

图2为图1的结构分解示意图；

图3为图1的主视示意图；

图4为本发明光路走向示意图（1）；

图5为本发明光路走向示意图（2）；

图6为图4和图5中的不同位置处光路的剖视示意图；

图7为图1中送丝管路的结构示意图；

图8为图7的主视示意图；

图9为图8中a-a向剖视示意图；

1、送丝管路；1a、出丝口；10、上送丝管；11、下送丝管；11a、出丝嘴；11b、环形连接耳；12、管帽；13、套管；13a、出气嘴；14、管套；

2、光路单元；20、激光器连接头；21、准直模块；22、分光模块；220、分光镜；b、镜面；221、反射镜；23、光路转向模块；a、反射镜面；

3、光罩；

4、环形座；40、环形本体；41、环形定位条；c、支杆；

5、环形盖；50、光束通孔；

6、连接套；60、缺角；

7、连接件；70、连接面板；71、上连接板；72、下连接板；

8、感应加热线圈；80、线圈本体；81、连接部；

q、保护气体通道；q1、通道出口；q2、通道入口。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1至图3所示，激光增材制造送丝用的光内送丝装置，其包括送丝管路1和光路单元2。

光路单元2包括激光器连接头20、准直模块21、分光模块22、及具有能够将光路向下反射镜面a的光路转向模块23，其中分光模块22包括分光镜220、与分光镜220的镜面b一一对应且能够将光束反射至反射镜面a的反射镜221。

具体的，反射镜面a倾斜设置，且位于光路转向模块23底面，送丝管路1自上而下自光路转向模块23内部穿出，且送丝管路1的出丝口1a位于反射镜面a的下方。

激光器连接头20内部形成光束通道，准直模块21与激光器连接头20对接且能够将光束校直形成平行光束。

光内送丝装置还包括光罩3、连接在光罩3一端部的环形座4、可拆卸连接在环形座4上的环形盖5，其中在环形盖5上设有光束通孔50，准直模块21与环形盖5对接，平行光束自光束通孔50射入环形盖5内。

分光镜220通过支杆c设置在环形座4所形成的环形腔内，反射镜221设置在环形盖5内壁，且与分光镜221的镜面一一对应设置。

环形座4包括与环形盖5螺纹配合的环形本体40、设置在环形本体40内部的环形定位条41，支杆c沿着环形定位条41的径向延伸且固定在环形定位条41上，分光镜220自底座设置在支杆c的一侧，且分光镜220镜面朝向环形本体40的内壁。

分光镜220沿着支杆c的长度方向延伸，且具有位于支杆c相对两侧的两个镜面b，反射镜221对应有两个，且轴向对称设置环形盖5内壁的相对两侧。

分光镜220的长度大于光束通孔50的孔径。这确保不会有未经过分路的光束存在。

反射镜221沿着环形盖5周向延伸并呈弧形段，且通过外接件能够沿着环形盖5的径向活动调节的在环形盖5上。这样一来，能够对反光镜221进行聚焦调节，以便于最后汇聚的激光束和丝材同轴。

同时，结合图4至图6所示，分光镜220的镜面b呈自表面向内凹陷的弧形反射面，在弧形段反射镜221的镜面d上也对应设有弧形反射面。该弧形反射面的设置，能够起到良好的聚光效果，使得激光能量能够充分的被使用。

光罩3自环形座4所在端部向光路转向模块23所在端部外径逐渐变小，光内送丝装置还包括用于将光罩3与光路转向模块23对接的连接套6，其中连接套6上形成有外形与光路转向模块23匹配缺角60，且连接套6的底面与外界贯通设置。

本例中，连接套6和光路转向模块23通过外连接件对接后形成方形体。同时，连接套6和光罩3一体形成设置。

结合图7至图9所示，送丝管路1包括相断开且中心线重合的上送丝管10和下送丝管11，其中上送丝管10和下送丝管11之间形成间隔区，且上送丝管10的下部管口内径与下送丝管11的上部管口内径相等。

上送丝管10自上而下贯穿光路转向模块23顶面和底面，同时上送丝管10顶部设有管帽12，在光路转向模块23上形成管套14，且通过管帽12和管套14将上送丝管10与光路转向模块23固定连接。

本例中，光内送丝装置还包括位于间隔区的一侧且将上送丝管10和下送丝管11相衔接的连接件7、设置在连接件7上且位于间隔区内的感应加热线圈8、以及与感应加热线圈8连通的供电部件。

连接件7包括沿着间隔区高度方向延伸的连接面板70、自连接面板70上部与上送丝管10相连接的上连接板71、自连接面板70下部与下送丝管11相连接的下连接板72。

上连接板71和下连接板72上分别形成有螺纹孔接口，上连接块71自螺纹孔接口可拆卸的连接在上送丝管10的下端部，下连接块72自螺纹孔接口可拆卸的连接在下送丝管11的上端部。

上连接板71和下连接板72结构相同，且自远离螺纹孔接口的端部连接在连接面板70朝向间隔区的同一侧面上。

感应加热线圈8包括沿着上送丝管10或下送丝管11长度方向螺旋缠绕的线圈本体80、自线圈本体80的始末端与供电部件的正负极连通的连接部81，线圈本体80的中心线、上送丝管10的中心线、及下送丝管11的中心线三者共线设置，且线圈本体80的内壁能够避开自反射镜面向下反射的光束。

线圈本体80内部的孔径等于上部管口内径。避免线圈本体80对光束干扰。

同时，感应加热线圈8自连接部81连接在连接面板70上，而且感应加热线圈8与供电部件之间使用的是软连接，保证移动方便，灵活。

也就是说，本例中，通过间隔区中增加感应加热线圈8，当丝材垂直送入穿过感应加热线圈时，感应电源产生交变磁场使丝材产生涡流而生成热量。依据不同的丝材直径和送丝速度，调节感应线圈电流及加热时间，达到丝材获得的合适预热值，保证丝材在进入熔池前获得良好的预热效果。

同时，线圈本体80的内壁与丝材的间隙（也就是加热距离）控制在1.5mm-5mm，根据丝材的外径变化选择对应的加热距离，达到优良的丝材预热效果。

送丝管路1还包括设置在下送丝管11外周的套管13，其中套管13的内壁和下送丝管11的外壁之间形成保护气体通道q。

保护气体通道q的通道出口q1对应下送丝管11的出丝口1a，保护气体通道q的通道入口q2位于套管13的一侧且靠近下送丝管11上端部设置。

下送丝管11的下端部形成自上而下口径逐渐变小的出丝嘴11a，其中出丝嘴11a的内壁能够避开自反射镜面向下反射的光束。

套管13底部形成与出丝嘴11a相似且形成环形腔体的出气嘴13a，其中出气嘴13a的底面与出丝嘴11a的底面齐平。这样一来，在确保光束不会干扰的前提下，环形腔体且呈锥形的出气嘴13a设置，使得排出的保护气体准确地将丝材与外界隔离，进而确保丝材在保护气体下进行热熔。

具体的，在下送丝管11上形成环形连接耳11b，套管13在上端部与环形连接耳11b螺纹配合连接。

综上所述，本实施例的实施过程如下：

自激光器发出的光束进入激光器连接头20内部的光束通道后，通过准直模块21对光束进行校直并呈水平方向右射出（所形成的平行光束），并通过光束通孔50照射至弧形反射的分光镜220上，由分光镜220的弧形反射面将光束聚集并呈两条光路分别向所对应的弧形段反射镜221反射，并由反射镜221上的弧形反射面将光路反射至反射镜面a，再由反射镜面a将两条光路向下反射形成汇聚焦点，此时，位于送丝通道内部的丝材垂直向下送丝，光路自两侧向下反射进行汇聚，因此，丝材与光路之间没有任何的干扰，而且还能确保进入熔池时光束和丝材同轴，这样才能有效的避免了送丝过程中角度的变化，提高了成形精度，与此同时，在丝材的送丝过程中，在上送丝管10和下送丝管11之间增加感应加热线圈8，当丝材垂直送入穿过感应加热线圈时，感应电源产生交变磁场使丝材产生涡流而生成热量，依据不同的丝材直径和送丝速度，调节感应线圈电流及加热时间，达到丝材获得的合适预热值，保证丝材在进入熔池前获得良好的预热效果，进而大幅提高丝材熔覆效率和熔覆的质量。

因此，先由感应加热线圈8对丝材加热到需求的温度，不仅可以缓解丝材吸热慢问题，而且可以消除丝材传输过程中的应力及偏摆问题，进而提高丝材传输的稳定性，同时也可以节约一定的激光束能量。

以上对本发明做了详尽的描述，但本发明不限于上述的实施例。凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。