一种激光成型头及在激光立体成型过程中的氧化控制方法与流程

本发明涉及一种激光成型头及在激光立体成型过程中的氧化控制方法，属于激光立体成型技术领域。

背景技术：

激光立体成型，又称为激光近净成形技术，是一种经典的增材制造技术。在激光立体成型的过程中，通过控制激光束和数控工作平台的运动，将熔化的金属粉末按照预定的轨迹沉积到基板之上，从而获得尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件。由于对于制件的形状和粉末材料没有限制，激光立体成型可有效实现各种难加工材料及具有复杂形状的金属零件的制造。此外，由于在激光成型过程中，熔池所具有的高温度梯度和快速冷却的特点，激光立体成型可以得到组织致密的无宏观偏析非平衡组织。与传统的成型方法相比，激光立体成型可以实现零件的无模近净成型，成型和加工过程被大大简化，也降低了生产成本，缩短了生产周期。因其大幅增加了生产的灵活性，激光立体成型已经成为一种极有前途地制造复杂金属零件的新方法。

激光立体成型是一个具有高温度梯度的热循环过程。并且，由于在激光立体成型过程中使用的原料为小球状的金属粉末，金属粉末与外界气体的接触面积较大，所以在激光立体成型过程中发生氧化的可能性也随之增大。西安交通大学的贺斌等人对定向凝固高温合金dz125在激光立体成型过程的氧化现象进行了研究，并揭示了氧化物对制件中的裂纹的影响。由氧化引起的破坏是镍基高温合金热端部件的主要失效形式之一。所以使用激光立体成型技术制造高温合金部件时必须避免氧化的发生。目前，在激光立体成型过程中通常使用气氛室来避免氧化的发生。但是为了除尽气氛室中的氧气，气氛室通常需要在实验前通较长的时间的保护气，并且对气氛室的密封要求较高；此外，当制造大型制件时，需要较大的气氛室。在激光立体成型过程中，为保证保护气的氛围，气氛室不能打开，并且即使成型过程中断，保护气也不能停止充入。使用气氛室往往会带来较大的生产成本和较长生产周期。并且不方便在工业现场进行直接应用。与气氛室相比，利用激光成型头向制造区域输送保护气的方式对制造区域进行保护是激光立体成型过程中另一种控制氧化的方法，这种方法所需的设备简单，可在工业现场直接应用，大幅降低了制造的成本，适宜于大型制件的成型制造。因此，在使用激光立体成型技术制造大型制件或在对大型制件进行现场修复时，通常使用激光成型头向制造区域输送保护气的方式来对制造区域进行保护。但是对于某些对于氧化较为敏感金属(如钛合金，铝合金及钛元素和铝元素含量较高的高温合金)，只通过激光成型头向制造区域输送保护气的方式往往无法完全阻止金属在成型过程中的氧化。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于输送保护气方式而实施的，并且能够彻底解决金属氧化的在激光立体成型过程中的氧化控制方法；基于所述氧化控制方法，还提出了一种激光成型头。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种激光成型头，包括成型头本体，在所述成型头本体上设置有送粉通道、激光及保护气通道，其特征在于：在所述成型头本体上固定安装有随动气罩，所述随动气罩的出口端超出所述送粉通道的出口端。

所述随动气罩包括上罩体和下罩体，所述上罩体与所述成型头本体紧固连接，所述下罩体通过螺纹与所述上罩体配合连接，使得所述下罩体和上罩体构成伸缩结构。

一种在激光立体成型过程中的氧化控制方法，其特征在于：将一个随动气罩安装在激光成型头上，在进行激光立体成型之前，先将随动气罩所保护的制造区域内的氧气去除；在激光立体成型过程中，通过控制从激光成型头喷出的保护气的流量以及随动气罩出口与基板或成型体之间的间隙的大小，来间接控制制造区域与外界大气之间的压差，从而阻止外界空气向随动气罩所保护的制造区域内渗透，进而达到控制氧化的目的。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在激光成型头上外加随动气罩的方式，提升了随动气罩所保护的制造区域的保护气的压力，以确保外界的空气无法轻易地渗入到制造区域中，从而达到控制氧化的目的。2、本发明所提出方法使得一些对于氧化较为敏感金属在激光立体成型过程中摆脱了气氛室的使用，从而降低了生产成本，并且能够增加生产的灵活性。

附图说明

图1是本发明所提供的氧化控制方法的原理示意图；

图2是本发明所提供的一个具体实施例的结构示意图。

上述图中的各附图标记的含义如下：1-成型头本体；2-送粉通道；3-激光及保护气通道；4-随动气罩；41-上罩体；42-下气罩；5-基板；6-成型体；7-激光束；8-间隙；9-保护气；10-聚焦镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提出了一种激光成型头，其包括成型头本体1，在成型头本体1上设置有送粉通道2、激光及保护气通道3，其特征在于：在成型头本体1上固定安装有随动气罩4，随动气罩4的出口端超出送粉通道2的出口端。

在一个优选的实施例中，随动气罩4包括上罩体41和下罩体42，上罩体41与成型头本体1紧固连接，下罩体42通过螺纹与上罩体41配合连接，使得下罩体42和上罩体41构成伸缩结构。

本发明还提出了一种在激光立体成型过程中的氧化控制方法如下：

将一个随动气罩4安装在激光成型头上，在进行激光立体成型之前，先将随动气罩4所保护的制造区域内的氧气去除。在激光立体成型过程中，通过控制从激光成型头喷出的保护气的流量以及随动气罩出口与基板5或成型体6之间的间隙的大小，来间接控制制造区域与外界大气之间的压差，从而阻止外界空气向随动气罩所保护的制造区域内渗透，进而达到控制氧化的目的。

上述方法的工作原理如下：在激光立体成型过程中，保护气9从激光成型头的激光及保护气通道3喷出，达到随动气罩4所保护的制造区域，在排入大气之前，必须通过随动气罩4与基板5或成型体6之间的间隙8，由于间隙8存在着气阻，使得保护气9在通过间隙8时会产生压差，即在间隙的作用下，随动气罩4内的气压高于外界的大气压，并且随动气罩4内外的压差满足下述关系：

δp＝rq

式中，δp代表间隙两端的压差；r代表间隙的气阻；q代表保护气的流量。其中，气阻的大小主要取决于间隙的形状和尺寸大小(间隙高度、宽度和长度)。

由上式可见，通过控制从激光成型头喷出的保护气9的流量大小和间隙的尺寸，就可以控制制造区域与外界大气之间的压差，当压差到达一定大小时，就可以阻止外界空气向随动气罩4所保护的制造区域中渗透，从而到达控制氧化的目的。

下面通过一具体实施例来说明本发明的技术效果：

图2为本发明所提供方法的一个具体实施例的结构示意图，其中，间隙8可通过随动气罩4的上罩体41和下罩体42两部分的连接螺纹的旋合长度来调节。在这个实施例中，采用的随动气罩4的形状为圆形，形成的间隙8的形状为环状，此时，环状间隙的的气阻与间隙的尺寸满足如下关系：

式中，r代表间隙的气阻；μ为保护气的动力粘度；h、w、l分别表示环状间隙的周长、宽度和高度。

在本实施例中，使用的加工原料为高温镍基合金fgh98(未使用本发明提出的方法之前出现了严重的氧化现象)，当控制内部保护气的流量为12l/min，间隙的周长、宽度和高度分别为220mm、2mm和0.5mm时，测得随动气罩所保护的制造区域与外界大气之间的压差为50pa,此时制得的fgh98高温合金试样上的氧化现象消失，其氧化得到了控制。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。