一种三维空间任意方向熔覆成型方法与流程

本发明涉及一种三维空间任意方向熔覆成型方法，属于激光加工领域。

背景技术：

同步送料激光熔覆是金属合金增材制造的一种主要方法。激光熔覆一般将激光束聚焦并投射到加工基面上形成工作光斑，同时将熔覆材料同步投送到工作光斑中，随着熔覆喷头作扫描运动，投入到加工基面上移动的工作光斑中的熔覆材料不断熔化、凝固并形成连续的熔道。

在激光熔覆过程中，熔覆喷头一般要求始终向下垂直于加工基面，当基面的倾斜角越大，熔覆喷头的倾斜角也就越大，熔覆喷头在空间喷射出的熔覆材料与聚焦光束的耦合效果会变差，倾斜的高温熔池也越容易流淌甚至滴落，另外，同步喷射的熔覆材料一般只有一部分进入熔池熔化，一部分被熔池表面反弹，还有一部分喷射在熔池以外的熔覆材料在加工基面上被反弹，一般熔覆喷头的工作倾斜角越大，反弹飞溅的熔覆材料就越容易进入位于熔覆喷头下方的支撑架的内腔中，特别对于处在大倾斜角加工位和仰面位置进行熔覆作业的熔覆喷头，飞溅的熔覆材料将直接进入支撑架的内腔中，当熔覆材料接触到聚焦镜或者粘附到聚焦镜上后，会污染镜面并发热使聚焦镜损坏，从而使聚焦性能降低或丧失，造成严重的后果。

由于激光熔覆熔池内的高温熔体当加工基面倾斜角太大时会流淌或滴落以及熔覆材料溅落会污染并损坏聚焦镜，故至今激光熔覆的基面通常都只能处于水平面或小角度倾斜面。然而，在实际应用中，复杂零构件的成形，大悬垂、扭曲、封闭件的3d成形，不便搬移和拆卸的大型装备零构件在线原位修复等，都会出现不同的空间倾斜面甚至立仰面，需要熔覆喷头有更大的倾斜角和空间自由度，实现±180°任意方位无死角熔覆、3d成形或修复作业。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三维空间任意方向熔覆成型方法，当激光熔覆装置连续变换方位时，熔覆材料不会落到聚焦镜上而损坏聚焦镜，保障了熔覆的稳定与可靠性，实现了±180°三维空间全方位任意方向熔覆。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维空间任意方向熔覆成型方法，包括如下步骤：

提供基体，该基体具有需熔覆堆积或被熔覆修复的表面，

熔覆材料经由喷头主体的熔覆通道从喷嘴口喷射至基体的表面，同时，激光通过聚焦镜聚焦至基体的表面以将熔覆材料熔覆在基体表面上；

在所述喷嘴口和聚焦镜之间形成有将聚焦镜镜面与喷嘴口之间的未被熔覆的熔覆材料吹散/隔离的防护气帘。

进一步地，所述防护气帘与所述喷嘴口的中心轴线之间的夹角大于零。

进一步地，所述防护气帘与所述喷嘴口的中心轴线趋向于垂直或垂直。

进一步地，所述防护气帘为以所述喷头主体为中心在所述喷头主体的外围形成辐射状的防护气帘。

进一步地，所述聚焦镜固定在支撑架上，所述防护气帘为从所述支撑架的一端向其相对的另一端辐射的防护气帘。

进一步地，所述激光同聚焦镜聚焦形成用以熔覆熔覆材料的聚焦光束，所述聚焦光束的数量至少为两条。

进一步地，所述激光同聚焦镜聚焦形成用以熔覆熔覆材料的聚焦光束，所述聚焦光束为环锥形。

进一步地，所述成型方法还包括：在熔覆材料的外围形成有准直保护气帘，该准直保护气帘由惰性保护气体形成。

进一步地，所述熔覆材料为金属或合金粉末，所述金属或合金粉末由载气输送经由喷嘴主体的熔覆通道从喷嘴口送出，所述金属或合金粉末的粒度为20μm-400μm，所述载气的气压为0.1-0.5mp。

进一步地，所述扫描的速度为3-10000mm/s，扫描的厚度为0.1-1mm。

本发明的有益效果在于：通过在喷嘴口和聚焦镜之间形成防护气帘，将聚焦镜与喷嘴口之间的未被熔覆的熔覆材料吹散/隔离，从而使激光熔覆装置在空间任意方向熔覆或连续变换方位时，熔覆材料不会溅落到和粘附到聚焦镜上，保证聚焦镜镜面不被污染，实现了±180°三维空间全方位任意方向熔覆，进而在实际应用中带来了较大的方便。

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为本发明的一实施例的激光熔覆装置的剖面示意图；

图2为图1中的激光熔覆装置的整体示意图；

图3为图1中的激光熔覆装置的立体示意图；

图4为本发明的另一实施例的激光熔覆装置的整体示意图；

图5为图4中的激光熔覆装置的剖面示意图；

图6为图4中的激光熔覆装置的立体示意图。

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1-3，本发明实施例一的一种三维空间任意方向熔覆成型方法，主要用于使激光熔覆装置连续变换方位时熔覆材料不会溅落和粘附到聚焦镜507上，防止聚焦镜507因熔覆材料而发生损坏的问题，三维空间任意方向熔覆成型方法包括如下步骤：提供基体，该基体具有需熔覆堆积或被熔覆修复的表面，熔覆材料经由喷头主体200的熔覆通道201从喷嘴口300喷射至基体的表面，同时，激光通过聚焦镜507聚焦至基体的表面以将熔覆材料熔覆在基体表面上；在喷嘴口300和聚焦镜507之间形成有将聚焦镜507与喷嘴口300之间的未被熔覆的熔覆材料吹散/隔离的防护气帘。通过在喷嘴口300和聚焦镜507之间形成防护气帘，可将位于聚焦镜507上方的未被熔覆的熔覆材料吹散/隔离，从而使激光熔覆装置连续变换方位时熔覆材料不会落到聚焦镜507上而损坏聚焦镜507，实现了±180°三维空间全方位任意方向熔覆。

本实施例中，防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零，当防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零时，防护气帘可将溅落在聚焦镜507上方的熔覆材料吹散/隔离，防止熔覆材料对支撑架500的内腔中聚焦镜507造成损坏。

优选的，当防护气帘与喷嘴口300的中心轴线趋向于垂直或垂直时，可使防护气帘最大范围的将溅落在聚焦镜507上方的熔覆材料吹散/隔离，使防护气帘对支撑架500的内腔中的聚焦镜507保护效果最优。

本实施例中，防护气帘为以喷头主体200为中心在喷头主体200的外围形成辐射状的防护气帘，所形成的防护气帘为以喷头主体200为中心的圆环形的防护气帘。

本实施例中，激光通过聚焦镜507聚焦形成用以熔覆熔覆材料的聚焦光束，在该实施方式中聚焦光束为环锥形的聚焦光束，环锥形的聚焦光束围绕喷头主体200，且与喷头主体200同轴。另外，聚焦光束也可以为两条矩形或非矩形的聚焦光束，两条矩形或非矩形的聚焦光束分别位于喷头主体200的相对的两侧，当然，聚焦光束也可以为两条以上的矩形或非矩形的聚焦光束。

本实施例中，在熔覆材料的外围形成有准直保护气帘，该准直保护气帘由惰性保护气体形成，形成的准直保护气帘位于聚焦光束和熔覆材料之间，形成准直保护气帘的惰性保护气体包括氦、氖、氩、氮、氪、氙中的一种或一种以上的混合气体。准直保护气帘的形成，一方面对熔覆材料进行准直，另一方面，通过由惰性保护气体形成的准直保护气帘，可形成局部的惰性气氛环境，从而隔绝空气中的氧、氮与加工过程中的金属或合金发生反应。

本实施例中，熔覆材料为金属或合金粉末，金属或合金粉末由惰性载气输送经由喷头主体200的熔覆通道201从喷嘴口300送出，金属或合金粉末的粒度为20μm、100μm、300μm或400μm，或其它位于20μm-400μm之间的数值，载气的气压为0.1mp、0.3mp或0.5mp，或其它位于0.1-0.5mp之间的数值。另外，在其它实施方式中，熔覆材料也可以为金属或合金的丝状物。

本实施例中，扫描的速度为3mm/s、4000mm/s、8000mm/s或10000mm/s，或其它位于3-10000mm/s之间的数值，扫描的厚度为0.1mm、0.3mm、0.6mm、1mm，或其它位于0.1-1mm之间的数值。

下文中为实现本发明的实施例一的三维空间任意方向熔覆成型方法的激光熔覆装置。

本发明较佳实施例所示的激光熔覆装置，包括支撑架500和位于支撑架500上方的熔覆喷头100，熔覆喷头100包括喷头主体200和位于喷头主体200端部的喷嘴口300，喷头主体200中设置有供熔覆材料通过的熔覆通道201，熔覆材料从熔覆通道201经由喷嘴口300将熔覆材料送出至基体的加工基面上，支撑架500上一侧设置有熔覆材料入口503和与熔覆材料入口503相连通的熔覆材料入口通道，熔覆材料入口通道与熔覆通道201相连通，支撑架500中设置有分光镜和聚焦镜507，分光镜接收入射光束并将入射光束反射形成反射光束，聚焦镜507接收反射光束并将反射光束转化为聚焦光束，支撑架500中设置有以通过聚焦光束的光束通道506，聚焦光束穿过支撑架500中的光束通道506在加工基面上形成熔覆焦点，以熔化位于熔覆焦点的熔覆材料，在基体的加工基面上形成熔池，由喷嘴口300喷射出的熔覆材料与聚焦光束同轴，聚焦光束中空，熔覆材料居中，且喷射方向一致，激光熔覆装置还包括设置在喷嘴口300和支撑架500之间的在支撑架500的上方形成防护气帘的防护气帘形成组件400，防护气帘形成组件400通过形成的防护气帘将位于光束通道506上方的熔覆材料吹散/隔离，防止熔覆材料通过光束通道506落到支撑架500中的聚焦镜507上，对聚焦镜507造成损坏，因此，该激光熔覆装置可实现±180°三维空间全方位任意方向熔覆成型，进而在实际应用中带来了较大的方便。

本实施例中，防护气帘形成组件400所形成的防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零，当防护气帘与喷嘴口300的中心轴线之间的夹角大于零时，防护气帘可将溅落在支撑架的上方的熔覆材料吹散/隔离，防止熔覆材料对支撑架500的内腔中的聚焦镜507造成损坏。

优选的，当防护气帘形成组件400所形成的防护气帘与喷嘴口300的中心轴线趋向于垂直或垂直时，可使防护气帘最大范围的将溅落在支撑架的上方的熔覆材料吹散/隔离，使防护气帘对支撑架500的内腔中的聚焦镜507的保护效果最优。

本实施例中，防护气帘形成组件400设置在喷头主体200上，以喷头主体200为中心，在喷头主体200外围形成辐射状的防护气帘，防护气帘形成组件400包括设置在喷头主体200上的筒体和套设在筒体上的罩体401，筒体和罩体401以及喷头主体200的中心轴线重合，筒体包括套设在喷头主体200上的第一环形部402和自第一环形部402的外圆面向外突伸形成的第二环形部403，第二环形部403与第一环形部402的中心轴线重合，罩体401与第一环形部402的外圆面、第二环形部403的上端面之间具有间隙以形成防护气帘的第一气流通道404，第二环形部403的上端面与罩体401的下表面之间具有间隙以形成喷射口405，喷射口405位于第一气流通道404的端部，在第一环形部402中设置有将外部气体引入至第一气流通道404中的送气通道406，支撑架500上设置有防护气帘气体入口501和与防护气帘气体入口501相连通的防护气帘气体入口通道502，防护气帘气体入口通道502与送气通道406相连通，在激光熔覆过程中，气体由防护气帘气体入口501进入防护气帘气体入口通道502，再经由防护气帘气体入口通道502进入送气通道406，然后进入第一气流通道404，再由位于第一气流通道404的端部的喷射口405喷射形成防护气帘，以将溅落在喷头主体200外围的熔覆材料吹散/隔离。

优选的，罩体401与第一环形部402通过螺纹连接，第一环形部402上设置有与罩体401配合连接的连接部407，连接部407位于第一气流通道404的上方，罩体401通过连接部407可相对筒体沿筒体的中轴线转动来调节喷射口405的开口大小，从而可控制防护气帘的最佳吹气量，在优选的实施例中，喷射口405的开口大小为0.3-5mm，防护气帘的载气压力为0.1-0.5mp。在其它实施方式中，罩体401与第一环形部402的连接方式不限于螺纹连接，也可以通过其它可使罩体相对筒体转动的连接方式进行连接。

优选的，第一环形部402上位于连接部407的下方还设置有限位凸板408，限位凸板408自第一环形部402的外圆面向外突伸形成，限位凸板408围绕第一环形部402设置，当罩体401通过连接部407围绕筒体进行转动来调节喷射口405的开口大小时，限位凸板408可以对罩体401的移动位置进行限制，以防止喷射口405的开口过小，从而影响防护气帘的形成，进而影响防护气帘对支撑架500的内腔中的聚焦镜507的保护效果。

优选的，连接部407与罩体401之间设置有密封件409，具体为，在罩体401的顶端设置有圆环形凸台410，罩体401上与第一环形部402的连接部407配合连接的部位与圆环形凸台410之间具有间隙，密封件409设置在间隙中，以防止气流通道404中的气体从连接部407的部位泄露。

本实施例中，支撑架500中的分光镜为锥形结构，具有锥形的分光镜面，聚焦镜507为中空圆柱体结构，聚焦镜507具有朝向分光镜面的聚焦镜面，聚焦镜面为一围绕分光镜面的圆环形镜面，分光镜和聚焦镜507的中轴线重叠，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为圆环锥形聚焦光束，光束通道506的出口为圆环形出口，为了进一步防止溅落的熔覆材料对支撑架500的内腔中的聚焦镜507造成损坏，支撑架500上可设置有覆盖光束通道506的圆环状的可透过光束的第一保护透镜504，圆环状的第一保护透镜504围绕第二环形部403设置，处在形成防护气帘的喷射口405与聚焦镜507之间并靠近喷射口405，喷射口405喷射形成的防护气帘贴近第一保护透镜504表面，可有效吹散溅落在第一保护透镜504表面的熔覆材料的粉末和污染物，使第一保护透镜504表面洁净并更有效保证聚焦镜507不被污染。在其它实施方式中，分光镜也可为多边形结构，具有沿其中轴线的圆周方向上排布的三个分光镜面，聚焦镜面为如上述所述的一围绕分光镜面的圆环形镜面，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为三条矩形聚焦光束。诚然，多边形结构的分光镜也可以包括背向对称设置的两个分光镜面，聚焦镜507为两组，两组聚焦镜507位于分光镜的两个侧面，两组聚焦镜507的两个聚焦镜面分别朝向分光镜的两个分光镜面，分光镜面和聚焦镜面均为平面，从支撑架500中的光束通道506中射出的聚焦光束为两条矩形聚焦光束(如参见图4)。

本实施例中，喷头主体200中还包括有围设在熔覆通道201的外围的气体输送通道202，支撑架500上设置有气体输送通道进气口505和与气体输送通道进气口505连通的气体输送通道进气管道，气体输送通道进气管道与气体输送通道202连通，气体输送通道202的中心轴线与熔覆通道201的中心轴线重合，从气体输送通道202中喷射出的气体围绕从喷嘴口300送出的熔覆材料形成准直保护气帘。

本实施例中，喷嘴口300包括与熔覆通道201相连通的熔覆通道出口301和围设在熔覆通道出口301的外围与气体输送通道202相连通的气体输送通道出口302，气体输送通道出口302的内径与熔覆通道出口301的外径的比值为1.5。

参见图4-6，本实施例二的一种三维空间任意方向熔覆成型方法，与实施例一的三维空间任意方向熔覆成型方法大致相同，区别在于：聚焦镜507固定在支撑架500上，防护气帘为从支撑架500的一端向其相对的另一端辐射的防护气帘，防护气帘位于聚焦镜507的上方，在该实施方式中聚焦光束的数量可以为两条，也可以为两条以上，聚焦光束位于喷头主体200的相对的两侧设置。

下文中为实现本实施例二的三维空间任意方向熔覆成型方法的激光熔覆装置。

本实施例二的三维空间任意方向熔覆成型方法的激光熔覆装置与实施例一的三维空间任意方向熔覆成型方法的激光熔覆装置大致相同，区别在于：防护气帘形成组件400也设置于支撑架500上且位于支撑架500的上方，且防护气帘形成组件400位于熔覆喷头100的一侧，支撑架500中设置有两个光束通道506，且光束通道506位于熔覆喷头100相对的两侧，防护气帘为从支撑架500的一端向其相对的另一端辐射的防护气帘，防护气帘形成于光束通道506的上方，防护气帘形成组件400包括第一防护气帘形成部411、第二防护气帘形成部412和连通第一防护气帘形成部411和第二防护气帘形成部412的连通部413，第一防护气帘形成部411和第二防护气帘形成部412分别位于熔覆喷头100相对的两侧，防护气帘形成组件400中设置有空腔以形成有第二气流通道414，第一防护气帘形成部411上设置有间隙形成第一喷射口415，第二防护气帘形成部412上设置有间隙形成第二喷射口416，在连通部413上设置有与第二气流通道414相连通的进气口(未图示)，外部气体从进气口进入第二气流通道414，然后经由第二气流通道414从第一喷射口415和第二喷射口416喷射出形成防护气帘，第一喷射口415喷射形成的防护气帘覆盖设置于熔覆喷头100一侧的光束通道506，第二喷射口416喷射形成的防护气帘覆盖设置于熔覆喷头100另一侧的光束通道506。

本实施例中，分光镜为多边形结构，包括背向对称设置的两个分光镜面，聚焦镜507为两组，两组聚焦镜507位于分光镜的两个侧面，两组聚焦镜507的两个聚焦镜面分别朝向分光镜的两个分光镜面，分光镜面和聚焦镜面均为平面，从位于熔覆喷头100相对的两侧的光束通道506中射出的聚焦光束为两条矩形聚焦光束，在其它实施方式中，支撑架500中也可以并排设置两个以上的如上所述的具有两个分光镜面的分光镜，及位于分光镜的两个侧面的并排设置的如上所述的四组以上的聚焦镜507，支撑架500中设置有位于熔覆喷头100相对的两侧的四个以上的光束通道506，从位于熔覆喷头100相对的两侧的光束通道506中射出的聚焦光束为四条以上的矩形聚焦光束。

优选的，为了进一步防止溅落的熔覆材料对支撑架500中的聚焦镜507造成损坏，在支撑架500上位于光束通道506的上方设置有置物台508，在置物台508上设置有覆盖光束通道506的可透过光束的第二保护透镜509，第一喷射口415和第二喷射口416喷射形成的防护气帘贴近第二保护透镜509表面，可有效吹散溅落在第二保护透镜509表面的熔覆材料的粉末和污染物，使第二保护透镜509表面洁净并更有效保证聚焦镜507不被污染。

综上所述，本发明的三维空间任意方向熔覆成型方法，通过在喷嘴口和聚焦镜之间形成防护气帘，将聚焦镜与喷嘴口之间的未被熔覆的熔覆材料吹散/隔离，从而使激光熔覆装置连续变换方位时，熔覆材料不会落到聚焦镜上而损坏聚焦镜，实现了±180°三维空间全方位任意方向熔覆，进而在实际应用中带来了较大的方便。

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。