[實用新型]一種激光成形系統的金屬粉末送給裝置

無效

• 申請號: 200820011890.6
• 申請日: 2008-04-01
• 公開（公告）號: CN201168781Y
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發明（設計）人: 尚曉峰;王維
• 申請（專利權）人: 沈陽航空工業學院
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所
• 代理人: 甄玉荃;孫麗珠

技術領域：

本實用新型涉及激光快速成形技術，具體地說是一種激光成形系統的金屬粉末送給裝置。

背景技術：

激光是二十世紀最偉大的科學實用新型之一，具有巨大的技術潛力。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種激光加工技術，其中激光熔覆技術是目前最活躍的激光加工技術之一。快速成形技術是八十年代末興起并得到迅速發展的嶄新制造技術，被認為是近二十年來制造技術領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與數控技術的出現相比。金屬粉末激光成形技術是將激光熔覆技術與快速成形技術相結合，以金屬粉末為原料，采用高功率激光熔覆技術，利用快速成形分層制造思想，創造出金屬功能零件。此項技術因能夠直接成形金屬功能零件而倍受人們的關注，并且取得了長足的發展。

金屬粉末激光成形系統除了大功率激光器外，主要還包括導光裝置、數控加工裝置和金屬粉末送給裝置等，其中金屬粉末送給是一項關鍵技術。目前，金屬粉末送給方式主要有以下三種：

第一，預置粉末法。其工作原理是將金屬粉末鋪在已成形零件上表面并刮平，用高能CO₂激光在剛鋪新層上掃描熔覆出零件截面，金屬粉末在高強度的激光照射下被熔覆在一起，得到零件截面并與下面已成形零件連接；當一層截面熔覆完后，鋪上新的一層金屬粉末，有選擇地熔覆下層截面；熔覆完成后去掉多余的金屬粉末，再進行打磨、烘干等處理，進而得到金屬功能零件。該送粉方式是粉末預先鋪平，激光垂直入射。其缺點是系統結構復雜、體積龐大、昂貴的金屬粉末用量巨大、成形零件非全密度零件、后處理工藝難度大。

第二，側向同步送粉法。該方法克服了預置粉末法的體積龐大、金屬粉末用量大、成形零件非全密度等缺點。其工作原理是采用金屬粉末定量送給裝置控制粉末流量，通過側向噴嘴將金屬粉末噴射到激光熔池內，實現了粉末送給與熔覆運動過程的同步進行。該送粉方式是粉末側向送給，激光垂直入射。其缺點是粉末從噴嘴噴射出來之后發散、熔覆運動方向受制約。

第三，同軸送粉法。該方法克服了側向同步送粉法的缺點，實現了噴嘴匯聚金屬粉末后噴射到激光熔池之中，同時實現了二維平面內任意方向的熔覆運動。其工作原理是采用金屬粉末定量送給裝置控制粉末流量，通過同軸粉末噴嘴將金屬粉末噴射到激光熔池內，實現了粉末噴射錐軸線、激光束軸線以及保護氣噴射錐軸線的重合，同時也實現了粉末送給與熔覆運動過程的同步進行。由于同軸送粉法克服了以前各種送粉方法的諸多缺點，具有很大的優勢，因此同軸送粉法是目前各送粉技術的主流技術。但是同軸送粉法也存在著難以克服的缺點：同軸噴嘴是聚焦激光、匯聚粉末、匯聚保護氣的同軸輸出口，又包括復雜冷卻水道，因此結構設計特別復雜；為了避免熔池熱輻射燒傷噴嘴，噴嘴材料一般選擇熱傳導率較高的紫銅，由于粉末噴射錐軸線、激光束軸線以及保護氣噴射錐軸線同軸，因此采用紫銅作為噴嘴材料的加工工藝難度較大；此外，對于較低功率下的激光透射聚焦方式，為避免透鏡污染，激光出口需要輸出保護氣，嚴重影響了粉末噴射錐的形狀；對于較高功率下的激光反射聚焦方式，則無法對反射鏡進行氣體保護，反射鏡特別容易被污染；由于平行的CO₂激光束截面一般為矩形，所以聚焦后的光斑在低功率下為小矩形，在高功率下為近視橢圓形，而并非圓形光斑。

目前使用最多的同軸送粉法，由于粉末噴嘴距離上千度高溫的激光熔池很近，所以噴嘴冷卻一直是同軸送粉技術的主要問題之一，冷卻不充分時會造成粉末在噴出口處燒熔粘結現象發生，更嚴重時會發生噴嘴燒熔變形甚至脫落。同軸送粉機構由于其結構復雜、空間狹小，所以難于設計和制造出大腔體的冷卻水道，冷卻效果不好。聚焦鏡是激光光路中的最主要部件之一，當鏡面受到煙塵污染時，輕者降低激光功率，重者燒毀聚焦鏡。在同軸送粉機構中，較低激光功率時常采用激光透射聚焦方式，為避免透鏡污染，激光出口需要輸出保護氣，嚴重影響粉末噴射錐的形狀；較高功率時采用激光反射聚焦方式，此時不易對反射鏡進行氣體保護，反射鏡特別容易被污染。粉末的載氣傳輸是送粉技術的主流方式，該方式具有粉末傳輸速度快、粉末傳輸均勻、管路形狀位置適應性強、無粉末擁塞現象發生、載氣兼保護氣作用等優點。但是在同軸送粉機構的粉末噴嘴處，強大的載氣壓力、聚焦鏡的保護氣壓力及其基體的反射作用會使噴嘴處氣流極其復雜，導致粉末錐嚴重變形，粉末匯聚效果變差。

再有，隨著激光加工運動復雜程度的不斷提高，目前廣泛應用的二軸連動激光筒已遠遠不能滿足激光加工運動的需要；現有廣泛使用的CO₂激光器均是5KW以上的大功率，而基于ZnSe晶體透鏡的透射聚焦方式越來越不適應大功率激光器的聚焦應用。