[實用新型]同軸復合多束激光+電熱絲材沉積裝備

有效

• 申請號: 201820545818.5
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN208162612U
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發明（設計）人: 劉繼常
• 申請（專利權）人: 長沙嘉程機械制造有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B23K26/34;B23K26/346
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種絲材沉積裝備，能夠高效、高質量、低成本地沉積成形金屬構件。由多臺激光器或1臺激光器經分光后輸出的多束激光分別經工作頭上呈圓周均勻分布的多個準直?聚焦透鏡組先后準直、聚焦后，匯聚于工作頭前方；絲材被送絲機沿工作頭中心線送進并延伸到工件或基板表面，加熱電源與絲材、工件和基板組成電流回路，通電時絲材中產生電阻熱，與匯聚的多束聚焦激光形成同軸復合能場；在計算機控制下復合能場加熱熔化、沉積不斷送進的絲材，進行沉積成形。本實用新型的有益效果是，既確保較高的材料利用率和沉積效率，又利用多束激光與電阻熱復合得到高的能量利用率，還因可選用十分成熟且價格較便宜的部件以及絲材價格相對粉末較便宜而降低成本。

技術領域

同軸復合多激光束+電熱絲材沉積裝備屬于成形制造裝備領域，具體來說，主要涉及用于金屬零件增材制造（3D打印）、修復再制造的一種沉積裝備。

背景技術

金屬零件增材制造和再制造是目前研究的熱點。金屬增材制造技術能夠根據零件的三維CAD模型，不需要模具，直接成形出金屬零件。這種技術節約了模具費用和制造工期，有利于減少產品開發成本、縮短開發周期，快速適應市場需要，而且特別適合結構復雜零件與模具、傳統方法難加工的零件以及單件小批量零件的快速制造。再制造以舊的機器設備或其零部件為毛坯，采用專門的工藝和技術，在原有制造的基礎上進行一次新的制造，而且重新制造出來的產品無論是性能還是質量都不亞于原先的新品，而消耗的能源、資源以及排出的污染物都比制造新品的過程要少。它就是讓舊的機器設備重新煥發生命活力的過程，有利于節能降耗，減少環境污染，對推動工業技術革命和社會經濟的發展意義重大。

直接能量沉積是金屬零件增材制造和再制造的主要工藝之一，目前出現了激光沉積、電子束沉積、電弧沉積和等離子沉積等多種金屬零件增材制造和再制造工藝及其相應的設備；另外，金屬粉末床熔融也是金屬增材制造的主要工藝之一，不過不適合金屬零件的再制造。但是，這些工藝和設備在應用方面還存在有很多問題。

目前，金屬增材制造和再制造在生產中表現的突出問題是制件質量缺陷、成本過高、生產效率太低。以粉末為材料的增材制造或再制造的金屬零件的致密度不高，用絲材增材制造或再制造的零件致密度較好。金屬粉末床熔融工藝經常出現球化問題，鋪粉動作受到阻礙，成形工藝不能繼續進行下去；在送粉激光沉積（熔覆）過程中，通常因為某個工藝參數的波動，導致工藝過程不能繼續進行，工件報廢。金屬增材制造、再制造設備價格相對昂貴，例如進口的金屬粉末床熔融設備一般在400萬元人民幣左右，激光直接沉積設備也需要200萬元左右。目前，激光器價格下跌，整個設備成本也相應下降，但因其他重要部件價格仍然比較昂貴，金屬增材制造和再制造設備價格還是相對較高。金屬增材制造和再制造所用材料，特別是粉末材料比較昂貴，增材制造或再制造投入的人工費用也高。另外，目前金屬增材制造和再制造速度很慢，效率極低，有時成形一個零件需要幾十天時間。

發明內容

針對這種情況，本專利在分析當前存在的各種金屬增材制造方法及其設備的利弊的基礎上，并結合當前相關器件的成熟程度與價格，設計了一種新的沉積成形裝備，即同軸復合多束激光+電熱絲材沉積裝備，以提高沉積質量和效率，降低成本。

本實用新型解決問題的方案是：由多臺激光器或1臺激光器經分光后輸出的多束激光分別經工作頭上呈圓周均勻分布的多個準直-聚焦透鏡組先后準直、聚焦后，匯聚于工作頭前方；絲材被送絲機沿工作頭中心線送進并延伸到工件或基板表面，加熱電源與絲材、工件和基板組成電流回路，通電時絲材中產生電阻熱，與匯聚的多束聚焦激光形成同軸復合能場；在計算機控制下復合能場加熱熔化、沉積不斷送進的絲材，進行沉積成形。工作頭中每個準直鏡與一個聚焦透鏡組成一個共中心軸的平行鏡組，多個鏡組的中心軸線均勻分布在同一個以絲材中心線為軸的旋轉圓錐面上，多束聚焦激光匯聚后在工件或基板表面的光斑形狀隨該旋轉圓錐面與其中心軸之間的夾角變化而變化。聚焦激光束的焦斑中心靠近工件或基板表面，使激光束匯聚于絲材與工件或基板接觸的區域。裝備控制系統根據電流通斷及電流大小，判斷沉積成形過程狀況，進而調節工藝參數，控制工藝過程。