[發明專利]帶冷卻回路的線材分配器、使用該線材分配器的激光金屬線材沉積機器及沉積方法

有效

• 申請號: 201880007113.0
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN110352111B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 約翰·卡爾
• 申請（專利權）人: GKN航空公司
• 主分類號: B23K26/08
• 分類號: B23K26/08;B23K26/14;B23K26/34;B23K26/70
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 高偉;王偉

一種用于激光金屬線材沉積機器的線材分配器(9)包括縱向導管(8)，該縱向導管用于將線材(4A、4B)從導管(8)的近端(81)引導到遠端(82)。噴嘴單元(6)連接到導管(8)的遠端(82)，并且具有通孔(51)，該通孔用于從導管(8)的遠端(82)接收線材(4B)，并且用于在激光金屬線材沉積位置(16)附近排出線材(4B)。噴嘴單元(6)包括用于冷卻液體的冷卻回路(771)。

技術領域

本發明涉及一種線材分配器，其特別地但不排他地適用于在激光金屬沉積機器中使用，并且涉及線材分配器的冷卻。

背景技術

激光金屬線材沉積(LMDw)在例如航空航天工業中使用，并且是增材制造(AM)的一種形式。作為其用途的一個示例，LMDw可以用于在燃氣渦輪發動機的風扇殼體安裝環上沿著圓周沉積線形成凸緣。

圖1A至圖1C中示出了LMDw的已知用途的這樣一個示例。

圖1A示出了制造單元1的機器人11，制造單元1用于在呈風扇殼體安裝環14(參見圖1B)形式的工件上執行LMDw。機器人11具有臂12，臂12承載頭部13。頭部13包括激光單元2和線材分配器3，激光單元2發射激光束，線材分配器3以臂的方式定位在激光單元2 一側處并分配線材。激光束和線材在風扇殼體安裝環14上的激光金屬線材沉積位置處相遇。

風扇殼體安裝環14以可旋轉的方式被支撐在轉臺15上，轉臺15 如圖1B中所示，并且轉臺15將風扇殼體安裝環14旋轉，以相對于風扇殼體安裝環14移動激光金屬線材沉積位置16，從而圍繞風扇殼體安裝環14沉積圓周層或熔珠141(參見圖1C)。然后，一層接一層地(一個熔珠接一個熔珠地)構建凸緣，并且在所有層(熔珠)都沉積之后，凸緣可以被機加工以賦予凸緣其最終形狀。

圖2是在激光金屬線材沉積位置16處的工具配置的圖解表示。激光單元2朝向LMDw位置16發射激光束21，并且線材分配器3朝向 LMDw位置16進給線材4。激光束的功率約為6kW。

在LMDw位置16處，激光束21熔化線材4，并且新層142被鋪設在基板143上(例如，在風扇殼體安裝環14上，或者在已經沉積在風扇殼體安裝環14上的層141上)。新層142的這種形成是增層制造的一種形式，并且在風扇殼體安裝環14的情況下，用于形成或構建凸緣。

控制單元(未示出)響應于諸如期望的層高度和期望的工具(激光單元)偏移這樣的輸入以及當基板143在方向1431上移動時基板143 的表面的測量高度來控制激光單元2的位置和線材分配器3的線材進給。

線材分配器3包括在線材分配器3的前端或遠端處的噴嘴5，并且線材4從噴嘴5的前端或前尖端向外進給。噴嘴5靠近LMDw位置 16，并且在沉積過程期間(當新層142被鋪設時)，噴嘴5暴露于高溫(例如來自LMDw位置16的輻射熱)和激光束21的反射。

因此，噴嘴5的尖端可能開始熔化，并且噴嘴5的金屬材料(例如銅)可能污染新層142，新層142例如可以是鈦層。

出于制造效率的原因，期望增層制造過程(新層142的沉積過程) 是連續的并且沒有中斷。然而，當噴嘴5的尖端開始熔化時，必須中斷制造過程，并且必須用新的噴嘴替換噴嘴5。在連續過程中的這些中斷導致較低的(較慢的)沉積速率(以千克/小時為單位測量)并且引發提供新噴嘴的成本形式的支出。

噴嘴5的尖端的熔化意味著例如在鋪設最多6道熔珠(層)之后，就需要更換噴嘴，這對應于30分鐘以下的操作時間。沉積過程通常在封閉的氬氣環境中進行(在腔室或帳篷中)。因此，為了更換噴嘴，必須打開腔室或帳篷，更換噴嘴，并用氬氣重新填充腔室或帳篷，以便隨后的沉積過程達到所需的純度水平?？偟膩碚f，更換噴嘴所花費的時間為約5到10分鐘。

為了使噴嘴持續更長的時間，可以通過減小激光束的功率來降低沉積速率，從而延遲噴嘴顯著熔化的開始。然而，這降低了制造過程的生產率，因為在工件上沉積特定量的材料需要更長的時間。