[發(fā)明專利]一種光內(nèi)同軸送絲的激光增材裝置

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010916368.8
• 申請日: 2020-09-03
• 公開（公告）號: CN111805088A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙彥華;王家明;王茜;路來驍;田文浩;閻玉芹
• 申請（專利權(quán)）人: 山東建筑大學
• 主分類號: B23K26/342
• 分類號: B23K26/342;B23K26/70;B23K26/067;B23K26/064;B23K26/073;B23K26/14;B33Y30/00
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一種光內(nèi)同軸送絲的激光增材裝置：主要由筒體、全息光學元件Ⅰ、帶中心通孔的全息光學元件Ⅱ、送絲管、冷卻系統(tǒng)、安裝在筒體上方的定位支撐元件和同軸激光頭部分組成，其特征在于：入射激光束經(jīng)過全息光學元件Ⅰ衍射后形成兩束在空間內(nèi)相互分離的光束并衍射至全息光學元件Ⅱ表面，經(jīng)過全息光學元件Ⅱ再次衍射形成帶有中空無光區(qū)的環(huán)錐形光束，送絲管從全息光學元件Ⅱ的通孔插入此無光區(qū)，以此實現(xiàn)光束、絲材和保護氣體三者完全同軸并垂直于增材成形表面。本發(fā)明利用兩個全息光學元件對激光束的衍射作用，實現(xiàn)了光內(nèi)同軸送絲，提高成形質(zhì)量及效率，降低結(jié)構(gòu)復雜程度，確保了激光送絲成形的各向同性而且整體系統(tǒng)便于控制，提高了能量利用率。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及激光增材技術(shù)及一種光內(nèi)同軸送絲的激光增材裝置。

背景技術(shù)：

在金屬材料的激光增材成形過程中，將激光和被熔材料同步傳輸至成形表面，并使金屬材料連續(xù)、準確、均勻的投入到加工面上按照預定軌跡作掃描運動的聚焦光斑內(nèi)，實現(xiàn)光、料同步作用。材料在光束內(nèi)進行光和熱的轉(zhuǎn)換，形成熔池，完成快速熔化凝固的冶金過程。金屬材料激光增材過程中主要送料方法可分為光外送粉、光內(nèi)送粉、光外送絲、光內(nèi)送絲。

光外送粉方式如圖1所示，其不足之處在于：

1.粉末由傾斜送粉噴嘴13噴出，粉粒離開噴嘴后的運動方向受到本身慣性、氣載壓力、重力等影響，在運動過程中又會受到保護氣和光壓的作用，故粉粒成拋物線狀下落，導致粉粒空中軌跡、落點也會不一致，進而使得粉粒跌落區(qū)域變大。

2.多粉管噴出的多數(shù)粉末10由光束外呈拋物線狀射入光束中，然后落入光斑形成熔池，由于粉末由光束外部進入光束，所以粉末在落入光斑前先與光束發(fā)生干涉，導致光斑光強減弱，造成能量損耗，使得邊界熔合不好，內(nèi)部缺陷增多。

光內(nèi)送粉方式現(xiàn)在主要是通過光路變換得到中空聚焦光束，使送粉管置于聚焦光束中空部位并與光束同軸線，加工中粉束與聚焦光束同軸被正向送入光斑中心，粉末一直被環(huán)形光束均勻?qū)ΨQ包圍，如中國發(fā)明專利ZL200610116413.1公開了一種激光加工成形制造國內(nèi)送粉工藝及其噴頭，具體結(jié)構(gòu)見附圖2。通過光路變換，將圓截面光束變換為圓環(huán)形截面光束，再將所述圓環(huán)光束擴束后聚焦形成環(huán)錐形聚焦光束，在成形表面形成圓環(huán)形聚焦光斑，在環(huán)錐形聚焦光束中產(chǎn)生一錐形無光區(qū)，再由送粉管在光束外伸入此無光區(qū)至與聚焦光束同軸線，然后粉末噴至光斑處進行加工。

雖然此種方案實現(xiàn)了粉末與光束的的同軸作用，但還存在以下幾點不足：

1.送粉管是從光束外部伸入到聚焦光束內(nèi)部，雖然表面涂有吸光材料，但是還是會穿過光束造成能量損耗；

2.送粉管在靠近噴嘴的地方有拐角彎折，而靠近噴嘴地方能量較高，容易造成粉末堵塞，不利于加工。

光外送絲結(jié)構(gòu)如圖3所示，其采用單側(cè)送絲，由激光器發(fā)射的激光束11被聚焦鏡110聚焦成錐形光束12，但由于送絲管和噴絲嘴13只能相對錐形光束12傾斜一角度安裝，由噴絲嘴送出的絲材14只能被傾斜送入激光束，所以一般需要在加工前需調(diào)整絲材使其在光斑位置與光束相交。光外送絲帶來的主要缺點是絲材是傾斜進入熔池，所受光束照射、熔池熱傳導和輻射的熱作用不對稱、不均勻，特別是在增材成形過程中不可避免地出現(xiàn)方向性變化，即加工中激光束相對加工面作不同方向的掃描運動時，光束和絲材相對運動方向就有不同的方位和姿態(tài)，絲材的熔融和熔池作用過程效果將發(fā)生變化，從而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙度等發(fā)生較大變化，甚至造成熔融過程的時斷時續(xù)。