[發明專利]用于工件表面處理的同軸粉末噴嘴頂頭模塊

在審

• 申請號: 202080003184.0
• 申請日: 2020-06-02
• 公開（公告）號: CN112703078A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 格哈德·瑪麗亞·貝克斯;哈拉德·迪克勒;安德列斯·加瑟;洪辰;賈娜·凱爾巴薩;約翰內斯·亨里希·施萊芬鮑姆;托馬斯·肖普芬;薩達戈潘·塔庫拉辛根
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍夫應用研究促進協會;亞琛聯合科技有限公司
• 主分類號: B23K26/342
• 分類號: B23K26/342;C23C24/10
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;金淼

本發明涉及一種用于工件表面處理、尤其是用于利用激光束進行工件表面處理的同軸粉末噴嘴的同軸粉末噴嘴頂頭模塊。本發明還涉及具有該同軸粉末噴嘴頂頭模塊的同軸粉末噴嘴。根據本發明的同軸粉末噴嘴具有同軸粉末噴嘴頂頭模塊和同軸粉末噴嘴基體，其中，同軸粉末噴嘴頂頭模塊布置在同軸粉末噴嘴基體的朝向待處理工件表面的一側上。本發明的同軸粉末噴嘴頂頭模塊具有內部部分和外部部分，并適合于借助激光照射進行工件表面處理。內部部分與外部部分之間存在使粉末氣體混合物流過的環狀間隙，該環狀間隙與激光照射的傳播軸同軸布置。該同軸粉末噴嘴頂頭模塊的特征在于其呈準整體構型。

技術領域

本發明涉及一種用于工件表面處理、尤其是用于利用激光束進行工件表面處理的同軸粉末噴嘴的同軸粉末噴嘴頂頭模塊。本發明還涉及具有該同軸粉末噴嘴頂頭模塊的同軸粉末噴嘴。

背景技術

術語“表面處理”應盡量取廣義概念，例如包括借助激光照射的彌散、冶金、涂布和增材制造的工藝(又稱為激光堆焊或激光生成)。這些工藝可用于借助填料對部件進行邊層處理、修復和增材制造。在此情形下，利用激光束在部件表面上形成熔池，借助輸送氣體通過粉末噴嘴將固態的或已經熔融的液態的粉末狀填料注入到熔池中。通過將部件相對于激光束移動，在部件表面上創建經由連接區與基材融合的一層。此外，在基材中創建熱影響區。粉末供給在該過程中起到重要作用。實質上，供給粉末的三種可行方案之間存在區別。第一種可行方案是側面粉末供給，其中粉末僅從一側以一定角度注入到熔池中。在第二種可行方案中，粉末通過定位于激光束周圍的多個分束注入。另外，還已知同軸粉末供給，其中粉末以一定角度呈環形注入到熔池中。與側面系統相比，同軸粉末噴嘴系統的優勢在于，平面內的處理結果與方向的相關性更小。這就表明，也能使用增材制造來制造3D部件。與使用側面粉末供給系統相比，使用同軸粉末噴嘴系統還可實現顯著更高的粉末效率。這里，粉末效率表示可供熔池使用的粉末量與所施加的粉末量的比率。

在現有技術中，已知兩種用于由填料制層的變型方法：

首先，借助粉末供給機構將固體粉末供送到熔池中。通過照射激光束使熔池保持在液態。固體粉末進入熔池區域并在此被激光熔化。如果此時將部件相對于激光和粉末供給機構移動，則熔池會移出激光影響區域并固化。一部分照射激光能量應用于熔化基材，從而在基材與填料之間建立冶金連接。這樣還會創建熱影響區。因此，填料與部件材料的混合取決于激光的功率。利用本文所述的方法，部件相對于激光束的處理速度，即進給速度，通常能夠達到0.2m/min至2m/min。目前達到的最高處理速度為20m/min。

其次，由德國專利文獻DE 10 2011 100 456 A1公布的所謂的EHLA工藝。利用EHLA工藝，通過將至少一種填料以完全熔融的形式供給到待處理表面上的熔池中，能夠顯著提高可達到的處理速度。為此，最初呈粉末形式的填料借助激光束在距熔池大于零的距離處熔化，然后以液態形式供送到熔池。可以通過相同的激光束完成在距熔池一定距離處熔化粉末以及加熱并熔化基材。照射到熔池上的激光束還作用于使填料在距熔池的指定距離處熔化。

因填料呈液態供送到熔池，故無需花費時間來熔化熔池中粉末顆粒。這又會減少形成層所需的時間，由此能夠顯著提高處理速度。如果粉末在進入熔池之前注入到熔池上方的激光束中，則粉末顆粒在激光束中的停留時間遠長于僅在熔池中由激光束輻照填料的時間。高強度的激光照射縮短了熔化粉末狀填料顆粒所需的時間。一方面可以通過提高激光功率來提高激光照射強度，而另一方面也可以通過減小射束面積來提高激光照射強度。材料熔化的區域是這樣的區域，即在該區域中，通過聚焦射束的強度足以使粉末顆粒在進入激光束的時間內熔化。該區域也可以在激光束焦點之前和/或之后沿激光束的光軸方向延伸。優選地，粉末狀填料作為束流注入到激光束中。這時，可以通過氣體束運送粉末。特別優選的是，粉末束聚焦到小區域內。基本上全部粉末顆粒就都經過這一小區域。這樣的聚焦例如可以通過借助同軸粉末噴嘴產生粉末束來實現。如此聚焦的粉末束具有錐體形狀，其中，該錐體的錐尖恰好是該粉末束所聚焦的那一區域。在這樣的布置中，激光束和粉末氣體束可以彼此同軸延伸。于是，顆粒在基材上方聚焦到上述粉末聚焦區域，在此處與激光照射相互作用，以自此處撞擊到熔池上。這時，填料則呈液態。