激光熔覆送料装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光熔覆送料装置，属于激光加工领域，该激光熔覆送料装置接受入射光束并将入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，激光熔覆送料装置包括支撑架、设置在支撑架上的分光镜和反射聚焦镜及位于反射聚焦镜下方的喷嘴，分光镜将入射光束分为至少两束反射光束，再通过反射聚焦镜将至少两束反射光束聚焦成至少两束聚焦光束，至少两束聚焦光束形成中空无光区和焦点，激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统。该激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统，可实现良好降温效果，进而可提高支撑架、分光镜、反射聚焦镜的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光熔覆送料装置，属于激光加工领域。
技术介绍
在先进激光加工成形制造技术中，有一个关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。国内外现行的送料方法可以分为光外送丝和光内送丝。光外送丝的结构如图1所示，其采用单侧送丝，在现有激光送丝熔覆或焊接方法中，由激光器发射的激光束11被聚焦镜110聚焦成锥形光束12，但，由于送丝管和喷丝嘴13只能相对锥形光束12倾斜一角度安装，由喷丝嘴送出的丝材14只能被倾斜送入激光束，所以一般需要在加工前需调整丝材使其在光斑位置与光束相交(参考文献：王至尧主编.中国材料工程大典第25卷.北京：化学工业出版社，2006；2、左铁钏主编.21世纪的先进制造—激光技术与工程.北京，科学出版社，2007，5；3、WaheedUIHaqSyed,LinLi.Effectsofwirefeedingdirectionandlocationinmultiplelayerdiodelaserdirectmetaldeposition.AppliedSurfaceScience,24March2005)。通过上述可以看出，单侧送丝带来的最大缺陷就是丝材是倾斜进入熔池，所受光束照射、熔池热传导和辐射的热作用不对称、不均匀，特别当熔覆中不可避免地出现方向性变化，即加工中激光束相对加工面作不同方向的扫描运动时，光束和丝材相对扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙度等均会发生较大变化，甚至造成熔融过程的时断时续。单侧送丝中对于普通单方向扫描的单层或多层熔覆堆焊不存在方向性影响，因其送进方位角度不会改变，而对复杂型面堆焊特别是三维直接快速成型等工艺而言，由于扫描轨迹和方向在不断变化，其影响就很突出，熔覆的连续性或熔道质量都很难保证。此外，熔覆时丝材送入点必须在工件表面与光束焦点位置与之相交重合，其交点又因限制在熔池表面上下一很小的区域内，但如果加工中此交点相对加工表面(或熔池)上下有位置波动和变化(难免，特别在多层堆积中)，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的熔化过程断续进行，丝材前段弯曲，光和丝断续对准和错位，这样使熔覆过程的连续性和熔道质量对焦点与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。此外，激光熔覆过程常需要在熔池周围输送惰性保护气体，以吹压熔覆产生的热焰、熔渣等，从而保护筒体内腔镜片不受污染，同时熔池不被氧化。在现有技术侧向送丝装置中，由于结构限制，保护气体也只能侧向吹送，其对熔池的吹压力不均匀，气流紊乱，保护效果差。光内送丝方法如中国专利第CN101386111A号公开的激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置，该激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置的筒体上方有入光口，下方有出光口，入光口与出光口同轴。筒体中心均匀设计三根筋条与筒体内壁相连，筋条上固定了一个圆锥镜，圆锥镜的锥形镜面朝向入光口并与之同轴线。圆锥镜将入射激光束切割、反射变换为环形光束。筒体内壁上还与圆锥镜同轴安装了一个环形反射聚焦镜，其镜面朝向所述圆锥镜。圆锥镜反射的环形光束入射到环形反射聚焦镜上，再由环形反射聚焦镜反射聚焦成环锥形聚焦光束，环锥形聚焦光束中形成一锥形中空无光区和焦点，焦点在出光口之外。单根送丝管从筒体外部插入，穿过圆锥镜与环形反射聚焦镜之间的空隙，到达圆锥镜背面后转为与环锥形光束同轴线，使得送丝管端部的喷丝嘴置于所述环锥形光束的锥形中空无光区内，并与环锥形光束同轴线。喷丝嘴出口位置靠近环锥形光束的焦点。丝材从送丝管中送入，通过送丝管下端的喷丝嘴输出，在接近焦点处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与基材表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材表面调整到所述焦点附近，熔入熔池的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随光束与基材的相对移动而连续凝固形成熔道。筋条上方的迎光面涂镀有吸光材料，筋条内部设置了冷却水道。通过设置成筋条结构可有效减少迎光面积，减少光照损失。所述送丝管处于筒体内的迎光面涂镀有吸光材料，内部设置了冷却水道。此光内送丝装置虽然具有如下效果：通过光路变换得到中空环形聚焦光束，使送丝管置于聚焦光束中空部位并与光束同轴线，加工中丝材与聚焦光束同轴被正向送入光斑中心，丝材一直被环形光束均匀对称包围。熔覆加工过程中，无论丝材和光束相对加工面(或熔池)的相对运动方向如何改变，如在三维熔覆加工中当光束扫描方向任意变化时，光束和丝材相对扫描运动方向的方位和姿态完全相同，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程理论上不发生变化，完全消除了扫描方向性带来的影响。另一方面，光束相对熔池上下波动产生离焦时，丝材可始终对准光斑和熔池的中心，光斑和丝材不会错位。这样，丝材与熔池受热作用的方式保持不变，使热作用保持均匀、稳定。在扫描光束相对加工面三维位置变化影响下，丝材与熔池之间的作用力恒为正向，丝材不造成偏歪，有利于熔池驱动力均衡和熔体流动对称。同时，丝材下段和加工表面始终受到均匀对称的激光辐照和熔池的热作用，均匀的受热和凝固过程可大大提高熔道质量。但依然存在如下不足：由于入射光不得不经过筒体上的三根筋板，会带来如下缺陷：1、光通过三个筋板，会有能量损耗，减小了有效的熔覆能量；2、虽然筋条的迎光面上涂镀有吸光材料，但如果工艺稳定性不好，依然会有光反射到聚光镜，容易使得其过热损坏，所以，对涂镀吸光材料工艺难度要求较高；3、由于圆锥镜和聚焦镜装配时存在尺寸误差，导致聚焦光照射到三根筋板上的光束面积不同或光束在筋板上的位置尺寸不同，故容易导致三根筋板变形不一致，容易导致在熔覆过程中光斑和丝材的同轴精度不高，从而导致熔覆质量下降；4、冷却水道仅设置在筋条内部，所以，降温效果不明显；喷丝嘴出口位置离熔覆区域比较近，丝材会将温度传递到喷丝嘴上，喷丝嘴由于高温的存在，不但容易变形导致光斑和丝材的同轴精度变差，而且容易导致喷头损坏。由于圆环光束和送丝嘴之间的空间很小，无法布置水路冷却，更加导致喷丝嘴容易损坏；5、光也经过送丝管，不但增加了能量损耗，而且由于整条送丝管上只有部分光照射到其表面，由于受热不均匀，也会导致送丝管变形，导致送丝阻力加大，最终导致送丝过程中速度变化，影响熔覆层形状精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现良好降温效果的激光熔覆送料装置。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种激光熔覆送料装置，接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆送料装置包括支撑架、设置在所述支撑架上的分光镜和反射聚焦镜及位于所述反射聚焦镜下方的喷嘴，所述分光镜将入射光束分为至少两束反射光束，再通过反射聚焦镜将至少两束反射光束聚焦成至少两束聚焦光束，至少两束所述聚焦光束形成中空无光区和焦点，所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统。进一步的：所述光路冷却系统包括开设在所述支撑架内的供冷却介质通过的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光熔覆送料装置，接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆送料装置包括支撑架、设置在所述支撑架上的分光镜和反射聚焦镜及位于所述反射聚焦镜下方的喷嘴，所述分光镜将入射光束分为至少两束反射光束，再通过反射聚焦镜将至少两束反射光束聚焦成至少两束聚焦光束，至少两束所述聚焦光束形成中空无光区和焦点，其特征在于，所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统。

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆送料装置，接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆送料装置包括支撑架、设置在所述支撑架上的分光镜和反射聚焦镜及位于所述反射聚焦镜下方的喷嘴，所述分光镜将入射光束分为至少两束反射光束，再通过反射聚焦镜将至少两束反射光束聚焦成至少两束聚焦光束，至少两束所述聚焦光束形成中空无光区和焦点，其特征在于，所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述支撑架、分光镜、反射聚焦镜降温的光路冷却系统。2.如权利要求1所述的激光熔覆送料装置，其特征在于，所述光路冷却系统包括开设在所述支撑架内的供冷却介质通过的第一冷却通道、开设在所述分光镜内的供冷却介质通过的第二冷却通道及开设在所述反射聚焦镜内的供冷却介质通过的第三冷却通道，所述第一冷却通道分别于第二冷却通道和第三冷却通道连通。3.如权利要求1或2所述的激光熔覆送料装置，其特征在于，所述激光熔覆送料装置内形成有供冷却介质循环流动以给所述喷嘴降温的喷嘴冷却系统。4.如权利要求3所述的激光熔覆送料装置，其特征在于，所述喷嘴上套设有喷嘴外套，所述喷嘴外套包括基部、贯穿所述基部的喷嘴安装通孔及于基部朝所述喷嘴安装通孔内凸伸形成的冷却板筋，所述喷嘴外套通过所述喷嘴安装通孔套至在所述喷嘴上，所述基部内形成有中间通道，所述冷却板筋位于中间通道与所述喷嘴之间，且贴靠于所述喷嘴，所述基部上还开设有与所述中间通道联通的冷却介质进口和冷却介质出口，所述喷嘴冷却系统由所述中间通道、冷却介质进口、冷却介质出口及冷却板筋组成，所述冷却介质依次流经冷却介质进口、中间通道和冷却介质出口。5.如权利要求4所述的激光熔覆送料装置，其特征在于，所述喷嘴外套位于所述中空无光区内。6.如权利要求4所述的激光熔覆送料装置，其特征在于，所述激光熔覆送料装置还包括中间轴，所述支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅戈雁，吉绍山，石世宏，刘凡，张锐，鲁键，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32