用于激光金属线材沉积机器的带冷却回路的线材分配器、对应的激光金属线材沉积机器、用这种线材分配器在工件上执行激光金属线材沉积的方法技术

一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器(9)包括纵向导管(8)，该纵向导管用于将线材(4A、4B)从导管(8)的近端(81)引导到远端(82)。喷嘴单元(6)连接到导管(8)的远端(82)，并且具有通孔(51)，该通孔用于从导管(8)的远端(82)接收线材(4B)，并且用于在激光金属线材沉积位置(16)附近排出线材(4B)。喷嘴单元(6)包括用于冷却液体的冷却回路(771)。

The wire distributor with cooling circuit for laser metal wire deposition machine, the corresponding laser metal wire deposition machine, and the method of using the wire distributor to perform laser metal wire deposition on the workpiece

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光金属线材沉积机器的带冷却回路的线材分配器、对应的激光金属线材沉积机器、用这种线材分配器在工件上执行激光金属线材沉积的方法
本专利技术涉及一种线材分配器，其特别地但不排他地适用于在激光金属沉积机器中使用，并且涉及线材分配器的冷却。
技术介绍
激光金属线材沉积(LMDw)在例如航空航天工业中使用，并且是增材制造(AM)的一种形式。作为其用途的一个示例，LMDw可以用于在燃气涡轮发动机的风扇壳体安装环上沿着圆周沉积线形成凸缘。图1A至图1C中示出了LMDw的已知用途的这样一个示例。图1A示出了制造单元1的机器人11，制造单元1用于在呈风扇壳体安装环14(参见图1B)形式的工件上执行LMDw。机器人11具有臂12，臂12承载头部13。头部13包括激光单元2和线材分配器3，激光单元2发射激光束，线材分配器3以臂的方式定位在激光单元2一侧处并分配线材。激光束和线材在风扇壳体安装环14上的激光金属线材沉积位置处相遇。风扇壳体安装环14以可旋转的方式被支撑在转台15上，转台15如图1B中所示，并且转台15将风扇壳体安装环14旋转，以相对于风扇壳体安装环14移动激光金属线材沉积位置16，从而围绕风扇壳体安装环14沉积圆周层或熔珠141(参见图1C)。然后，一层接一层地(一个熔珠接一个熔珠地)构建凸缘，并且在所有层(熔珠)都沉积之后，凸缘可以被机加工以赋予凸缘其最终形状。图2是在激光金属线材沉积位置16处的工具配置的图解表示。激光单元2朝向LMDw位置16发射激光束21，并且线材分配器3朝向LMDw位置16进给线材4。激光束的功率约为6kW。在LMDw位置16处，激光束21熔化线材4，并且新层142被铺设在基板143上(例如，在风扇壳体安装环14上，或者在已经沉积在风扇壳体安装环14上的层141上)。新层142的这种形成是增层制造的一种形式，并且在风扇壳体安装环14的情况下，用于形成或构建凸缘。控制单元(未示出)响应于诸如期望的层高度和期望的工具(激光单元)偏移这样的输入以及当基板143在方向1431上移动时基板143的表面的测量高度来控制激光单元2的位置和线材分配器3的线材进给。线材分配器3包括在线材分配器3的前端或远端处的喷嘴5，并且线材4从喷嘴5的前端或前尖端向外进给。喷嘴5靠近LMDw位置16，并且在沉积过程期间(当新层142被铺设时)，喷嘴5暴露于高温(例如来自LMDw位置16的辐射热)和激光束21的反射。因此，喷嘴5的尖端可能开始熔化，并且喷嘴5的金属材料(例如铜)可能污染新层142，新层142例如可以是钛层。出于制造效率的原因，期望增层制造过程(新层142的沉积过程)是连续的并且没有中断。然而，当喷嘴5的尖端开始熔化时，必须中断制造过程，并且必须用新的喷嘴替换喷嘴5。在连续过程中的这些中断导致较低的(较慢的)沉积速率(以千克/小时为单位测量)并且引发提供新喷嘴的成本形式的支出。喷嘴5的尖端的熔化意味着例如在铺设最多6道熔珠(层)之后，就需要更换喷嘴，这对应于30分钟以下的操作时间。沉积过程通常在封闭的氩气环境中进行(在腔室或帐篷中)。因此，为了更换喷嘴，必须打开腔室或帐篷，更换喷嘴，并用氩气重新填充腔室或帐篷，以便随后的沉积过程达到所需的纯度水平。总的来说，更换喷嘴所花费的时间为约5到10分钟。为了使喷嘴持续更长的时间，可以通过减小激光束的功率来降低沉积速率，从而延迟喷嘴显著熔化的开始。然而，这降低了制造过程的生产率，因为在工件上沉积特定量的材料需要更长的时间。通过减小激光功率来降低沉积速率与当前的商业趋势相反，当前的商业趋势是通过例如增加激光功率来努力增加沉积速率以提高制造效率(生产率)。期望改进激光金属线材沉积过程。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器，该线材分配器包括：导管，其用于将线材从导管的近端引导到远端；以及喷嘴单元，其连接到导管的远端，并且具有通孔，该通孔用于从导管的远端接收线材，并且用于将线材在激光金属线材沉积位置附近排出；其中喷嘴单元包括用于冷却液体的冷却回路。通过提供喷嘴单元的冷却，可以延迟或防止喷嘴单元的显著熔化的开始，并且因此可以通过减少或消除与更换喷嘴单元相关联的停机时间(中断)来提高制造效率。还节省了必须提供替换喷嘴单元或其零件的成本。在使用本专利技术的实施例的制造单元中，沉积过程已经运行超过10小时，而不必更换喷嘴单元，相比之下，先前在需要更换喷嘴之前所经历的典型时间段为30分钟。可以设想的是，使用本专利技术的制造单元可以通过增加激光功率(例如从6kW到12kW)来实现更快的沉积速率。在一些实施例中，喷嘴单元包括金属前块和后冷却部，该金属前块横向定位在喷嘴单元的通孔的前部，该后冷却部横向定位在喷嘴单元的通孔的后部并且在前块后方；喷嘴单元的后冷却部包含冷却回路。金属块可以被视为充当散热器，其吸收从LMDw位置辐射的热量和从LMDw位置反射的激光。金属可以给该块足够的热质量，然后由金属块吸收的热能被后冷却部的冷却功能带走。后冷却部和金属前块可以包括单个(整体)金属块。后冷却部可以包含腔室，该腔室形成冷却回路的前部。冷却剂入口管可以连接到腔室的前端。冷却剂出口管可以连接到腔室的后端。在一些实施例中(例如当激光束具有约6kW的功率时)，冷却液体(例如水)的流率为0.15至0.35立方米/小时或0.2至0.3立方米/小时。当激光束具有更高的功率时，流率可以对应地增大。金属块可以具有抛光表面，以帮助反射掉散射的激光。在一些实施例中，喷嘴单元是可更换的类型，其能够从导管的远端移除。在一些实施例中，金属前块和后冷却部在金属喷嘴周围形成套筒状装置，该金属喷嘴包含用于线材的通孔。这提供了一种改装现有设备的便利方式。现有喷嘴可以具有与现有喷嘴匹配的产生的套筒状装置(金属前块和后冷却部)。此外，喷嘴(如果磨损)可以被更换，而不必更换套筒状冷却装置，反之亦然。套筒状装置可以可滑动地配合到金属喷嘴上。套筒状装置可以摩擦地夹持金属喷嘴。在一些实施例中，后冷却部具有与金属喷嘴接触的圆周线。例如，喷嘴的外径可以套筒状装置的内径大致匹配(可以相同)。从喷嘴到套筒状冷却装置的大的热路径(围绕整个圆周)增加了保持喷嘴冷却的有效性。在一些实施例中，金属前块的金属的体积大于金属喷嘴的坐置在金属前块内的部分的金属的体积。这有助于使金属前块充当散热器，从而避免喷嘴发热，并且因此有助于防止喷嘴本身发生不期望的熔化。在一些实施例中，喷嘴是可更换的类型，其能够从导管的远端移除。在一些实施例中，套筒状装置具有从后冷却部的后面延伸到前块的前面的套筒孔，并且喷嘴坐置在套筒孔中。喷嘴可能堵塞套筒孔。这是可接受的，因为不需要沿着套筒孔的整个长度的纵向通道来为喷嘴尖端供应气体。堵塞套筒孔的喷嘴有助于确保用于将喷嘴冷却的大的热路径。对于一系列不同外径的现有喷嘴，可以生产一系列套筒状装置，其套筒孔的内径与喷嘴的外径相匹配。在一些实施例中，喷嘴在套筒孔中的纵向位置使得喷嘴的前尖端在前块的前面的±5mm(更优选地，+1mm或-5mm)的范围内。当决定喷嘴的尖端应该相对于前块的前面突出或凹进到什么程度时，可能希望使其齐平或仅稍微凹进。在一些实施例中，喷嘴单元的冷却回路在喷嘴单元的后面处具有入口和出口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器，所述线材分配器包括：纵向导管，所述纵向导管用于将线材从所述导管的近端引导到远端；和喷嘴单元，所述喷嘴单元连接到所述导管的所述远端，并具有通孔，所述通孔用于从所述导管的所述远端接收所述线材，并且用于在激光金属线材沉积位置附近排出所述线材；其中，所述喷嘴单元包括用于冷却液体的冷却回路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.17 GB 1700808.71.一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器，所述线材分配器包括：纵向导管，所述纵向导管用于将线材从所述导管的近端引导到远端；和喷嘴单元，所述喷嘴单元连接到所述导管的所述远端，并具有通孔，所述通孔用于从所述导管的所述远端接收所述线材，并且用于在激光金属线材沉积位置附近排出所述线材；其中，所述喷嘴单元包括用于冷却液体的冷却回路。2.根据权利要求1所述的线材分配器，其中：所述喷嘴单元包括金属前块和和后冷却部，所述金属前块横向定位在所述喷嘴单元的所述通孔的前部，所述后冷却部横向定位在所述喷嘴单元的所述通孔的后部，并且在所述前块后方；并且所述喷嘴单元的所述后冷却部包含所述冷却回路。3.根据权利要求1或2所述的线材分配器，其中，所述喷嘴单元是可更换的类型，所述喷嘴单元能够从所述导管的所述远端移除。4.根据权利要求2或3所述的线材分配器，其中：所述金属前块和所述后冷却部形成套筒状装置，所述套筒状装置可移除地配合到金属喷嘴上，所述金属喷嘴包含用于所述线材的所述通孔。5.根据权利要求4所述的线材分配器，其中，所述后冷却部具有与所述金属喷嘴接触的圆周线。6.根据权利要求4或5所述的线材分配器，其中，所述金属前块的金属的体积大于所述金属喷嘴的坐置在所述金属前块内的那部分的金属的体积。7.根据权利要求4至6中任一项所述的线材分配器，其中，所述喷嘴是可更换的类型，所述喷嘴能够从所述导管的所述远端移除。8.根据权利要求4至7中任一项所述的线材分配器，其中：所述套筒状装置具有从所述后冷却部的后面延伸到所述前块的前面的套筒孔，并且所述喷嘴坐置在所述套筒孔中。9.根据权利要求8所述的线材分配器，其中，所述喷嘴阻塞所述套筒孔。10.根据权利要求8或9所述的线材分配器，其中，所述喷嘴在所述套筒孔中的纵向位置使得所述喷嘴的前尖端在所述前块的所述前面的±5mm的范围内。11.根据权利要求10所述的线材分配器，其中，所述喷嘴的所述前尖端在所述前块的所述前面的+1mm或-5mm的范围内。12.根据前述权利要求中任一项所述的线材分配器，其中，所述喷嘴单元的所述冷却回路在所述喷嘴单元的后面处具有入口和出口，并且冷却剂液体入口管连接到所述入口，冷却剂液体出口管连接到所述出口。13.根据前述权利要求中任一项所述的线材分配器，其中，具有冷却回路的冷却夹套定位在所述导管周围。14.根据权利要求13所述的线材分配器，其中，所述冷却夹套的所述冷却回路连接到所述喷嘴单元的所述冷却回路。15.一种激光金属线材沉积机器，所述激光金属线材沉积机器包括激光单元和根据前述权利要求中任一项所述的线材分配器，所述激光单元限定激光束轴线，其中，所述线材分配器的所述喷嘴单元的所述通孔限定线材分配轴线，并且所述激光束轴线和所述线材分配轴线在所述激光金属线材沉积位置处相遇。16.根据权利要求15...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·卡尔，
申请(专利权)人：GKN航空公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE