一种丝粉同轴激光制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种丝粉同轴激光制造方法及装置，属于激光制造领域。激光制造装置内基于折射分光原理，设计透镜分光模块，将准直后的光束分为四束平行光，四束平行光束能量均匀，横截面面积相等，经调焦模块和反射模块传导，聚焦透镜汇聚，最后使激光均匀的包裹金属丝材和粉末材料。基于该装置能够实现丝粉同轴的激光制造方法，适用于激光增材制造以及激光焊接等制造方式。本发明专利技术通过将光束分光调整光

【技术实现步骤摘要】
一种丝粉同轴激光制造方法及装置


[0001]本专利技术属于激光制造领域，涉及一种丝粉同轴激光制造方法及装置。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术在构建零件过程中区别于传统的减材加工技术，其通过计算机辅助软件进行三维数字模型设计，然后将数字模型进行分层和切片，以此获得一系列的二维轮廓数据，将二维轮廓数据传输到激光增材设备中，并通过每一层截面几何数据控制激光光束，熔化原材料并按照预定轨迹沉积，从而实现逐层构建零件。这使得传统的减材加工技术中铸造、锻造和模具设计等一系列的工艺得以省去，极大的缩短了零件的制造周期。
[0003]根据成形原材料形式的不同，激光增材制造可分为粉末式激光增材制造和丝材式激光增材制造。两种激光增材制造方法各有不足，粉末式激光增材制造技术具有以下缺点：1)粉末利用率较低，且回收利用的粉末可能会影响零件性能。2)激光增材制造过程中的高温环境使得粉末材料会存在安全隐患，粉末粒径较小，易产生粉尘污染。3)粉末材料制备工艺复杂，对设备的要求严格，经济成本高，且部分材料制粉难度大。丝材式激光增材制造技术具有以下缺点：1)需要同时考虑送丝方向和沉积方向之间的相对位置关系，灵活性较低。2)零件的组分、精度受到丝材质量的限制。3)难以改变丝材的成分和配比，来调整零件的性能。因此，在激光增材制造中，将送丝和送粉进行耦合，会具有以下优势：成形效率高，可根据零件的使役性能对粉末材料的成分和配比、丝材的种类和直径等进行调整，选择合适的工艺参数；灵活性高，丝材的加入可以控制沉积层尺寸，粉的添加提供增强相，并通过调节送粉量，实现对复合材料中增强相体积分数的精准控制。
[0004]针对丝粉同轴的光路设计及装备制造一些学者开展了深入研究：
[0005]专利CN114043091A设计了一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，通过准直镜、旋转对称棱镜和第一耦合棱镜实现光束的分束，最终通过非球面聚光透镜对光束进行汇聚。光路内采用了旋转对称棱镜和第一耦合棱镜，该棱镜形状复杂，制作要求及成本昂贵，且光路内棱镜数量过多，激光能量损失大，以及未设计棱镜调整装置，光路调试过程复杂。该激光增材制造装置采用激光头内置送粉管，内部温度高，容易损坏粉管，出现问题，不易维修。另外非球面聚光透镜离熔池太近，未设置保护镜片，熔池中的残渣迸溅，容易造成透镜损坏。
[0006]专利CN115302076A设计了一种用于激光加工设备的同轴送丝光路系统，光路内采用了准直镜片、第一反射镜片、分光片和第二反射镜片实现光束的分光，激光首先从垂直方向(Z轴)出发，其次反射到水平方向(Y轴)，再次反射到水平方向(X轴)，最后反射到垂直方向(Z轴)，激光在光路内经过了多次方向的改变，光路设计方式复杂，镜片数量多，装配过程中光路调试困难，容易造成激光方向偏移，同时只能实现丝材式激光增材制造，不能实现丝粉同轴增材制造。现有的丝粉同轴激光制造装置较少，且光路设计方式复杂，镜片及装备加工难度大，难以实际应用。
[0007]专利CN114643410 A设计了一种同轴送丝激光制造方法及装置，在激光头中采用
分光
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聚焦光路，光路只能实现两束光束的分光，两束激光不能均匀地包裹金属丝材，使其均匀受热，获得的表面沉积层质量较低，同时只能实现丝材式激光增材制造，不能实现丝粉同轴增材制造，尤其是功能梯度材料的制造。
[0008]因此，需设计更加高效简单的光路分光及相关机械结构。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种丝粉同轴激光制造方法及装置。本专利技术由于分光
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聚焦光路、粉末输送喷嘴和光
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丝
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粉同轴耦合装置的设计，能够解决丝材和粉末材料不能同时使用的问题，进而实现复杂零件尤其是功能梯度零件的制造。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现：
[0011]一种丝粉同轴激光制造装置，用于实现丝粉同轴激光增材制造。所述的激光增材制造装置包括光纤接口模块2、准直扩束模块3、Y
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Z光束位置调节装置6、透镜分光模块7、激光制造装置主体26和调焦模块29。
[0012]所述的准直扩束模块3内设有准直镜4，准直镜4用于将光纤内传出的激光光束直径扩大并减小发散角；准直扩束模块3入口与光纤接口模块2连通，准直扩束模块3出口处设置Y
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Z光束位置调节装置6以及激光制造装置主体26。
[0013]所述的激光制造装置主体26设有透镜分光模块7、外置水冷装置8、反射模块9、聚焦透镜10、送丝管A13、送丝管B16和调焦模块29，其中透镜分光模块7与准直镜4轴线重合。所述的激光光束1经准直径4进行准直后通过Y
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Z光束位置调节装置6到达透镜分光模块7，并基于折射式分光通过透镜分光模块7将激光束1分为四束平行光束，四束平行光束经过调焦模块29调整后，经反射模块9传导，最后经过聚焦透镜10进行聚焦，四束平行光束最终聚焦到粉末输送喷嘴11的出口位置下方；其中，所述的透镜分光模块7、反射模块9、聚焦透镜10和调焦模块29均设置在镜片支承21上。所述的Y
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Z光束位置调节装置6可在Y
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Z两个维度内保证准直镜4与透镜分光模块7的同轴度，保证四束平行光的均匀分光。本专利技术的准直镜4、透镜分光模块7、反射模块9、聚焦透镜10和调焦模块29构成装置内的光路。同时送粉管A13通过粉末输送喷嘴11内的送粉通道将粉末材料12输送至激光焦点位置，送丝管B16依次穿过反射模块9和聚焦透镜10将金属丝材14输送到激光焦点位置，激光与金属丝材14和粉末材料12通过光
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丝
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粉同轴耦合装置调整丝管和同轴粉路在水平面XOY上的位置，实现激光
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丝材
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粉末材料的精准耦合，从而实现丝粉同轴激光增材制造。
[0014]进一步的，所述的激光制造装置内，准直扩束模块3进出口位置以及聚焦透镜10下方均设置由保护镜片5，用于保护激光制造装置内的各镜片，以防外部环境污染或增材过程中飞溅物的损伤。
[0015]进一步的，所述激光制造装置基于折射式分光，分光由透镜分光模块7实现，透镜分光模块表面为平面组成，制造容易，成本低，分光后出现的四束平行光，为以原准直后光束中心点为对称中心的四束中心对称的平行光束，每束平行光束的截面形状近似为四分之一圆，具有能量分布均匀和横截面相等的特点，且激光制造装置内部不存在激光的聚焦点。
[0016]进一步的，所述粉末输送喷嘴11边缘可设置2～6个均匀分布的送粉通道用于连接送粉管A13，送粉管A13与送粉通道相接用以输送粉末材料12。
[0017]进一步的，所述金属丝材14在进入送丝管B16之前需经过丝材矫直装置15，用于矫
正金属丝材14，以防金属丝材14弯曲导致送丝困难。
[0018]进一步的，所述散热铜嘴17为可拆卸零件，其内有螺纹用于连接送丝管B16，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丝粉同轴激光制造装置，用于实现激光
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丝材
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粉末材料同轴激光制造，其特征在于，所述的激光制造装置包括光纤接口(2)、准直扩束模块(3)、Y
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Z光束位置调节装置(6)以及激光制造装置主体(26)；所述的准直扩束模块(3)内设有准直镜(4)，准直镜(4)用于将光纤内传出的激光光束(1)直径扩大并减小发散角；准直扩束模块(3)入口与光纤接口模块(2)连通，准直扩束模块(3)出口处设置Y
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Z光束位置调节装置(6)，激光光束(1)从光纤接口(2)进入，并依次通过准直镜(4)、Y
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Z光束位置调节装置(6)进入激光制造装置主体(26)；所述的激光制造装置主体(26)内设有透镜分光模块(7)、反射模块(9)、聚焦透镜(10)、送丝管A(13)、送丝管B(16)以及调焦模块(29)，其中，透镜分光模块(7)与准直镜(4)轴线重合；所述的激光光束(1)经准直镜(4)后通过Y
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Z光束位置调节装置(6)到达透镜分光模块(7)，并基于折射式分光通过透镜分光模块(7)将激光光束(1)分为四束能量和横截面相等的平行光束，四束光依次经过透镜分光模块(7)、调焦模块(29)和反射模块(9)传导，最后经过聚焦透镜(10)进行汇聚，四束激光最终聚焦至粉末输送喷嘴(11)的出口位置下方；同时送粉管(13)通过粉末输送喷嘴(11)内的送粉通道将粉末材料(12)输送至激光焦点位置，送丝管(16)依次穿过反射模块(9)和聚焦透镜(10)将金属丝材(14)输送至激光焦点位置，激光、粉末材料(12)和金属丝材(14)精准耦合实现丝粉同轴激光制造；所述的激光制造装置主体(26)内，在透镜分光模块(7)、反射模块(9)、聚焦透镜(10)以及调焦模块(29)位置处均配备有镜片支承(21)；透镜分光模块(7)以及反射模块(9)通过镜片支撑调整装置(22)实现镜片在XYZ三个方向的调整；所述的激光制造装置主体(26)部分，设有粉末输送喷嘴(11)、送粉管A(13)、丝材矫直装置(15)、送丝管B(16)、散热铜嘴(17)、送丝管Z维度约束装置(18)、光
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丝
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粉同轴耦合装置(20)；所述激光制造装置的出口处设置有粉末输送喷嘴(11)，粉末输送喷嘴(11)上方设置保护镜片(5)以及送丝管Z维度约束装置(18)，粉末输送喷嘴(11)侧面留有保护气输送口(19)，其中送丝管Z维度约束装置(18)用于实现送丝管(16)在竖直方向的调整，调节送丝管伸出散热铜嘴(17)的长度；所述丝材矫直装置(15)设于送丝管(16)的入口处，用于对金属丝材(14)进行矫直；所述反射模块(9)及聚焦透镜(10)内设置送丝孔，送丝管(16)通过送丝孔插入到光束内，实现光束内送丝；送丝管(16)的入口处还设置送丝管装夹装置(23)，用于承担送丝管(16)所受的外力；所述送丝管(16)出口处装有散热铜嘴(17)增强散热；所述送粉管(13)通过粉末输送喷嘴(11)内的送粉通道将粉末材料(12)送入到光束内，实现光束内送粉；所述粉末输送喷嘴(11)上方的保护外壳处设有顶丝，用于实现送粉管(13)和送丝管(16)在水平面内的位置调整，保证激光与粉末材料(12)和金属丝材(14)的精准耦合；所述粉末输送喷嘴(11)处设有保护气输送口(19)，保护气通过粉末输送喷嘴(11)输送到熔池周围，可实现激光制造过程中的同轴惰性气体保护。2.根据权利要求1所述的一种丝粉同轴激光制造装置，其特征在于，所述的激光制造主体(26)不仅可以实现激光
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粉末材料
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金属丝材的同轴制造，也可以单独实现激光
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粉末材料或激光
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金属丝材的同轴制造。3.根据权利要求1所述的一种丝粉同轴激光制造装置，其特征在于，所述粉末输送喷嘴(11)边缘可设置2～6个均匀分布的送粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广义，宋晨晨，牛方勇，隋江浩，蔡思俊博，谷崇煜，吴东江，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：