专利名称：一种激光变斑熔覆成型工艺及用于该工艺的同轴喷头的制作方法
技术领域：
本发明属于激光加工领域，具体涉及激光变斑熔覆工艺及其专用同轴喷头。
背景技术：
激光熔覆主要用于涂层熔覆、零件精密三维快速制造等。在熔覆过程中，激光束照射并聚焦在成形加工表面，送料器将金属粉末或金属丝材送入成形加工表面上的激光聚焦光斑中。激光熔覆快速制造工作过程是根据建立的三维实体CAD模型，对模型沿某一方向按一定厚度进行分层处理，得到一系列层片数据。对层片数据进行扫描路径规划后，生成执行系统的运动轨迹。数控工作台和同轴喷头按此轨迹运动，进行熔覆堆积加工。加工好一层后，再在已成型部分上面熔覆新的层片。如此循环，直至零件全部加工完成。在这种动态加工过程中，将粉末或丝材始终准确送入成形加工面上的激光光斑中是保证熔覆成型质量的关键，而适时改变光斑尺寸和送料量大小是提高熔覆效率的重要手段。
现有的激光熔覆成型工艺大都采用等光斑，即在熔覆过程中一般不改变光斑大小。每一层片堆积的厚度和熔覆光斑越小，即扫描熔覆的熔道越薄越窄，则堆积出的三维实体精度越高，其表面的“台阶效应”越小，但加工效率非常低。对于通常零件，层面中部填充区域面积远远大于边缘轮廓线所占面积，故层面中部填充所花费的时间对总成型时间影响很大。若采用轮廓法堆积即用小光斑、小粉斑熔覆每一层片的外轮廓，然后再用大光斑、大粉斑熔覆充填内部区域，这样既可保证成型零件的表面精度，又可提高堆积速度。美国Optemec Design公司研究的一种多喷点喷头，它有四束平行布置的激光和十个倾斜布置的粉管，采用轮廓法进行三维堆积时，可控制使其中一束激光和二至四根粉管送粉来熔覆外部轮廓，而内部充填时则可开启二至四束平行激光束与四至十根粉管同时工作以加快充填速度。但是四路激光排成一列，这种充填具有方向性。快速成型加工中需不断旋转工作台或光头以满足改变充填角度的需要。目前激光熔覆成型技术中未普遍采用变斑熔覆的一个主要原因是现有送粉装置结构上的不适应。
国内外现有送粉装置中比较先进的是同轴送粉头。如美国专利(US5418350；US5477026；US5961862)、欧洲专利(WO2005028151)、日本专利(JP2005219060)等公开了多种同轴送粉头，其基本结构均采用多层同心锥筒形式。文献《中国材料工程大典第25卷》(王至尧主编.北京化学工业出版社，2006)综合了国内外现有同轴送粉技术，在送粉方式上均采用在筒体上围绕中心光路通道呈倾斜环形或2～8路倾斜送粉通道均匀布置的结构方案，送粉时需均分粉量给各通道，多路粉末相对光束倾斜喷射，并在加工表面汇聚成一点。
现有同轴送粉装置均为多粉末通道并相对光束倾斜布置，粉束的运动轨迹均为抛物线状，其对称度、汇聚调节性能以及送粉的准确性、精密度、均匀度、稳定性和可控性都较差，熔覆精度与成型质量都受到限制；当需要变斑熔覆而提高或下降喷头使光斑变大时，多路粉束的汇聚点也将高于或低于加工表面，这样落到光斑中的粉束尚未汇聚或已发散，其粉末直径、分布均匀性、散落度都不好控制，难以实现变斑熔覆。前述Optemec Design公司的多喷点喷头可实现变斑熔覆，但同样存在多粉管倾斜布置的问题。且这种喷头结构复杂，价格昂贵，灵活性和使用范围都受到限制。
本申请人已申请的专利(200510112041.0)提出将光路中的反射镜设计为带开口，开口处的光束由吸收体吸收，开口区外的光束继续反射并在聚焦镜与其焦点之间形成锥形无光区。单根送粉管可以放置在聚焦光束中心的无光区而不会受到激光束的照射，实现了粉管中心与光束中心完全重合，粉束可沿光束中心线方向垂直喷射到加工表面的聚焦光斑中。与以前的激光熔覆送粉装置相比，大大提高了粉末的均匀性和汇聚度；无论工作表面相对喷头怎样上下变动位置，单束粉末始终与光束同轴，落点一直对准光斑中心，避免了变焦时粉末斜喷的方向性及粉束未聚合和发散问题。但该发明送粉管是弯折形的单层管不便实现变斑熔覆。
发明内容
需要一种变斑激光熔覆工艺以及实现该工艺的装置，实现粉斑大小能够变换，当扫描层片轮廓时用小光斑和小粉斑，当扫描层片内部区域时用大光斑和大粉斑；熔覆时不需要调节粉末汇聚点，总能与光斑精确耦合；可适应任意扫描方向。
本发明即为达到上述目的而提出。
本发明的激光变斑熔覆成型工艺，其主要工艺过程为a、将三维成型零件进行实体分层，用轮廓法规划每一层片的扫描路径，即先沿层片的外轮廓扫描，再在层片的内部区域填充扫描；b、采用小口径管单道送粉，将成型表面调节至激光光束焦点附近，在成型面上形成小光斑，粉束和光束同轴并垂直于成型表面，进行层片轮廓的熔覆；c、采用大口径管单道送粉，通过离焦法，即将所述激光变斑熔覆同轴喷头上升或下降，在成型面上形成大光斑，粉束和光束同轴并垂直于成型表面，进行层片内部区域的填充熔覆；d、完成一层材料的扫描熔覆后，移动成型零件与光粉喷头的相对位置，在零件已成型部分上面按步骤b、c再熔覆一层新的层片，如此循环，直至零件全部加工完成。
小光斑直径在0.5mm～2mm之间选取，大光斑直径在2mm～10mm之间选取。为保证熔道整齐均匀，粉斑直径略大于光斑直径。调节激光器的输出功率和送粉器的送粉量，使变斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不变。
本发明工艺采用的激光变斑熔覆同轴喷头，包含L形筒体、安装在筒体内的带径向开口的平面反射镜及其光束吸收体、聚焦反射镜、送粉管和安装在筒体上方的送粉器等部分。其特点是所述平面反射镜的开口开设在镜面中心及最低母线半径方向并与入射光方向平行，沿入射光方向在平面反射镜开口后方安装光束吸收体，光束吸收体可吸收通过开口的光束能量。在筒体内沿所述平面反射镜的反射光方向安装聚焦反射镜，在聚焦反射镜的镜面中心沿聚焦反射光束方向开一个通孔，对应通孔的上方筒体壁上也开一小孔，该小孔与所述通孔同轴线。所述送粉管为可变口径直管结构，送粉管经由小孔插入筒体内，并经过聚焦反射镜中心的通孔朝筒体下部延伸，送粉管与平面反射镜的开口在同一垂面上，送粉管的喷口靠近筒体出光口。
送粉管为同轴心的双层直管结构，内层为小口径管，外层为大口径管，送粉管上部与筒体上方的送粉器联接，两层管道的粉末入口不连通；送粉管还可由轴线平行的大、小口径管并联构成，且两轴线沿反射聚焦镜的入射光方向共面，将送粉管上部与筒体上方的送粉器联接，两层管道的粉末入口不连通。在送粉管伸出筒体的一端上固联一齿轮，由伺服电机驱动齿轮转动，从而带动送粉管转动。送粉管以大、小口径管的连心线的中点为转轴。
筒体上小孔内装配一用于保证送粉管垂直度的定位套，送粉管外径与定位套内径相配合。送粉管与定位套的规格可以更换，以适应不同体积成型零件的需要。
本发明采用轮廓法进行层片堆积加工，其工作过程是在快速制造的第一阶段一离散过程中，每一层片的路径规划按照轮廓法进行，加工中用小光斑先熔覆每一层片的外部轮廓，然后再用大光斑熔覆充填内部区域。变斑过程中光斑变大采用离焦法，即同轴喷头升高或降低；由计算机控制激光器的电流调节开关和送料器的粉末流量开关，保持变斑前后的光束功率密度和粉束密度不变，从而保证均匀的熔覆质量。粉束大小变化由双口径送粉管完成。送粉管的大、小口径粉末入口是不连通的，因此可以独立控制。当采用小光斑熔覆每一层片的外部轮廓时由内层小粉管送粉，大光斑熔覆充填内部区域时则采用外层大粉管送粉。为保证熔道宽度均匀，粉斑直径略大于光斑直径。熔覆完成某一层片后，整个同轴喷头上升一个层片高距离，再按上述步骤熔覆下一层片，直至所有层片熔覆堆积完成。
本发明采用变光斑熔覆工艺，用小光斑熔覆成型零件的外轮廓，减少了“台阶效应”，提高了成型零件的外表面质量和精度；大光斑熔覆可提高生产率，并可减少熔道搭接次数，减少因搭接接口带来的质量缺陷。
本发明采用了在平面反射镜上设计径向开口并在聚焦反射镜上设计中心通孔的技术。当入射激光反射至聚焦反射镜时，形成了与开口对应的无光区，送粉管可以通过聚焦反射镜中心的的通孔伸入此无光区，使送粉管与聚焦光束完全同轴。这种送粉方式粉束与光束始终同轴并可在光斑焦点及任意离焦位置耦合，单粉束轨迹为直线状，其尺寸可控，粉粒密度及分布均匀，发散小，不需要调节多路粉管的汇聚。采用了可变口径送粉管，可实现变斑熔覆。直形结构的送粉管结构简单，制造、安装、更换容易，可以制作多种规格的送粉管组合以适应不同体积成型零件的需要。单道圆形粉斑可按设定的扫描路径沿任意方向扫描，即扫描无方向性。
图1为激光变斑熔覆同轴喷头实施例结构图；图2为送粉管的剖面放大结构图；图3为并联式送粉管的剖面放大结构图；图4并联式送粉管的俯视图。
图中59——平面反射镜54——聚焦反射镜61——光束吸收体57——送粉管53——筒体60——平面反射镜开口 62——聚焦反射镜焦点 63——无光区64——成型零件 51——通孔55——定位套57—送粉管 71、71′——小口径管 72、72′——大口径管73′——齿轮74′——并联式送粉管回转中心具体实施方式
应用实施例一参照图1、图2，平面反射镜59、聚焦反射镜54、光束吸收体61、送粉管57依次安装在L形筒体53内。平面反射镜59上从镜面中心至最下方半径方向开有径向开口60，沿入射光方向在开口60下方安装光束吸收体61。激光束从图1上方垂直入射到平面反射镜59上，此后光束被分为两部分一部分光束透过开口60，进入到光束吸收体61内被吸收；另一部分光束经平面反射镜59除开口60以外的镜面反射到聚焦反射镜54，反射光束为中空带开口的平行光束。此光束经聚焦反射镜54继续反射，反射后的光束为中空带开口的聚焦光束。在聚焦反射镜54与其焦点62之间具有一锥形中空无光区63。聚焦反射镜54中心沿其反射光束方向开一通孔51，对应通孔51上方筒体53壁上开一与通孔同轴线的小孔，小孔内装配一个定位套55保证送粉管57的垂直度。送粉管57外径与定位套55内径相配合。所述送粉管57为同轴的双层直管结构，内层为小口径管71，外层为大口径管72，两层管道的粉末入口不连通。送粉管57上部与位于筒体53上方的送粉器联接，经由定位套55插入筒体内，并经过聚焦反射镜54中心的通孔51朝筒体下部延伸进入所述无光区63。工作时先按照轮廓法进行每一层片的路径规划，即先沿层片的外轮廓扫描，再在层片的内部区域填充扫描。对任一层片，先采用小口径管71送粉，将成型零件64表面调节至激光光束焦点62附近，在成型面上形成小光斑，进行层片轮廓的熔覆；然后采用大口径管72送粉，通过离焦法，即将整个激光变斑熔覆同轴喷头上升或下降，在成型面上形成大光斑，进行层片内部区域的填充熔覆；完成一层材料的扫描熔覆后，同轴喷头相对成型零件向上移动一个层片高度，在零件已成型部分上面按上述步骤再熔覆一层新的层片，如此循环，直至零件全部加工完成。由于从反射聚焦镜54的中心安装直管结构送粉管57，光束和粉束自然重合并皆垂直于成型表面。
层片轮廓熔覆工艺参数小口径管送粉，粉斑直径0.8mm，光斑直径为0.7mm；层片内部区域熔覆工艺参数大口径管送粉，粉斑直径2.5mm，光斑直径为2.2mm。
熔覆层片轮廓时，采用较小的激光器输出功率和较小的喷头送粉量，熔覆层片内部区域时，采用较大的激光器输出功率和较大的喷头送粉量，使变斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不变。
本实施例送粉采用重力或气载方式输送。
应用实施例2实施例一中，更换送粉管的规格。层片轮廓熔覆工艺参数小口径管送粉，粉斑直径1.8mm，光斑直径为1.7mm；层片内部区域熔覆工艺参数大口径管送粉，粉斑直径9mm，光斑直径为8mm。
应用实施例3实施例一中，送粉管由图3的两轴线平行的大、小口径管并联结构构成，即送粉管57含有小口径管71′和大口径管72′，两管的轴线平行并沿反射聚焦镜的入射光方向共面。送粉管57上部与筒体53上方的送粉器联接，大、小口径管的粉末入口不连通。在送粉管57伸出筒体53的一端上固联一齿轮73′，齿轮由电机驱动从而带动送粉管57转动，其转轴在大、小口径管连心线的中点74′。当扫描层片轮廓时，使小口径管71′中心与聚焦光束中心重合，当扫描层片内部区域时，转动齿轮从而使送粉管转动180°，使大口径管72′中心与聚焦光束中心重合。
权利要求
1.一种激光变斑熔覆成型工艺，其主要工艺过程为a、将三维成型零件进行实体分层，用轮廓法规划每一层片的扫描路径；b、采用小口径管单道送粉，将成型表面调节至激光光束焦点附近，在成型面上形成小光斑，粉束和光束同轴并垂直于成型表面，进行层片轮廓的熔覆；c、采用大口径管单道送粉，通过离焦法，在成型面上形成大光斑，粉束和光束同轴并垂直于成型表面，进行层片内部区域的填充熔覆；d、完成一层材料的扫描熔覆后，移动成型零件与光粉喷头的相对位置，在零件已成型部分上面按步骤b、c再熔覆一层新的层片，如此循环，直至零件全部加工完成。
2.如权利要求1所述激光变斑熔覆成型工艺，其特征在于小光斑直径为0.5mm～2mm，大光斑直径为2mm～10mm，且粉斑直径略大于光斑直径。
3.如权利要求1所述激光变斑熔覆成型工艺，其特征在于调节激光器的输出功率和送粉器的送粉量，使变斑前后的光束功率密度和送粉密度保持不变。
4.一种激光变斑熔覆成型工艺用的同轴喷头，包含L形筒体(53)、安装在筒体内的带径向开口(60)的平面反射镜(59)及其光束吸收体(61)、聚焦反射镜(54)、送粉管(57)和安装在筒体上方的送粉器部分，其特征是所述平面反射镜(59)的开口(60)开设在镜面的中心及最低半径方向并与入射光方向平行，沿入射光方向在平面反射镜开口后方安装光束吸收体(61)，在筒体内沿所述平面反射镜的反射光方向安装聚焦反射镜(54)，在该聚焦反射镜的镜面中心沿聚焦反射光束方向开一个通孔(51)，对应通孔(51)的上方筒体(53)壁上也开一小孔，该小孔与所述通孔同轴线，所述送粉管(57)为可变口径直管结构，送粉管经由小孔插入筒体内，并经过聚焦反射镜(54)中心的通孔(51)朝筒体下部延伸，送粉管(57)与平面反射镜的开口(60)处于同一垂面，送粉管(57)的喷口靠近筒体出光口。
5.如权利要求4所述激光变斑熔覆成型工艺用的同轴喷头，其特征在于所述送粉管(57)为同轴心的双层直管结构，内层为小口径管(71)，外层为大口径管(72)，送粉管上部与筒体(53)上方的送粉器联接，两层管道的粉末入口不连通。
6.如权利要求4所述激光变斑熔覆成型工艺用的同轴喷头，其特征在于所述送粉管(57)由轴线平行的小口径管(71′)和大口径管(72′)并联构成，且两管轴线沿反射聚焦镜的入射光方向共面，送粉管(57)上部与筒体(53)上方的送粉器联接，两管道的粉末入口不连通，在送粉管伸出筒体的一端上固联一齿轮(73′)，齿轮由伺服电机驱动，送粉管以大、小口径管连心线的中点(74′)为转轴。
7.如权利要求4、5和6所述激光变斑熔覆成型工艺用的同轴喷头，其特征在于所述筒体(53)上小孔内装配一用于保证送粉管(57)与光束同轴的定位套(55)，送粉管(57)的外径与定位套(55)内径相配合。
全文摘要
一种激光变斑熔覆成型工艺用轮廓法规划成型零件每一层片的扫描路径；用小光斑和小口径管送粉进行层片轮廓的熔覆、大光斑和大口径管送粉进行层片内区域的熔覆，单粉束和光束同轴并垂直于成型表面；小光斑直径0.5mm～2mm，大光斑直径2mm～10mm，且粉斑直径略大于光斑直径。该工艺用的同轴喷头，含筒体、带径向开口的平面反射镜、带中心通孔的聚焦反射镜、送粉管等。本发明可在聚焦光束中形成锥形无光区，送粉管从聚焦反射镜的通孔插入此无光区实现光束和粉束完全同轴并垂直于成型表面。送粉管具有大小不同的口径。本发明可实现变斑熔覆，粉束与光束可实现光斑焦点及任意离焦位置耦合而不需调节多路粉管的汇聚。单道圆形粉斑可沿任意方向扫描而无方向性。
文档编号B22F3/105GK1814380SQ20061002426
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月1日 优先权日2006年3月1日
发明者石世宏, 傅戈雁 申请人:苏州大学