激光宽带熔覆装置的制作方法

本实用新型涉及一种激光宽带熔覆装置，属于3D成形领域。

背景技术：

金属及合金零构件的激光直接3D熔覆沉积成形、重要功能表面熔覆强化改性、修复再制造等在航空航天、国防、造船、矿山、冶金、机械制造等领域具有极大的应用价值和前景，是当前各发达国家的重点发展方向。我国也已明确将金属增材制造的基础性工艺和核心基础部件的研发列为重点发展领域。其中，激光宽带熔覆是一种高效的激光熔覆增材制造技术。激光宽带熔覆单道成形宽度大，一次扫描可达到10-40mm(窄带熔覆仅为φ1-5mm)，因此熔覆效率高；大面积激光宽带熔覆还可大大减少搭接次数和重复受热，减少由此带来的缺陷几率，厚度不均、组织性能下降等。传统大型零件制造往往需要借助大型模锻或压铸机，制造成本高、周期长、限制条件多、缺陷难以控制，而宽带激光熔覆增材制造是离散的逐层自由堆积成形，可以节省大型锻压机等设备，其离散化的冶金过程与可成形梯度材料的工艺更有利于保证微观组织性能和控制缺陷，在大型金属零构件的强化、修复和直接3D成形等增材制造领域都极具优势。

激光宽带熔覆主要包括激光光束质量及变换、宽带粉束输送、光粉耦合等几项关键技术。宽带粉束输送的现有方法是：从矩形实心激光束的一侧或双侧同步送入加工面上的宽带光斑上，粉束在光能辐照作用下熔凝形成宽带熔道。双侧送粉可进行往返双向扫描，可提高成形效率。但无论是单侧还是双侧送粉，粉束都位于激光束的外侧，可称之为“光外宽带送粉”。结合图1a不难分析现有光外宽带送粉方式尚存在一些不足，如光粉耦合性差、粉末利用率低、熔覆质量不稳定、不适合空间大倾角变化复杂结构成形等问题。

为了解决上述问题，现有技术提供了一种双光束中空光内宽带送粉方法(图 2)，其光路与送粉原理为：应用目前市场上多用的半导体或光纤激光器平顶光源，经分光镜将入射激光束一分为二，再经聚焦镜反射成中空双聚焦光束，粉束由送粉排管垂直送入双聚焦光斑(熔池)中间，完成光粉的耦合。结合图2 和图1b可以看出，由于将实心光束改为中空的双光束，将两束粉末侧向送进改为单束粉垂直送进，光、粉位置正好对换。由此带来的优点：

(1)分光后的双光束位于两侧包夹粉束，如图1b，图2。在离焦位置，双光斑间距稍加大，在阈值范围内，双光束辐照区与间隙处仍然形成熔池，粉束中线始终能垂直对准熔池中线；包围单粉束的准直保护气帘一气三用：准直粉束、保护熔池、保护喷头内腔，平行的单粉束单气帘无干涉。喷头与加工面之间如有上下波动离焦，光粉对中也不会错位，进入熔池的粉末量基本无太大变化。双向往返扫描时光粉相对位置也不会变。

(2)单条宽带粉束始终位于的双光斑中间，往返两个方向扫描总有一条光带处在粉末的后沿将粉末捕获在熔池中，粉末发散和表面粘附大大减少，不仅粉末利用率大大提高，而且进入熔池的粉量稳定，熔池熔凝过程更稳定，熔道表面更光洁，减少了缺陷源。

(3)准直保护气紧紧包围粉束同轴输送，可对粉束形成压力气帘(图1b) 而进一步规整和准直粉束，粉末空间更准、直、细、挺，在完成空间大倾角熔覆和动态摆动成形时，粉气流始终垂直压向熔池，有利于熔池稳定和不流淌。

(4)双反射聚焦镜给宽斑光粉耦合方式带来极大灵活性。将两个聚焦反射镜设计成不同工作面型，可得到不同的光斑尺寸和能量分布，如两端部能量增强的鞍型光强分布、或增加预热缓冷功能的低能密度光束等，可灵活以满足不同功能的光能分布或光粉耦合要求。

但是，现有的双光束光内宽带送粉仍存在如下问题：由于激光熔覆的骤冷骤热作用会使加工材料产生大的过热和过冷度，容易引起熔层的开裂。为了解决上述问题，引入预热冷缓技术，基体的预热和熔覆后缓冷可有效降低温度梯度，释放残余热应力。现预热缓冷技术较多采用电磁感应、电阻加热等外部热源的方法，对加工件基体进行整体加热，加热温度一般为200—600℃,整体加热有一定的效果，但在大件的修复或3D成形时，加工点的位置变化会造成离加热区的距离变化，从而带来预热缓冷温度的变化，另附加装置也显累赘。为了避免上述影响，方法之一是直接采用低密度激光束在熔池前方和后方进行局部随动预热和缓冷，此方法不需采用其他热源及装置。如，Carl Edward Ericson提出了使用一台激光器输入高密度小圆形光束进行熔覆，另一台激光器输入同轴的低密度大圆形光束进行预热与缓冷的概念(具体详见美国专利申请第 US2009/0283501A1号)；王东生提出了一种2个矩形光斑叠加，形成一熔覆+预热缓冷作用的凸型光斑，功率密度中间大两边小，模拟仿真证明：凸型光斑降低了熔覆区和非熔覆区的温度梯度，热应力减小10％，减小了开裂趋势(具体详见中国专利申请第CN201310286772.1号)；马广义等提出了一种激光熔覆过程利用椭圆形均匀光束的预热缓冷方法，即把激光束分成叠加的小矩形熔覆光束和大椭圆形预热缓冷光束(具体详见中国专利申请第CN201410480190.1号)；周圣丰、戴晓琴提出了下述两种方法，一是光束通过透射一分二束，至加工面上一个为熔覆斑、一个为前置预热斑；二是将前述2束光作为前置预热和后置缓冷光斑，再另加一台激光器出射光束投射形成熔覆光斑置于预热缓冷光斑中间(具体详见中国专利申请第CN201110352225.号和第CN20110352257.X号)。

上述采用主、辅多光束进行随动预热和缓冷的内容大都报道了光路及原理，有的采用仿真方法进行了效果验证，有的用预涂覆方法进行了熔覆。但熔覆主光束和预热缓冷辅光束的光学镜组集成方法或一体化喷头装置少有报道。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种激光宽带熔覆装置，其可满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层残余热应力和裂纹等缺陷几率。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种激光宽带熔覆装置，可将激光器所发出的激光束转换并投射在加工面上用于宽带激光熔覆加工，所述激光宽带熔覆装置包括反射镜和双型面反射部件，所述反射镜将激光束反射给双型面反射部件，所述双型面反射部件包括上部反射面和位于所述上部反射面下方的下部反射面，所述上部反射面为抛物聚焦型面，所述下部反射面为平面，所述上部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成宽带聚焦线斑，所述下部反射面接收激光束后将其反射以在加工面上形成矩形光斑，所述矩形光斑位于宽带聚焦线斑的外侧。

进一步的：所述双型面反射部件为一块反射镜，所述双型面反射部件具有工作型面，所述上部反射面和下部反射面形成在所述工作型面上。

进一步的：所述双型面反射部件由两块反射镜组成，所述上部反射面形成在其中一块所述反射镜上，所述下部反射面形成在另一块所述反射镜上。

进一步的：所述双型面反射部件为两组，两组所述双型面反射部件的上部反射面相对设置，两组所述双型面反射部件的下部反射面相对设置。

进一步的：所述反射镜为分光平面反射镜，所述分光平面反射镜包括背向布置并迎向入激光束的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面朝向一组所述双型面反射部件，所述第二反射面朝向另一组所述双型面反射部件。

进一步的：所述分光平面反射镜的第一反射面和第二反射面背向对称布置。

进一步的：所述第一反射面和第二反射面的夹角在60°～120°之间。

进一步的：所述激光宽带熔覆装置还包括送粉排管或送粉扁管，所述送粉排管或送粉扁管的一端位于所述反射镜的下方并垂直所述加工面延伸。

进一步的：所述激光宽带熔覆装置还包括设置在所述激光器与反射镜之间的准直镜，所述准直镜将激光器所发出的发散激光束准直为平行光后投射至反射镜。

进一步的：所述双型面反射部件可分别相对所述反射镜出光方向移动。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的激光宽带熔覆装置通过在双型面反射部件上设置上部反射面和下部反射面，且该上部反射面为抛物聚焦型面，下部反射面为平面，以通过该上部聚焦反射面在加工面上形成高密度宽带聚焦线斑(即熔覆光斑)，通过该下部反射平面在加工面上可形成低密度矩形斑(即预热缓冷光斑)，从而满足不同材料和结构的工艺热处理需求，降低熔层热应力和减少热裂纹等缺陷生成几率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1a为现有单光束双侧外送粉的原理图；

图1b为现有双光束内送粉的原理图；

图2为现有双光束光内宽带送粉示意图；

图3为本实用新型一较佳实施例所示的一种激光宽带熔覆装置的结构示意图，图中，虚线为激光光束的投射方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

请参见图1，本实用新型一较佳实施例所示的一种激光宽带熔覆装置10将激光器(未图示)所发出的激光束转换并投射在加工面20上用于宽带激光熔覆加工，该激光器采用的功率为1000W～20000W，所述激光发射器的激光束由光纤50传递。该激光宽带熔覆装置10位于加工面20的上方。该激光宽带熔覆装置10包括准直镜1、反射镜2及双型面反射部件3。所述准直镜1的规格根据激光器的功率大小选择，所述准直镜1位于激光器与反射镜2之间，在本实施例中，该准直镜1位于反射镜2的正上方。该反射镜2具有反射面。所述双型面反射部件3为两组，两组所述双型面反射部件3位于所述反射镜2的两侧面，该反射面朝上倾斜设置，并朝向双型面反射部件3。所述双型面反射部件3包括上部反射面31和位于所述上部反射面31下方的下部反射面32，所述上部反射面31为抛物聚焦型面，所述下部反射面32为平面。所述平面31为朝加工面20 倾斜设置，该平面32的延伸线与下部的加工面20的延伸线成一定夹角，该夹角为一锐角。所述准直镜1将光纤50传递输出的发散激光束准直为平行的激光束后投射至反射镜2，所述反射镜2将该激光束反射给双型面反射部件3，所述双型面反射部件3的上部反射面31接收激光束后将其聚焦反射以在加工面20 上形成宽带聚焦线斑30(即高密度熔覆光斑)，所述下部反射面32接收激光束后将其反射以在加工面20形成矩形光斑40(即低密度预热缓冷光斑)，该矩形光斑40位于宽带聚焦线斑30的外侧。在其他实施方式中，当激光器或其他光学装置输出为理想的平行光束时，则光束不需准直，可不采用准直镜1，即激光宽带熔覆装置10不包括准直镜。

在本实施例中，所述双型面反射部件3为一块反射镜2，所述双型面反射部件3具有工作型面33，所述上部反射面31和下部反射面32形成在所述工作型面33上。所述上部反射面31和下部反射面32可以一体成型以形成该工作型面33。通过此种设计，使得整体结构更为简单。在其他实施方式中，该双型面反射部件3可以由两块反射镜组成，所述上部反射面31形成在其中一块反射镜上，所述下部反射面32形成在另一块反射镜上。两块反射镜可通过连接件连接或通过粘胶剂粘结。不管该上部反射面31和下部反射面32形成一块反射镜上，还是分别形成在两块反射镜上，该上部反射面的聚焦焦距在150mm～500mm，所述上部反射面和下部反射面的宽度相等，且在高度方向上的尺寸比例为8:2～7:3。另外，在本实施例中，两个上部反射面31对称反射镜2的中心线设置，在聚焦焦面或工作面上形成的两条宽带聚焦线斑30为相对中心线分布的线型斑，其线厚尺寸约1～3mm。两个下部反射面对称反射镜中心线设置，反射至加工表面上的两块矩形光斑与聚焦线型光斑的距离0～3mm。

在本实施了中，所述反射镜2采用分光平面反射镜，所述分光平面反射镜2 具有背向布置并引入激光束的第一反射面21和第二反射面22，所述第一反射面 21朝向一组所述双型面反射部件3，所述第二反射面22朝向另一组所述双型面反射部件3。通过此种设计，可以使整体结构更为简单。在本实施例中，该第一反射面21和第二反射面22具体为背向对称布置。诚然，所述反射镜2的数量还可以为两个。两个所述反射镜2包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜具有第一反射面，所述第二反射镜具有第二反射面，该第一反射面和第二反射面背向设置，该第一反射镜和第二反射镜同样可以为背向对称布置，所述第一反射面朝向两组所述双型面反射部件3中的一组，所述第二反射面朝向两组所述双型面反射部件3中的另一组。不管上述反射镜2采用分光平面反射镜还是其他，所述第一反射面和第二反射面的夹角在60°～120°之间，优选为90°，当采用90°这一数值时，相对其他值来说，其结构最为简单，便于制造。

为了使工作面上的宽带聚焦线斑30、矩形光斑40的位置可调，以满足不同工艺需求，将所述双型面反射部件3设置成可相对所述分光平面反射镜2移动，即两双型面反射部件3的相对间距可调，从而可实现在加工面20上的中间2条宽带聚焦线斑30相离(有一定间距)或重叠及实现2条宽带聚焦线斑30的间距距离或重叠度变化(聚焦光束离焦量与线斑粗细可不变)。在本实施例中，分光平面反射镜2上第一反射面和第二反射面之间的夹角为90°时，2束被反射的激光束共线反向，所述2个双型面反射部件3可相对所述分光平面反射镜2 沿水平方向移动(图3中箭头a所示方向为在本实施例中双型面反射部件3的移动方向，即水平方向，其还为分光平面反射镜2的出光方向)，在其他实施方式中，当分光平面反射镜上2个反射面之间夹角不为90°时，2个双型面反射部件3将相对所述分光平面反射镜2的2束激光束的出光方向分别移动。

所述激光宽带熔覆装置10还包括送粉排管(未图示)，该送粉排管的一端位于所述反射镜2的下方，具体为：送粉排管位于反射镜2的正下方。所述送粉排管的一端伸入至反射镜2的下方，并朝反射镜2的下方并垂直工作面20延伸，所述送粉排管位于两个所述上部反射面31接收激光束后并反射形成的2束激光束之间，且送粉排管的管口(喷嘴)对准加工面20上的2条宽带聚焦线斑 30的中心，距工作面距离在10～40mm之间。通过此种设计，可形成光束宽带内送粉。根据宽带聚焦线斑的线长形成宽带熔覆的宽度，根据不同熔覆宽带可将所述送粉管设计为3～7根，形成并排设置的排管，排管与宽带聚焦线斑平行。送粉排管周围布置有与送粉排管平行且同轴的准直气道。该宽带内送粉原理为：送粉排管位于反射镜2的下方，并在2块双型面反射部件3中间空腔进入，然后转向朝下并垂直加工面20上的2个宽带聚焦线斑30的中心以喷出线形粉束，送粉排管周围布置与送粉管平行且同轴的准直气道，工作中准直气包围送粉排管所送出的粉束并同轴垂直射向加工面20上的2个宽带聚焦线斑30的中心，在水平基面或大角度空间倾斜基面上进行双宽带光束内送粉熔覆成形。

上述激光宽带熔覆装置10的工作原理如下：激光器输出的激光束由方形截面纤芯的光纤50传递，通过准直镜1后准直为平行的方形激光束，然后进入分光平面反射镜2并被该分光平面反射镜2分割成2束矩形激光束，然后分别进入分光平面反射镜2两侧的两组双型面反射镜3，由于每组双型面反射部件3均包括上部反射面31和下部反射面32，且该上部反射面31为抛物聚焦型面，下部反射面32为平面，所以，上部反射面31受光后将反射出线型聚焦光束，以在下方的加工面20上形成2条光能密度较高的宽带聚焦线斑30(即熔覆光斑)，下部反射面32受光反射至下方的加工面20上以形成2块光能密度较低的矩形光斑40(即预热缓冷光斑)。在使用的时候，两个双型面反射部件3还可以调节其与反射镜2之间的距离，以实现在加工面20上的中间2条宽带聚焦线斑30 相离(有一定间距)或重叠及实现2条宽带聚焦线斑30的间距距离或重叠度变化(离焦量与线斑粗细可不变)。

综上所述：激光宽带熔覆装置10通过在双型面反射部件3上设置上部反射面31和下部反射面32，且该上部反射面31为抛物聚焦型面，下部反射面32为平面，以通过该上部反射面31在加工面20上形成高密度宽带聚焦线斑30(即熔覆光斑)，通过该下部反射面32在加工面20上形成低密度矩形斑(即预热缓冷光斑)，从而有助于提高粉末利用率，降低熔层热应力和裂纹几率，提高宽带熔覆质量。

通过将所述双型面反射部件3设置成可相对所述分光平面反射镜2移动，具体为该双型面反射部件可分别相对所述分光反射镜出光方向移动，从而双高密度宽带聚焦线斑可调节重合度或分离度，以调节熔池宽度变化，即实现熔池内功率密度的可控变化，同时，形成了工作表面移动熔池前后的随动预热缓冷区，有助于进一步降低熔层热应力和裂纹几率。

另外，与现有技术相比，本实用新型的激光宽带熔覆装置10可以仅采用一台激光器即可实现形成2条熔覆光斑和2条预热缓冷光斑，结构简单紧凑。由于送粉排管位于反射镜2的下方，且该送粉排管位于两个所述上部反射面31接收激光束后并反射形成的激光束之间，又送粉管的管口射向加工面20上的两宽带聚焦线斑30的中心，从而使上部反射面31反射形成的激光束始终从两侧包夹粉束，无论送粉排管出射的单排粉束在线型光斑的聚焦位置或离焦位置，光粉皆能精确耦合，对装置离焦波动不敏感；从送粉管内输出的粉束始终位于双聚焦光束之间以实现垂直送进，入光率高，粉末利用率成倍增加，在节材环保的同时，可减少粉末粘附，提高表面质量；本实施例通过采用多根送粉管送粉，使得粉束发散角很小，粉束截面积变化不大，从而有利于熔道尺寸稳定，提高成形质量。

除此之外，由于送粉管周围布置有与送粉管平行同轴的准直气道，准直气帘有助于进一步规整和集束粉末，使之达到细、挺、准、直，可控性进一步增加，同时特别适应喷头做空间变姿态变倾角动态运动作业，完成空间大型复杂零件的多方位强化修复或3D增材制造。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。