偏转布置多激光搅拌熔池的增材设备的制作方法

本技术涉及金属丝材增材制造，具体涉及一种偏转布置多激光引导电阻热预热、熔融金属丝材并搅拌熔池的增材设备。

背景技术：

1、增材制造技术是一种利用逐层堆焊熔覆的原理，采用电弧、激光、电子束、等离子体等为热源，通过金属丝材的连续添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。该技术已应用于航空航天、船舶制造、军工、能源和原位修复等领域。

2、激光金属增材制造工艺采用直接能量沉积(ded)过程，该过程利用分布式激光光源将多个激光束聚焦到工作表面上，在该工作表面上，激光焦点与金属材料(丝材或粉材)相交，以在计算机控制下在母材上形成金属分层构造。

3、现有的激光金属增材制造技术将激光器与多轴计算机数字控制(cnc)机器集成，其使用激光器通过直接能量沉积(ded)喷嘴将光束聚焦在金属材料上，以加工三维部件。计算机辅助设计(cad)和计算机辅助制造(cam)软件与ded工艺集成以驱动喷嘴来加工精确的三维部件渲染。现有的激光金属增材方法多为：激光束通过喷嘴的中心进入，金属材料经由同轴或侧向馈送机构通过喷嘴引入。

4、专利号cn201980097374.0，专利名称：用于金属制造应用的多模激光器装置，该技术包括集成丝线牵拉系统、多个离轴激光器光源、屏蔽气体递送系统和冷却系统，该多个离轴激光器用于将激光束递送到工作表面处的焦点，其中多个离轴激光光源包括多个可插入的激光器组件，该多个可插入的激光器组件包括具有反射保护件的内部固态二极管激光器，背反射保护件通过光传感器检测背反射并允许相应的激光器组件的快速瞬时去激活。所述集成丝线牵拉系统具有自动馈送压力控制，所述集成丝线牵拉系统能够将金属丝线从中心轴线丝线馈送导管通过并沉积外壳中的中心沉积喷嘴递送到丝线、粉末和激光的焦点；所述屏蔽气体递送系统能够将屏蔽气体递送到丝线、粉末和激光的焦点。

5、专利号201880050023.x，专利名称：同轴激光热丝头，该技术包含连接到电源的第一接触点；连接到所述电源的第二接触点，所述电源配置为产生电流以流过所述第一接触点和所述第二接触点之间的电极丝以加热所述电极丝；激光源，所述激光源配置为产生具有足以至少部分地熔化所述电极丝的激光功率的一个或多个激光束；以及同轴激光头，所述同轴激光头配置为将所述一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，以至少部分地熔化所述电极丝。

6、专利号cn201820545818.5，专利名称：同轴复合多束激光+电热丝材沉积装备，该技术由多台激光器或1台激光器经分光后输出的多束激光分别经工作头上呈圆周均匀分布的多个准直-聚焦透镜组先后准直、聚焦后，汇聚于工作头前方；送丝机构送进的丝材沿工作头的中心线进入工作头并延伸到工件或基板表面，加热电源与丝材、工件和基板组成电流回路，通电时丝材中产生电阻热，与汇聚的多束聚焦激光形成同轴复合能场，在计算机控制下复合能场加热熔化、沉积不断送进的丝材，进行沉积成形。工作头中每个准直镜与一个聚焦透镜组成一个共中心轴的平行镜组，多个镜组的中心轴线均匀分布在同一个以丝材中心线为轴的旋转圆锥面上，多束聚焦激光汇聚后在工件或基板表面的光斑形状随该旋转圆锥面与其中心轴之间的夹角变化而变化。

7、现有技术存在的技术问题。

8、1、单纯电阻热送丝增材难以解决金属丝材各焊道之间熔接差的问题，使得增材过程中各焊道之间产生缝隙，没有熔接，材料显各向异性，如图15所示。

9、2、激光增材的主要问题：激光增材产生的熔池比较稳定，因此有着熔覆精度高的优点。但单一激光器产生的激光功率以及材料对激光的吸收效率是有限的，若只采用激光为单一热源会大大提高熔丝需要的功率，其次会大大增加设备的制作成本。因此可采用其他形式的热输入作为复合热源提高热输入效率(这里其他形式的热输入有着加热电热效率高的特点)，这样既可以发挥激光精度高的特点又能提高熔覆沉积效率。比如：半导体激光器电光效率约为50％，钢材吸收976nm波长激光效率在20％～50％之间，电阻加热的热效率高达90％左右，因此采用电极电阻与激光复合热源热丝既发挥激光精度高的特点又能提高熔覆沉积效率。

10、3、多激光束与金属丝材处于同一平面内且同轴，存在的技术问题。

11、激光束与金属丝材处于同一平面时，在较高的激光功率情况下，激光束照射到母材产生的反射激光会将金属丝材直接融化，从而形成球形金属熔滴，从而影响熔覆轨迹的连续性；金属熔滴因张力的作用不会滴落，且熔滴拥有一定的体积会遮挡光束进而使激光束无法直接照射到母材上，母材因此不会产生较好的熔池；而金属熔滴被激光直射热输入不断增加，随着金属丝材的进给，熔滴会越来越大，从而对焊枪枪嘴造成损害，如图16和17所示。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术问题，本实用新型提出通过偏转布置多激光引导电阻热预热、熔融金属丝材并搅拌熔池的多激光增材设备及方法，即偏转布置激光镜，使其轴线与送丝枪管轴线异面，激光镜引导激光光路以偏离送丝枪管和金属丝材轴线的一定角度入射到母材上，避免球形金属熔滴的出现。同时，通过激光光压和激光周期性功率变化实现熔池搅拌，熔池搅拌可以避免金属组织的各向异性。同时，在金属丝材与母材之间连接加热电源，在金属丝材与母材之间形成电流回路，产生电阻热；偏转激光引导电阻热预热、熔融金属丝材并搅拌熔池，可细化晶粒，提高增材零件的各项性能。

2、偏转布置多激光搅拌熔池的增材设备，包含

3、a送丝系统，所述送丝系统由驱动机构驱动，能够传递金属丝材通过送丝枪管和送丝导电嘴，送至激光光斑和母材的焦点；

4、b偏转布置于送丝枪管周边的激光镜，所述激光镜用于调整激光光路，将激光束递送至金属丝材与母材处的焦点，所述偏转布置即激光镜轴线与送丝枪管轴线不共面，激光器光源为由一束激光分成的多束激光，或为不少于两个激光器构成；

5、c电热金属丝材，所述送丝导电嘴与母材分别外接加热电源，在加热电源、金属丝材和母材之间形成电流回路，通电时金属丝材产生电阻热，进而预热并辅助激光器光源熔融金属丝材；

6、d冷却系统，所述冷却系统用于冷却送丝枪管和激光镜；

7、e保护气系统，所述保护气系统用于将保护气输送至金属丝材、激光光斑和母材的焦点；

8、并能够通过b偏转布置于送丝枪管周边的激光镜调整激光光路，及通过c电热金属丝材以辅助激光器光源预热、熔融金属丝材及搅拌熔池进行增材制造。

9、进一步的，所述激光器光源入射到母材上的光斑为非正圆形，且非正圆形光斑的轴线与送丝枪管轴线不共面，激光器光源光路偏离送丝枪管的轴线。

10、进一步的，所述光斑为椭圆形、圆环形、月牙形、三角形、矩形或正方形。

11、进一步的，所述激光器光源为由不少于两个激光器构成时，所述各激光器功率呈现周期性变化，各激光器功率在一个周期内的不同时间段按照激光镜顺时针或逆时针偏转布置的顺序依次递增或递减，在母材上形成熔池时，激光光压沿着光斑平面的光压分量对熔池产生推力或拖曳力，进而推动或拖曳熔池流动，搅拌熔池。当所述激光镜为不少于两个的偶数个激光镜构成时，如激光镜数量为六个，则激光镜还可以间隔交错顺时针或逆时针偏转布置，相邻的两个激光镜对称。当激光镜为偶数个情况下，交错顺时针或逆时针偏转布置可有效降低激光反射引起的对称位置处激光镜的热损害问题。

12、进一步的，所述各激光器功率变化周期为1hz-20000hz，功率变化范围为0w-6000w。

13、进一步的，所述激光镜数量为六个，所述个激光器功率变化周期为1hz-1000hz，功率变化范围为0w-200w。

14、进一步的，所述激光镜内部由上到下依次设置激光接口、准直镜片、聚焦镜片、保护镜片，或者由上到下依次设置激光接口、聚焦镜片、保护镜片。

15、进一步的，所述准直镜片、聚焦镜片可经调节机构调节其位置，进而可调节激光镜焦距和焦点。

16、进一步的，所述激光器为外部光纤耦合固态二极管激光器、外部光纤耦合二极管泵浦固态激光器、内部光纤耦合固态二极管激光器、内部无光纤固态二极管激光器中的一种或多种的组合。

17、进一步的，所述激光镜轴线与送丝枪管轴线夹角为10-80度，与母材夹角为10-80度。

18、进一步的，所述激光镜轴线与送丝枪管轴线夹角为30度，与母材夹角为60度。

19、进一步的，所述激光器数量为2-16个，对应设置相等的激光镜数量。

20、进一步的，所述激光器数量为3个、5个或6个。

21、进一步的，所述送丝系统包含主动送丝轮与从动送丝轮，主动送丝轮与从动送丝轮压紧金属丝材并不断将金属丝材传递至激光光斑和母材的焦点。

22、进一步的，所述送丝系统还包含主动送丝齿轮、从动送丝齿轮，主动送丝齿轮由驱动电机驱动，主动送丝齿轮与从动送丝齿轮传动连接，从动送丝齿轮与主动送丝轮相对固定连接，主动送丝齿轮与从动送丝齿轮驱动主动送丝轮与从动送丝轮，主动送丝轮与从动送丝轮压紧金属丝材并不断将金属丝材传递至激光光斑和母材的焦点。

23、进一步的，所述送丝系统还包括送丝轮压紧机构，所述送丝轮压紧机构通过固定块连接主动送丝轮或从动送丝轮中的一个，并通过固定块联动实现主动送丝轮与从动送丝轮的双向压紧。

24、进一步的，所述送丝轮压紧机构内部设置有弹性机构，所述弹性机构与伸缩机构连接，所述伸缩机构可左右滑动。

25、进一步的，所述弹性机构为弹簧，所述伸缩机构为螺纹连接的螺杆和螺母，所述弹簧套接在螺杆上，螺杆和螺母相对固定连接，所述弹簧向螺母和螺杆施加力并通过弹簧力的大小变化迫使螺母和螺杆左右滑动，进而通过连接的固定块联动，实现主动送丝轮与从动送丝轮的双向压紧。

26、进一步的，所述冷却系统包含激光镜冷却系统和送丝枪管冷却系统，所述冷却系统为水冷。

27、偏转布置多激光搅拌熔池的增材设备的增材方法：包含以下几个步骤：a电热金属丝材：开启连接送丝导电嘴与母材的加热电源，在加热电源、金属丝材和母材之间形成电流回路产生电阻热预热金属丝材和母材；

28、b激光引导电阻热熔融金属丝材：偏转布置于送丝枪管的激光镜调整激光光路入射到金属丝材与母材的焦点处，激光光路偏离于金属丝材，激光光斑轴线与金属丝材不共面，激光热引导电阻热预热并熔融金属丝材；

29、c激光光压作用与激光周期性变化作用搅拌熔池：各激光器功率呈现周期性变化，各激光器功率在一个周期内的不同时间段按照激光镜顺时针或逆时针偏转布置的顺序依次递增或递减，在母材上形成熔池时，激光光压沿着光斑平面的光压分量对熔池产生推力或拖曳力，在激光功率周期性变化的作用下，伴随能量流动共同推动或拖曳熔池流动，进而搅拌熔池。

30、进一步的，所述金属丝材可外接感应线圈进行预热。

31、本实用新型的有益技术效果是：

32、1、搅拌熔池，改善材料组织性能：本实用新型中激光光路偏转、各激光器功率呈周期性变化，在母材上形成熔池时激光光压作用及能量流动会对熔池有一定的推力或拖曳力，从而起到搅拌熔池的作用，进而细化晶粒改善材料的组织性能。

33、2、避免球形熔滴，提高熔滴质量：偏转布置激光镜，使其轴线与送丝枪管轴线异面，激光镜引导激光光路以偏离送丝枪管和金属丝材轴线的一定角度入射到母材上，避免球形金属熔滴的出现。

34、3、提高熔接精度，减少热应力：纯电阻热熔融金属丝材存在各焊道之间熔接效果差的问题，本实用新型使用激光热引导电阻热的方法，激光镜偏转布置于送丝枪管周围，激光光路偏离于金属丝材，使得激光无法直接入射到金属丝材上，而是入射到金属丝材与母材接触的焦点及其周边，在电阻热熔融金属丝材的基础上有效解决了侧边熔融效果差的问题，提高熔接精度。

35、4、提高热输入、热效率：本实用新型结合激光热与电阻热，可以对金属丝材进行预热处理，提高热输入、热效率，减少母材与金属丝材的温度差从而减少热应力。

36、5、延长激光镜使用寿命：由于激光镜不能达到绝对的透光，会反射或吸收部分光，进而在长时间工作过程中，激光镜会产生发热严重的现象，本实用新型的激光镜冷却系统可以避免激光镜受热损伤。

37、6、延长送丝枪管使用寿命：由于送丝枪管会受到激光反射、金属丝材的热传导、热辐射以及电阻热等影响发热，本实用新型的送丝枪管冷却系统可以防止枪头温度过高造成其它元器件的损伤。