一种可调占空比的激光熔覆装置

1.本技术涉及激光增材制造领域，特别涉及一种可调占空比的激光熔覆装置。


背景技术：

2.激光熔覆成形作为一种先进的表面涂层制备和增材制造技术，近些年来取得了飞速发展。
3.该技术利用高能激光束作为加工热源，在金属基材表面形成小熔池，并快速熔化同送进到熔池中的材料，通过热源的快速移动扫描实现熔体快速凝固，从而制备出与基材形成冶金结合的熔覆层或性能与锻造态构件相当的三维零件。
4.目前，激光熔覆成形技术按照激光与粉末的位置关系可以分为激光外送粉、旁轴送粉)与激光内送粉(同轴送粉)两种。光内同轴送粉采用环形激光束作为加热源，激光能量呈现m型分布，有利于熔池温度场的均匀分布；同时，采用单粉管光内送粉的方式，能够显著提高激光和粉末的同轴耦合效果，实现高精度和高质量成形。除了激光工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速度、离焦量等)会对金属材料的成形组织和性能有影响外，环形激光束的占空比因其对能量分布的决定性作用而对其有更为显著的影响；在不同的激光占空比下，形成的组织特征各异，力学和腐蚀性能变化显著。占空比为环形光斑内部无光束面积和整体光斑面积的比值。根据大量实验得知：占空比在0.5-1间得到能量分布过度集中等不利影响，造成成形过程稳定性差，成形件性能不足等缺陷，故本技术主要研究控制占空比在0-0.5的情况。当前改变激光占空比的常规方法有通过改变离焦量来取得不同的占空比数值，离焦量是指激光熔覆过程中实际熔覆成形平面与环形光束光学汇聚焦点所在平面的距离，但离焦量的变化造成激光能量密度变化和熔覆单道宽度(熔宽)变化，进而影响熔覆成形质量。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种可调占空比的激光熔覆装置，能够在不改变离焦量的前提下调节激光占空比，提高熔覆成形的稳定性，改善熔覆成形质量。
6.为实现上述目的，本技术提供一种可调占空比的激光熔覆装置，包括镜座、抛物聚焦镜、固定锥镜、活动锥镜和粉嘴；所述固定锥镜和所述抛物聚焦镜均为环状结构，所述活动锥镜和所述固定锥镜二者的反射面均与所述抛物聚焦镜的反射聚焦面相对设置，以将自所述抛物聚焦镜的中轴方向的入射光束沿周向反射至所述反射聚焦面，并由所述反射聚焦面反射聚焦；
7.所述镜座包括设于外周的第一环状固定部、设于内周的第二环状固定部以及连接所述第一环状固定部和所述第二环状固定部的筋板；所述抛物聚焦镜固定于所述第一环状固定部，所述固定锥镜固定于所述第二环状固定部，还包括穿设于所述第二环状固定部并带动所述活动锥镜沿所述抛物聚焦镜的中轴方向移动的运动调节件，所述活动锥镜固定于所述运动调节件的顶端，所述粉嘴固定于所述运动调节件的底端。
8.可选地，所述第二环状固定部包括环状本体和环状凸肩，所述固定锥镜套设于所述环状凸肩的外周，所述环状凸肩用于在所述活动锥镜远离所述抛物聚焦镜运动预设距离时卡止限位所述活动锥镜。
9.可选地，所述运动调节件底端预设长度处设置限位部，所述限位部用于卡止于所述第二环状固定部的下端面。
10.可选地，所述活动锥镜的直径小于等于所述固定锥镜的内径。
11.可选地，所述运动调节件为升降螺栓，所述第一环状固定部和所述筋板开设贯通至所述第二环状固定部的通道，所述通道内设置调节螺栓，所述第二环状固定部设置传动连接所述调节螺栓和所述升降螺栓的多级锥齿轮。
12.可选地，所述升降螺栓和所述活动锥镜的内部设有用于吸收所述活动锥镜积热的水冷空间。
13.可选地，所述抛物聚焦镜的内部设置冷却通道。
14.可选地，还包括装置外壳，所述装置外壳包括与所述镜座配合封装所述抛物聚焦镜的腔壳。
15.可选地，所述装置外壳包括与所述腔壳同轴连通的进光通道。
16.可选地，还包括连接所述进光通道的激光源。
17.本技术提供的可调占空比的激光熔覆装置，利用激光向设置在抛物聚焦镜内周的固定锥镜和活动锥镜的反射面入射激光光束，光束到达二者的反射面后反射至抛物聚焦镜的反射聚焦面，由反射聚焦面反射聚焦，聚焦产生的焦点位于粉嘴的外侧(图1所示的下方)，实现粉嘴送粉，在基材工作面进行熔覆成形。
18.以距离焦点靠近抛物聚焦镜一侧预设距离的负离焦平面作为熔覆工作平面为例进行说明，当需要调节激光占空比(激光光斑内部无光束面积和整体光斑面积的比值)时，无需改变激光熔覆装置与金属基材的距离，只需调节活动锥镜朝向或远离抛物聚焦镜运动即可；此时，固定锥镜的反射光经反射聚焦面反射在工作平面形成的光斑的外径保持不变，活动锥镜的运动引起其反射光经反射聚焦面反射在工作平面形成的光斑内径变化，实现不改变工作平面离焦量的前提下调整激光光斑的占空比，提高熔覆成形的稳定性，改善熔覆成形质量。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例所提供的可调占空比的激光熔覆装置的示意图；
21.图2为图1中镜座的俯视图；
22.图3为各离焦平面处占空比的变化示意图；
23.图4本技术实施例所提供的激光熔覆可调占空比的激光熔覆装置在设定负离焦平面的占空比变化示意图。
24.其中：
25.1-装置外壳、2-活动锥镜、3-抛物聚焦镜、4-升降螺栓、5-粉嘴、6-调节螺栓、7-镜座、8-多级锥齿轮、9-固定锥镜、10-激光源；
26.11-腔壳、12-进光通道、31-冷却通道；
27.71-第一环状固定部、72-筋板、73-第二环状固定部。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
30.请参考图1至图4，图1为本技术实施例所提供的可调占空比的激光熔覆装置的示意图，图2为图1中镜座的俯视图，图3为各离焦平面处占空比的变化示意图，图4本技术实施例所提供的激光熔覆可调占空比的激光熔覆装置在设定负离焦平面的占空比变化示意图。
31.本技术实施例提供一种可调占空比的激光熔覆装置，如图1和图2所示，包括镜座7、抛物聚焦镜3、固定锥镜9、活动锥镜2和粉嘴5，抛物聚焦镜3通过镜座7外周的第一环状固定部71固定，固定锥镜9和活动锥镜2设置在抛物聚焦镜3的内周且以二者的反射面与抛物聚焦镜3的反射聚焦面相对设置，从而将自抛物聚焦镜3的中轴方向的入射光束沿周向反射至反射聚焦面，并由反射聚焦面反射聚焦；固定锥镜9通过镜座7内周的第二环状固定部73固定，活动锥镜2则通过穿设于第二环状固定部73的运动调节件带动，在固定锥镜9和抛物聚焦镜3之间往复移动，粉嘴5固定在运动调节部的底端。如此以来，当金属基材置于距离焦点一侧固定距离的某一负离焦平面时，由固定锥镜9反射光束经聚焦产生的光环(外径)保持不变，由活动锥镜2反射光束经聚焦产生的光环随着活动锥镜2的移动而变化(光环内径变化)，从而实现在保持离焦量不变的前提下调整激光光斑的占空比。
32.继续参考图1和图2，在一实施例中，第二环状固定部73包括环状本体和环状凸肩，环状本体通过筋板72和第二环状固定部73连接，筋板72具体可设置三组，固定锥镜9套装在环状凸肩的周部，环状凸肩的轴向尺寸大于等于固定锥镜9的轴向尺寸，以便借助环状凸肩限定活动锥镜2的下极限位置。
33.上述实施例中，运动调节件具体采用升降螺栓4，此时，一组筋板72和第一环状固定部71开设贯通至环状本体外侧的通道，通道内设置调节螺栓6，环状本体的侧部开设缺口并设置多级锥齿轮8，利用多级锥齿轮8将调节螺栓6和升降螺栓4传动连接，利用调节螺栓6的正反转驱动多级锥齿轮8旋转，进而驱动升降螺栓4带动其顶端的活动锥镜2运动。当运动调节部采用升降螺栓4时，升降螺栓4的底端预设长度处还可设置相对升降螺栓4径向凸设的限位部，利用限位部卡止在环状本体的下侧，限定活动锥镜2的上极限位置，限位部具体可以为升降螺栓4的螺栓头。固定锥镜9的底端直径通常小于等于活动锥镜2的内径。
34.可以想到的是，运动调节部的驱动方式不限于上述实施例，运动调节部还可以采用自身具有升降运动功能的微型电动推杆，电动推杆的控制可以采用筋板72开设通道进行有线控制或无线控制。本技术的核心在于借助固定锥镜9保持设定离焦量处的负离焦平面
的光环外径不变，借助活动锥镜2沿抛物聚焦镜3的轴向运动调节光环内径，实现改变占空比。
35.在上述实施例中，升降螺栓4及活动锥镜2的内部可设置水冷空间，抛物聚焦镜3内部可设置冷却通道31，以便对抛物聚焦镜3和活动最近改进型冷却。调节螺栓6的外端面可设置旋钮并标注占空比数据，实现量化调节。此外，可调占空比的激光熔覆装置还包括装置外壳1，装置外壳1包括腔壳11和与腔壳11同轴连通的进光通道12，腔壳11和镜座7的第一环状固定部71配合将抛物聚焦镜3封装，使得进光通道12、腔壳11、抛物聚焦镜3、活动锥镜2和固定锥镜9均同轴设置，进光通道12可供激光束进入并到达活动锥镜2和固定锥镜9的反射面。进一步地，可调占空比的激光熔覆装置还包括激光源10，激光源10与进光通道12连接，向进光通道12入射激光束。
36.参考图1，活动锥镜2虚线部分及其虚线反射光路为活动锥镜2可移动的上极限位置及其光路，上极限位置光路的高度不能高于抛物聚焦镜3的顶部高度；活动锥镜2实线部分及其实线反射光路为活动锥镜2可移动的下极限位置及其光路。两道光路均与粉嘴5保持一定安全距离，确保上极限位置光路不能再次反射到固定锥镜9上。
37.入射激光束最外侧光束入射到固定锥镜9，再经过抛物聚焦镜3得到固定锥镜9出射光路；该光路在入射激光束的圆形光束直径不变时为固定光路，不会随着活动锥镜2的移动而发生光路改变，活动锥镜2的顶部位置决定了内层光路的直径。
38.取图1中d区域进行激光占空比的变化过程说明，如图3所示：c平面为环形激光的焦点平面，抛物聚焦镜3的光学焦点位于该平面上；其下方d平面为正离焦平面，上方a、b平面为负离焦平面。焦点处激光汇聚成一点，其占空比可以视为1，并且无法通过改变活动锥镜2来改变占空比的值。位于正离焦平面c时，可以在高速熔覆时进行占空比的调节。负离焦平面a、b即为进行一般激光熔覆的工作平面；图3中对应a、b右侧的实心光斑分别为在活动锥镜2处于上、下极限位置时的光斑大小，通过旋动调节螺栓6带动升降螺栓4及活动锥镜2升降运动，可实现光斑在两个极限大小值之间的变化，最终实现占空比在某个范围内的改变。
39.以非上、下极限位置时的一个位置做具体说明，同时将整个装置进行简化；并且为了阐述的方便，用虚线表示两个极限位置的光路，如图4所示，取离焦量为f的工作平面为案例进行说明。当旋动调节螺栓6带动升降螺栓4移动到某一位置时，活动锥镜2位于图4所示位置。
40.图4中，该工作平面的离焦量f；活动锥镜2实际出射光路l0；固定锥镜9出射光路l1；活动锥镜2下极限位置出射光路l2；活动锥镜2上极限位置出射光路l3；在该工作平面下光斑d0；下极限位置出射光路光斑d2；上极限位置出射光路光斑d3；活动锥镜2上极限位置出射光路与中心轴夹角α；活动锥镜2下极限位置出射光路与中心轴夹角β；最内侧出射光路与中心轴实际夹角θ。
41.活动锥镜2实际出射光路l0处于活动锥镜2下极限位置出射光路l2和活动锥镜2上极限位置出射光路l3之间，此时可视为在进行激光熔覆时的一般情形。
42.此时在离焦量为f的平面上可取的工作光斑即为d0，其内、外径d1、d2分别为：
43.d1＝2f tanθ；
44.d2＝2f tanγ；
45.在该工作平面的最大光斑为活动锥镜2上极限位置出射光路l3与固定锥镜9出射光路l1构成的光斑d3，其内、外径d3、d4分别为：
46.d3＝2f tanα；
47.d4＝2f tanγ；
48.在该工作平面的最小光斑为活动锥镜2下极限位置出射光路l2与固定锥镜9出射光路l1构成的光斑d2，其内、外径d5、d6分别为：
49.d5＝2f tanβ；
50.d6＝2f tanγ。
51.那么在该工作平面下的激光占空比η的值为：
[0052][0053]
其变化范围为：
[0054][0055]
化简得：
[0056][0057]
θ的变化范围在α与β之间；由化简的公式可知任意离焦量下(除焦点平面)工作平面的激光占空比的变化范围一致，仅与α、β、γ的取值有关。
[0058]
将其带入实验常用的数据：
[0059]
f＝-3mm；γ＝19.3
°
；
[0060]
预计达到其他参数的数据为：
[0061]
α＝14.2
°
；β＝18.1
°
。
[0062]
则预计可达到的激光占空比变化范围为0.1278至0.4781，能够很好的避免能量分布过度集中等造成熔覆成形过程稳定性差的问题。
[0063]
本技术所提供可调占空比的激光熔覆装置能够在不改变照射到基材表面激光束外径的前提下通过内径变化来获得不同占空比，并且能够以在外侧转动调节螺栓6的方式实现占空比的精准量化调节并具有以下有益效果：
[0064]
1、不改变激光束外径，即可以确保熔覆出的熔宽保证在一个变化幅度相对较小的水平；
[0065]
2、仅改变激光束内径尺寸，即可以获得不同的激光占空比，针对该申请下实现的激光熔覆装置就可在研究不同工艺参数下的熔覆效果中加入激光占空比这一个参数，优化熔池内温度场分布，实现激光熔覆成形质量的提升。
[0066]
3、通过旋钮量化调节的方式，即可方便调节出所需占空比大小的光斑。
[0067]
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个
实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0068]
以上对本技术所提供的可调占空比的激光熔覆装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。