扩展焦域激光束热丝沉积装置的制作方法

本发明涉及激光熔丝沉积，特别是涉及一种扩展焦域激光束热丝沉积装置。

背景技术：

1、激光熔化沉积(lmd)技术是金属材料增材制造技术领域的重要分支，按照进给材料的形态分为送粉式和送丝式两大类。与送粉式lmd相比，送丝式lmd主要具有以下优势：首先，金属丝材的制备比金属粉末更容易，储存方便，因此同种材料的丝材采购及储存成本可大幅降低；其次，根据工艺特性，送丝式lmd具有更高的材料利用率(材料利用率≈100％)和沉积效率，增材制造过程更加绿色环保，无粉末颗粒污染；最后，由于金属丝材的体表面积比远远小于金属粉末，在开放环境激光熔化沉积过程中可显著降低氧气等不利气体掺杂，进一步降低沉积层氧化程度，降低孔隙率。基于上述优势，送丝式lmd技术在近年来得到广泛关注。

2、送丝式lmd技术目前仍以旁轴送丝方法为多(丝材进给方向与激光束光轴不同轴)，如zl 201810047415.2。旁轴送丝方法系统布置简便但存在光丝耦合差，激光能量分布不均匀的缺点。采用光丝同轴布置的光丝耦合方法(多光束同轴送丝和环形光束同轴送丝)能够有效解决上述问题，其中环形光束内同轴送丝lmd具有更均匀的能量分布以及更稳定的工艺适应性，是同轴送丝lmd技术的重要研究方向，目前所有的环形光束内同轴送丝的工作光源均为聚焦式光源，激光源通过光路转换系统最终会聚于焦点，该热源特性具有能量集中的特点，但是对于送丝lmd而言，丝材端部与激光热源的相对位置往往受到局限，一般取环形光斑中空直径恰好为丝材直径时作为工作光斑，方能得到最优的沉积效果。

3、在送丝式lmd过程中，冷丝进入快速熔凝的熔池会对熔池产生激冷现象，甚至来不及熔化戳底造成丝材受力被熔池底部反弹挤出。而预热后的金属丝进入熔池可辅助快速熔融并形成稳定的熔体对流，从而进一步提高lmd沉积效率。另一方面，在冷丝情况下，矫直不足的丝材由送丝嘴送出后由于自身曲率，丝材末端无法精确进入预定垂直区域内，影响送丝精度。研究表明，在丝材预热条件下液态丝材在基板熔池张力作用下会产生熔滴向预期位置熔池中心粘附的倾向，前提是熔池尺寸足够大且熔滴在液态熔池区域内，这种热丝过渡自适应现象有助于提升lmwd成形过程精度以及稳定性。

4、目前丝材预热方法从原理上主要可分为电阻式加热和电感式加热，但无论哪种方式都需要引入额外的辅助预热装置或附加热源，例如zl 201811291854.4以及zl201910577908.1均采用电感应线圈或增加第二激光热源的方式对丝材预热，上述方法需要额外引入一整套电感/电阻热丝设备或额外的激光发生源；而且显然上述方法中均采用的是旁轴送丝式的成形技术，这是由于旁轴送丝式加工头往往结构不紧凑，在沉积位置前需对丝材进行预热的区域具有足够空间布置第二热源等其他辅助热丝装置。此外通过增加辅助预热装置进行丝材预热的方式往往会造成较长的预热中断距离，过长的预热中断降低了原本的丝材预热效果，降低了能量利用率；不恰当的预热功率选择也极易导致工艺的失败。

5、对于环形光同轴送丝式加工头而言，由于沉积位置位于光束聚焦区域，丝材预热区域往往没有足够空间进行额外装置的布置；同时基于避免光路干涉的原因，光路内部需热丝区域与外部预热系统的连接也难以实现。为了解决环形光内同轴送丝lmd技术的丝材预热问题，本发明人前期发明了一种同轴送料激光熔覆装置(zl 201710059713.9)，其中将同源激光束通过同一锥形反射镜不同锥面反射角度分为两束激光，一束激光用于作用于工作界面用于形成熔池，实现材料沉积，另一束激光作用于进给材料对其进行预热。但是该发明丝材预热范围有限，丝材预热区域与熔池区域之间存在未预热区域，不能实现丝材进入熔池前阶段的连续预热，此外，该方法不能自主调节两束不同功能激光束的能量分配，不利于开发面向多材料的lmd工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种扩展焦域激光束热丝沉积装置，以提高同轴激光内送丝lmd的稳定性和材料沉积效率，同时实现沉积层温度梯度与材料沉积质量的调控。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明公开了一种扩展焦域激光束热丝沉积装置，包括：

4、激光器，所述激光器用于发射激光束；

5、镜组，所述镜组用于将所述激光束变换为扩展焦域激光束，所述扩展焦域激光束在空间上具有由环形光斑过渡到连续实心光斑的特征；

6、沉积工作面，所述沉积工作面用于承接所述扩展焦域激光束的投射，得到实心或环形的光斑以及所述光斑持续加热形成的熔池；通过调整所述沉积工作面在所述扩展焦域激光束中的位置，可改变所述光斑的尺寸及能量分布模式(实心或环形)，从而得到具有不同宽度的沉积形貌；

7、送丝系统，所述送丝系统用于沿预设路径进给丝材，使所述丝材的末端经过所述连续实心光斑的预热后，以液桥的形式连接所述熔池。

8、优选地，所述镜组包括分束镜和反射镜，所述分束镜具有圆锥形的外反射面，所述反射镜具有圆锥形的内反射面，所述外反射面与所述内反射面共轴线；所述外反射面用于将入射的所述激光束扩束；所述内反射面用于将被所述外反射面扩束的激光合束，得到所述扩展焦域激光束。

9、优选地，所述镜组包括分束镜和反射镜，所述分束镜具有圆锥形的外反射面，所述反射镜具有抛物面形的内反射面，所述外反射面与所述内反射面共轴线；所述外反射面用于将入射的所述激光束扩束；所述内反射面用于将被所述外反射面扩束的激光合束，得到所述扩展焦域激光束。

10、优选地，所述镜组包括分束锥透镜、准直透镜和合束锥透镜，所述分束锥透镜、所述准直透镜、所述合束锥透镜依次设置且共轴线；所述分束锥透镜用于将入射的所述激光束扩束，所述准直透镜用于将被所述分束锥透镜扩束的激光准直，所述合束锥透镜用于将所述准直透镜出射的准直激光合束，得到所述扩展焦域激光束。

11、优选地，所述镜组包括分束镜、反射镜和合束锥透镜，所述分束镜具有圆锥形的外反射面，所述反射镜具有圆锥形的内反射面，所述外反射面、所述内反射面、所述合束锥透镜共轴线；所述外反射面用于将入射的所述激光束扩束，所述内反射面用于将被所述外反射面扩束的激光准直；所述合束锥透镜用于将所述内反射面得到的准直激光合束，得到所述扩展焦域激光束。

12、优选地，所述镜组还包括平面反射镜或积分镜，所述平面反射镜或所述积分镜用于改变所述扩展焦域激光束的工艺方向或激光能量分布。

13、优选地，所述镜组还包括调节机构，所述调节机构用于调节所述镜组中的一个或多个镜体的位置，以调节所述扩展焦域激光束。

14、优选地，所述扩展焦域激光束的光轴垂直于所述沉积工作面。

15、优选地，所述连续实心光斑沿所述扩展焦域激光束的光轴的长度称为有效预热长度，所述有效预热长度大于5mm。

16、优选地，所述丝材的预热长度不大于20mm。

17、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

18、本发明中，扩展焦域激光束的一部分照射在进入连续实心光斑的丝材上，起到对丝材预热的作用，扩展焦域激光束的另一部分照射在沉积工作面上，在沉积工作面上形成熔池。丝材被持续预热并以热丝半熔融态的形式进入基板熔池形成液桥，实现稳定高效的材料沉积。同时，通过对丝材的预热，可显著降低丝材对熔池的激冷作用，减少温度梯度和内应力，促进液桥过渡的稳定形成，显著提高材料的沉积效率和沉积质量。