一种光粉水平间距可调的激光沉积头装置以及光粉非同轴增材制造方法

摘要

本发明公开了一种光粉水平间距可调的激光沉积头装置以及光粉非同轴增材制造方法，属于激光增材制造领域。包括光路系统、粉路系统及光粉位置调节系统。在激光沉积制造构件前，通过调节光粉水平间距调节装置以改变粉斑相对于光斑的水平间距，使光斑位于粉斑的前方。本发明解决了在同步送粉条件下，当粉末束与激光束位置重合时，熔池前沿伴有大量粉末飞溅的问题，有效提高了粉末的利用率。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，涉及一种光粉水平间距可调的激光沉积头以及一种光粉非同轴增材制造方法。

背景技术

激光沉积制造是以激光作为加工热源，以粉末为加工原料，在基板上逐层沉积堆覆，从而形成所需零件的制造技术。采用同轴送粉的方式使激光焦点与粉末汇聚点从一个装置中输出，获得较高的粉末利用率和更好工件质量。

在现有激光同步送粉喷头的研究中，大多数学者的研究内容集中在光粉垂直方向的距离调节，如中国专利CN102061467A、CN101264519B、CN106637195B所述，均通过各种装置和方法确保光斑与粉斑垂直方向的距离。但在实际增材制造过程中，由于熔池的滞后性，激光束焦点处于熔池前沿，在同轴送粉条件下，粉末束在此位置会伴有大量粉末的飞溅，针对这一现象，提出一款光粉水平距离可准确调节的激光沉积头及与之对应的光粉非同轴增材制造方法，以进一步提高粉末利用率。

发明内容

本发明的目的是为了解决在激光沉积制造过程中，当粉末束与激光束位置重合时伴有大量粉末飞溅的问题，提出了一种光粉水平间距可调节的激光沉积头装置和一种光粉非同轴的增材制造方法。

针对上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种光粉水平间距可调的激光沉积头装置，包括光路系统、光粉位置调节系统和粉路系统；

所述的光路系统包括光路系统连接外壳1，与光路系统核心传输装置下端相连，作为激光沉积头的水平方向调位基准。

所述的粉路系统包括连接件7、送粉通道8和沉积头9；所述的连接件7将沉积头9与粉路调位装置外壳下端6相连，使沉积头9与粉路调位装置外壳下端6同轴配合并同步移动。送粉通道8均布于沉积头9的底部锥面上，并且送粉通道8的延长线交汇于沉积头9的中心线上。所述的沉积头9底部的出光孔9-1呈长条状开口，保证不遮挡从激光器输出的激光束。

所述的光粉位置调节系统包括水平方向锁紧装置2、光粉水平间距调节装置3、粉路调位装置外壳上端4、垂直方向紧定结构件5、粉路调位装置外壳下端6；所述的光粉水平间距调节装置3与粉路调位装置外壳上端4配合，通过光粉水平间距调节装置3的微调，带动粉路调位装置外壳上端4移动，以改变粉路调位装置外壳上端4相对于光路系统连接外壳1的位置，进而调整沉积头9在水平方向的位置，以调整光斑与粉斑在水平方向的间距；所述的水平方向锁紧装置2用以固定粉路调位装置外壳上端4在水平方向的位置；所述的粉路调位装置外壳下端6与粉路调位装置外壳上端4同轴配合，并通过二者在竖直方向的相对移动进而调整沉积头9竖直方向的位置，以调整光斑与粉斑在竖直方向的距离；所述的垂直方向紧定结构件5用于固定粉路调位装置外壳上端4与粉路调位装置外壳下端6的相对位置，确保二者的位置关系。所述的粉路调位装置外壳上端4与光路系统连接外壳1内部槽口进行接触配合，通过光路系统连接外壳1的上台阶面及侧面分别与粉路调位装置外壳上端4凸台下表面及侧壁进行配合定位，仅保留水平方向的一个自由度。

进一步的，所述的光粉位置调节系统的光粉水平间距调节装置3通过使用光粉水平间距调位标尺3-1与粉路调位装置外壳上端4侧壁相对应的位置配合，通过拨动光粉水平间距调位标尺3-1，进而调整粉斑汇聚点的水平位置；所述的光粉水平间距调位标尺3-1与光路系统连接外壳1上的刻度对应，用于确定光斑中心与粉斑中心的水平距离；

进一步的，所述的光粉位置调节系统的光粉水平间距调节装置3通过光粉水平间距调位齿轮3-2与粉路调位装置外壳上端4对应的齿条啮合，通过转动光粉水平间距调位齿轮3-2，进而调整粉斑汇聚点的水平位置；所述的光粉水平间距调位齿轮3-2通过其上的刻度盘，用以确定光斑中心与粉斑中心的水平距离位置。

进一步的，所述的光粉水平方向锁紧装置2通过水平方向紧固螺栓2-1旋入光路系统连接外壳1两侧螺纹孔与粉路调位装置外壳上端4侧壁表面接触，用于固定粉路调位装置外壳上端4在水平方向上的位置；

进一步的，所述的光粉水平方向锁紧装置2通过紧定杆2-3穿过光路系统连接外壳1相对应的孔与粉路调位装置外壳上端4相接触，随后通过紧定螺钉2-2穿过光路系统连接外壳1相应的螺纹孔，进而钉扎住紧定杆2-3，以固定粉路调位装置外壳上端4在水平方向上的位置。

进一步的，所述的垂直方向紧定结构件5为紧定销钉，穿过粉路调位装置外壳上端4的销孔与粉路调位装置外壳下端6相接触，以固定二者的相对位置。

进一步的，所述出光孔9-1的长条形开口为直槽口、矩形、椭圆形或菱形，或者将上述图形的棱角变为圆角所构成的图形。

一种光粉非同轴增材制造方法，包括如下步骤：

步骤一：沉积加工前调整光粉水平间距调节装置(3)，使光斑位置位于粉斑位置前方并设定光斑与粉斑在水平方向的距离；

步骤二：按预设工艺路径进行沉积成形，得到所需的增材制造构件。

本发明的有益效果：在同轴送粉沉积头的设备基础上，做到使光斑与粉斑的位置在水平方向上可准确调节。相比于同轴送粉方式，使光斑与粉斑的位置距离在水平方向上可调，减少粉末因粉斑与光斑位置重合而产生的粉末飞溅现象，提高粉末的利用率。

附图说明

图1为本发明内部结构示意图。

图2为本发明的局部仰视图。

图3为一种光粉水平间距可调的激光沉积头结构示意图，采用单向扫描制的方式制造直臂薄壁件。

图4为一种光粉水平间距可调的激光沉积头结构示意图，采用往复扫描的方式制造圆弧形薄壁件。

图5为光粉水平距离调节效果对比示意图。其中，(a)为光粉水平距离不调节效果图，(b)为光粉水平距离调节效果图。

图中：1、光路系统连接外壳；2、光粉水平方向锁紧装置；2-1、水平方向紧固螺栓；2-2、紧定螺钉；2-3、紧定杆；3、光粉水平间距调节装置；3-1、光粉水平间距调位标尺；3-2、光粉水平间距调位齿轮；4、粉路调位装置上端；5、垂直方向紧定结构件；6、粉路调位装置下端；7、连接件；8、送粉通道；8-1、出粉孔；9、沉积头；9-1、出光孔；10、激光束；11、粉末束；12、构件；13、基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行更详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的基本思想是利用水平方向调位装置，调整粉斑相对于光斑在水平方向上的位置，以实现提高粉末利用率的作用。

实施例1：

以单向扫描的方式制造316L不锈钢直臂薄壁件为例，如图1所示，采用同轴保护气及同轴送粉方式，激光沉积制造的热源为YLS4000光纤激光器，激光沉积头采用本文发明的设备，并将本发明与YRC1000示教机器手相连接，具体包括如下步骤：

步骤一：用400目砂纸打磨316L不锈钢基板表面，去除表面附着物，并使用无菌棉沾取无水乙醇，擦洗打磨过的表面，并待其自然风干。将基板置于工作台表面。将316L粉末提前筛好，并置于真空干燥箱中，在100℃的环境下烘干2小时以上，随后放置于送粉器中，打开设备电源并设置其转速为2转/分钟。将送粉器流量设置为6L/min，保护气流量设置为8L/min。开启激光器及水冷机，在连续激光的模式下，将激光功率设置为1000W；开启YRC1000示教编程器，对机械手的动作进行示教编程。

步骤二：调整激光沉积头的位置，使其位于基板13上方，通过垂直方向调位结构使光斑焦点与粉斑汇聚点在垂直方向重合；

步骤三：旋出水平方向紧固螺栓2-1，拨动光粉水平间距调位标尺3-1调整粉斑水平方向的位置，使粉斑位置位于光斑位置后方3毫米处，最后旋紧水平方向紧固螺栓2-1，以固定光斑与粉斑的位置；

步骤四：通过YRC1000示教机械手移动激光沉积头，使其光斑焦点位于基板表面，启动送粉器及激光器，运行事先编辑的程序开始进行激光沉积制造；

步骤五：如此单向扫描沉积，得到所需的的直臂薄壁件。

实施例2：

以往复扫描的方式制造TC4大尺寸圆弧形薄壁件为例，如图2所示，采用同轴保护气及同轴送粉方式，激光沉积制造的热源为YLS4000光纤激光器，激光沉积头采用本文发明的设备，并将本发明与YRC1000示教机器手相连接，具体包括如下步骤：

步骤一：用400目砂纸打磨TC4基板表面，去除表面附着物，并使用无菌棉沾取无水乙醇，擦洗打磨过的表面，并待其自然风干。将基板置于工作台表面。将TC4粉末提前筛好，并置于真空干燥箱中，在120℃的环境下烘干2小时以上，随后放置于送粉器中，打开设备电源并设置其转速为1转/分钟。将送粉器流量设置为8L/min，保护气流量设置为8L/min。开启激光器及水冷机，在连续激光的模式下，将激光功率设置为800W；开启YRC1000示教编程器，对机械手的动作进行示教编程。

步骤二：调整激光沉积头的位置，使其位于基板上方，通过垂直方向调位装置(4)使光斑焦点与粉斑焦点在垂直方向重合；

步骤三：旋松紧定螺钉2-2，拔出紧定杆2-3，转动光粉水平间距调位齿轮3-2调整粉斑在水平方向的位置，使光斑位置位于粉斑位置延扫描方向前方1毫米处，插入紧定杆2-3，最后旋紧紧定螺钉2-2，以固定紧定杆2-3的位置，进而保证光斑与粉斑的相对位置；

步骤四：通过YRC1000示教机械手移动激光沉积头，使其光斑焦点位于基板表面，启动送粉器及激光器，运行事先编辑的程序开始进行激光沉积制造；

步骤五：待完成第一层的沉积后，停止激光器、送粉器及暂停机械手的动作，重复步骤三的操作，重新调整光斑与粉斑在水平方向的位置。启动激光器、送粉器及机械手的程序，进行下一层的激光沉积制造；

步骤六：如此往复沉积，得到所需的的圆弧形薄壁件。