一种三光束丝粉混合激光熔覆系统的制作方法

1.本实用新型属于激光增材制造领域，具体而言涉及一种激光熔覆系统。


背景技术：

2.激光熔覆是一种激光表面改性技术，是在工件(或基体材料)表面加入溶覆材料(送粉、送丝、预置等)，通过高能密度激光加热，使熔覆材料和基体表面薄层金属迅速达到溶融状态，此时靠工件本身的导热，快速凝固结晶为溶覆层，以获得与基体材料之间冶金结合且稀释率低并具有各种特性的改性层或修复层。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点，如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。因此，20世纪80年代以来，激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在诸多工业领域获得应用。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种三光束丝粉混合激光熔覆系统，该激光熔覆系统可保证熔覆材料熔化时热量均匀，有助于提高熔覆层和工件的冶金结合，以及提高表面质量及获得更小的稀释率。通过改变熔覆材料的组合（丝材、粉末），实现多种材料共同激光熔覆，有助于提高成形件质量和力学性能。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
5.一种三光束丝粉混合激光熔覆系统，包括一用于放置工件的工作台，所述工作台上方为三光束丝粉混合激光熔覆喷头，还包括控制器、机器人、激光器、水冷装置、第一熔覆材料输送设备、氮气机和第二熔覆材料输送设备；所述控制器连接所述机器人、所述激光器、所述水冷装置、所述第一熔覆材料输送设备、所述氮气机和所述第二熔覆材料输送设备，用于控制各设备的运行工作；所述机器人连接所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头对其运动轨迹进行控制，实现x轴、y轴和z轴空间上的运动；所述激光器发出激光束通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头将入射激光束转换成三光束投射到所述工件上；所述第一熔覆材料输送设备将第一熔覆材料输送至所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头，并通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头输送到所述工件上；所述第二熔覆材料输送设备将第二熔覆材料输送至所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头，并通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头输送到所述工件上；所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头将所述三光束聚焦到所述工件上形成熔覆区，同时将所述第一熔覆材料和所述第二熔覆材料输送到所述熔覆区；所述水冷装置将冷却水输送到所述激光器和所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头；所述氮气机将制造好的氮气通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头输送到所述熔覆区。
6.进一步的，所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头包括一支撑架，所述支撑架上方设置有一个三棱镜和三个聚焦镜，三个所述聚焦镜圆周布置在所述三棱镜的三个投射光路上，在所述支撑架上位于所述聚焦镜下方开设有反射光通孔，通过所述三棱镜和三个所述聚焦镜将入射激光束反射成三光束通过所述反射光通孔投射聚焦到所述工件上，所述支撑
架下方固定有一用于输送所述第一熔覆材料的喷嘴。
7.进一步的，所述喷嘴下方安装有一材料通道连接支架，在所述材料通道连接支架的中心位置设置有一喷嘴通道，所述喷嘴设置在所述喷嘴通道内，在所述喷嘴通道的四周布置有三根用于输送所述第二熔覆材料的材料管道，所述材料管道固定在所述材料通道连接支架内，在所述材料通道连接支架上还开设有三个反射光通道，三个所述反射光通道依次布置在三根所述材料管道两两之间，所述三光束分别通过对应的所述反射光通道投射聚焦到所述工件上；所述喷嘴和三根所述材料管道分别与所述三光束同轴布置。
8.优选的，所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头的离焦量为负离焦；所述三光束的焦点相对工件表面的竖直方向的距离为离焦量；所述焦点位于所述工件表面下方为负离焦。
9.优选的，所述三光束投射到所述工件上形成三个独立的光斑，三个所述光斑的外切圆能够包络所述第一熔覆材料和所述第二熔覆材料所在的区域，且所述第一熔覆材料和所述第二熔覆材料位于所述三个独立的光斑之外。
10.本实用新型具有如下有益效果：
11.1、本实用新型的系统激光器输出激光束通过三光束丝粉混合激光熔覆喷头内部光路转换系统将入射激光转换成中空的三光束；机器人可以通过控制器对熔覆喷头运动轨迹进行控制，实现x轴、y轴和z轴空间上的运动；熔覆材料输送设备可以将熔覆材料通过熔覆喷头内部通道输送到熔覆区，通过内部通道和光斑的位置关系保证光、熔覆材料精确耦合；氮气机将制造好的氮气通过熔覆喷头内部通道输送到熔覆区，同样通过内部通道与熔覆材料同轴，保证光、丝以及气准确耦合，防止成形件氧化以及防护熔覆喷头内部镜片；水冷装置主要是冷却水输送到激光器以及熔覆喷头内部镜片，保证光学镜片及时冷却，防止损坏。
12.2、本实用新型的系统中三根材料管道（粉末或丝材）、三光束（光斑）与喷嘴（粉末或丝材）实现同轴布置，保证丝材或粉末熔化时，热量均匀，有助于提高熔覆层和基材的冶金结合，以及提高熔覆层表面质量、获得更小的稀释率。
13.3、喷嘴中间的通道可以输送粉末或丝材，周边三个通道输送粉末或丝材输送，可以实现丝材与粉末同时输送到熔池，实现光、丝、粉充分熔合，提高冶金结合，实现高质量熔覆层成形；且可以通过改变材料类型以及材料输送质量配比，实现多种材料同时熔化并形成高性能的熔覆层。
14.4、本实用新型的三光束丝粉混合激光熔覆喷头在负离焦状态下，光斑外径要远远大于熔覆材料（丝/粉混合物）直径，对激光熔覆过程中丝/粉混合物传输的位置精度要求相对较低，同时在负离焦状态作用在丝/粉混合物激光能量相比焦点和正离焦状态要分布更加合理，避免激光能量高度集中，所以负离焦更容易获得较高质量的熔覆层。
附图说明
15.图1为本实用新型的三光束丝粉混合激光熔覆系统的系统架构图。
16.图2为本实用新型的三光束丝粉混合激光熔覆碰头的结构示意图；其中，（a）为装配图；（b）为爆炸图。
17.图3为本实用新型定义的不同离焦量示意图；其中，（a）为负离焦情况下示意图，（b）为焦点情况下示意图，（c）为正离焦情况下示意图。
18.图4为光斑与熔覆材料的关系示意图；其中，（a）为负离焦情况下光斑与熔覆材料的一种关系示意图，（b）为负离焦情况下光斑与熔覆材料的另一种关系示意图，（c）为焦点或正离焦情况下光斑与熔覆材料的关系示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
20.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
21.参照图1所示，一种三光束丝粉混合激光熔覆系统，包括一用于放置工件10的工作台9，其特征在于：所述工作台10上方为三光束丝粉混合激光熔覆喷头11，还包括控制器12、机器人13、激光器14、水冷装置15、第一熔覆材料输送设备16、氮气机17和第二熔覆材料输送设备18；所述控制器12连接所述机器人13、所述激光器14、所述水冷装置15、所述第一熔覆材料输送设备16、所述氮气机17和所述第二熔覆材料输送设备18，用于控制各设备的运行工作；所述机器人13连接所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11对其运动轨迹进行控制，实现x轴、y轴和z轴空间上的运动；所述激光器14发出激光束通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11将入射激光束201转换成三光束202投射到所述工件10上；所述第一熔覆材料输送设备16将第一熔覆材料101输送至所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11，并通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11输送到所述工件10上；所述第二熔覆材料输送设备18将第二熔覆材料102输送至所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11，并通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11输送到所述工件10上；所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11将所述三光束202聚焦到所述工件10上形成熔覆区103，同时将所述第一熔覆材料101和所述第二熔覆材料102输送到所述熔覆区104；所述水冷装置15将冷却水输送到所述激光器14和所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11；所述氮气机17将制造好的氮气通过所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11输送到所述熔覆区104。
22.参见图2a、图2b所示，所述三光束丝粉混合激光熔覆喷头11包括一支撑架1，所述支撑架1上方设置有一个三棱镜2和三个聚焦镜3，三个所述聚焦镜3圆周布置在所述三棱镜2的三个投射光路上，在所述支撑架1上位于所述聚焦镜3下方开设有反射光通孔103，通过所述三棱镜2和三个所述聚焦镜3将入射激光束201反射成三光束202通过所述反射光通孔103投射聚焦到所述工件10上，所述支撑架1下方固定有一用于输送所述第一熔覆材料101
的喷嘴4。所述喷嘴4下方安装有一材料通道连接支架5，在所述材料通道连接支架5的中心位置设置有一喷嘴通道502，所述喷嘴4设置在所述喷嘴通道502内，在所述喷嘴通道502的四周布置有三根用于输送所述第二熔覆材料102的材料管道6，所述材料管道6固定在所述材料通道连接支架5内，在所述材料通道连接支架5上还开设有三个反射光通道503，三个所述反射光通道503依次布置在三根所述材料管道6两两之间，所述三光束分别通过对应的所述反射光通道503投射聚焦到所述工件10上；所述喷嘴4和三根所述材料管道6分别与所述三光束202同轴布置。
23.进一步的，所述材料通道连接支架5可拆卸的连接在所述喷嘴4上。
24.进一步的，所述材料通道连接支架5内设置有空腔，所述空腔通过进、出水口501，501’与所述水冷装置15连接。
25.实施例1：
26.所述第一熔覆材料101为粉末或丝材；所述第二熔覆材料102为粉末。
27.实施例2：
28.所述第一熔覆材料101为粉末或丝材；所述第二熔覆材料102为丝材。
29.实施例3：
30.所述第一熔覆材料101为粉末或丝材；所述第二熔覆材料102为粉末或丝材。
31.进一步的，三根所述材料管道6中输送的所述第二熔覆材料102的可以相同或不同。
32.实施例4：
33.本实施例中所述激光器14为ipg yls
‑
2000
‑
tr光纤激光器，所述机器人13为kr 60 ha型kuka工业机器人，所述第一熔覆材料输送设备16为米勒s
‑
74s型工业送丝机。
34.本实施例的系统实现了“三光束光内同轴送熔覆材料”，激光熔覆成形光、熔覆材料耦合关系主要由光与熔覆材料同轴度、熔覆层或工件与光斑的轴向相对位置、光斑与丝/粉混合材料径向尺寸共同决定。研究可知，熔覆喷头中导丝或粉末喷嘴分别与三光束是同轴设计，可以通过调节聚焦镜角度以及送料通道（熔覆材料）位置弥补三光束和送料通道之间零件制造误差和装配误差，保证三光束和熔覆材料空间位置是同轴关系。
35.进一步的，如图3所示，本实施例中定义离焦量为三光束的焦点相对工件表面竖直方向的距离，焦点位于工件表面定义离焦量为零，如图3（b）；焦点位于工件表面正上方定义为正离焦，如图3（c），焦点位于工件表面正下方定义为负离焦，如图3（a）。离焦量变化直接影响光斑尺寸以及能量分布变化，而光斑特性直接决定了熔池能量与熔覆材料熔化所需要能量之间的匹配关系，从如下三种离焦量位置情况探讨光熔覆材料耦合关系：
36.（1）负离焦情况
[0037] 如图4所示，熔覆材料所形成区域位于位于三个光斑所围成的圆形区域的内部，根据上述定义可知，负离焦光斑分布有两个状态：完全分离状，如图4（a）和部分重叠状如图4（b）。当三个光斑处于完全分离状态时：熔覆材料完全进入到三光束所包围的无光区，当此区域熔池温度达不到熔覆材料的熔点时，熔覆材料就无法熔化，无法形成熔覆层，当此区域熔池温度大于熔覆材料熔点时，熔覆材料熔化并形成熔覆层。当三个光斑处于部分重叠状态时，熔覆材料完全进入到三光束重叠区域，相比三光束分离状态，同样输入功率和作用时间，和熔覆材料同轴的重叠区域的温度要比光斑分离状态的同轴的无光区域的温度要高，
更加容易达到熔覆材料熔点的温度，但其温度达不到熔覆材料熔点时，熔覆材料依然无法熔化，大于熔覆材料熔点温度熔覆材料才有可能熔化并形成熔覆层，但熔池温度过高，会产生过烧现象，也无法形成高质量熔覆层。
[0038]
（2）焦点情况
[0039]
熔覆材料与单个圆形光斑同轴交汇，焦点位置时，三个光斑完全重叠在一起并形成单个光斑，如图4（c），其熔覆材料也相应汇交与单个光斑中心，熔覆材料从喷头到熔池需要经过一定距离，熔覆材料在传输过程中会存在一定的偏摆，由于焦点位置光斑直径较小，当熔覆材料偏摆量超过光斑尺寸，容易导致熔覆材料熔化不稳定，难以形成较高质量熔覆层；同时由于焦点位置能力密度极高，引起熔池能量较大，也会引起熔覆材料熔化过程中产生过烧现象或无法形成连续均匀光滑的熔覆层。所以在焦点位置时，容差能力比较弱，工艺窗口小，位置精度的稳定性相比负离焦状态更加敏感。
[0040]
（3）正离焦情况
[0041]
熔覆材料先通过光斑焦点位置后，再进入工件表面或熔覆层表面，光斑直接作用在熔覆材料外表面，同样由于焦点位置光斑尺寸小，熔覆材料传输过程中位置精度相比负离焦位置比较敏感，熔覆材料轻微偏摆，也会加剧光和熔覆材料耦合不充分。焦点处高能量密度激光束完全照射在熔覆材料上，通常会超出熔覆材料熔化所需要的能量，很容易将熔覆材料温度达到熔点温度甚至产生过烧现象，无法形成连续的高质量熔覆层。
[0042]
针对上述三种光和熔覆材料耦合关系的初步分析可知：负离焦状态下光斑外径要远远大于熔覆材料直径，对激光熔覆过程中熔覆材料传输的位置精度要求相对较低，同时在负离焦状态作用在熔覆材料激光能量相比焦点和正离焦状态要分布更加合理，避免激光能量高度集中，所以负离焦更容易获得较高质量的熔覆层。上述主要是光和熔覆材料位置和能量耦合的初步分析，还需要建立激光束所提供的能量与丝/粉混合物熔化所需要能量关系模型，深入分析光和熔覆材料耦合关系。
[0043]
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。