CN210435362U - 可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，安装在工作头框架上的多个调向定位装置对相应的准直聚焦镜筒组进行精确定位，并调节各束激光照射方向，使激光束到达设定的汇聚点，导料导气装置安装在框架中心轴线上，把粉末或丝材与保护气体同时送到多束激光汇聚点或其附近的工件表面进行直接沉积，还可通过向丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量直接沉积丝材。本工作头兼具有粉末、丝材中轴供料作用，可调节激光束汇聚的位置，其结构也比较紧凑，其多束激光的光纤容易并拢，便于工作头灵活运动，还可进行多束激光与电阻热复合直接沉积。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于激光成形制造、表面改性的工作头，具体来说，涉及用于金属零件增材制造（3D打印）、修复再制造、表面改性的一种能量直接沉积的工作头。
背景技术
金属零件增材制造和修复再制造是目前研究的热点，金属零件表面改性的应用也很广泛。能量直接沉积是金属零件增材制造和修复再制造的主要工艺之一，也是表面改性的主要方法之一。该工艺利用高密度能量直接加热熔化金属粉末或丝材，使之沉积在基底表面，并与基底冶金结合。目前出现了激光沉积、电子束沉积、电弧沉积和等离子沉积等多种金属零件增材制造、修复再制造、表面改性工艺及其相应的设备，其中应用较多的是激光沉积。被熔化沉积的材料形态有粉末状和丝状，因而有送粉激光直接沉积（熔覆）和送丝激光直接沉积（熔覆）。送粉激光直接沉积又有同轴送粉和侧向送粉之分，而送丝也有侧向送丝和同轴送丝两种，只不过同轴送丝目前应用较少。侧向送粉和侧向送丝激光直接沉积的方向性较差，因而人们越来越趋向于使用同轴进料（粉末或丝材）激光直接沉积工艺，但送丝激光直接沉积必须把丝材置于中轴位置，对于实心的单束激光而言，是不能实现的。而目前大多数的送粉激光直接沉积比送丝激光直接沉积的材料利用率低，其原因是以单束聚焦激光轴线为中轴输送的粉末流从喷嘴出来后收敛性差，被激光束直接照射熔化而沉积的颗粒少，或者是与激光束相交一定角度的粉末流中，能够被激光熔化沉积的颗粒少。
目前比较典型的有光内送丝（粉）激光直接沉积（熔覆）工作头和多束激光直接沉积（熔覆）工作头。光内送丝（粉）激光直接沉积（熔覆）工作头把实心的激光束转化成中空的激光束，存在的问题是丝或粉末流进入工作头中轴前，必须穿过环形光束，既损失激光能量，又影响导料管的安装定位。目前的多束激光直接沉积（熔覆）工作头的形式有两种，一种是把一束激光用分光镜分成三束激光，然后经过反射聚焦后汇聚到一点，送丝管从其中两束光之间穿过，容易造成偏心，且分开的激光束数量有限。另外一种是把均匀分布的几束激光分别固定在一个架子上，聚焦后以一定角度传输并汇聚到一点，例如，公告号为CN207713821U的中国实用新型专利，公开了一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头，它提出在一个主体架上开设一个中心通孔，在其底部接一个带定位槽的定位器，送粉管穿过中心通孔固定在定位槽内；激光输出头固定在主体架顶部并通过激光通孔传输激光；在主体架下部又带有较大纵截面的气体喷嘴和水冷嘴（带类锥状环形空腔）。该专利气体喷嘴、水冷嘴尺寸太大，而且水冷嘴对主体架、定位器和送粉管的冷却作用不大。公告号为CN107813050A的中国发明专利，公开了一种用于金属熔融快速成型的多激光束3D打印头，这个专利把多个单光束聚焦装置呈几个环形固定在一个球弧形打印头主体上，其问题是工作头显得十分庞大，而且输送激光到达工作头的光纤张开较大角度，不便于把几根光纤并拢在一起，妨碍工作头运动。还有一种多束激光工作头，如公告号为CN106583726A、106757014A的中国发明专利发明的一种激光多光束熔覆装置，把一束激光分成熔覆光束和余热光束，而不是用多束激光同时熔覆（直接沉积）。
另外，目前的工作头要么只能用于输送粉末的激光直接沉积，要么只能用于丝材的激光直接沉积；而且不能调节单个激光束与工作头中心轴之间的夹角，因而不能解决因加工误差等原因造成的光束不能汇聚问题和汇聚点偏心问题，也不能调节光束汇聚处的离焦量而改变汇聚光光斑直径。
发明内容
针对上述问题，本专利设计了一种可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，能够对激光准直聚焦镜组精确定位，并调节每个激光束与工作头中心轴之间的夹角，可以中轴进粉，也可以中轴进丝，还可以粉末、丝材同时中轴送进，并可以使多束激光与电阻热复合进行直接沉积。
本实用新型解决问题的方案是：一种可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，包括1个框架、多个准直聚焦镜筒组、多个调向定位装置、1套中心导料导气装置，安装在工作头框架上的多个调向定位装置对相应的准直聚焦镜筒组进行精确定位，并调节各束激光照射方向，使激光束汇聚到设定的位置，导料导气装置安装在框架中心轴线上，把粉末或丝材与保护气体同时送到多束激光汇聚点或其附近的工件表面进行直接沉积，还可向丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量直接沉积丝材。
上述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，所述框架由上调向定位装置安装板、下调向定位装置安装板、前板、后板和2块相同的侧板组成，上、下调向定位装置安装板分别安装上、下调向定位装置，并为中心导料导气装置和每个准直聚焦镜筒组留有相应的通孔，前板和后板与上、下调向定位装置安装板组成框架的骨架，后板还有与机床或机器人连接的螺孔，2块侧板把工作头两侧封闭起来。
上述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，所述准直聚焦镜筒组由准直镜筒和聚焦镜筒对接而成，每个镜筒组的准直镜筒和聚焦镜筒保持同轴，且镜筒外径和壁厚及冷却水路满足与上、下调向定位装置及其安装板之间的配合要求，各个镜组发出的聚焦激光束的焦距满足多激光束直接沉积工艺对光束汇聚的要求。
上述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，所述调向定位装置包括上、下调向定位装置，上调向定位装置包含多个准直镜筒调节定位单元，每个准直镜筒调节定位单元由一个调节螺钉和一个弹簧对准直镜筒进行径向调节，以改变激光束与工作头中心轴间在径向平面内的夹角，由另外两个调节螺钉修正因加工误差等因素造成的周向偏差；下调向定位装置包含多个聚焦镜筒调节定位单元，每个聚焦镜筒调节定位单元通过旋转一对螺旋定位轴，可使聚焦镜筒进行小量周向摆动，以修正因加工误差等因素造成的周向偏差，用一个特制调节螺钉推拉聚焦镜筒，修正因加工误差等因素造成的径向偏差。
上述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，所述中心导料导气装置由导料管、导气管、喷气嘴、供料嘴、导料导气管定位件、导气接头、导料接头、绝缘套等组成，导料管在导气管内并且两者同轴，喷气嘴、供料嘴分别接在导气管和导料管下端，且供料嘴前伸出到喷气嘴前方，导料导气管定位件把导气管和导料管在框架上定位，导气接头、导料接头分别把保护气体和沉积材料送进导气管和导料管，绝缘套套在导料管、导气管与框架之间的定位装配部位，在多束激光+电阻热中轴复合沉积时用于防止电流流向工作头框架。
上述的中心导料导气装置，所述导料接头、导料管和供料嘴都可以是导体，可以向丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量沉积丝材。
上述的中心导料导气装置，所述导料接头和供料嘴根据沉积材料的状态而调整结构形状和尺寸，以适应粉末或丝材的送进，或粉末与丝材同时送进。
本实用新型的有益效果是，兼具有粉末、丝材中轴供料作用，可调节激光束汇聚的位置，其结构也比较紧凑，其多束激光的光纤容易并拢，便于工作头灵活运动，还可进行多束激光与电阻热复合直接沉积。
附图说明
图1是可调式中轴进料4束激光直接沉积工作头正视图。
图2是可调式中轴进料4束激光直接沉积工作头仰视图。
图中1.多束激光汇聚点，2.粉末流或丝材，3.供料嘴，4.喷气嘴，5.导料管，6.导气管，7.聚焦镜筒定位轴，8.聚焦镜筒调节定位单元，9. 特制调节螺钉，10.聚焦镜筒，11.准直镜筒，12.准直镜筒调节定位单元，13.调节螺钉，14.弹簧，15.光纤接头，16.光纤，17.送料管，18.导料接头，19.送气管，20.导气接头，21.导料导气管定位件，22.上调向定位装置安装板，23.侧板，24.下调向定位装置安装板，25.前板，26.绝缘套，27.后板，28.连接螺栓。
具体实施方式
结合附图，具体说明本实用新型的实施方式。
可调式中轴进料4束激光直接沉积工作头包括1个框架、4个准直聚焦镜筒组、4套调向定位装置、1套中心导料导气装置。框架由上调向定位装置安装板22、下调向定位装置安装板24、前板25、后板27和2块相同的侧板23组成，通过后板27上的螺孔用连接螺栓28与机床或机器人连接。每个准直聚焦镜筒组由连接在一起的准直镜筒11和聚焦镜筒10组成，并分别穿过上调向定位装置安装板22、下调向定位装置安装板24，每束由光纤16传输的激光通过光纤接头15进入准直镜筒11进行准直，再经过聚焦镜筒10聚焦后到达多束激光汇聚点1。上、下调向定位装置分别安装于上、下调向定位装置安装板22和24，上调向定位装置包含4个准直镜筒调节定位单元12，每个准直镜筒调节定位单元12由一个调节螺钉13和一个弹簧14对准直镜筒进行径向调节，以改变激光束与工作头中心轴间在径向平面内的夹角，由另外两个调节螺钉13修正因加工误差等因素造成的周向偏差；下调向定位装置包含4个聚焦镜筒调节定位单元8，每个聚焦镜筒调节定位单元8通过旋转一对螺旋定位轴7，修正因加工误差等因素造成的周向偏差，用一个特制调节螺钉9推拉聚焦镜筒10，修正因加工误差等因素造成的径向偏差。中心导料导气装置由导料管5、导气管6、喷气嘴4、供料嘴3、导料导气管定位件21、导气接头20、导料接头18、绝缘套26等组成，导料管5在导气管6内且两者同轴，喷气嘴4、供料嘴3分别接在导气管6和导料管5下端，且供料嘴3伸出到喷气嘴3的前方，导料导气管定位件21把导气管6和导料管5在框架上定位，导气接头20、导料接头18分别把送气管19与导气管6、送料管17与导料管5连通，接受保护气体和沉积材料。绝缘套26套在导料管5、导气管6与框架之间的定位装配部位，在4束激光+电阻热中轴复合沉积时用于防止电流流向工作头框架。
导料接头18、导料管5和供料嘴3都是导体，可以向丝材通电产生电阻热，与4束激光形成复合能量沉积丝材。
导料接头18和供料嘴3根据送料管17送进的材料状态而调整结构形状和尺寸，以适应粉末或丝材的送进，或粉末与丝材同时送进。
Claims (7)
1.一种可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征是：该工作头包括1个框架、多个准直聚焦镜筒组、多个调向定位装置、1套中心导料导气装置，安装在工作头框架上的多个调向定位装置对相应的准直聚焦镜筒组进行精确定位，并调节各束激光照射方向，使激光束到达设定的汇聚点（1），导料导气装置安装在框架中心轴线上，把粉末或丝材与保护气体同时送到多束激光汇聚点（1）或其附近的工件表面进行直接沉积，还可通过向丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量直接沉积丝材。
2.根据权利要求1所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述框架由上调向定位装置安装板（22）、下调向定位装置安装板（24）、前板（25）、后板（27）和2块相同的侧板（23）组成，前板（25）和后板（27）与上、下调向定位装置安装板（22）和（24）组成框架的骨架， 2块侧板（23）把工作头两侧封闭起来，通过后板（27）上的螺孔用连接螺栓（28）与机床或机器人连接。
3.根据权利要求1所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述准直聚焦镜筒组由准直镜筒（11）和聚焦镜筒（10）对接而成，每个镜筒组的准直镜筒（11）和聚焦镜筒（10）保持同轴，且镜筒外径和壁厚及冷却水路满足与准直镜筒调向定位单元（12）、聚焦镜筒调向定位单元（8）及其安装板（22）和（24）之间的配合要求，各个镜组发出的聚焦激光束的焦距满足多激光束直接沉积工艺对光束汇聚的要求。
4.根据权利要求1所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述调向定位装置包括上、下调向定位装置，上调向定位装置包含多个准直镜筒调节定位单元（12），每个准直镜筒调节定位单元（12）由一个调节螺钉（13）和一个弹簧（14）对准直镜筒（11）进行径向调节，以改变激光束与工作头中心轴间在径向平面内的夹角，由另外两个调节螺钉（13）修正因加工误差等因素造成的周向偏差；下调向定位装置包含多个聚焦镜筒调节定位单元（8），每个聚焦镜筒调节定位单元（8）通过旋转螺旋定位轴（7）使聚焦镜筒（10）进行小量周向摆动，以修正因加工误差等因素造成的周向偏差，用一个特制调节螺钉（9）推拉聚焦镜筒（10），修正因加工误差等因素造成的径向偏差。
5.根据权利要求1所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述中心导料导气装置由导料管（5）、导气管（6）、喷气嘴（4）、供料嘴（3）、导料导气管定位件（21）、导气接头（20）、导料接头（18）、绝缘套（26）等组成，导料管（5）在导气管（6）内且两者同轴，喷气嘴（4）、供料嘴（3）分别接在导气管（6）和导料管（5）下端，且供料嘴（3）伸出到喷气嘴（3）的前方，导料导气管定位件（21）把导气管（6）和导料管（5）在框架上定位，导气管（6）、送料管（16）通过导气接头（20）、导料接头（18）分别接受保护气体和沉积材料，绝缘套（26）套在导料管（5）、导气管（6）与框架之间的定位装配部位，在多束激光+电阻热中轴复合沉积时用于防止电流流向工作头框架。
6.根据权利要求5所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述导料接头（18）、导料管（5）和供料嘴（3）都是导体，可以向送进的丝材通电产生电阻热，与多束激光形成复合能量沉积丝材。
7.根据权利要求5所述的可调式中轴进料多束激光直接沉积工作头，其特征还有：所述导料接头（18）和供料嘴（3）根据沉积材料的状态而调整结构形状和尺寸，以适应粉末或丝材的送进，或粉末与丝材同时送进。
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