《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》是蘇州大學於2006年9月22日申請的專利，該專利的申請號為2006101164131，公布號為CN101148760，授權公布日為2008年3月26日，發明人是石世宏、傅戈雁、王安軍、張贇、朱鵬飛、胡進。
一種雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭，通過圓錐反射鏡——圓環形聚焦反射鏡擴束變換的方法，獲得了圓環錐形聚焦光束，使投射至加工表面的聚焦光束中產生一較大中空無光區。單根送粉管由光束外伸入此圓環錐的無光區中並與光束同軸線。粉束通過送粉管垂直送入加工面上的聚焦光斑中，實現“光內送粉”。該發明光路變換後為同軸光路，聚焦性能好，光粉耦合精度高；反射鏡面無缺口，光能損失小；圓環錐形聚焦光束中空體積大，便於安裝送粉管和更換不同大小噴嘴；送粉管垂直或近於垂直安裝，有利於採用重力送粉。該發明用於金屬件雷射熔覆快速成形、雷射表面加工製造、雷射焊接與特種連線、雷射修復與再製造等場合。
2016年12月7日，《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭
- 公布號：CN101148760
- 授權日：2008年3月26日
- 申請號：2006101164131
- 申請日：2006年9月22日
- 申請人：蘇州大學
- 地址：江蘇省蘇州市十梓街1號
- 發明人：石世宏、傅戈雁、王安軍、張贇、朱鵬飛、胡進
- Int.Cl.： C23C24/10(2006.01)、B23K26/34(2006.01)
- 代理機構：上海伯瑞傑智慧財產權代理有限公司
- 代理人：吳澤群
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,工藝方法,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
雷射加工成形製造科學與技術，是利用聚焦高能雷射束進行高性能金屬零部件特種加工、高性能材料製備及高性能零部件直接成形製造的一門新興的多學科交叉工程科學技術，是先進制造技術的重要組成部分，是該學科領域中的國際前沿研究方向。截至2006年9月，處於前沿研究領域的先進雷射加工成形製造技術主要有：（1）基於快速凝固雷射材料製備與材料添加製造的金屬結構件雷射熔覆快速成形技術；（2）提高零件表面材料性能與賦予零件表面特殊功能的雷射表面加工製造新技術；（3）難加工高性能材料的雷射製備、雷射焊接與特種連線技術；（4）重要關鍵零部件的雷射修復與再製造。
在上述幾種先進雷射加工成形製造技術中，有一個共同的關鍵技術，即將雷射和被熔材料同步傳輸至加工成形位置，並使金屬材料連續、準確、均勻地投入加工面上按預定軌跡作掃描運動的光斑內，實現光粉精確耦合，以在小區域內瞬間進行光能與熱能的轉換，完成材料的快速冶金過程，此技術即光粉耦合的關鍵技術。
在各種加工成形製造過程中，光斑和材料都需相對加工成形對象作二維或三維的運動，例如在雷射熔覆快速製造的層片堆積過程中，金屬粉末被不斷實時添加到移動的有限尺寸的光斑中實現熔覆並形成一條條熔道，而這一條條熔道本身及各熔道之間的連線質量，如熔道間的冶金結合質量，組織的均勻性和緻密度，熔道及熔道之間的平整、光滑、粗糙度等，取決於光源質量和參數、加工工藝參數、基體與粉末材料參數等。其中，在許多情況下相鄰熔道之間注入的能量不足，是造成熔道之間的結合質量和幾何質量不高的重要原因之一。
中國國內外現行的送粉法大多數為多粉管同軸送粉法。2006年9月之前送粉裝置中比較先進的各種同軸送粉頭，如美國專利（US5418350；US5477026；US5961862）、歐洲專利（WO2005028151）、日本專利（JP2005219060）等，其基本結構均採用多層同心錐筒形式。文獻《中國材料工程大典第25卷》（王至堯主編.北京：化學工業出版社，2006）綜合了中國國內外2006年9月之前同軸送粉技術，各種送粉方式均採用在筒體上圍繞中心光路呈傾斜布置環形通道，或3～8路傾斜送粉噴頭環繞光路中心同軸均勻布置的結構方案，送粉時需均分粉量給各噴頭，多路粉末相對光束傾斜噴射，並在加工表面匯聚於光斑之中。
綜上述，2006年9月之前送粉方式均為從光束外部多粉管傾斜同軸送粉方式，送粉效果如圖1。其不足之處在於：
（1）粉末由傾斜送粉噴嘴13噴出，粉粒離開噴嘴後的運動方向受到本身慣性力、氣載壓力、重力的影響，在運動過程中又可能受到保護氣和光壓的作用，它們對粉粒的作用方向不完全一致，故粉粒呈拋物線狀下落，不同粒度和形狀的粉粒受各粉管內的流動性、送粉量及均勻性等參數波動變化的影響，各粉粒慣性、在空中的運動軌跡和落點也會不一致，這些都造成粉粒跌落區域變大和波動。此外，由於是多粉道傾斜噴粉，其各自體位、均分粉量誤差、噴射力度的均勻、對稱性等不盡一致，使匯聚精度很難穩定。在粉粒運動過程中，有的粉粒落入光斑，但進入光束後的密度分布不均勻，有的粉粒則未進入光束就跌落，還有的可能穿過光束吸熱後又跌落並粘接在熔池旁的熔道上，在熔池側旁燒結成淚珠狀。
（2）多粉管噴射出的多束粉末10由光束11外呈拋物線狀射入光束中，然後再落入光斑中並形成熔池，由於多束粉末都是由光束外部進入光束，故實際粉束直徑遠大於光束，粉束在落入光斑前先與光束髮生干涉，對光束產生吸收和漫反射，使光束照射至加工表面上的光斑光強大大減弱，特別造成本熔道12與臨近熔道14、15之邊界注入的能量不足，造成邊界熔合不好，光滑平整度不好，內部缺陷增多，邊界還極易附著由於粉末熔融不足形成的燒結顆粒。對於三維快速成形件，其側壁16由於上下熔道間熔合不好，明顯顯現出不平整，表面粗糙和可見的未熔合顆粒。
（3）粉末散落度大，加上有的粉粒入光路徑較長或顆粒太細會造成燒損，故粉末利用率低，環境污染大。
《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》申請人已申請的專利（200510112041.0；200610024264.6）提出了將送粉噴頭光路中的反射鏡設計為帶開口，開口處的光束由吸收體吸收，開口區外的光束繼續反射並在聚焦鏡與其焦點之間形成一中空錐形聚焦光束，單根送粉管可以放置在聚焦光束中心的無光區而不會受到雷射束的照射，實現了粉管中心與光束中心完全重合，粉束在環形光束中沿光束中心線方向垂直噴射到加工表面的聚焦光斑中，與以前的雷射加工多粉管傾斜同軸送粉裝置相比，提高了粉末的均勻性和匯聚度。但是，以上兩種光路中的反射鏡都設計為帶開口，雷射入射到反射鏡開孔處的光能被後方的吸收體吸收後即被損失掉，且開口正好位於光束中心能量密度較大的區域，故損失的光能較大。另外，通過反射鏡面開口形成的中空無光區較小，不便於較粗大送粉管的安裝和調節。
發明內容
專利目的
需要一種新的同軸送粉工藝及裝置，粉束在下落過程中不過早與光束髮生干涉；粉末入光分布均勻，擴散度小；加工熔道與已加工的臨近熔道之間特別是搭接處具有足夠的光束能量輸入；光束與粉束耦合精確，其光束反射和聚焦光路中能量損失小，光束中心中空區較大以便於安裝較粗大的送粉管，實現同軸送粉。
工藝方法
《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》的雷射加工成形製造光內送粉工藝，其主要工藝方法為：
通過光路變換，將由雷射器發射出的圓截面光束變換為圓環形截面光束，或由非穩腔雷射器輸出圓環形截面光束，將所述圓環形光束擴束後，再聚焦成為環錐形聚焦光束，在成形加工表面形成一圓環形聚焦光斑。經上述光路變換後在所述圓環錐形聚焦光束中形成了一個錐形中空的無光區，送粉管由光束外伸入此無光區內並與圓環錐形聚焦光束同軸線。送粉管中的粉末在氣載或重力作用下在光束中空區與光束同軸送入加工面上的聚焦光斑中。粉末在噴射或下落過程中，始終位於圓環錐形聚焦光束內部的中空區內，直至接近工件表面，粉束才進入光束，落入聚焦光斑中。粉束落在工件表面形成的粉斑外徑位於環形聚焦光斑的內環與外環之間。聚焦光束大於粉束的部分不受粉粒干涉。
粉束落在工件表面上的粉斑直徑的大小通過改變送粉管出口直徑進行調節，聚焦光斑直徑的大小通過離焦方式調節。聚焦光斑外環直徑調整為略大於粉斑直徑，前者為後者的1.1～1.5倍。
《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》的光路變換與光內送粉工藝由雷射加工成形製造光內送粉噴頭實現。光內送粉噴頭由筒體、圓錐鏡定位盤、圓錐反射鏡、圓環形反射聚焦鏡、送粉管等組成。筒體上方有入光口，筒體下方有出光口。圓錐鏡定位盤由外環和用至少二根筋條與之連線的內環構成。外環固定於筒體內壁，內環上固定一圓錐反射鏡，圓錐反射鏡的鏡面朝向筒體上方的入光口。在圓錐鏡定位盤上方筒體內固定一圓環形反射聚焦鏡，反射聚焦鏡的鏡面背向所述入光口，與圓錐反射鏡的鏡面相對，並朝向筒體下部出光口。所述圓錐鏡定位盤、圓錐反射鏡、圓環形反射聚焦鏡均與筒體同軸線安裝。筒體內安裝了送粉管，送粉管的上端伸出筒體外壁，送粉管的下端位於所述圓錐鏡定位盤的下方，與筒體同軸安裝，送粉管下端出口靠近筒體出光口。
送粉管上端與筒體軸線成一角度，穿過圓錐反射鏡與圓錐鏡定位盤之間的環形空間而伸出筒體外，其迎光面塗鍍有吸光材料，內部有冷卻水道。送粉管還可為L形，其水平段從筒體側面進入後，安裝於連線圓錐鏡定位盤內、外環的某一筋條的下方，且其寬度小於筋條寬度。所述筋條迎光面塗鍍有吸光材料，內部有冷卻水道。
送粉管下端裝有可安裝不同大小規格的噴嘴。
光內送粉噴頭工作原理為：由雷射器發射的圓形或環形截面的雷射束由送粉噴頭筒體入光口沿筒體軸線進入筒體內，入射至安裝在圓錐鏡定位盤內環上的圓錐反射鏡鏡面上，然後通過圓錐鏡面反射並擴束，擴束後的雷射束入射至安裝在筒體內的圓環形反射聚焦鏡鏡面上，然後形成圓環形光束並反射至筒體出光口外某處聚焦。這樣在焦點和圓環形反射聚焦鏡之間形成一圓環錐形光束，此光束中部形成一圓錐形中空無光區。單根送粉管由筒體上部或側面進入光束中部的圓錐形中空無光區，然後轉向與聚焦光束同軸。送粉管下部可安裝不同口徑的噴嘴。工作時由外部送粉器提供的粉末進入送粉管，再送入粉嘴並由粉嘴噴出至聚焦光斑中心。
有益效果
採用《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》光內送粉工藝與光內送粉噴頭可達到以下有益效果：
（1）因粉束在光束中心，可實現光斑略大於粉斑工藝，使本熔道側旁和下方的前熔道搭接相鄰部分直接受雷射照射而受熱，使熔道搭接處實現良好熔合，減少搭接區的熱應力，避免裂紋等缺陷出現。熔道和熔道間的熱過渡熔合作用，使平行側旁熔道之間或上下熔道之間（多道表面形成成形件表面和側壁）的結合質量和平整度都能得到提高，熔道間的平整光滑度得到改善，多餘的燒結淚珠狀顆粒減少，粗糙度降低。
（2）單粉束垂直下落所受自身慣性力、氣載壓力、重力的作用方向一致、運動軌跡為直線狀，粉束中心線與光軸始終重合，單束粉垂直下落至加工面上的光斑中，準確且發散角小，粉束截面上粉粒密度分布均勻。
（3）單束粉末在環形光中空區下落過程中，處於光束內部而不與光束髮生干涉，不會在光束上部進入光束而造成擋光，也不會穿越光束而落出光斑之外。粉束在環錐形聚焦光束的近光斑處才進入光束，入光時間短，燒損小，粉末利用率大大提高。
（4）通過圓錐反射鏡一圓環形反射鏡獲得的環形光束，實現了擴束。光路中的圓環錐形聚焦光束中空體積大，便於安裝剛性好的粗大送粉管，便於粉管的對中調節，便於更換不同大小噴嘴和噴出粗細不同的粉末。擴束後的光束能量密度降低，送粉管、筋條等遮光部分損失的能量也小。所有反射鏡面均不開缺口，降低了入射至反射鏡面的上光能損失。
（5）光路變換後為同軸光路，圓錐形反射鏡和圓環形反射聚焦鏡的鏡面中心線與入射光、出射聚焦光均同軸線，聚焦性能好，光粉耦合精度高。
附圖說明
圖1為2006年9月之前技術中光外多粉管傾斜同軸送粉工藝示意圖；
圖2為《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》雷射加工成形製造光內送粉工藝示意圖；
圖3為雷射加工成形製造光內送粉噴頭結構圖；
圖4為具有L形送粉管的光內送粉噴頭結構圖。
技術領域
《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》屬於雷射加工領域，具體涉及雷射加工成形製造光內送粉工藝及實現該工藝的光內送粉噴頭。
權利要求
1.一種雷射加工成形製造光內送粉工藝，其主要工藝方法為：通過光路變換，將由雷射器發射出的圓截面光束變換為圓環形截面光束，將所述圓環形截面光束擴束後，聚焦成為圓環錐形聚焦光束，在加工表面形成一圓環形聚焦光斑，在圓環錐形聚焦光束中產生一錐形中空無光區，單根送粉管由光束外伸入此中空無光區內並與圓環錐形聚焦光束同軸線，送粉管中的粉末在氣載或重力作用下送入加工表面上的聚焦光斑中，粉末在噴射或下落過程中，始終位於圓環錐形聚焦光束內部的中空無光區內，直至接近加工表面，粉束進入聚焦光斑，粉束在加工表面形成的粉斑外徑位於圓環形聚焦光斑的內光環與外光環之間。
2.如權利要求1所述雷射加工成形製造光內送粉工藝，其特徵在於：通過離焦方式改變聚焦光斑直徑，通過改變送粉管出口直徑調節粉束直徑，進而調節粉束落在加工表面的粉斑大小，聚焦光斑外光環直徑為粉斑直徑的1.1～1.5倍。
3.一種雷射加工成形製造光內送粉噴頭，含筒體、圓錐鏡定位盤、圓錐反射鏡、圓環形反射聚焦鏡和送粉管，筒體上方有入光口，筒體下方有出光口，其特徵在於：圓錐鏡定位盤有外環和內環，外環、內環之間至少用二根筋條連線，外環固定於筒體內壁，內環上固定圓錐反射鏡，圓錐反射鏡的鏡面朝向筒體上方的入光口，在筒體內還固定有圓環形反射聚焦鏡，反射聚焦鏡的鏡面背向所述入光口，與圓錐反射鏡的鏡面相對，朝向筒體下部出光口，所述圓錐鏡定位盤、圓錐反射鏡、圓環形反射聚焦鏡均與筒體同軸線安裝，筒體內安裝了送粉管，送粉管的上端伸出筒體外壁，送粉管的下部與筒體同軸安裝，位於所述圓錐鏡定位盤的下方，送粉管下端出口靠近筒體出光口。
4.如權利要求3所述雷射加工成形製造光內送粉噴頭，其特徵在於：所述送粉管上端與筒體軸線成一角度，穿過圓錐反射鏡與圓環形反射聚焦鏡之間的經擴束的光束而伸出筒體外。
5.如權利要求3所述雷射加工成形製造光內送粉噴頭，其特徵在於：所述送粉管為L形，其水平段從筒體側面進入後，安裝於某一筋條的下方，水平段的寬度小於筋條寬度。
6.如權利要求3或4所述雷射加工成形製造光內送粉噴頭，其特徵在於：所述送粉管上端迎光面塗鍍有吸光材料，送粉管內部有冷卻水道。
7.如權利要求3、4或5所述雷射加工成形製造光內送粉噴頭，其特徵在於：所述筋條迎光面塗鍍有吸光材料，內部有冷卻水道。
8.如權利要求3、4或5所述雷射加工成形製造光內送粉噴頭，其特徵在於：所述送粉管下端安裝不同大小規格的噴嘴。
實施方式
- 套用實施例一
參照圖2、圖3。由雷射器發射出的圓截面雷射束（或由非穩腔雷射器輸出的環形截面雷射束）31投射在圓錐反射鏡35的鏡面351上，再反射至圓環形反射聚焦鏡34的鏡面341上，變換為中空圓環形截面光束，將所述圓環形光束聚焦，成為圓環錐形聚焦光束21，聚焦光束21具有內光環211和外光環212，投射至熔覆加工表面後形成一圓環形聚焦光斑。通過上述圓錐反射鏡——圓環形聚焦反射鏡光路變換在聚焦光束中產生了一圓錐形中空無光區22，送粉管39由光束外伸入無光區22內並與聚焦光束21同軸線。送粉管39中的粉末23在氣載或重力作用下送入成型加工面上的圓環形聚焦光斑中。粉末在下落過程中，始終位於聚焦光束內部的中空區22內，直至焦點附近進入光斑，粉束外徑落在聚焦光斑的內光環211與外光環212之間，實現光粉精確耦合，在瞬間進行光能與熱能的轉換，完成材料的熔覆過程。
圖3所示雷射加工成形製造光內送粉噴頭，包含筒體33、圓錐鏡定位盤36、圓錐反射鏡35、圓環形反射聚焦鏡34、送粉管39等幾部分。筒體上方有入光口32，筒體下方有出光口42。圓錐鏡定位盤36由外環361、內環362構成輪輻狀，外環、內環之間至少用二根筋條363連線。外環361固定於筒體33內壁，內環362上固定一圓錐反射鏡35，圓錐反射鏡的鏡面351朝向筒體上方的入光口32，在筒體33內固定一圓環形反射聚焦鏡34，反射聚焦鏡34的鏡面341背向所述入光口32，與圓錐反射鏡的鏡面351相對。所述錐鏡定位盤36、圓錐反射鏡35、圓環形反射聚焦鏡34均與筒體33同軸線配合安裝。所述圓錐鏡定位盤36的下方還與筒體33同軸安裝有送粉管39，送粉管39的上端391與筒體軸線成一角度，從圓錐反射鏡35與圓環形反射聚焦鏡34之間的經擴束的光束中間穿過而伸出筒體外。送粉管39的上端391迎光面上塗鍍吸光材料以增加吸光率，並在內部開設冷卻水道以實施冷卻。送粉管39的下端出口靠近筒體下方出光口42。送粉管39的下端可安裝不同大小規格的噴嘴392，以適應輸出不同大小粉束的需要。本實施例因送粉管上端傾斜布置，既適合氣載送粉，也適合重力送粉。
- 套用實施例二
在實施例一中，通過改變送粉管39的出口大小調節粉束落在工件表面上的粉斑直徑，通過改變工件相對焦點的軸向距離，即通過離焦方式改變聚焦光斑直徑。對聚焦光斑和粉斑的直徑進行調整，使聚焦光斑外光環直徑略大於粉斑直徑。一般情況下，聚焦光斑的外光環直徑為粉斑直徑的1.1～1.5倍。工藝過程中因光斑略大於粉斑，光斑大於粉斑部分在聚焦光束中不受粉粒干涉，使本熔道側旁和下方的前熔道搭接相鄰部分直接受雷射照射而受熱，可降低熔融過程中本熔道與加工後臨近熔道間的溫度梯度，使熔道搭接處實現良好熔合，減少搭接區的熱應力，避免裂紋等缺陷出現。熔道和熔道間的熱過渡熔合作用，使水平熔道24和垂直熔道25之間的結合質量得到改善，多餘的燒結淚珠狀顆粒減少；側壁26的平整光滑度提高，粗糙度降低。
- 套用實施例三
在實施例一或實施例二中，將所述送粉管39用L形送粉管39’替代，如圖4。其水平段391’從筒體側面進入，安裝於某一筋條363的下方，其寬度小於筋條寬度，光束能量由筋條遮擋並吸收。所述筋條暴露在經擴束的光束中，其表面塗鍍有吸光材料，內部有冷卻水道。本實施送粉管呈L形，適合氣載送粉。
- 套用實施例四
如圖3，在送粉管39的下端，採用螺紋連線不同出口直徑的噴嘴392。
榮譽表彰
2016年12月7日，《雷射加工成形製造光內送粉工藝與光內送粉噴頭》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
