專利名稱：一種激光成形系統的金屬粉末送給裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光快速成形技術，具體地說是一種激光成形系統的金 屬粉末送給裝置。 背景4支術激光是二十世紀最偉大的科學實用新型之一，具有巨大的技術潛力。激 光加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種激光加工技術， 其中激光熔覆技術是目前最活躍的激光加工技術之一。快速成形技術是八十 年代末興起并得到迅速發展的嶄新制造技術，被認為是近二十年來制造技術 領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與數控技術的出現相比。金屬粉 末激光成形技術是將激光熔覆技術與快速成形技術相結合，以金屬粉末為原 料，采用高功率激光熔覆技術，利用快速成形分層制造思想，創造出金屬功 能零件。此項技術因能夠直接成形金屬功能零件而倍受人們的關注，并且取 得了長足的發展。金屬粉末激光成形系統除了大功率激光器外，主要還包括導光裝置、數 控加工裝置和金屬粉末送給裝置等，其中金屬粉末送給是一項關鍵技術。目 前，金屬粉末送給方式主要有以下三種第一，預置粉末法。其工作原理是將金屬粉末鋪在已成形零件上表面并 刮平，用高能C02激光在剛鋪新層上掃描熔覆出零件截面，金屬粉末在高強度 的激光照射下被熔覆在一起，得到零件截面并與下面已成形零件連接；當一 層截面熔覆完后，鋪上新的一層金屬粉末，有選擇地熔覆下層截面；熔覆完 成后去掉多余的金屬粉末，再進行打磨、烘干等處理，進而得到金屬功能零 件。該送粉方式是粉末預先鋪平，激光垂直入射。其缺點是系統結構復雜、 體積龐大、昂貴的金屬粉末用量巨大、成形零件非全齊度零件、后處理工藝 難度大。4第二，側向同步送粉法。該方法克服了預置粉末法的體積龐大、金屬粉 末用量大、成形零件非全密度等缺點。其工作原理是采用金屬粉末定量送給 裝置控制粉末流量，通過側向噴嘴將金屬粉末噴射到激光熔池內，實現了粉 末送給與熔覆運動過程的同步進行。該送粉方式是粉末側向送給，激光垂直 入射。其缺點是粉末從噴嘴噴射出來之后發散、熔覆運動方向受制約。第三，同軸送粉法。該方法克服了側向同步送粉法的缺點，實現了噴嘴 匯聚金屬粉末后噴射到激光熔池之中，同時實現了 二維平面內任意方向的熔 覆運動。其工作原理是采用金屬粉末定量送給裝置控制粉末流量，通過同軸 粉末噴嘴將金屬粉末噴射到激光熔池內，實現了粉末噴射錐軸線、激光束軸 線以及保護氣噴射錐軸線的重合，同時也實現了粉末送給與熔覆運動過程的 同步進行。由于同軸送粉法克服了以前各種送粉方法的諸多缺點，具有很大 的優勢，因此同軸送粉法是目前各送粉技術的主流技術。但是同軸送粉法也存在著難以克服的缺點同軸噴嘴是聚焦激光、匯聚粉末、匯聚保護氣的同 軸輸出口，又包括復雜冷卻水道，因此結構設計特別復雜；為了避免熔池熱 輻射燒傷噴嘴，噴嘴材料一般選擇熱傳導率較高的紫銅，由于粉末噴射錐軸 線、激光束軸線以及保護氣噴射錐軸線同軸，因此采用紫銅作為噴嘴材料的 加工工藝難度較大；此外，對于較低功率下的激光透射聚焦方式，為避免透 鏡污染，激光出口需要輸出保護氣，嚴重影響了粉末噴射錐的形狀；對于較 高功率下的激光反射聚焦方式，則無法對反射鏡進行氣體保護，反射鏡特別 容易被污染；由于平行的C(V激光束截面一般為矩形，所以聚焦后的光斑在低 功率下為小矩形，在高功率下為近3見橢圓形，而并非圓形光斑。目前使用最多的同軸送粉法，由于粉末噴嘴距離上千度高溫的激光熔池 很近，所以噴嘴冷卻一直是同軸送粉技術的主要問題之一，冷卻不充分時會 造成粉末在噴出口處燒熔粘結現象發生，更嚴重時會發生噴嘴燒熔變形甚至 脫落。同軸送粉機構由于其結構復雜、空間狹小，所以難于設計和制造出大 腔體的冷卻水道，冷卻效果不好。聚焦鏡是激光光路中的最主要部件之一， 當鏡面受到煙塵污染時，輕者降低激光功率，重者燒毀聚焦鏡。在同軸送粉 機構中，較低激光功率時常采用激光透射聚焦方式，為避免透鏡污染，激光出口需要輸出保護氣，嚴重影響粉末噴射錐的形狀；較高功率時采用激光反 射聚焦方式，此時不易對反射鏡進行氣體保護，反射鏡特別容易被污染。粉 末的載氣傳輸是送粉技術的主流方式，該方式具有粉末傳輸速度快、粉末傳 輸均勻、管路形狀位置適應性強、無粉末擁塞現象發生、載氣兼保護氣作用 等優點。但是在同軸送粉機構的粉末噴嘴處，強大的載氣壓力、聚焦鏡的保 護氣壓力及其基體的反射作用會使噴嘴處氣流極其復雜，導致粉末錐嚴重變 形，粉末匯聚效果變差。再有，隨著激光加工運動復雜程度的不斷提高，目前廣泛應用的二軸連 動激光筒已遠遠不能滿足激光加工運動的需要；現有廣泛使用的C02激光器均 是5KW以上的大功率，而基于ZnSe晶體透鏡的透射聚焦方式越來越不適應大 功率激光器的聚焦應用。發明內容為了解決上述送粉法存在的問題，特別是目前使用最多的同軸送粉法， 存在的加工工藝難度較大、強大的載氣壓力、聚焦鏡的保護氣壓力及其基體 的反射作用會使噴嘴處氣流極其復雜，導致粉末錐嚴重變形，粉末匯聚效果 變差，反射鏡特別容易被污染等問題，本實用新型提供了一種側向激光、垂 直送粉的激光成形系統的金屬粉末送給裝置。該裝置的粉末輸送路徑與激光 光路分離，包括可擺動側向激光筒(1)、垂直固定激光筒(2)、平行四邊形 機構(3)、粉末噴嘴支撐件(4)及垂直粉末噴嘴(5);所述可擺動側向激光 筒(1)安裝在垂直固定激光筒(2)的一端，繞其軸線可往復擺動，可擺動 側向激光筒(1)與設有垂直粉末噴嘴(5 )的粉末噴嘴支撐件(4 )偏置設置； 垂直固定激光筒(2)通過平行四邊形機構(3)與粉末噴嘴支撐件(4)相連 接，可擺動側向激光筒(1)通過連桿(33 )與平行四邊形機構(3 )相連， 驅動粉末噴嘴支撐件(4)沿平行于垂直固定激光筒(2)的軸線上下往復移 動；可擺動側向激光筒(1)發出的聚焦激光與垂直粉末噴嘴(5)發出的聚 焦粉末重合于匯聚點(6)。本實用新型的優點與積極效果為1.本實用新型的垂直粉末噴嘴具備金屬粉末噴射后匯聚功能，匯聚后的粉末束噴射到激光熔池之中，垂直噴嘴可實現X—Y 二維平面內任意方向的熔 覆運動。2. 機構分解、結構簡化、降低工藝難度。本實用新型將激光光路與粉末 輸送路徑分開，機械結構大大簡化，進而降低了加工工藝的難度，可實現更 高的加工精度。3. 粉末噴嘴冷卻腔相對增大，冷卻效率提高。本實用新型的垂直粉末噴 嘴結構簡化，同樣體積的情況下可以設計和制造出更大空間的冷卻水道，所 以冷卻效率大大提高。4. 激光光斑形狀可高速至正方形或者近似圓形。本實用新型中激光束側 向入射，可通過調整激光束傾斜方向及傾斜角度兩個參數使激光光斑在低功 率下為正方形，在高功率下為近似圓形。5. 有效避免熔覆時形成的煙塵污染聚焦鏡。本實用新型激光束側向輸出， 縮短了激光筒的長度，可使聚焦鏡充分避開熔覆過程中產生煙塵的作用區域， 從而避免聚焦鏡的煙塵污染。6. 載氣卸荷機構使粉末噴射聚焦效果更佳。本實用新型在垂直粉末噴嘴 機構中設計有載氣卸荷裝置，該裝置的作用是將管路輸送來的粉末與載氣相 分離，載氣從卸荷口流出，而粉末在初速度和重力的作用下從噴嘴處平穩噴 射到激光熔池中。7. 粉末環形出口縫隙可調。金屬粉末經粉末環形出口噴射出來形成粉末 錐，最終匯聚到圓錐頂點處。事實上，由于粉末顆粒從環形出口噴射出來的 速度和方向均略有不同，所以不可能匯聚在一點上，而是匯聚到具有一定半 徑的圓內，粉末匯聚的圓半徑越小越好。粉末環形出口縫隙設計成靠螺紋調 節大小，可以根據不同粉末輸送量改變縫隙大小，最大限度地保證粉末匯聚 圓半徑最小。8. 平行四桿聯動機構實現在保證激光焦點與粉末噴射焦點重合并且粉末 噴嘴始終處于垂直狀態前提下，可以方便、快捷地進行系統參數的微量調節。


圖1為實用新型的結構示意圖；圖2為圖1中可擺動側向激光筒的結構示意圖；圖3為圖2的右一見圖；圖4為圖1中垂直粉末噴嘴結構示意圖；圖5為圖4中的A向—見圖；圖6為圖1中平行四邊形機構的運動簡圖；圖7為本實用新型正方形聚焦光斑形成示意圖。
具體實施方式
參看圖1~圖7, —種激光成形系統的金屬粉末送給裝置，該裝置的粉末 輸送路徑與激光光路分離，包括可擺動側向激光筒l、垂直固定激光筒2、平 行四邊形機構3、粉末噴嘴支撐件4及垂直粉末噴嘴5;所述可擺動側向激光 筒1安裝在垂直固定激光筒2的一端，繞其軸線可往復擺動，可擺動側向激 光筒1與設有垂直粉末噴嘴5的粉末噴嘴支撐件4偏置設置；垂直固定激光 筒2通過平行四邊形機構3與粉末噴嘴支撐件4相連接，可擺動側向激光筒1 通過連桿33與平行四邊形機構3相連，驅動粉末噴嘴支撐件4沿平行于垂直 固定激光筒2的軸線上下往復移動；可擺動側向激光筒1發出的聚焦激光與 垂直粉末噴嘴5發出的聚焦粉末重合于匯聚點6。所述可擺動側向激光筒1上設有蝸輪7,與伺服電機9連動的蝸桿8位于 蝸輪7的一側、與蝸輪相嚙合，通過蝸輪7與蝸桿8的轉動副變成可擺動側 向激光筒1繞其軸線的往復擺動。所述可擺動側向激光筒1的激光筒長度為平行四邊形機構3中連架桿長 的1/3。所述垂直粉末噴嘴5由外層冷卻水腔外壁25、粉末腔外壁16及粉末腔內 壁18組成，外層冷卻水腔外壁25套接在粉末腔外壁16上，兩者之間為外層 冷卻水腔12,粉末腔外壁16與粉末腔內壁18螺紋連接，兩者之間為粉末腔 15,粉末腔內壁18內為中心冷卻水腔21;在外層冷卻水腔外壁25及粉末腔 外壁16上分別開有外層冷卻水輸入口 13及粉末輸入口 14，在粉末腔外壁16 上還設有載氣卸荷口 23;粉末腔內壁18上設有延伸到中心冷卻水腔21底部 的中心冷卻水輸入口 17,以及中心冷卻水輸出口 20。所述外層冷卻水腔外壁25、粉末腔外壁16及粉末腔內壁18的底部均為 錐臺形，三者之間形成的各個腔的底部均為錐臺形。 所述粉末腔15的出口為間距可調的環形。所述可擺動側向激光筒1內設有聚焦反射鏡10及平面反射鏡11。 所述垂直粉末噴嘴5垂直于基體27。所述可擺動側向激光筒1輸出的激光光斑在低功率下為正方形，在高功 率下近似為圓形。 工作原理由垂直固定激光筒2發出的平行激光束經過平面反射鏡11反射后，由垂 直入射變成水平入射；再經聚焦反射鏡IO反射成垂直入射。同時伺服電機9 工作，帶動蝸桿8旋轉，通過蝸桿8與蝸輪7的嚙合傳動，使可擺動側向激 光筒1旋轉，調整好傾斜角度。在可擺動側向激光筒1旋轉的過程中，平行 四邊形機構3帶動粉末噴嘴支撐件4上下移動，使由激光筒射出的激光聚焦 到聚焦激光與聚焦粉末的匯聚點6處。金屬粉末及其載氣由粉末輸入口 14輸入，載氣由載氣卸荷口 23排出， 金屬粉末在初速度和重力的作用下沿粉末腔15的粉末腔內、外壁18、 16向 下流動，并且從粉末腔15的環形出口噴射出來，形成粉末噴射錐26，最終聚 焦到基體27上的匯聚點6處。冷卻水分別從外層冷卻水輸入口 13和中心冷 卻水輸入口17流入，經過外層冷卻水腔12和中心冷卻水腔21循環后，帶走 激光輻射熱，從外層冷卻水輸出口 24和中心冷卻水輸出口 20輸出。通過旋 轉粉末腔外壁16,可調節粉末腔15的空間大小，進而調節粉末環形出口縫隙 28的大小，最大限度地保證了粉末匯聚圓半徑最小。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述。參看圖1~圖3，本實用新型的粉末輸送路徑與激光光路分離，聚焦激光 側向入射，包括可擺動側向激光筒1、垂直固定激光筒2、平行四邊形機構3、 粉末噴嘴支撐件4及垂直粉末噴嘴5。可擺動側向激光筒1作為主動件安裝在 垂直固定激光筒2的一端，可擺動側向激光筒1上設有蝸輪7,蝸桿8位于蝸 輪7的一側、與蝸輪相嚙合，伺服電機9的輸出軸與蝸桿8連動，通過蝸輪7與蝸桿8的轉動副變成可擺動側向激光筒1繞其軸線的往復擺動。可擺動側 向激光筒1為三軸連動激光筒，是指X—Y—CY軸連動，X軸、Y軸及Z軸如 圖1所示。CY軸為繞Y軸的旋轉運動軸，由伺服電機9通過蝸輪7、蝸桿8 實現旋轉運動。可擺動側向激光筒1與設有垂直粉末噴嘴5的粉末噴嘴支撐 件4偏置設置，即可擺動側向激光筒1傾斜于垂直粉末噴嘴5,激光束側向輸 出，輸出的參數包括傾斜角度及傾斜方向。傾斜角度是指可擺動側向激光筒1 的軸線與Z軸之間的夾角，該夾角的角度需保證矩形光斑傾斜入射到基體27 上長邊與短邊之比盡可能接近于1，范圍可在30~60°之間。傾斜方向是指 可擺動側向激光筒1擺動平面與X軸的夾角，該方向應與激光矩形光斑長邊 垂直。傾斜方向與傾斜角度的選擇原則為在保證激光束與粉末噴嘴不干涉的 前提下，盡可能保證激光光斑在低功率下為正方形，在高功率下近似為圓形。 垂直固定激光筒2通過平行四邊形機構3與粉末噴嘴支撐件4相連接，通過 連桿33與平行四邊形機構3相連，驅動粉末噴嘴支撐件4沿平行于垂直固定 激光筒2的軸線上下往復移動，在移動過程中始終處于垂直基體27的狀態。參看圖6，主動件是可擺動側向激光筒1，可繞其軸線轉動；從動件是粉 末噴嘴支撐件4及安裝其上的垂直粉末噴嘴5，經平行四邊形機構3連接，可 做平行Z軸移動。通過平行四邊形機構3與可擺動側向激光筒1連動功能， 可設置光斑的最佳形狀，保證可擺動側向激光筒1發出的聚焦激光與垂直粉 末噴嘴5發出的聚焦粉末重合于匯聚點6。由于在熔覆成形過程中會產生煙塵 雜質，造成聚焦鏡污染，因此本實用新型的可擺動側向激光筒1的激光筒長 度為平行四邊形機構3中連架桿長的1/3,激光筒長度的縮短可有效地使激光 筒內的聚焦反射鏡10遠離煙塵污染，從而解決了聚焦反射鏡的污染問題。在 可擺動側向激光筒1內設有聚焦反射鏡10及平面反射鏡11，聚焦反射鏡10 的焦距為300mm，采用基于鉬涂層反射鏡的反射聚焦方式， 一方面散熱效率高， 可承受更大功率的激光束；另一方面質地堅硬、耐磨，便于擦拭、壽命長。參看圖4、圖5，垂直粉末噴嘴5垂直于基體27,通過粉末噴嘴鉸接孔 19與粉末噴嘴支撐件4相連。垂直粉末噴嘴5由外層冷卻水腔外壁25、粉末 腔外壁16及粉末腔內壁18組成，外層冷卻水腔外壁25套接在粉末腔外壁16上，兩者之間為外層冷卻水腔12,粉末腔外壁16與粉末腔內壁18通過調節 螺紋22螺紋連接，兩者之間為粉末腔15,粉末腔內壁18內為中心冷卻水腔 21;在外層冷卻水腔外壁25及粉末腔外壁16上分別開有外層冷卻水輸入口 13及粉末輸入口 14，在粉末腔外壁16上還設有載氣卸荷口 23，可將管路輸 送來的粉末與載氣相分離，載氣從卸荷口流出，而粉末在初速度和重力的作 用下從噴嘴處平穩噴射到激光熔池中；粉末腔內壁18上設有延伸到中心冷卻 水腔21底部的中心冷卻水輸入口 17,以及中心冷卻水輸出口 20。外層冷卻 水腔外壁25、粉末腔外壁16及粉末腔內壁18的底部均為錐臺形，三者之間 形成的各個腔的底部均為錐臺形。粉末腔15的出口為間距可調的環形。參看圖7，平行激光束截面29為矩形，經平面反射鏡ll、聚焦反射鏡IO 反射聚焦后，聚焦激光束截面30為相似矩形，通過;5走轉可擺動側向激光筒1 調節傾斜角度31,即可得到正方形聚焦激光光斑32,其在高功率下測量的直 徑大小為2. 5 ~ 5mm。本實用新型的粉末噴射錐26的設計高度為20mm，粉末匯聚直徑大小為 2 ~ 4mm。本實用新型采用側向激光、垂直送粉，采用可擺動式反射聚焦側向激光 筒，實現聚焦激光的側向入射，縮短激光筒的長度，避免了反射鏡被污染； 采用垂直環形粉末錐聚焦的粉末噴嘴，噴嘴內無激光光路，可將冷卻水路設 計得更加通暢；采用平行四桿機構聯動裝置將粉末噴嘴固定到激光筒上，實 現激光光斑與粉末噴射焦點重合不變的激光筒擺動。
權利要求1.一種激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其特征在于該裝置的粉末輸送路徑與激光光路分離，包括可擺動側向激光筒(1)、垂直固定激光筒(2)、平行四邊形機構(3)、粉末噴嘴支撐件(4)及垂直粉末噴嘴(5)；所述可擺動側向激光筒(1)安裝在垂直固定激光筒(2)的一端，繞其軸線可往復擺動，可擺動側向激光筒(1)與設有垂直粉末噴嘴(5)的粉末噴嘴支撐件(4)偏置設置；垂直固定激光筒(2)通過平行四邊形機構(3)與粉末噴嘴支撐件(4)相連接，可擺動側向激光筒(1)通過連桿(33)與平行四邊形機構(3)相連，驅動粉末噴嘴支撐件(4)沿平行于垂直固定激光筒(2)的軸線上下往復移動；可擺動側向激光筒(1)發出的聚焦激光與垂直粉末噴嘴(5)發出的聚焦粉末重合于匯聚點(6)。
2. 按權利要求1所述的激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其特征在于 所述可擺動側向激光筒(1)上設有蝸輪(7 )，與伺服電機(9 )連動的蝸桿(8 )位于蝸輪(7 )的一側、與蝸輪相嚙合，通過蝸輪(7 )與蝸桿(8 )的 轉動副變成可擺動側向激光筒(1)繞其軸線的往復擺動。
3. 按權利要求1所述的激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其特征在于 所述可擺動側向激光筒(1)的激光筒長度為平行四邊形機構(3)中連架桿 長的1/3。
4. 按權利要求1所述的激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其特征在于 所述垂直粉末噴嘴(5)由外層冷卻水腔外壁(25)、粉末腔外壁(16)及粉 末腔內壁(18)組成，外層冷卻水腔外壁(25)套接在粉末腔外壁(16)上， 兩者之間為外層冷卻水腔(12),粉末腔外壁(16)與粉末腔內壁(18)螺紋 連接，兩者之間為粉末腔(15)，粉末腔內壁(18)內為中心冷卻水腔(21); 在外層冷卻水腔外壁(25)及粉末腔外壁(16)上分別開有外層冷卻水輸入 口 ( 13 )及粉末輸入口 ( 14 ),在粉末腔外壁(16 )上還設有載氣卸荷口 ( 23 ); 粉末腔內壁(18)上設有延伸到中心冷卻水腔(21)底部的中心冷卻水輸入 口 (17)，以及中心冷卻水輸出口 (20)。
5. 按權利要求4所述的金屬粉末激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其 特征在于所述外層冷卻水腔外壁(25 )、粉末腔外壁(16 )及粉末腔內壁(18 ) 的底部均為錐臺形，三者之間形成的各個腔的底部均為錐臺形。
6. 按權利要求4所述的金屬粉末激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其 特征在于所述粉末腔(15 )的出口為間距可調的環形。
7. 按權利要求l所述的金屬粉末激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其 特征在于所述可擺動側向激光筒(1)內設有聚焦反射鏡(10)及平面反射 鏡(11)。
8. 按權利要求l所述的金屬粉末激光成形系統的金屬粉末送給裝置，其 特征在于所述垂直粉末噴嘴(5 )垂直于基體(27 )。
專利摘要本實用新型公開一種激光成形系統的金屬粉末送給裝置，為解決反射鏡易被污染等問題，解決方案為該裝置的粉末輸送路徑與激光光路分離，可擺動側向激光筒安裝在垂直固定激光筒一端，繞其軸線可往復擺動，與設有垂直粉末噴嘴的噴嘴支撐件偏置設置；側向激光筒通過連桿與平行四邊形機構相連，驅動噴嘴支撐件沿平行于垂直固定激光筒的軸線上下往復移動；側向激光筒發出的聚焦激光與垂直粉末噴嘴發出的聚焦粉末重合于匯聚點。優點結構簡化、易加工；垂直粉末噴嘴具備粉末噴射后匯聚功能，解決了反射鏡易污染問題；激光光斑形狀可高速至正方形或者近似圓形；四桿聯動機構保證激光焦點與粉末噴射焦點重合及粉末噴嘴始終處于垂直狀態前提下，可方便、快捷地進行系統參數的微量調節。
文檔編號B22F3/105GK201168781SQ200820011890
公開日2008年12月24日 申請日期2008年4月1日 優先權日2008年4月1日
發明者尚曉峰, 維 王 申請人:沈陽航空工業學院