本發(fā)明涉及一種激光多光束送料熔覆及預熱裝置，屬于激光增材制造領域。

背景技術：

在先進激光加工成形制造技術中，有一個關鍵技術，即將激光和被熔材料同步傳輸至加工成形位置，并使金屬材料連續(xù)、準確、均勻地投入到加工面上按預定軌跡作掃描運動的聚焦光斑內(nèi)，實現(xiàn)光料精確耦合。材料在光束內(nèi)進行光能與熱能的轉換，瞬間熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金過程。

在現(xiàn)有技術中，由于激光熔覆的驟冷驟熱作用會使加工材料產(chǎn)生大的過熱和過冷度，容易引起熔層的開裂。為了解決上述問題，引入預熱冷緩技術，基體的預熱和熔覆后緩冷可有效降低溫度梯度，釋放殘余熱應力。現(xiàn)預熱技術較多采用電磁感應、電阻加熱等外部熱源的方法，對加工件基體進行整體加熱，加熱溫度一般為200—600℃，整體加熱有一定的效果，但在大件的修復或3D成形時，加工點的位置變化會造成離加熱區(qū)的距離變化，從而帶來預熱溫度的變化，另附加裝置也顯累贅。為了避免上述影響，方法之一是直接采用低密度激光束在熔池前方和后方進行局部隨動預熱和緩冷，此方法不需采用其他熱源及裝置。如，美國專利申請第US2009/0283501A1號提出了使用一臺激光器輸入高密度小圓形光束進行熔覆，另一臺激光器輸入同軸的低密度大圓形光束進行對被熔覆材料進行預熱；中國專利申請第CN201380036006.8號提出了對絲材進行熔覆和預熱，該中國專利申請公開了如下內(nèi)容系統(tǒng)包括高強度能量源和送進器系統(tǒng)，所述高強度能量源被配置來加熱至少一個工件以創(chuàng)建熔池，所述送進器系統(tǒng)包括被配置來將消耗品送進到熔池的焊絲送進器。系統(tǒng)還包括感應系統(tǒng)，所述感應系統(tǒng)接收消耗并且在一段消耗品進入熔池之前感應加熱那部分消耗品。所述方法包括加熱至少一個工件來創(chuàng)建熔池以及將消耗品送進到熔池。所述方法還包括在一段消耗品的進入熔池之前感應加熱那部分消耗品。

上述采用主、輔多光束進行隨動預熱和緩冷的內(nèi)容大都報道了光路及原理，有的采用仿真方法進行了效果驗證，有的用預涂覆方法進行了熔覆。但現(xiàn)有技術中，采用熔覆和預熱技術結合的相關專利中存在如下問題：美國專利申請第US2009/0283501A1所公開內(nèi)容，采用獨立的激光器對工件進行預熱，會存在如下問題：1、噴頭結構非常復雜，成本高；2、噴頭體積會很大，無法進入狹小空間展開一些熔覆工作。

中國專利申請第CN201380036006.8號公開的內(nèi)容，采用電感裝置給被熔覆材料進行預熱，和熔覆工作完全獨立，會存在如下問題：1、噴頭結構非常復雜，成本高；2、噴頭體積會很大，無法進入狹小空間展開一些熔覆工作；3、絲材是在通道中進行電感加熱，在離開通道進入熔池中的這段過程，絲材就失去加熱源，絲材上的溫度會發(fā)生變化，很容易導致絲材位置精度發(fā)生變化，很容易對熔覆層表面質(zhì)量和精度產(chǎn)生影響，甚至導致無法開展熔覆工作；4、電感加熱僅僅對絲材進行加熱，沒有對基體進行加熱，僅僅是提高了熔覆效率，沒有真正起到降低熔層熱應力和減少熱裂紋等缺陷的功能。

另外，除上述實施例外，在現(xiàn)有的其他內(nèi)送粉或送絲熔覆送料裝置中，還普遍存在如下問題：熔覆光束會與支撐架交叉，從而造成了能力損失，且由于熔覆光束照射在支撐架上，所以，加快了支撐架的勞損，又，現(xiàn)有技術中通常需要在支撐架的迎光面上涂鍍有吸光材料，但如果工藝穩(wěn)定性不好，依然會有光反射到聚光鏡，容易使得其過熱損壞，所以，對涂鍍吸光材料工藝難度要求較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種激光多光束送料熔覆及預熱裝置，其可實現(xiàn)同時熔覆和預熱兩種工藝，其中在預熱時，其可以預熱基材和被熔覆材料，從而不但可以提高熔覆效率，而且還可以滿足不同材料和結構的工藝熱處理需求，降低熔層熱應力和減少熱裂紋等缺陷生成幾率；又該裝置可減少光路的能量損耗，提高能量利用率。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種激光多光束送料熔覆及預熱裝置，用以將該入射光束轉換以在基材上熔覆被熔覆材料，所述激光多光束送料熔覆及預熱裝置包括支撐架及設置在所述支撐架上的分光鏡和反射聚焦組件，所述入射光束被所述分光鏡轉化為反射光束，所述反射光束沿所述分光鏡的中軸線的周向反射，所述反射聚焦組件包括反射聚焦面和反射面，所述反射聚焦面和反射面均朝向分光鏡；所述反射聚焦面將部分所述反射光束反射聚焦形成熔覆光束，所述熔覆光束對噴射至基材上的被熔覆材料進行熔覆以形成熔池；所述反射面將部分所述反射光束反射形成預熱光束，所述預熱光束對位于所述基材上方的被熔覆材料預熱，和/或所述預熱光束對所述基材進行預熱和緩冷；所述支撐架與熔覆光束、預熱光束均錯開設置。

進一步的：所述支撐架上形成有供熔覆光束、預熱光束穿過的中空部。

進一步的：所述支撐架包括下支撐架和固定在所述下支撐架上的上支撐架，所述下支撐架包括呈環(huán)形結構的上支撐架安裝部、于所述上支撐架安裝部上向上凸伸形成的反射聚焦組件安裝部、位于所述上支撐架安裝部的中空內(nèi)的固定件及連接固定件和上支撐架安裝部的支撐筋板，所述反射聚焦組件安裝部呈環(huán)形，所述上支撐架安裝部的外圓直徑大于反射聚焦組件安裝部的外圓直徑，所述上支撐架安裝在所述上支撐架安裝部上，所述反射聚焦組件安裝在所述反射聚焦組件安裝部上，所述分光鏡固定在固定件上，所述固定件與上支撐架安裝部不相接，且兩者之間形成有供所述熔覆光束、預熱光束穿過的所述中空部，所述支撐筋板的投影位于所述中空部內(nèi)，所述支撐筋板與熔覆光束、預熱光束錯開。

進一步的：所述反射聚焦面沿所述分光鏡的中軸線的圓周方向上排布，所述反射面沿所述分光鏡的中軸線的圓周方向上排布，所述反射聚焦面投射在所述基板上的正投影、反射面投射在所述基板上的正投影與支撐筋板投射在所述基板上的正投影均錯開。

進一步的：所述反射聚焦面沿所述分光鏡的中軸線的圓周方向上等間距均勻分布，所述反射面沿所述分光鏡的中軸線的圓周方向上等間距均勻分布。

進一步的：所述反射聚焦面、反射面間隔設置；或者所述反射聚焦面、反射面上下排布。

進一步的：所述反射聚焦面、所述反射面均為偶數(shù)個。

進一步的：所述分光鏡包括沿所述分光鏡的中軸線的圓周方向上排布的第一鏡面部和第二鏡面部；所述第一鏡面部投射在所述基板上的正投影、第二鏡面部投射在所述基板上的正投影與支撐筋板投射在所述基板上的正投影均錯開；所述第一鏡面部接收部分入射光束并將該部分入射光束反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束投射在所述反射聚焦面上以轉換形成所述熔覆光束；所述第二鏡面部接收部分入射光束并將該部分入射光束反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束投射在所述反射面上以轉換形成所述預熱光束。

進一步的：所述分光鏡具有第一鏡面部，所述第一鏡面部同時朝向反射聚焦面和反射面，所述第一鏡面部可以接收入射光束并形成反射光束，所述反射光束通過反射聚焦面、反射面分別轉換形成熔覆光束、預熱光束。

進一步的：所述熔覆光束、預熱光束均至少為兩束，每束所述預熱光束與所述分光鏡的中軸線的距離相同，且與所述分光鏡的中軸線所形成的夾角大小相同；每束所述熔覆光束與所述分光鏡的中軸線的距離相同，且與所述分光鏡的中軸線所形成的夾角大小相同。

進一步的：所述反射聚焦面的面積大于反射面的面積。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的激光多光束送料熔覆及預熱裝置具有如下優(yōu)點：

1、通過反射聚焦鏡、反射鏡將反射光束轉換成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束、用以預熱被熔覆材料和/或基材的預熱光束，從而實現(xiàn)同時熔覆和預熱兩種工藝，其中，通過預熱被熔覆材料以提高熔覆效率，通過預熱基材以降低熔層熱應力和減少熱裂紋等缺陷生成幾率；

2、將一個入射光束同時轉化成熔覆光束、預熱光束，從而減小了整體尺寸，使整體結構簡單，有助于降低成本；

3、通過反射聚焦鏡、反射鏡的設置，可有助于糾正反射光束的反射角度，所以，相對來說，該反射光束即使出現(xiàn)偏差，亦可通過調(diào)節(jié)反射聚焦鏡、反射鏡的位置實現(xiàn)糾正，所以，其對于分光鏡的安裝位置誤差值有一個較大的包容范圍；

4、在該激光多光束送料熔覆及預熱裝置運行時，由于預熱光束、被熔覆材料和熔覆光束之間位置尺寸不會發(fā)生改變，而且其隨噴嘴同步運動，從而保證了熔覆工藝穩(wěn)定，有助于提高熔覆層表面質(zhì)量和精度；

5、由于支撐架與入射光束、反射光束、熔覆光束、預熱光束均錯開設置，可以使得該支撐架與入射光束、反射光束、熔覆光束、預熱光束均不干涉，減少光路的能量損耗，提高能量利用率。

上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例所示的激光多光束送料熔覆及預熱裝置的剖視圖；

圖2為圖1所示的激光熔覆送料裝置于另一方向上的剖視圖；

圖3為圖1中部分結構圖；

圖4為圖3于另一方向上的結構圖；

圖5為圖1中支撐架的結構示意圖；

圖6為圖1中支撐架于另一方向上的結構示意圖；

圖7為圖1中分光鏡的結構示意圖；

圖8為再一種分光鏡的結構示意圖；

圖9為另一種分光鏡的結構示意圖；

圖10為又一種分光鏡的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

請參見圖1至圖4，本發(fā)明一較佳實施例所示的激光多光束送料熔覆及預熱裝置用以將該入射光束10轉換以在基材30上熔覆被熔覆材料(未圖示)，本實施例中，該被熔覆材料為絲材。所述激光多光束送料熔覆及預熱裝置包括支撐架1、設置在所述支撐架1上的分光鏡2和反射聚焦組件3及位于所述反射聚焦組件3下方的噴嘴5。所述分光鏡2將入射光束10轉化為反射光束，所述反射光束沿所述分光鏡2的中軸線的周向反射，所述反射聚焦組件3包括反射聚焦面311和反射面321，所述反射聚焦面311和反射面321均朝向分光鏡2；所述反射聚焦面311將部分所述反射光束反射聚焦形成熔覆光束201，所述熔覆光束201對噴射至基材30上的被熔覆材料進行熔覆以形成熔池；所述反射面321將部分所述反射光束反射形成預熱光束202，所述預熱光束202對位于所述基材30上方的被熔覆材料進行預熱；所述支撐架1與入射光束10、反射光束、熔覆光束201、預熱光束202均錯開設置。該預熱光束202對被熔覆材料預熱時，該預熱光束202部分被被熔覆材料遮擋，另一部分未被遮擋，該未被遮擋的部分預熱光束202投射至所述基材30以形成光斑，從而對基材30進行預熱和緩冷。對基材30的預熱、緩冷由熔覆時熔覆路徑?jīng)Q定。當然，在其他實施例中，當被熔覆材料為粉末時，其可以僅對基材進行預熱和緩冷。

請參見圖1至圖6，所述支撐架1包括下支撐架11和固定在所述下支撐架11上的上支撐架12，所述下支撐架11包括呈環(huán)形結構的上支撐架安裝部111、于所述上支撐架安裝部111上向上凸伸形成的反射聚焦組件安裝部112、位于所述上支撐架安裝部111的中空內(nèi)的固定件113及連接固定件113和上支撐架安裝部111的支撐筋板114，所述反射聚焦組件安裝部112呈環(huán)形，所述上支撐架安裝部111的外圓直徑大于反射聚焦組件安裝部112的外圓直徑。所述上支撐架12安裝在所述上支撐架安裝部111上，所述反射聚焦組件3安裝在所述反射聚焦組件安裝部112上，所述固定件113包括上下相背設置的分光鏡安裝面1131和中間軸安裝面(未標號)，所述分光鏡2固定在分光鏡安裝面1131上。所述中間軸安裝面上固定有一中間軸13，該中間軸13位于分光鏡2下方，所述噴嘴5安裝在該中間軸13上。所述固定件113與上支撐架安裝部111不相接。在本實施例中，所述熔覆光束201和預熱光束202圍設形成有中空無光區(qū)50，所述噴嘴5位于中空無光區(qū)50內(nèi)，在本實施例中，由于噴嘴5設置在中間軸13上，且位于中空無光區(qū)50內(nèi)，所以，本實施例的激光多光束送料熔覆及預熱裝置采用光內(nèi)送料。所述上支撐架12和下支撐架11圍設形成一腔體14，所述反射聚焦組件3、分光鏡2位于所述腔體14內(nèi)，所述上支撐架12的上方設置有入射光束開口121。所述固定件113與上支撐架安裝部111之間形成有供預熱光束202穿過的環(huán)形中空部115。所述支撐筋板114的投影位于所述環(huán)形中空部115內(nèi)，所述支撐筋板2117與熔覆光束201、預熱光束202錯開。在本實施例中，該支撐筋板114位于環(huán)形中空部115內(nèi)，該支撐筋板114的數(shù)量為四個，四個支撐筋板114將環(huán)形中空部115劃分成四個弧形區(qū)1151，熔覆光束201、預熱光束202分別穿過四個弧形區(qū)1151。由于熔覆光束201、預熱光束202分別穿過四個弧形區(qū)1151，所以，該熔覆光束201、預熱光束202不與支撐架1相交，故可以防止光損耗。在其他實施方式中，該弧形區(qū)1151可以根據(jù)需求設置數(shù)量。

請參見圖1至圖3，在本實施例中，該反射聚焦組件3包括反射聚焦鏡31和反射鏡32，該反射聚焦面311形成在反射聚焦鏡31上，反射面321形成在反射鏡32上。所述反射聚焦面311的面積大于反射面321的面積。在本實施例中，所述反射聚焦面311相對所述分光鏡2的中軸線(該分光鏡2的中軸線與激光多光束送料熔覆及預熱裝置的中軸線同軸)的傾斜角度與所述反射面321相對所述分光鏡2的中軸線的傾斜角度不相等。所述反射聚焦鏡31和反射鏡32沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上排布。所述反射聚焦鏡31的反射聚焦面311投射在所述基板30上的正投影、反射鏡32的反射面321投射在所述基板30上的正投影與支撐筋板114投射在所述基板30上的正投影均錯開，通過此種設置從而實現(xiàn)熔覆光束201、預熱光束202與支撐筋板114的錯位設置，進而熔覆光束201、預熱光束202與支撐筋板114相互不干涉。所述反射聚焦鏡31和反射鏡32周向布置在所述分光鏡2的外側。在本實施例中，所述聚焦鏡31、反射鏡32的數(shù)量均為兩個，且間隔設置。由于所設置的聚焦鏡31、反射鏡32的數(shù)量均為兩個，所以，最終所形成的熔覆光束201、預熱光束202均為兩束。在其他實施方式中，該反射聚焦鏡31、反射鏡32可以根據(jù)實際需求設置其他數(shù)量。為了使得熔覆、預熱均勻，每條所述預熱光束202與所述分光鏡2的中軸線的距離相同，且與所述分光鏡2的中軸線所形成的夾角大小相同；每條所述熔覆光束201與所述分光鏡2的中軸線的距離相同，且與所述分光鏡2的中軸線所形成的夾角大小相同。所述反射聚焦鏡31沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上等間距均勻分布，所述反射鏡32沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上等間距均勻分布。本實施例中，所述反射聚焦鏡31和反射鏡32延所述分光鏡2的中軸線的圓周方向等間距間隔布置。為了便于安裝及維護，所述反射聚焦鏡31和反射鏡32分別為單獨個體。在本實施例中，所述反射聚焦面311為弧形面，所述反射面321為平面。由于反射聚焦面311為弧形面，所以，部分反射光束通過該弧形面311反射形成的光束為可以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201，故可以對基材30上的被熔覆材料進行熔覆；由于反射面321為平面，故部分反射光束通過該平面321反射形成的光束為平行光束(即預熱光束202)，其不具有熔覆作用，但其可以起到預熱的作用，所以其可以對基材30、被熔覆材料進行預熱。

請參見1、圖2及圖7，在本實施例中，所述分光鏡2包括沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上排布的第一鏡面部21和第二鏡面部22；所述第一鏡面部21投射在所述基板30上的正投影、第二鏡面部22投射在所述基板30上的正投影與支撐筋板投射在所述基板上的正投影均錯開。所述第一鏡面部21接收部分入射光束10并將該部分入射光束10反射以形成第一反射光束401，所述第一反射光束401投射在所述反射聚焦面311上以轉換形成所述熔覆光束201；所述第二鏡面部22接收部分入射光束10并將該部分入射光束10反射以形成第二反射光束402，所述第二反射光束402投射在所述反射面321上以轉換形成所述預熱光束201。所述第一鏡面部21的數(shù)量為兩個，所述第二鏡面部22的數(shù)量為兩個。兩個所述第一鏡面部21和兩個所述第二鏡面部22形成在一塊分光鏡上(即一體式結構)。誠然，第一鏡面部21、第二鏡面部22可以均分別為單獨個體。一體式設計可以使分光鏡2結構更緊湊，也便于安裝；而分體結構則有助于后續(xù)的維護，節(jié)約更換維護的成本。誠然，如圖9，該分光鏡2”還可以具有第一鏡面部21”和第一鏡面部22”，該第一鏡面部21”同時朝向反射聚焦面和反射面。第一鏡面部21”與分光鏡2”的中軸線的傾斜角度大于0且小于90°，所以，該第一鏡面部21”可以接收入射光束10”并形成反射光束，進而，反射光束通過反射聚焦面、反射面反射形成熔覆光束和預熱光束。由于，所述第二鏡面部22”與分光鏡2”的中軸線的傾斜角度為0，所以，其無法接收入射光束10”并形成無法反射光束，由于該第二鏡面部22”不發(fā)生作用，所以，也可以不設置第二鏡面部22”，而僅設第一鏡面部21”。或者，如圖10，該分光鏡(未標號)可以為一個錐形裝置，該第一鏡面部(未標號)為錐形面。

在本實施例中，所述反射聚焦鏡31和反射鏡32沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上等間距間隔排布。當然，在其他實施方式中，該反射聚焦鏡31和反射鏡32沿所述分光鏡2的中軸線的圓周方向上排布、且反射聚焦鏡31和反射鏡32沿分光鏡2的高度方向上上下排布；此種設置時，對應的分光鏡的第一鏡面和第二鏡面也可以沿分光鏡的高度方向(該高度方向為圖8中箭頭a所示方向，該高度方向與可減少光損耗的激光熔覆送料裝置的高度方向一致)上上下排布，如圖8。另外，除本實施例外，可以僅將第一鏡面、第二鏡面與支撐筋板錯位設置，即：所述第一鏡面部投射在所述基板上的正投影、第二鏡面部投射在所述基板上的正投影與支撐筋板投射在所述基板上的正投影均錯開。在此種結構中，反射聚焦面、反射面可以采用本實施例中的設置，或者反射聚焦面、反射面為環(huán)形喇叭狀結構。

請參見圖2，所述激光多光束送料熔覆及預熱裝置內(nèi)可形成有供冷卻介質(zhì)循環(huán)流動以給所述支撐架1、分光鏡2、反射聚焦組件3降溫的光路冷卻系統(tǒng)，從而延長支撐架1、分光鏡2、反射聚焦組件3的使用壽命。

綜上所述：綜上所述，上述激光多光束送料熔覆及預熱裝置具有如下優(yōu)點：

1、通過反射聚焦鏡31、反射鏡32將反射光束轉換成用以熔覆被熔覆材料的熔覆光束201、用以預熱被熔覆材料和/或基材30的預熱光束202，從而實現(xiàn)同時熔覆和預熱兩種工藝，其中，通過預熱被熔覆材料以提高熔覆效率，通過預熱基材30以降低熔層熱應力和減少熱裂紋等缺陷生成幾率；

2、將一個入射光束10同時轉化成熔覆光束201、預熱光束202，從而減小了整體尺寸，使整體結構簡單，有助于降低成本；

3、通過反射聚焦鏡31、反射鏡32的設置，可有助于糾正反射光束的反射角度，所以，相對來說，該反射光束即使出現(xiàn)偏差，亦可通過調(diào)節(jié)反射聚焦鏡31、反射鏡32的位置實現(xiàn)糾正，所以，其對于分光鏡2的安裝位置誤差值有一個較大的包容范圍；

4、在該激光多光束送料熔覆及預熱裝置運行時，由于預熱光束202、被熔覆材料和熔覆光束201之間位置尺寸不會發(fā)生改變，而且其隨噴嘴5同步運動，從而保證了熔覆工藝穩(wěn)定，有助于提高熔覆層表面質(zhì)量和精度；

5、由于支撐架1與入射光束10、反射光束、熔覆光束201、預熱光束202均錯開設置，可以使得該支撐架1與入射光束10、反射光束、熔覆光束201、預熱光束202均不干涉，減少光路的能量損耗，提高能量利用率。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。