一种丝粉同轴激光制造方法及装置

技术领域

本发明属于激光制造领域，涉及一种丝粉同轴激光制造方法及装置。

背景技术

激光增材制造技术在构建零件过程中区别于传统的减材加工技术，其通过计算机辅助软件进行三维数字模型设计，然后将数字模型进行分层和切片，以此获得一系列的二维轮廓数据，将二维轮廓数据传输到激光增材设备中，并通过每一层截面几何数据控制激光光束，熔化原材料并按照预定轨迹沉积，从而实现逐层构建零件。这使得传统的减材加工技术中铸造、锻造和模具设计等一系列的工艺得以省去，极大的缩短了零件的制造周期。

根据成形原材料形式的不同，激光增材制造可分为粉末式激光增材制造和丝材式激光增材制造。两种激光增材制造方法各有不足，粉末式激光增材制造技术具有以下缺点：1)粉末利用率较低，且回收利用的粉末可能会影响零件性能。2)激光增材制造过程中的高温环境使得粉末材料会存在安全隐患，粉末粒径较小，易产生粉尘污染。3)粉末材料制备工艺复杂，对设备的要求严格，经济成本高，且部分材料制粉难度大。丝材式激光增材制造技术具有以下缺点：1)需要同时考虑送丝方向和沉积方向之间的相对位置关系，灵活性较低。2)零件的组分、精度受到丝材质量的限制。3)难以改变丝材的成分和配比，来调整零件的性能。因此，在激光增材制造中，将送丝和送粉进行耦合，会具有以下优势：成形效率高，可根据零件的使役性能对粉末材料的成分和配比、丝材的种类和直径等进行调整，选择合适的工艺参数；灵活性高，丝材的加入可以控制沉积层尺寸，粉的添加提供增强相，并通过调节送粉量，实现对复合材料中增强相体积分数的精准控制。

针对丝粉同轴的光路设计及装备制造一些学者开展了深入研究：

专利CN114043091A设计了一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，通过准直镜、旋转对称棱镜和第一耦合棱镜实现光束的分束，最终通过非球面聚光透镜对光束进行汇聚。光路内采用了旋转对称棱镜和第一耦合棱镜，该棱镜形状复杂，制作要求及成本昂贵，且光路内棱镜数量过多，激光能量损失大，以及未设计棱镜调整装置，光路调试过程复杂。该激光增材制造装置采用激光头内置送粉管，内部温度高，容易损坏粉管，出现问题，不易维修。另外非球面聚光透镜离熔池太近，未设置保护镜片，熔池中的残渣迸溅，容易造成透镜损坏。

专利CN115302076A设计了一种用于激光加工设备的同轴送丝光路系统，光路内采用了准直镜片、第一反射镜片、分光片和第二反射镜片实现光束的分光，激光首先从垂直方向(Z轴)出发，其次反射到水平方向(Y轴)，再次反射到水平方向(X轴)，最后反射到垂直方向(Z轴)，激光在光路内经过了多次方向的改变，光路设计方式复杂，镜片数量多，装配过程中光路调试困难，容易造成激光方向偏移，同时只能实现丝材式激光增材制造，不能实现丝粉同轴增材制造。现有的丝粉同轴激光制造装置较少，且光路设计方式复杂，镜片及装备加工难度大，难以实际应用。

专利CN114643410 A设计了一种同轴送丝激光制造方法及装置，在激光头中采用分光-聚焦光路，光路只能实现两束光束的分光，两束激光不能均匀地包裹金属丝材，使其均匀受热，获得的表面沉积层质量较低，同时只能实现丝材式激光增材制造，不能实现丝粉同轴增材制造，尤其是功能梯度材料的制造。

因此，需设计更加高效简单的光路分光及相关机械结构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种丝粉同轴激光制造方法及装置。本发明由于分光-聚焦光路、粉末输送喷嘴和光-丝-粉同轴耦合装置的设计，能够解决丝材和粉末材料不能同时使用的问题，进而实现复杂零件尤其是功能梯度零件的制造。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种丝粉同轴激光制造装置，用于实现丝粉同轴激光增材制造。所述的激光增材制造装置包括光纤接口模块2、准直扩束模块3、Y-Z光束位置调节装置6、透镜分光模块7、激光制造装置主体26和调焦模块29。

所述的准直扩束模块3内设有准直镜4，准直镜4用于将光纤内传出的激光光束直径扩大并减小发散角；准直扩束模块3入口与光纤接口模块2连通，准直扩束模块3出口处设置Y-Z光束位置调节装置6以及激光制造装置主体26。

所述的激光制造装置主体26设有透镜分光模块7、外置水冷装置8、反射模块9、聚焦透镜10、送丝管A13、送丝管B16和调焦模块29，其中透镜分光模块7与准直镜4轴线重合。所述的激光光束1经准直径4进行准直后通过Y-Z光束位置调节装置6到达透镜分光模块7，并基于折射式分光通过透镜分光模块7将激光束1分为四束平行光束，四束平行光束经过调焦模块29调整后，经反射模块9传导，最后经过聚焦透镜10进行聚焦，四束平行光束最终聚焦到粉末输送喷嘴11的出口位置下方；其中，所述的透镜分光模块7、反射模块9、聚焦透镜10和调焦模块29均设置在镜片支承21上。所述的Y-Z光束位置调节装置6可在Y-Z两个维度内保证准直镜4与透镜分光模块7的同轴度，保证四束平行光的均匀分光。本发明的准直镜4、透镜分光模块7、反射模块9、聚焦透镜10和调焦模块29构成装置内的光路。同时送粉管A13通过粉末输送喷嘴11内的送粉通道将粉末材料12输送至激光焦点位置，送丝管B16依次穿过反射模块9和聚焦透镜10将金属丝材14输送到激光焦点位置，激光与金属丝材14和粉末材料12通过光-丝-粉同轴耦合装置调整丝管和同轴粉路在水平面XOY上的位置，实现激光-丝材-粉末材料的精准耦合，从而实现丝粉同轴激光增材制造。

进一步的，所述的激光制造装置内，准直扩束模块3进出口位置以及聚焦透镜10下方均设置由保护镜片5，用于保护激光制造装置内的各镜片，以防外部环境污染或增材过程中飞溅物的损伤。

进一步的，所述激光制造装置基于折射式分光，分光由透镜分光模块7实现，透镜分光模块表面为平面组成，制造容易，成本低，分光后出现的四束平行光，为以原准直后光束中心点为对称中心的四束中心对称的平行光束，每束平行光束的截面形状近似为四分之一圆，具有能量分布均匀和横截面相等的特点，且激光制造装置内部不存在激光的聚焦点。

进一步的，所述粉末输送喷嘴11边缘可设置2～6个均匀分布的送粉通道用于连接送粉管A13，送粉管A13与送粉通道相接用以输送粉末材料12。

进一步的，所述金属丝材14在进入送丝管B16之前需经过丝材矫直装置15，用于矫正金属丝材14，以防金属丝材14弯曲导致送丝困难。

进一步的，所述散热铜嘴17为可拆卸零件，其内有螺纹用于连接送丝管B16，用于防止温度过高(离熔池太近)损坏送丝管B16，且便于及时更换损坏散热铜嘴。

进一步的，两个调焦模块(29)通过微调镜片支撑(21)，可实现平面反射镜在0°～5°内小幅度转动以及垂直于光束方向的移动，通过转动反射镜改变四束平行光的传导方向，实现激光焦距的调整，焦距调整范围为f±10mm，其中，f表示焦距，此外，通过移动反射镜可将反射镜从光路内分离或接入，实现聚焦模块的工作与停止，从而实现丝粉同轴激光制造装置的可选择性调焦。

一种基于上述装置实现的同轴送丝激光制造方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，将粉末材料12装入送粉器，并通过送粉器缓慢送出至送粉管A13入口处，所述粉末材料12为TiC、TC4、GH4169、氧化铝、氧化锆、高熵合金、钛镍合金或其他金属，粉末材料的直径为14μm～61μm。调整丝材矫直装置15，送入金属丝材14，确保出丝的准直度满足制造要求，所述金属丝材14为铝合金、钛合金、铜合金、钢、镍基合金等金属，金属丝材14的直径为0.5mm～1.5mm。针对样件结构以及激光加工工艺条件确定合适的激光焦距，通过调焦模块29对四束平行光束进行调整，使加工头的焦距达到确定的数值，焦距的可调整范围为f±10mm，其中，f表示焦距。

第二步，激光功率设置为500～4000W，其中

第三步，通过送丝管装夹装置23固定送丝管，调整光-丝-粉同轴耦合装置20，实现送丝管B16和粉末输送喷嘴11在水平面内的位置调整，保证激光、丝材和粉末材料的同轴精准耦合，使得丝材和粉末材料能够与焦点准确对准。通过送丝管Z维度约束装置18调整送丝管B16在竖直方向的位置，使得散热铜嘴17的前端位于焦点上方5～10mm位置处，同时金属丝材送出至散热铜嘴出口外2～4mm。

第四步，加工前，通过保护气输送口19向粉末输送喷嘴11内输送保护气。通入冷却水对准直镜4、聚焦透镜10、透镜分光模块7以及反射模块9进行水冷，按照机床设定的程序进行样件成形，待样件制备完成后，依次关闭送丝机、送粉器、激光、冷却水以及保护气。

本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要的有益效果如下：

(1)本发明采用折射分光的方式，利用透镜分光模块可以将激光束分光为四束能量和横截面相等的平行光，这些平行光通过聚焦透镜汇聚到基板表面的熔池上，激光均匀地包裹金属丝材和粉末材料，使其均匀受热，进而获得高质量表面的沉积层，且激光束形成的中空区域用于送丝，从而实现激光、金属丝材和粉末材料的同轴耦合。

(2)本发明内的折射式分光光路，光学元件数量仅有五个，结构紧凑，分光透镜模块、反射模块和调焦模块仅由平面组成，无复杂几何形状，聚焦透镜有标准的制造工艺，降低了镜片的加工难度和制造成本。

(3)本发明内的丝粉同轴激光制造方法通过分光-聚焦光路和粉末输送喷嘴和光-丝-粉同轴耦合装置的设计，能够实现丝材、粉末材料和激光束的精准耦合，同时丝材和粉末材料的结合使用，提高了材料利用率、零部件制备的灵活性、能量吸收率、零件质量以及沉积效率等，能够实现复杂零件的激光制造。

附图说明

图1为本发明丝粉同轴激光制造装置的外部结构轮廓图；

图2为沿图1中B-B剖面图；

图3为沿图1中A-A剖面图；

图4为本发明丝粉同轴激光制造装置的内部光路示意图(沿光路各部分的剖视图)；C-C为图3对应标记处光路图，D-D为图2对应标记处光路图，E-E为图2对应标记处光路图，F-F为图2对应标记处光路图。

图中：1激光光束；2光纤接口模块；3准直扩束模块；4准直镜；5保护镜片；6Y-Z光束位置调节装置；7透镜分光模块；8外置水冷装置；9反射模块；10聚焦透镜；11粉末输送喷嘴；12粉末材料；13送粉管A；14金属丝材；15丝材矫直装置；16送丝管B；17散热铜嘴；18送丝管Z维度约束装置；19保护气输送口；20光-丝-粉同轴耦合装置；21镜片支承；22镜片支撑调整装置；23送丝管装夹装置；24方形水冷装置；25激光头装夹装置；26激光制造装置主体；27样件；28基板；29调焦模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。以丝粉同轴激光制造装置成形TiCp/TC4复合材料为例，给出具体的实施方式：

一种丝粉同轴激光制造方法，实现激光、丝材和粉末材料的同轴输送的装置如下：

如图3所示，光纤插入到光纤接口模块2中并连接固定好，激光光束1由光纤中射出，刚射出的激光光束1直径很小且具有一定的发散角，因此激光光束1由光纤射出后首先经过准直镜4，扩大光束直径并减小发散角，从而减小激光能量密度和保证光路的准确性。在准直扩束模块3的进出口位置分别设置有保护镜片5，防止准直扩束模块内进入灰尘污染镜片，同时准直扩束模块3内设置有循环水路，冷却水流经循环水路对准直镜4进行降温。激光光束1经过准直扩束模块3后调整为所需直径的平行光束，之后光束进入到Y-Z光束位置调节装置6，通过Y-Z光束位置调节装置使得准直镜4与透镜分光模块7的轴线同轴。经Y-Z光束位置调节装置6调整后的光束进入到激光制造装置的主体部分，首先光束通过透镜分光模块7平分为四束截面积相等的平行光束，之后四束平行光束入射至反射模块9。如图2所示，入射至反射模块9的光束转变90度，向下入射至聚焦透镜10，四束激光经聚焦透镜10最终汇聚至粉末输送喷嘴11的出口位置下方。如图4沿光路各部分的剖视图所示，光路被分光为以激光光束1中心点为对称中心的四束对称的平行光束，每束平行光束的截面形状近似为四分之一圆，能量分布均匀。

所述反射模块9、聚焦透镜10以及聚焦透镜下方的保护镜片5均设置有通孔，所述送丝管B16经加工头顶部穿入，依次穿过反射模块9、聚焦透镜10以及聚焦透镜下方的保护镜片5，使得金属丝材14能够从四束激光的中心送入熔池。所述送丝管B16出口位置配置有散热铜嘴17，以提高送丝管B16出口处的散热效率。所述聚焦透镜10下方的保护镜片5可防止增材过程中熔体飞溅损伤聚焦透镜，同时该保护镜片中心位置处设置有送丝管Z维度约束装置18，该装置可用于控制送丝管B16伸出散热铜嘴17的长度，从而控制出丝位置距离激光焦点的距离。所述送丝管B16在进入加工头的入口位置处配备有送丝管装夹装置23，该装置可承担丝材输送过程中的外力，保证送丝管的刚度。所述送丝管装夹装置23上方设有丝材矫直装置15，通过调节顶丝推动顶板运动，进而推动滚子挤压丝材，从而实现矫直。

所述粉末材料12经过送粉器输送至送粉管A13，送粉管A13将粉末材料12输送到粉末输送喷嘴11，经粉末输送喷嘴11内部的四个对称分布的送粉通道输送至激光焦点位置。与此同时，金属丝材14经过丝材矫直装置15进行矫直后进入到送丝管B16内，经送丝管B16输送至激光焦点位置。所述激光制造装置配置有光-丝-粉同轴耦合装置20，该装置可对粉末材料12和金属丝材14在水平方向内进行两个维度的调整，进而实现金属丝材、粉末材料与激光焦点的精准耦合，且送粉模块或送丝模块单独使用时也可实现粉末材料与激光焦点或金属丝材与激光焦点的精准耦合。

所述激光制造装置在喷嘴处配备有保护气输送口19，通过保护气输送口19可输送高纯氩气以及氮气等惰性气体，保护气通过粉末输送喷嘴11的汇聚能够实现在增材制造过程中实现同轴惰性气体保护。

所述光纤接口模块2为标准的LLKD、QBH等专用光纤接口。

所述聚焦透镜10的外侧壳体内设有方形水冷装置24，内部流道内通入冷却水对聚焦透镜10进行冷却，此外透镜分光模块7以及反射模块9位置处的壳体外均留有水冷模块安装位置，在激光功率较高时可根据实际需求加装外置水冷模块。

所述透镜分光模块7、反射模块9以及聚焦透镜10均配备有镜片支承21，其中透镜分光模块7和反射模块9可以通过镜片支撑调整装置22进行调整，实现镜片在XYZ三个方向的微调。两个调焦模块(29)通过微调镜片支撑(21)，可实现平面反射镜在0°～5°内小幅度转动以及垂直于光束方向的移动，通过转动反射镜改变四束平行光的传导方向，实现激光焦距的调整，焦距调整范围为150±10mm，此外，通过移动反射镜可将反射镜从光路内分离或接入，实现聚焦模块的工作与停止，从而实现丝粉同轴激光制造装置的可选择性调焦。

聚焦透镜10处的镜片支承21可以在水平面内进行360度转动，在激光制造装置工作一段时间后可以对镜片支承21进行旋转，从而增加聚焦透镜的使用寿命。

所述激光制造装置的壳体外侧设置有激光头装夹装置25，用于激光制造装置固定安装。

一种丝粉同轴激光制造方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，将光纤插入到光纤接口2并连接好。将打磨、清洗和吹干好的基板28固定在机床运动平台上。将TiCp粉末材料装入送粉器。将1.2mm的TC4丝材装入送丝机，并通过送丝管B16缓慢送出至送丝管B16出口位置，调整丝材矫直装置15，使TC4丝材在送出丝管外的20mm距离内保证准直，调整丝粉同轴激光制造装置的焦距为155mm。

第二步，设置激光功率为1000W，选取激光头扫描速度(V

第三步，通过送丝管装夹装置23固定送丝管B16，调整光-丝-粉同轴耦合装置20，实现送丝管B16和粉末输送喷嘴11在水平面内的位置调整，保证激光、TiCp粉末材料和TC4丝材的同轴精准耦合，使得TiCp粉末材料出粉和TC4丝材出丝后能够与焦点准确对准。通过送丝管Z维度约束装置18调整送丝管B16在竖直方向的位置，使得散热铜嘴17的前端位于焦点上方5mm位置处，金属丝材送出至散热铜嘴出口外2mm。

第四步，通过保护气输送口19向粉末输送喷嘴11内输送高纯氩气，并通入冷却水对准直镜4、聚焦透镜10、透镜分光模块7以及反射模块9进行水冷，成形时机床按照预先设置好的程序运行，样件逐层成形，待样件制备完成后，依次关闭送丝机、送粉器、激光、冷却水以及保护气。

本发明通过将光束分光调整光-丝-粉同轴耦合装置，能够实现丝材、粉末材料和光束的精准同轴输送，从而实现丝粉同轴激光制造，该方法相比于单独的送粉式增材制造以及送丝式增材制造能够提高材料利用率，零件质量以及沉积效率，同时相比于斜轴式送丝制造能够提高样件制备的灵活性以及组织的一致性，该制造方法在实现丝材与粉末材料灵活性结合的同时，能够实现复杂零件的高质量激光制造。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。