[发明专利]激光光内送丝熔覆方法与光内送丝装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光熔覆成形制造工艺方法及实现该方法的装置。

背景技术

在先进激光加工成形制造技术中，有一个关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。国内外现行的送料方法大多数为同步送粉。最早的方法是激光束垂直照射，送粉管从一侧倾斜旁置。旁置送粉姿态随扫描方向而异，扫描方向对扫描质量影响很大。比较先进的送粉装置有美国专利(US5961862)、欧洲专利(WO2005028151)等，其基本结构均采用在激光束外围均匀布置多路送粉喷头的结构方案，可称之为“光外同轴送粉”。光外同轴送粉因各方向送粉姿态一致，消除了扫描方向性影响，但同时又带来多路粉束很难汇聚于一点并与光束焦点重合的新问题。

由粉末性质决定送粉法熔覆存在一些不足，主要有送粉量和均匀性控制困难、粉末利用率低、发散在光束外的处于半熔状态的粉末易粘附于成型零件表面，影响表面质量等。相比之下，送丝熔覆可避开送粉带来的一些问题。送丝熔覆具有容易实现精确控制，送料精度高；材料利用率高；无发散性；能量利用率高；对环境无污染；价格低廉等明显优点，公认具有极大发展空间。但目前送丝熔覆工艺尚存在许多问题未得到较好解决，尚不能像光外同轴送粉那样实现多路包围光束进行多路同轴送丝。如附图1所示，现有激光送丝熔覆或焊接方法中，由激光器发射的激光束11被聚焦镜110聚焦成锥形光束12，送丝管和喷丝嘴13’只能相对锥形光束12倾斜一角度安装，由喷丝嘴13’送出的丝材14只能被倾斜送入激光束，一般在加工前需调整丝材在光斑位置与光束相交(参考文献：1、王至尧主编.中国材料工程大典第25卷.北京：化学工业出版社，2006；2、左铁钏主编.21世纪的先进制造—激光技术与工程.北京，科学出版社，2007，5；3、Waheed UI Haq Syed，Lin Li.Effects of wire feeding direction and location in multiple layer diode laserdirect metal depositi on.Applied Surface Science，24 March 2005)。单侧送丝带来的最大缺陷，就是丝材是倾斜进入熔池，所受到光束照射、熔池热传导和辐射的热作用不对称、不均匀。特别当熔覆中不可避免地出现方向性变化，即加工中激光束相对加工面作不同方向的扫描运动时，光束和丝材相对扫描运动方向就有不同的方位和姿态，丝材的熔融和熔池的热作用和力作用过程效果将发生变化，从而使凝固后的熔道尺寸、形貌、表面粗糙度等均会发生较大变化，甚至造成熔融过程的时断时续。侧送丝中对于普通单方向扫描的单层或多层熔覆堆焊不存在方向性影响，因其送进方位角度不会改变，而对复杂型面堆焊特别是三维直接快速成型等工艺而言，由于扫描轨迹和方向在不断变化，其影响就很突出，熔覆的连续性或熔道质量都很难保证。此外，熔覆时丝材送入点必须在工件表面与光束焦点位置与之相交重合，其交点又应限制在熔池表面上下一很小的区域内，但如果加工中此交点相对加工表面(或熔池)上下有位置波动和变化(难免，特别在多层堆积中)，丝材的热作用又将发生变化，可能使丝材的熔化过程断续进行，丝材前段弯曲，光和丝断续对准和错位，这样使熔覆过程的连续性和熔道质量对焦点与加工面之间相对位置的微小变化都非常敏感。此外，激光熔覆过程常需要在熔池周围输送惰性保护气体，以吹压熔覆产生的热焰、熔渣等，从而保护筒体内腔镜片不受污染，同时熔池不被氧化。在现有技术侧向送丝装置中，由于结构限制，保护气体也只能侧向吹送，其对熔池的吹压力不均匀，气流紊乱，保护效果差。

发明内容

需要一种新的送丝工艺方法及实现该方法的装置，该方法能实现与光束同轴送丝，消除扫描方向性带来的影响；不存在丝材汇聚难、与光束焦点重合难等问题，对加工中焦点相对工件平面位置的波动性等因素不敏感，工艺过程更稳定；丝材被光束包围，变侧送丝中丝材单边受热为包围均匀受热，使其受热、凝固均匀并更易熔化，能提高熔覆层的组织性能。