[发明专利]用于金属制造应用的多模激光器装置

说明书

本发明公开了一种用于金属制造应用的多模激光器装置，所述金属制造应用包括增材制造(AM)、激光熔覆、激光焊接、激光切割、激光纹理化和激光抛光。所述多模激光器装置将离轴固态二极管或二极管泵浦激光器配置成阵列，以通过单个装置执行精度可控的直接金属沉积印刷、熔覆、激光焊接、激光切割、激光纹理化和激光抛光。在同一装置中使用金属丝线和粉末原料源的双模印刷、熔覆和焊接能力配备了在线控制件、精度丝线馈送驱动器/控制器、可调屏蔽气体扩散器和针对丝线原料直径而定制的喷嘴。

发明背景

发明领域

本发明总体涉及使用基于激光的增材制造(AM)、激光熔覆、激光焊接、激光切割、激光纹理化和激光抛光方法的基于激光的制造领域。激光AM、激光熔覆和激光焊接(非自生模式)工艺采用直接金属沉积(DMD)过程，该过程利用分布式激光光源将多个激光束聚焦到工作表面上，在该工作表面上，激光焦点与金属馈送材料(丝线和/或粉末)相交，以在计算机控制下在基材上形成金属分层构造。激光焊接(自生模式)、激光切割、激光纹理化和激光抛光工艺利用分布式激光光源将多个激光束聚焦到工作表面上，在该工作表面上激光焦点与金属基材相交，以使得能够在计算机控制下对工作表面进行焊接(自生)、切割、纹理化或抛光。

背景技术

Breinan和Kear于1978年首次报道了使用逐层激光能量源沉积法加工三维金属部件。在1982年，授予Brown等人美国专利4,323,756，该专利描述了一种用于生产批量、快速固化的金属颗粒的方法，该方法特别应用于包括盘和刀缘空气密封件的某些燃气涡轮发动机部件的加工中。这种三维激光辅助金属沉积工艺包括称为直接金属沉积(DMD)的增材制造(AM)领域。

近来，世界各地的各种团体一直在致力于研究用于加工金属部件的不同类型的分层制造技术。

最近的创新包括将激光器与多轴计算机数字控制(CNC)机器集成，其使用激光器通过DMD喷嘴将光束聚焦在金属馈送材料上，以加工三维部件。计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)软件与DMD工艺集成以驱动喷嘴来加工精确的三维部件渲染。先前的方法利用喷嘴，其中激光束通过喷嘴的中心进入，金属馈送材料经由同轴或侧向馈送机构通过喷嘴引入。美国专利7,765,022在2010年介绍了利用这种构型的方法，其使用二极管激光源。二极管激光源的使用通过改善对功率调整的响应时间以精确控制DMD工艺而提供了优点。在美国专利7,765,022中，中央二极管激光器系统与光学监视器和侧面安装的粉末/丝线/带材递送系统相结合。在该方法中，使用丝线馈送材料或粉末馈送材料，但没有提供在同一DMD装置内使用丝线馈送材料或粉末馈送材料的能力。除了参考交叉引用的相关申请之外，还没有提出将促进丝线或粉末馈送材料通过同一DMD装置中的中心轴线与使用离轴二极管激光光纤或二极管泵浦固态激光光纤的阵列相结合来熔化馈送材料。

专利CN109338359A描述了一种高速激光熔覆头，该高速激光熔覆头用于将多个金属粉末流与高速激光涂布头所涉及的多个激光束精确匹配，该高速激光熔覆头将多个金属粉末流和多个激光束匹配，使得金属粉末在头部中的使用速率尽可能高且没有堵塞。涂布头包括柱状固定座、过渡连接套筒和粉末馈送头。

该装置具有一系列局限，这些局限包括：

·其包括外部激光器，其中能量通过光纤传输到头部，从而导致能量损失并且有可能因为热、机械相互作用和操作期间激光辐射的反射而造成光纤断裂和光纤连接器损坏。

·所描述的系统仅适用于粉末熔覆操作，不适用于增材制造、丝线或粉末熔覆、激光焊接、激光切割、激光纹理化和激光抛光。

·所描述的系统仅适用于粉末熔覆操作，不适用于增材制造、丝线或粉末熔覆、激光焊接、激光切割、激光纹理化和激光抛光。

·该系统没有解决激光反射保护的问题。这可通过缩短系统的最后寿命(lastlife)而导致激光产生的对部件的破坏。

·该发明中涉及的激光器的数目是2个或3个激光器。