CN113664222B

CN113664222B - 一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置与方法

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Publication number: CN113664222B
Application number: CN202110966108.6A
Authority: CN
Inventors: 杨永强; 朱勇强; 王迪; 秦文韬; 周恒�
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2024-03-26
Anticipated expiration: 2041-08-23
Also published as: CN113664222A

Abstract

本发明公开了一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置与方法；包括激光器包括第一，第二激光器以及与其连接的激光加工头；第一激光器的激光，依次传输至第一扩束准直透镜、合光镜、聚焦透镜，再由喷嘴的出光孔射出，并在加工平面上聚焦，作为红外光斑；第二激光器的激光，依次传输至第二扩束准直透镜、全反射镜，全反射镜将激光反射至合光镜，再由合光镜反射至聚焦透镜，最后再由喷嘴的出光孔射出，并在加工平面上聚焦，作为蓝绿光斑；红外光斑和蓝绿光斑由聚焦透镜聚焦后，在加工平面形成一个复合激光光斑；红外光斑用于熔化金属粉末，形成熔池，蓝绿光斑有助于提升熔池稳定性，减少飞溅，进而减少内部缺陷，大幅提高工件的成形质量。

Description

一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置与方法

技术领域

本发明涉及高反射材料的激光加工技术领域，尤其涉及一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置与方法。

背景技术

定向能量沉积(Directed Energy Deposition,DED)技术增材制造技术的一种代表性技术，DED利用聚焦的热能，同步熔化输送的粉末状或线状材料，按照预设的轨迹，进行逐层零件制造或单层熔覆、修复，相比于粉末床熔融增材制造技术，其成形范围大、生产率更高，易于与传统得铣削等减材制造工艺相结合，制造出满足工业应用要求得大型零部件。

激光定向能量沉积制造纯铜等高反射材料零部件，能充分发挥出高反射材料优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景。

然而受限于高反射材料极低的激光吸收率，基于现有技术，难以获得成形质量优异的高反射材料的零部件，严重影响、阻碍了纯铜等高反射材料的工业应用。

发明内容

本发明目的在于，解决纯铜等高反射材料激光加工困难的问题，提升激光定向能量沉积成形纯铜等高反射材料零件的性能，改善纯铜等高反射材料的工业应用现状；提供一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置与方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置，包括激光器，以及与其连接的激光加工头4；

所述激光器包括第一激光器1、第二激光器2；

所述激光加工头4内部包括：第一扩束准直透镜21、第二扩束准直透镜15；合光镜20、全反射镜16、伸缩镜头17、聚焦透镜18、喷嘴19；

所述第一激光器1通过第一光纤13，将第一激光器1的激光，依次传输至第一扩束准直透镜21、合光镜20、聚焦透镜18，再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦，作为第一光斑(直径3-5mm)；

所述第二激光器2通过第二光纤14，将第二激光器2的激光，依次传输至第二扩束准直透镜15、全反射镜16，全反射镜16将激光反射至合光镜20，再由合光镜20反射至聚焦透镜18，最后再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦，作为第二光斑(直径3-5mm)；

所述第一光斑为红外光斑；

所述第二光斑为蓝绿光斑；

所述聚焦透镜18为伸缩式聚焦镜头；

所述红外光斑和蓝绿光斑，由聚焦透镜18聚焦后，经喷嘴19的出光孔33射出后，在加工平面形成复合激光光斑。

所述第一激光器1为红外光纤激光器；所述第二激光器2为蓝绿光半导体激光器。

所述合光镜20为透红外光，反蓝绿光的合光镜。

所述扩束准直透镜15、第一扩束准直透镜21，用于扩大激光束，并将整合为平行光；所述全反射镜16与合光镜20的镜面相互平行，平行角度可调。

所述定向能量沉积设备，包括多轴关节机器人3，所述激光加工头4固定在其上。

多轴关节机器人3为六轴关节机器人。

所述第一激光器1波长900nm～1090nm，光束质量M²小于1.1；

所述第二激光器2波长450nm～560nm，光束质量M²小于1.1。

一种复合激光形成方法，其包括如下步骤：

步骤一；第一光斑形成步骤：

第一激光器1通过第一光纤13，将第一激光器1的激光，依次传输至第一扩束准直透镜21、合光镜20、聚焦透镜18，再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦为第一光斑；

步骤二；第二光斑形成步骤：

第二激光器2通过第二光纤14，将第二激光器2的激光，依次传输至第二扩束准直透镜15、全反射镜16，全反射镜16将激光90°反射至合光镜20，再由合光镜20将激光90°反射至聚焦透镜18，最后再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦为第二光斑；

步骤三；复合激光光斑形成步骤：

第一激光器1产生的红外光束和第二激光器2产生的蓝绿光束，平行进入聚焦透镜18；调节聚焦透镜18，使红外光束与蓝绿光束，之间逐渐相交于一点，最后在加工平面上，形成一个包含有红外光和蓝绿光的复合激光光斑。

所述复合激光光斑，直径为3-5mm。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明激光分为两路：第一激光器1通过第一光纤13，将第一激光器1的激光，依次传输至第一扩束准直透镜21、合光镜20、聚焦透镜18，再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦为第一光斑；第二激光器2通过第二光纤14，将第二激光器2的激光，依次传输至第二扩束准直透镜15、全反射镜16，全反射镜16将激光90°反射至合光镜20，再由合光镜20将激光90°反射至聚焦透镜18，最后再由喷嘴19的出光孔33射出，并在加工平面上聚焦为第二光斑；第一激光器1产生的红外光束和第二激光器2产生的蓝绿光束，平行进入聚焦透镜18；调节聚焦透镜18，使红外光束与蓝绿光束，之间逐渐相交于一点，最后在加工平面上，形成一个包含有红外光和蓝绿光的复合激光光斑。通过本发明激光加工头4，使红外激光与蓝绿激光整合的复合激光，进行高反射材料的激光定向能量沉积，有效解决了现有技术普遍存在的，激光定向能量沉积纯铜等高反射材料，在红外激光下激光吸收率低、成形质量差的问题，大大提升了激光定向能量沉积，成形纯铜等高反射材料零件的性能，使得纯铜等高反射材料的工业应用现状得到了实质性改善。

本发明红外光斑和蓝绿光斑，由聚焦透镜聚焦后，经喷嘴的出光孔射出后，在加工平面形成一个复合激光光斑。在一个复合激光光斑种，红外光斑用于熔化金属粉末，形成熔池，蓝绿光斑有助于提升熔池稳定性，减少飞溅，进而减少内部缺陷，大幅提高工件的成形质量。

本发明聚焦透镜为伸缩式聚焦镜头，以满足自动调焦，使成形过程更加稳定，成形质量得到保障。

本发明能够实现大尺寸零件的直接制造与现场修复，并与结合传统铣削加工方法，大幅度提升成形件的尺寸精度与表面质量；

本发明结合在线监测系统，实时监测成形过程，对零件尺寸反馈调节，实现成形质量的提升。

附图说明

图1为本发明复合激光装置的结构布局，及红外激光与蓝绿激光耦合示意图。

图2为本发明复合激光装置，在现有定向能量沉积设备上的应用示意图。

附图标记：第一激光器1；第二激光器2；多轴关节机器人3；激光加工头4；刀具库5；铣刀6；集成控制系统7；送粉器8；在线监测系统9；气瓶10；两轴变位机11；冷水机12；通过第一光纤；第二光纤14；第二扩束准直透镜15；全反射镜16；聚焦透镜18；喷嘴19；合光镜20；第一扩束准直透镜21。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示；

本发明公开了一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置，包括激光器，以及与其连接的激光加工头4；

所述激光器包括第一激光器1、第二激光器2；

所述第一光斑为红外光斑；

所述第二光斑为蓝绿光斑；

所述聚焦透镜18为伸缩式聚焦镜头；

所述红外光斑和蓝绿光斑，由聚焦透镜18聚焦后，经喷嘴19的出光孔33射出后，在加工平面形成一个复合激光光斑。

复合激光光斑中，红外光斑用于熔化金属粉末，形成熔池，蓝绿光斑有助于提升熔池稳定性，减少飞溅，进而减少内部缺陷，提高工件成形质量。

所述合光镜20为透红外光，反蓝绿光的合光镜，即，可以通过红外光而反射蓝绿光。

多轴关节机器人3为六轴关节机器人，当然也可采用其他机器人。

所述第一激光器1波长900nm～1090nm，光束质量M²小于1.1；

所述第二激光器2波长450nm～560nm，光束质量M²小于1.1。

喷嘴19，周围分布有出粉孔，因属于现有技术，在次不再赘述；

本发明复合激光光斑形成过程如下：

步骤一；第一光斑形成步骤：

步骤二；第二光斑形成步骤：

步骤三；复合激光光斑形成步骤：

所述复合激光光斑，直径为3-5mm。

图2所示，为更加形象地说明本发明，现结合目前定向能量沉积设备简述工作过程，如下：

(1).将粉末粒径在15μm～150μm之间的高反射金属粉末材料装填至送粉器8中；

(2).将处理好的零件三维数据模型导入集成控制系统7，并设置好成形工艺参数；

(3).启动冷水机12、在线监测系统9、送粉器8，开启气瓶10；

(4).多轴关节机器人前往刀具库4夹取激光加工头，并回到定向能量沉积起点；

(5).启动第一激光器1、第二激光器2，聚焦透镜18(伸缩式镜头)根据设定的工艺参数自动调整焦距，在加工平面上产生尺寸合适的复合光斑，按程序设定开始定向能量沉积；

(6)定向能量沉积若干层后，暂停定向能量沉积过程，通过在线监测系统(9)得到的零件尺寸数据与零件设计尺寸的差异信息，随后根据此信息进行铣削加工或在接下来若干层进行补偿，直至零件制造完成；

(7)将激光加工头4放回刀具库5，多轴关节机器人3回到设备原点，关闭设备；

(8).待零件冷却至室温后，取出零件。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于定向能量沉积设备的复合激光装置，包括激光器，以及与其连接的激光加工头（4），其特征在于：

所述激光器包括第一激光器（1）、第二激光器（2）；

所述激光加工头（4）内部包括：第一扩束准直透镜（21）、第二扩束准直透镜（15）；合光镜（20）、全反射镜（16）、伸缩镜头（17）、聚焦透镜（18）、喷嘴（19）；

所述第一激光器（1）通过第一光纤（13），将第一激光器（1）的激光，依次传输至第一扩束准直透镜（21）、合光镜（20）、聚焦透镜（18），再由喷嘴（19）的出光孔（33）射出，并在加工平面上聚焦，作为第一光斑；所述第一光斑直径3-5mm；

所述第二激光器（2）通过第二光纤（14），将第二激光器（2）的激光，依次传输至第二扩束准直透镜（15）、全反射镜（16），全反射镜（16）将激光反射至合光镜（20），再由合光镜（20）反射至聚焦透镜（18），最后再由喷嘴（19）的出光孔（33）射出，并在加工平面上聚焦，作为第二光斑；所述第二光斑直径3-5mm；

所述第一光斑为红外光斑；

所述第二光斑为蓝绿光斑；

所述聚焦透镜（18）为伸缩式聚焦镜头；

所述红外光斑和蓝绿光斑，由聚焦透镜（18）聚焦后，经喷嘴（19）的出光孔（33）射出后，在加工平面形成复合激光光斑；所述复合激光光斑直径为3-5mm；

所述扩束准直透镜（15）、第一扩束准直透镜（21），用于扩大激光束，并将整合为平行光；所述全反射镜（16）与合光镜（20）的镜面相互平行，平行角度可调；

所述第一激光器（1）波长900nm~1090nm，光束质量M²小于1.1；

所述第二激光器（2）波长450nm~560nm，光束质量M²小于1.1。

2.根据权利要求1所述用于定向能量沉积设备的复合激光装置，其特征在于：

所述第一激光器（1）为红外光纤激光器；所述第二激光器（2）为蓝绿光半导体激光器。

3.根据权利要求1所述用于定向能量沉积设备的复合激光装置，其特征在于：

所述合光镜（20）为透红外光，反蓝绿光的合光镜。

4.根据权利要求1所述用于定向能量沉积设备的复合激光装置，其特征在于：所述定向能量沉积设备，包括多轴关节机器人（3），所述激光加工头（4）固定在其上。

5.根据权利要求4所述用于定向能量沉积设备的复合激光装置，其特征在于：多轴关节机器人（3）为六轴关节机器人。

6.一种复合激光形成方法，其特征在于，由权利要求1-5中任一项所述复合激光装置实现，其包括如下步骤：

步骤一；第一光斑形成步骤：

第一激光器（1）通过第一光纤（13），将第一激光器（1）的激光，依次传输至第一扩束准直透镜（21）、合光镜（20）、聚焦透镜（18），再由喷嘴（19）的出光孔（33）射出，并在加工平面上聚焦为第一光斑；

步骤二；第二光斑形成步骤：

第二激光器（2）通过第二光纤（14），将第二激光器（2）的激光，依次传输至第二扩束准直透镜（15）、全反射镜（16），全反射镜（16）将激光90°反射至合光镜（20），再由合光镜（20）将激光90°反射至聚焦透镜（18），最后再由喷嘴（19）的出光孔（33）射出，并在加工平面上聚焦为第二光斑；

步骤三；复合激光光斑形成步骤：

第一激光器（1）产生的红外光束和第二激光器（2）产生的蓝绿光束，平行进入聚焦透镜（18）；调节聚焦透镜（18），使红外光束与蓝绿光束，之间逐渐相交于一点，最后在加工平面上，形成一个包含有红外光和蓝绿光的复合激光光斑。