一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積方法及裝置與流程
1.本發明屬于激光增材制造、修復技術和激光表面熔覆技術，尤其涉及一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積方法及裝置。
背景技術：
2.目前，激光同軸熔絲熔粉技術是絲材/粉末從激光頭中心送進，激光從四周照射實現材料的熔化沉積。已有的利用圓錐鏡加環形凹面鏡、分束鏡加反射聚焦鏡、激光平面反射鏡旋轉加環形反射鏡和激光平面反射鏡加反射聚焦鏡同步旋轉可以實現激光同軸熔絲。采用大角度四分反射銅鏡直接進行激光分束對于銅鏡棱部加工精度和散熱效率要求高(棱部加工倒角越小，分束能量損失越小，分束精度越高)；反射鏡棱部和頂點會產生熱量聚集，散熱不足會導致棱部和頂點燒蝕；另外，在棱鏡的棱部和頂點區域鍍膜的難易程度與棱部角度的大小有關，如棱部頂點角度越小，其鍍膜難度越大，當鍍膜均勻性不好時，易產生棱部燒蝕等狀況；因此，有必要針對這一問題進行改進。
技術實現要素：
3.本發明主要針對以上問題，提出了一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積方法及裝置，其目的是解決棱錐反射鏡棱部和頂點過熱燒蝕和棱部和頂點鍍膜難的問題。
4.為實現上述目的，本發明提供了一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積方法，包括以下步驟：
5.由第一分光棱鏡將入射的平行激光分束成多束小角度垂直射出的光斑；
6.將多束小角度垂直射出的光斑分別照射到第二分光棱鏡的棱面區域，進而大角度激光分束，其中，照射第二分光棱鏡的棱面區域的光斑避開第二分光棱鏡的棱部和頂點區域；
7.從第二分光棱鏡射出的光束經聚焦鏡使激光焦點匯聚在絲材或粉體上。
8.進一步地，在激光源發射的平行激光入射第一分光棱鏡前，還包括如下步驟：將激光源發射的激光通過準直透鏡校準變換成所述平行激光。
9.進一步地，在使激光焦點匯聚在絲材或粉體上前，還包括步驟：將要制備的零件進行數模分層切片，根據單道熔道的寬度和搭接率形成掃描軌跡。
10.進一步地，還包括步驟：在第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、聚焦鏡的安裝部位通入惰性氣體，其中，在開啟激光熔化沉積前，使氧含量低于1000ppm。
11.進一步地，所述第一分光棱鏡和第二分光棱鏡分別為棱角不同大小的四棱錐反射鏡；其中，所述第一分光棱鏡的棱部和頂點朝向入射的平行激光、且使所述第一分光棱鏡的底面與水平面傾斜45度擺放，由水平入射的平行激光通過傾斜擺放的第一分光棱鏡將圓形光斑分束成分別垂直照射第二分光棱鏡四棱面的四束扇形光斑；其中，第一分光棱鏡的棱部角度小于第二分光棱鏡的棱部角度。
12.為實現上述目的，本發明提供了一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積裝置，所
述裝置包括：
13.第一分光棱鏡，所述第一分光棱鏡傾斜設置，且所述第一分光棱鏡的頂點朝向平行激光的入射方向和射出方向，入射所述第一分光棱鏡的平行激光反射為與棱面數量對應的垂直光斑；
14.第二分光棱鏡，所述第二分光棱鏡的頂點朝向所述第一分光棱鏡，使各垂直光斑分別照射所述第二分光棱鏡的棱面，不照射第二分光棱鏡棱部區域，其中，所述第一分光棱鏡的棱部角度小于第二分光棱鏡的棱部角度；
15.聚焦鏡，所述聚焦鏡用于將經第二分光棱鏡反射的激光束匯聚在絲材或粉材上形成焦點；以及
16.送料部件，用于將所述絲材或粉材送至激光焦點的交匯處。
17.進一步地，所述第一分光棱鏡和第二分光棱鏡分別為棱角不同大小的四棱錐反射鏡，其中第一分光棱鏡的棱線與底面角度小于1度。
18.進一步地，所述第一分光棱鏡傾斜設置的傾斜角為45度。
19.進一步地，還包括多個平面反射鏡，所述的多個平面反射鏡用于將從第二分光棱鏡射出的激光反射至所述聚焦鏡。
20.進一步地，所述裝置還包括：
21.作為金屬沉積過程中充入保護氣源的氣源部件；
22.用于將激光源發射的激光轉化為平行激光的準直透鏡；
23.用于固定所述第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、聚焦鏡、送料部件、準直透鏡的激光頭殼體；
24.與所述準直透鏡相連的光纖；
25.與所述激光頭殼體相連的機械手。
26.本發明的上述技術方案具有如下優點：通過利用帶有高反膜的第一分光棱鏡實現激光小角度分束，然后同軸照射到第二分光棱鏡的棱面區域，小角度分束激光分成四個扇形光斑，避開第二分光棱鏡的棱部和頂點區域，減少分束激光對棱部和頂點的熱量聚集和棱部、頂點的燒蝕，解決大角度分光棱鏡棱部和頂點鍍膜困難的問題。
附圖說明
27.圖1為本發明一種雙四棱錐反射鏡激光分束同軸熔絲熔粉沉積頭的結構示意圖；
28.圖2為小角度第一分光棱鏡分束側視示意圖。
29.圖3為分束激光照射到大角度第二分光棱鏡四個平面鏡的光斑頂視示意圖。
30.圖中：1、光纖；2、準直透鏡；3、機械手；4、第一分光棱鏡；5、第二分光棱鏡；6、反射鏡；7、聚焦鏡；8、激光頭殼體；9、熔化沉積層；10、基板；11、送料部件；12、光斑。
具體實施方式
31.下面結合附圖和實施例，對本發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明，但不用來限制本發明的范圍。
32.本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附
圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
33.在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
34.根據本公開的一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積方法，由圖1-圖3所示，該方法包括：將水平入射的平行激光通過第一分光棱鏡4小角度分束成多束垂直方向的光斑12；將多束垂直射出的光斑12分別照射到第二分光棱鏡5的棱面區域，進而實現第二次大角度的激光分束，其中，照射第二分光棱鏡5的棱面區域的光斑避開第二分光棱鏡5的棱部和頂點區域；最后將從第二分光棱鏡5射出的光束經平面反射鏡6和聚焦鏡7使激光焦點匯聚在絲材或粉體上。
35.在上述實施例中，所采用的第一分光棱鏡4和第二分光棱鏡5優選為棱角不同大小的四棱錐反射鏡，其中，第一分光棱鏡4的棱部和頂點朝向入射的平行激光、且使第一分光棱鏡4的底面與水平面傾斜45度擺放，由水平入射的平行激光通過傾斜擺放的第一分光棱鏡4將圓形光斑分束成分別垂直照射第二分光棱鏡5四棱面的四束扇形光斑12；其中，第一分光棱鏡4的棱部角度小于第二分光棱鏡5的棱部角度，頂點角度大于第二分光棱鏡5的頂點角度。
36.水平入射的平行激光通過四棱錐反射鏡小角度的分束成如圖3所示的四個扇形光斑12，四個扇形光斑12分別照射到第二分光棱鏡5進行大角度的激光分束，第二分光棱鏡5棱部和頂點區域處于四個扇形光斑12的間隔區域，即，第二分光棱鏡5的棱部和頂點區域沒有被激光所照射，減少分束激光對棱部和頂點區域的熱量聚集和棱部燒蝕；由于第一分光棱鏡4的頂點角度接近平面鏡，可以采用平面鏡鍍膜的方法對第一分光棱鏡4鍍膜，以提高鍍膜的均勻性，使其不易產生棱部或頂點燒蝕，由于第二分光棱鏡5的棱部和頂點也未被照射，因此同樣也不易產生棱部或頂點燒蝕。
37.從第二分光棱鏡5射出的激光通過平面反射鏡6實現激光朝照射方向匯聚，然后通過聚焦鏡7實現平行光的聚焦，使激光焦點匯聚在同軸送進的絲材或粉材上，實現熔化沉積。
38.具體的，還包括對激光源發射的激光進行校準、設置激光功率、選取激光頭掃描速度、設置送絲速度、添加惰性氣體保護和水冷等，其中：
39.對激光源發射的激光進行校準包括：將激光源發射的激光通過準直透鏡2校準變換成上述平行激光。
40.設置激光功率為600-10000w，激光頭固定在機械手3或機床運動裝置上，工作時，以激光頭中心為軸，圍繞中心送進的絲材或粉末，四束激光同軸匯聚照射垂直落下的金屬絲材或粉末；按照數模分層切片生成掃描軌跡進行每層的熔化沉積，多層堆積實現零件毛坯成形。
41.添加惰性氣體保護包括：在激光熔絲頭內部的第一分光棱鏡4、第二分光棱鏡5、反
射鏡6和聚焦鏡7的安裝部位通惰性氣體，用于鏡片的防塵和冷卻；
42.水冷包括：在光學鏡片基座、導絲管出口和激光頭殼體8內部設水冷系統，用于冷卻由于激光輻射和熱輻射升溫的機械結構和光學機構。
43.下面將結合具體示例來對鈦合金激光熔化沉積進行詳細說明，其具體的實現過程是：
44.將鈦合金零件數模分層切片，按照單道熔道的寬度和搭接率80％形成掃描軌跡。
45.將成形基板10固定在工作臺上。采用機械手3夾持激光同軸熔絲頭，將其放置在基板10上方，保持水平，測量激光匯聚點并使其保持在沉積表面上方5mm。
46.采用送絲管將0.8-1mm的鈦合金絲材送入激光頭，或采用送粉管通過氣載送粉器將20-250μm的鈦合金粉末送出，絲材/粉末通過激光匯聚點后熔化沉積在基材上。
47.惰性氣氛保護箱，當氧含量低于1000ppm后開始激光熔化沉積。
48.打開送絲機/送粉器和激光器，激光通過第一分光棱鏡4(小角度四棱錐反射鏡)實現一次分束，分成四個如圖3所示的扇形光斑12的激光分別照射到第二分光棱鏡5(大角度四棱錐反射鏡)上實現大角度激光分束。然后激光匯聚熔化同軸送進的絲材或垂直落下的粉末，設置激光和送絲/粉管的參數，設置激光功率為600w-10000w，使送絲/粉管以10-20mm/s的速度進行掃描移動，機械手按照每層生成的掃描軌跡進行熔化沉積。
49.機械手提升30-100μm層厚，開始下一層重復熔化沉積，直到零件數模全部掃描軌跡完成。
50.最后，關閉激光器和送絲機/送粉器，待零件冷卻至室溫后將其從惰性氣氛保護箱中取出。
51.下面結合附圖對本發明做進一步說明。以一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積裝置成形鈦合金絲材為例，給出具體的實施方式：
52.一種雙四棱錐反射鏡激光同軸熔化沉積裝置，實現激光與絲材同軸熔化沉積的裝置如下：
53.如圖1所示，包括激光頭殼體8，該激光頭殼體8內設置有第一分光棱鏡4、第二分光棱鏡5、反射鏡6、聚焦鏡7和送料部件11，其中，激光頭殼體8具有一直角的激光通道，第一分光棱鏡4在激光通道的直角側沿45度方向傾斜設置，使第一分光棱鏡4的頂點大致朝向平行激光的射入方向和射出方向，入射第一分光棱鏡4的平行激光反射為與棱面數量對應的垂直光斑12。第二分光棱鏡5位于垂直光斑12的射出方向，其頂點朝向第一分光棱鏡4，使各垂直光斑12分別照射第二分光棱鏡5的棱面，不照射第二分光棱鏡5棱部區域，當第一分光棱鏡4和第二分光棱鏡5的棱面數量相等時，各垂直光斑12分別照射第二分光棱鏡5對應的各棱面，第一分光棱鏡4進行小角度激光分束，第二分光棱鏡5進行大角度激光分束，實現激光從四周熔化同步送進的絲材或粉末。
54.為解決分光棱鏡的各棱部和頂點過熱燒蝕和棱部、頂點鍍膜難的問題，本實施例采用第一分光棱鏡4的棱部角度小于第二分光棱鏡5的棱部角度的方式，可以理解的是，利用帶有高反膜的小角度(小于1度)第一分光棱鏡4實現激光小角度分束，然后同軸照射到第二個大角度第二分光棱鏡5上，第一分光棱鏡4頂點角趨于接近平面，可以采用平面鏡鍍膜的方法對第一分光棱鏡4進行鍍膜，保證鍍膜均勻性，使其不易產生棱部燒蝕，這樣由小角度分束激光分成四個扇形光斑12照射第二分光棱鏡5的各棱面，避開大角度第二分光棱鏡5
的棱部區域和頂點區域，減少分束激光對棱部和頂點的熱量聚集和棱部、頂點燒蝕。
55.優選的，上述實施例中的第一分光棱鏡4和第二分光棱鏡5分別為棱角不同大小的四棱錐反射鏡，本技術通過采用雙四棱錐反射鏡可以降低鍍膜對四棱錐反射鏡棱部角度最大角要求。
56.在完成分成四瓣的激光分別照射到第二個四棱錐反射鏡上實現大角度激光分束后，分束的激光經在第二分光棱鏡5的各棱面對應設置的平面反射鏡6，將激光反射至聚焦鏡7，由聚焦鏡7將反射的激光束匯聚在絲材或粉材上形成焦點，與此同時，送料部件11將絲材或粉材送至激光焦點的交匯處熔化沉積層9。
57.此外，該裝置還包括：
58.作為金屬沉積過程中充入保護氣源的氣源部件，該氣源部件的惰性氣體用于鏡片的防塵和冷卻。
59.用于將激光源發射的激光轉化為平行激光的準直透鏡2，光纖1插入到光纖接口中并連接好，激光束由光纖中射出，由于激光束的直徑很小且具有一定的發散角，因此激光束由光纖1射出后首先經過準直透鏡2，擴大光束直徑并減小發散角，從而減小激光能量密度以及保證光路的準確性。
60.與激光頭殼體8相連的機械手3，由該機械手3驅動整個激光頭殼體8按照每層生成的掃描軌跡進行熔化沉積。
61.以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。
