激光增材制造同轴送粉喷嘴的应用

激光增材制造同轴送粉喷嘴的应用

1金属零件的制造技术激光金属颗粒制造技术始于20世纪80年代。这是一种能够直接制造出致密、机械和豪华金属零件的先进制造技术。它在航空航天、船舶等领域具有广阔的应用前景。2精细耦合，提升粉末聚焦性能同轴送粉喷嘴的一个核心功能就是实现光粉的精确耦合，使粉末具有良好的聚焦性能。根据粉末流和激光束相对位置不同，将同轴送粉喷嘴分为两种类型：光外同轴送粉和光内同轴送粉。2.1光外送粉方式光外同轴送粉原理为激光束处于中央，送粉喷嘴位于激光束外部，粉末流送入中央的激光束中，激光束为实心光束，送粉喷嘴分布于光束周围，向熔池送粉，如图1(a）所示。光外送粉可分为环式和多路式。环式送粉指粉末进入圆环型粉末腔后再会聚成锥形流出，环式送粉方式粉末流会聚性好，但其交点在激光束焦点附近，粉斑聚集发散角大，导致粉末利用率低光外送粉方式得到的熔覆层外观形貌良好，无明显裂纹和气孔等冶金缺陷2.2a．不同类型所示光内同轴送粉原理为送粉嘴处于中央，激光束位于粉末流外部，为空心光束，粉嘴周围被激光束包裹，如图2(a）所示。光内送粉的送粉管一般是单独一路处于空心激光束中央，由于仅有一路垂直正向送粉，所以，粉斑聚集效果好，粉末利用率高，同时可以实现光粉准确耦合，成形精度相对较高基于光粉耦合精度的优势，光内送粉喷嘴减少了粉末飞溅、爆燃等现象，降低了熔覆层表面的粗糙度，使成形件表面光滑，消除了“台阶效应”3同型号送粉的研究现状3.1光外送粉法光外同轴送粉喷嘴的研究较早，随着激光增材制造技术的兴起，光外送粉喷嘴就一直在迭代更新。主要组成部分为激光光路、粉末通道、冷却部分等3.1.1外腔及内腔的减少不可变焦式喷嘴是在成形送粉过程中，激光束聚集焦距和粉末流束聚集焦距不可变化，设计喷嘴时需要考虑好粉斑和光斑的匹配问题。早期的光外同轴送粉喷嘴的结构主要分为两个腔：内腔和外腔。内腔是激光束通道，在其中安装聚焦镜对激光束进行聚焦，同时通道内有保护气体可避免粉末飞溅污染聚焦镜。外腔是由内腔外围的圆锥和喷嘴圆锥内廓形成的环形圆锥腔，作为粉末输送通道。粉末经由外腔上端小孔采用载气方式输送，由于粉末通道出口热量不能及时散发出去，容易造成堵塞同轴送粉喷嘴采用气动送粉的方式，载气容易在粉末离开喷嘴后对粉末聚集造成扰动，影响粉末流的会聚效果，同时会加大粉末所受的惯性力，在粉末会聚后出现分叉现象，使焦柱区变短对于大尺寸的构件而言，采用圆形小光斑及环锥形喷嘴耦合成形效率较低。郭翔宇等3.1.2可变性送粉喷嘴激光增材制造技术飞速发展的同时，成形零件的结构也日益复杂，不可变焦的送粉喷嘴难以满足加工要求，可变焦的送粉喷嘴应运而生。同轴送粉喷嘴中，主要是通过调节激光束的离焦量和粉末会聚点的离焦量实现变焦。3.1.2.1.激光束离焦量调节在激光增材制造的过程中，将金属粉末准确、连续、均匀地投入到聚焦光斑内，实现光粉的准确耦合是保证成形质量的关键3.1.2.聚点焦距可调的同轴送粉喷嘴粉末输送系统是送粉喷嘴中极其重要的一环，直接影响零件成形效率和质量。为获得良好的光粉耦合效果及成形质量，需要通过调整送粉管的角度来改变粉末的入射角和粉末聚集点与激光束聚集点间相对位置。宋立军等粉末流会聚点焦距可调的同轴送粉喷嘴在商用领域大放异彩，满足了多种加工需求，实现了喷嘴功能的多样化。例如在制造大型零件时，为兼顾沉积质量和效率，在沉积零件边缘轮廓时，粉末流会聚焦距可调大以提高零件的精度；在零件内部填充扫描加工时，粉末流会聚焦距可调小以提高沉积效率，同时提高激光增材制造效率与精度。3.1.2.铸造质量的影响当激光光斑尺寸大于粉斑尺寸时，激光束能量密度过大容易产生气孔等缺陷，影响成形质量；小于粉斑尺寸时，又会造成粉末流无法完全输送到熔池，粉末的利用率低，影响激光增材制造的效率3.2光粉耦合精度相比于光外同轴送粉喷嘴，光内同轴送粉喷嘴在光粉的耦合精度与金属粉末受热均匀度上有优势。送粉装置设置在喷嘴内部，四周被激光束包裹。光内同轴送粉喷嘴同样分为可变焦与不可变焦喷嘴3.2.1单粉管送粉为解决光外送粉光粉耦合精度难调节、粉末聚集性差导致粉末利用率低等问题，石世宏等随着工业化应用的发展，单粉管送粉不能满足激光增材制造效率要求。为提高光内送粉激光增材制造的成形效率，石拓等3.2.2生产效率低随着激光增材制造技术日益成熟，成形零件结构日趋复杂，特别是在成形壁厚不均匀零件时，常规采用多道搭接方式不仅生产效率低，还容易造成熔覆层内部冷却不均匀而导致搭接处的冶金缺陷。为解决冶金缺陷问题，石世宏等4熔池成形工艺设计同轴送粉喷嘴，正逐步由不可变焦变为可变焦喷嘴，对光路和粉路进行调节，改善了不可变焦喷嘴单一的应用场景。相较于不可变焦喷嘴，可变焦喷嘴的最大缺陷就是其光粉耦合的稳定性较差。无论是不可变焦喷嘴还是可变焦喷嘴，与早期的同轴送粉喷嘴相比，在粉末均匀性、会聚性、利用率以及冷却效果上都得到了较好的改善为了解决同轴送粉喷嘴存在的一系列问题，就要求整个成形过程中所有参数必须能够实现实时准确监控，具备实时调节功能。结合现有检测方法，如热像仪、位置传感器及CCD，能够实现熔池温度、成形参数和熔覆层尺寸实时监控，可实时调整成形参数以实现增材制