激光增材制造同軸送粉噴嘴的應用

1金屬零件的制造技術激光金屬顆粒制造技術始于20世紀80年代。這是一種能夠直接制造出致密、機械和豪華金屬零件的先進制造技術。它在航空航天、船舶等領域具有廣闊的應用前景。2精細耦合，提升粉末聚焦性能同軸送粉噴嘴的一個核心功能就是實現光粉的精確耦合，使粉末具有良好的聚焦性能。根據粉末流和激光束相對位置不同，將同軸送粉噴嘴分為兩種類型：光外同軸送粉和光內同軸送粉。2.1光外送粉方式光外同軸送粉原理為激光束處于中央，送粉噴嘴位于激光束外部，粉末流送入中央的激光束中，激光束為實心光束，送粉噴嘴分布于光束周圍，向熔池送粉，如圖1(a）所示。光外送粉可分為環式和多路式。環式送粉指粉末進入圓環型粉末腔后再會聚成錐形流出，環式送粉方式粉末流會聚性好，但其交點在激光束焦點附近，粉斑聚集發散角大，導致粉末利用率低光外送粉方式得到的熔覆層外觀形貌良好，無明顯裂紋和氣孔等冶金缺陷2.2a．不同類型所示光內同軸送粉原理為送粉嘴處于中央，激光束位于粉末流外部，為空心光束，粉嘴周圍被激光束包裹，如圖2(a）所示。光內送粉的送粉管一般是單獨一路處于空心激光束中央，由于僅有一路垂直正向送粉，所以，粉斑聚集效果好，粉末利用率高，同時可以實現光粉準確耦合，成形精度相對較高基于光粉耦合精度的優勢，光內送粉噴嘴減少了粉末飛濺、爆燃等現象，降低了熔覆層表面的粗糙度，使成形件表面光滑，消除了“臺階效應”3同型號送粉的研究現狀3.1光外送粉法光外同軸送粉噴嘴的研究較早，隨著激光增材制造技術的興起，光外送粉噴嘴就一直在迭代更新。主要組成部分為激光光路、粉末通道、冷卻部分等3.1.1外腔及內腔的減少不可變焦式噴嘴是在成形送粉過程中，激光束聚集焦距和粉末流束聚集焦距不可變化，設計噴嘴時需要考慮好粉斑和光斑的匹配問題。早期的光外同軸送粉噴嘴的結構主要分為兩個腔：內腔和外腔。內腔是激光束通道，在其中安裝聚焦鏡對激光束進行聚焦，同時通道內有保護氣體可避免粉末飛濺污染聚焦鏡。外腔是由內腔外圍的圓錐和噴嘴圓錐內廓形成的環形圓錐腔，作為粉末輸送通道。粉末經由外腔上端小孔采用載氣方式輸送，由于粉末通道出口熱量不能及時散發出去，容易造成堵塞同軸送粉噴嘴采用氣動送粉的方式，載氣容易在粉末離開噴嘴后對粉末聚集造成擾動，影響粉末流的會聚效果，同時會加大粉末所受的慣性力，在粉末會聚后出現分叉現象，使焦柱區變短對于大尺寸的構件而言，采用圓形小光斑及環錐形噴嘴耦合成形效率較低。郭翔宇等3.1.2可變性送粉噴嘴激光增材制造技術飛速發展的同時，成形零件的結構也日益復雜，不可變焦的送粉噴嘴難以滿足加工要求，可變焦的送粉噴嘴應運而生。同軸送粉噴嘴中，主要是通過調節激光束的離焦量和粉末會聚點的離焦量實現變焦。3.1.2.1.激光束離焦量調節在激光增材制造的過程中，將金屬粉末準確、連續、均勻地投入到聚焦光斑內，實現光粉的準確耦合是保證成形質量的關鍵3.1.2.聚點焦距可調的同軸送粉噴嘴粉末輸送系統是送粉噴嘴中極其重要的一環，直接影響零件成形效率和質量。為獲得良好的光粉耦合效果及成形質量，需要通過調整送粉管的角度來改變粉末的入射角和粉末聚集點與激光束聚集點間相對位置。宋立軍等粉末流會聚點焦距可調的同軸送粉噴嘴在商用領域大放異彩，滿足了多種加工需求，實現了噴嘴功能的多樣化。例如在制造大型零件時，為兼顧沉積質量和效率，在沉積零件邊緣輪廓時，粉末流會聚焦距可調大以提高零件的精度；在零件內部填充掃描加工時，粉末流會聚焦距可調小以提高沉積效率，同時提高激光增材制造效率與精度。3.1.2.鑄造質量的影響當激光光斑尺寸大于粉斑尺寸時，激光束能量密度過大容易產生氣孔等缺陷，影響成形質量；小于粉斑尺寸時，又會造成粉末流無法完全輸送到熔池，粉末的利用率低，影響激光增材制造的效率3.2光粉耦合精度相比于光外同軸送粉噴嘴，光內同軸送粉噴嘴在光粉的耦合精度與金屬粉末受熱均勻度上有優勢。送粉裝置設置在噴嘴內部，四周被激光束包裹。光內同軸送粉噴嘴同樣分為可變焦與不可變焦噴嘴3.2.1單粉管送粉為解決光外送粉光粉耦合精度難調節、粉末聚集性差導致粉末利用率低等問題，石世宏等隨著工業化應用的發展，單粉管送粉不能滿足激光增材制造效率要求。為提高光內送粉激光增材制造的成形效率，石拓等3.2.2生產效率低隨著激光增材制造技術日益成熟，成形零件結構日趨復雜，特別是在成形壁厚不均勻零件時，常規采用多道搭接方式不僅生產效率低，還容易造成熔覆層內部冷卻不均勻而導致搭接處的冶金缺陷。為解決冶金缺陷問題，石世宏等4熔池成形工藝設計同軸送粉噴嘴，正逐步由不可變焦變為可變焦噴嘴，對光路和粉路進行調節，改善了不可變焦噴嘴單一的應用場景。相較于不可變焦噴嘴，可變焦噴嘴的最大缺陷就是其光粉耦合的穩定性較差。無論是不可變焦噴嘴還是可變焦噴嘴，與早期的同軸送粉噴嘴相比，在粉末均勻性、會聚性、利用率以及冷卻效果上都得到了較好的改善為了解決同軸送粉噴嘴存在的一系列問題，就要求整個成形過程中所有參數必須能夠實現實時準確監控，具備實時調節功能。結合現有檢測方法，如熱像儀、位置傳感器及CCD，能夠實現熔池溫度、成形參數和熔覆層尺寸實時監控，可實時調整成形參數以實現增材制