一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积方法及装置与流程
1.本发明属于激光增材制造、修复技术和激光表面熔覆技术，尤其涉及一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积方法及装置。
背景技术：
2.目前，激光同轴熔丝熔粉技术是丝材/粉末从激光头中心送进，激光从四周照射实现材料的熔化沉积。已有的利用圆锥镜加环形凹面镜、分束镜加反射聚焦镜、激光平面反射镜旋转加环形反射镜和激光平面反射镜加反射聚焦镜同步旋转可以实现激光同轴熔丝。采用大角度四分反射铜镜直接进行激光分束对于铜镜棱部加工精度和散热效率要求高(棱部加工倒角越小，分束能量损失越小，分束精度越高)；反射镜棱部和顶点会产生热量聚集，散热不足会导致棱部和顶点烧蚀；另外，在棱镜的棱部和顶点区域镀膜的难易程度与棱部角度的大小有关，如棱部顶点角度越小，其镀膜难度越大，当镀膜均匀性不好时，易产生棱部烧蚀等状况；因此，有必要针对这一问题进行改进。
技术实现要素：
3.本发明主要针对以上问题，提出了一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积方法及装置，其目的是解决棱锥反射镜棱部和顶点过热烧蚀和棱部和顶点镀膜难的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积方法，包括以下步骤：
5.由第一分光棱镜将入射的平行激光分束成多束小角度垂直射出的光斑；
6.将多束小角度垂直射出的光斑分别照射到第二分光棱镜的棱面区域，进而大角度激光分束，其中，照射第二分光棱镜的棱面区域的光斑避开第二分光棱镜的棱部和顶点区域；
7.从第二分光棱镜射出的光束经聚焦镜使激光焦点汇聚在丝材或粉体上。
8.进一步地，在激光源发射的平行激光入射第一分光棱镜前，还包括如下步骤：将激光源发射的激光通过准直透镜校准变换成所述平行激光。
9.进一步地，在使激光焦点汇聚在丝材或粉体上前，还包括步骤：将要制备的零件进行数模分层切片，根据单道熔道的宽度和搭接率形成扫描轨迹。
10.进一步地，还包括步骤：在第一分光棱镜、第二分光棱镜、聚焦镜的安装部位通入惰性气体，其中，在开启激光熔化沉积前，使氧含量低于1000ppm。
11.进一步地，所述第一分光棱镜和第二分光棱镜分别为棱角不同大小的四棱锥反射镜；其中，所述第一分光棱镜的棱部和顶点朝向入射的平行激光、且使所述第一分光棱镜的底面与水平面倾斜45度摆放，由水平入射的平行激光通过倾斜摆放的第一分光棱镜将圆形光斑分束成分别垂直照射第二分光棱镜四棱面的四束扇形光斑；其中，第一分光棱镜的棱部角度小于第二分光棱镜的棱部角度。
12.为实现上述目的，本发明提供了一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积装置，所
述装置包括：
13.第一分光棱镜，所述第一分光棱镜倾斜设置，且所述第一分光棱镜的顶点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镜的平行激光反射为与棱面数量对应的垂直光斑；
14.第二分光棱镜，所述第二分光棱镜的顶点朝向所述第一分光棱镜，使各垂直光斑分别照射所述第二分光棱镜的棱面，不照射第二分光棱镜棱部区域，其中，所述第一分光棱镜的棱部角度小于第二分光棱镜的棱部角度；
15.聚焦镜，所述聚焦镜用于将经第二分光棱镜反射的激光束汇聚在丝材或粉材上形成焦点；以及
16.送料部件，用于将所述丝材或粉材送至激光焦点的交汇处。
17.进一步地，所述第一分光棱镜和第二分光棱镜分别为棱角不同大小的四棱锥反射镜，其中第一分光棱镜的棱线与底面角度小于1度。
18.进一步地，所述第一分光棱镜倾斜设置的倾斜角为45度。
19.进一步地，还包括多个平面反射镜，所述的多个平面反射镜用于将从第二分光棱镜射出的激光反射至所述聚焦镜。
20.进一步地，所述装置还包括：
21.作为金属沉积过程中充入保护气源的气源部件；
22.用于将激光源发射的激光转化为平行激光的准直透镜；
23.用于固定所述第一分光棱镜、第二分光棱镜、聚焦镜、送料部件、准直透镜的激光头壳体；
24.与所述准直透镜相连的光纤；
25.与所述激光头壳体相连的机械手。
26.本发明的上述技术方案具有如下优点：通过利用带有高反膜的第一分光棱镜实现激光小角度分束，然后同轴照射到第二分光棱镜的棱面区域，小角度分束激光分成四个扇形光斑，避开第二分光棱镜的棱部和顶点区域，减少分束激光对棱部和顶点的热量聚集和棱部、顶点的烧蚀，解决大角度分光棱镜棱部和顶点镀膜困难的问题。
附图说明
27.图1为本发明一种双四棱锥反射镜激光分束同轴熔丝熔粉沉积头的结构示意图；
28.图2为小角度第一分光棱镜分束侧视示意图。
29.图3为分束激光照射到大角度第二分光棱镜四个平面镜的光斑顶视示意图。
30.图中：1、光纤；2、准直透镜；3、机械手；4、第一分光棱镜；5、第二分光棱镜；6、反射镜；7、聚焦镜；8、激光头壳体；9、熔化沉积层；10、基板；11、送料部件；12、光斑。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
32.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附
图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.根据本公开的一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积方法，由图1-图3所示，该方法包括：将水平入射的平行激光通过第一分光棱镜4小角度分束成多束垂直方向的光斑12；将多束垂直射出的光斑12分别照射到第二分光棱镜5的棱面区域，进而实现第二次大角度的激光分束，其中，照射第二分光棱镜5的棱面区域的光斑避开第二分光棱镜5的棱部和顶点区域；最后将从第二分光棱镜5射出的光束经平面反射镜6和聚焦镜7使激光焦点汇聚在丝材或粉体上。
35.在上述实施例中，所采用的第一分光棱镜4和第二分光棱镜5优选为棱角不同大小的四棱锥反射镜，其中，第一分光棱镜4的棱部和顶点朝向入射的平行激光、且使第一分光棱镜4的底面与水平面倾斜45度摆放，由水平入射的平行激光通过倾斜摆放的第一分光棱镜4将圆形光斑分束成分别垂直照射第二分光棱镜5四棱面的四束扇形光斑12；其中，第一分光棱镜4的棱部角度小于第二分光棱镜5的棱部角度，顶点角度大于第二分光棱镜5的顶点角度。
36.水平入射的平行激光通过四棱锥反射镜小角度的分束成如图3所示的四个扇形光斑12，四个扇形光斑12分别照射到第二分光棱镜5进行大角度的激光分束，第二分光棱镜5棱部和顶点区域处于四个扇形光斑12的间隔区域，即，第二分光棱镜5的棱部和顶点区域没有被激光所照射，减少分束激光对棱部和顶点区域的热量聚集和棱部烧蚀；由于第一分光棱镜4的顶点角度接近平面镜，可以采用平面镜镀膜的方法对第一分光棱镜4镀膜，以提高镀膜的均匀性，使其不易产生棱部或顶点烧蚀，由于第二分光棱镜5的棱部和顶点也未被照射，因此同样也不易产生棱部或顶点烧蚀。
37.从第二分光棱镜5射出的激光通过平面反射镜6实现激光朝照射方向汇聚，然后通过聚焦镜7实现平行光的聚焦，使激光焦点汇聚在同轴送进的丝材或粉材上，实现熔化沉积。
38.具体的，还包括对激光源发射的激光进行校准、设置激光功率、选取激光头扫描速度、设置送丝速度、添加惰性气体保护和水冷等，其中：
39.对激光源发射的激光进行校准包括：将激光源发射的激光通过准直透镜2校准变换成上述平行激光。
40.设置激光功率为600-10000w，激光头固定在机械手3或机床运动装置上，工作时，以激光头中心为轴，围绕中心送进的丝材或粉末，四束激光同轴汇聚照射垂直落下的金属丝材或粉末；按照数模分层切片生成扫描轨迹进行每层的熔化沉积，多层堆积实现零件毛坯成形。
41.添加惰性气体保护包括：在激光熔丝头内部的第一分光棱镜4、第二分光棱镜5、反
射镜6和聚焦镜7的安装部位通惰性气体，用于镜片的防尘和冷却；
42.水冷包括：在光学镜片基座、导丝管出口和激光头壳体8内部设水冷系统，用于冷却由于激光辐射和热辐射升温的机械结构和光学机构。
43.下面将结合具体示例来对钛合金激光熔化沉积进行详细说明，其具体的实现过程是：
44.将钛合金零件数模分层切片，按照单道熔道的宽度和搭接率80％形成扫描轨迹。
45.将成形基板10固定在工作台上。采用机械手3夹持激光同轴熔丝头，将其放置在基板10上方，保持水平，测量激光汇聚点并使其保持在沉积表面上方5mm。
46.采用送丝管将0.8-1mm的钛合金丝材送入激光头，或采用送粉管通过气载送粉器将20-250μm的钛合金粉末送出，丝材/粉末通过激光汇聚点后熔化沉积在基材上。
47.惰性气氛保护箱，当氧含量低于1000ppm后开始激光熔化沉积。
48.打开送丝机/送粉器和激光器，激光通过第一分光棱镜4(小角度四棱锥反射镜)实现一次分束，分成四个如图3所示的扇形光斑12的激光分别照射到第二分光棱镜5(大角度四棱锥反射镜)上实现大角度激光分束。然后激光汇聚熔化同轴送进的丝材或垂直落下的粉末，设置激光和送丝/粉管的参数，设置激光功率为600w-10000w，使送丝/粉管以10-20mm/s的速度进行扫描移动，机械手按照每层生成的扫描轨迹进行熔化沉积。
49.机械手提升30-100μm层厚，开始下一层重复熔化沉积，直到零件数模全部扫描轨迹完成。
50.最后，关闭激光器和送丝机/送粉器，待零件冷却至室温后将其从惰性气氛保护箱中取出。
51.下面结合附图对本发明做进一步说明。以一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积装置成形钛合金丝材为例，给出具体的实施方式：
52.一种双四棱锥反射镜激光同轴熔化沉积装置，实现激光与丝材同轴熔化沉积的装置如下：
53.如图1所示，包括激光头壳体8，该激光头壳体8内设置有第一分光棱镜4、第二分光棱镜5、反射镜6、聚焦镜7和送料部件11，其中，激光头壳体8具有一直角的激光通道，第一分光棱镜4在激光通道的直角侧沿45度方向倾斜设置，使第一分光棱镜4的顶点大致朝向平行激光的射入方向和射出方向，入射第一分光棱镜4的平行激光反射为与棱面数量对应的垂直光斑12。第二分光棱镜5位于垂直光斑12的射出方向，其顶点朝向第一分光棱镜4，使各垂直光斑12分别照射第二分光棱镜5的棱面，不照射第二分光棱镜5棱部区域，当第一分光棱镜4和第二分光棱镜5的棱面数量相等时，各垂直光斑12分别照射第二分光棱镜5对应的各棱面，第一分光棱镜4进行小角度激光分束，第二分光棱镜5进行大角度激光分束，实现激光从四周熔化同步送进的丝材或粉末。
54.为解决分光棱镜的各棱部和顶点过热烧蚀和棱部、顶点镀膜难的问题，本实施例采用第一分光棱镜4的棱部角度小于第二分光棱镜5的棱部角度的方式，可以理解的是，利用带有高反膜的小角度(小于1度)第一分光棱镜4实现激光小角度分束，然后同轴照射到第二个大角度第二分光棱镜5上，第一分光棱镜4顶点角趋于接近平面，可以采用平面镜镀膜的方法对第一分光棱镜4进行镀膜，保证镀膜均匀性，使其不易产生棱部烧蚀，这样由小角度分束激光分成四个扇形光斑12照射第二分光棱镜5的各棱面，避开大角度第二分光棱镜5
的棱部区域和顶点区域，减少分束激光对棱部和顶点的热量聚集和棱部、顶点烧蚀。
55.优选的，上述实施例中的第一分光棱镜4和第二分光棱镜5分别为棱角不同大小的四棱锥反射镜，本技术通过采用双四棱锥反射镜可以降低镀膜对四棱锥反射镜棱部角度最大角要求。
56.在完成分成四瓣的激光分别照射到第二个四棱锥反射镜上实现大角度激光分束后，分束的激光经在第二分光棱镜5的各棱面对应设置的平面反射镜6，将激光反射至聚焦镜7，由聚焦镜7将反射的激光束汇聚在丝材或粉材上形成焦点，与此同时，送料部件11将丝材或粉材送至激光焦点的交汇处熔化沉积层9。
57.此外，该装置还包括：
58.作为金属沉积过程中充入保护气源的气源部件，该气源部件的惰性气体用于镜片的防尘和冷却。
59.用于将激光源发射的激光转化为平行激光的准直透镜2，光纤1插入到光纤接口中并连接好，激光束由光纤中射出，由于激光束的直径很小且具有一定的发散角，因此激光束由光纤1射出后首先经过准直透镜2，扩大光束直径并减小发散角，从而减小激光能量密度以及保证光路的准确性。
60.与激光头壳体8相连的机械手3，由该机械手3驱动整个激光头壳体8按照每层生成的扫描轨迹进行熔化沉积。
61.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
