阅读说明：本技术 一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头及增材制造装置 (Coaxial wire and powder feeding printing nozzle and additive manufacturing device for arc laser ) 是由 李保强 张丽娟 方学伟 王博文 郑龙飞 杨健楠 卢秉恒 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头及增材制造装置,利用同轴嵌套设置的送丝通道管和送粉通道管形成同轴输送丝材和粉末的打印结构,能够使焊丝和粉末沿同轴线输出,在送丝通道管和送粉通道管上端设置焊丝驱动装置和光镜结构,利用光镜结构形成激光束聚焦的光斑与送丝通道管和送粉通道管出口的焊丝和粉末束流同轴,从而达到同时送丝和送粉同时对同轴上的焊丝和粉末进行熔融成形的目的,成形颗粒增强金属基复合材料,可以成形任意材料成形,将电弧增材低成本、高效率的优势和激光增材的高精度的优势相结合,结构简单,使用方便。(The invention discloses an electric arc laser coaxial wire and powder feeding printing nozzle and an additive manufacturing device, wherein a printing structure for coaxially feeding wires and powder is formed by utilizing a wire feeding channel pipe and a powder feeding channel pipe which are coaxially nested, welding wires and powder can be output along a coaxial line, a welding wire driving device and a light mirror structure are arranged at the upper ends of the wire feeding channel pipe and the powder feeding channel pipe, and a laser beam focused light spot is formed by utilizing the light mirror structure to be coaxial with the welding wires and powder beams at the outlets of the wire feeding channel pipe and the powder feeding channel pipe, so that the aim of simultaneously carrying out fusion forming on the coaxial welding wires and powder by wire feeding and powder feeding is fulfilled.)

一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头及增材制造装置

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头及增材制造装置。

背景技术

增材制造技术根据热源可分为激光、电子束和电弧三大类，所需的材料分为粉末材料和丝材材料。送丝式电弧增材制造和送粉式的激光增材制造由于在快速成形大尺寸一体化复杂构件方面具有极大的优势，已经受到工业界和科研院所的高度关注。

相较于粉材，基于丝材的电弧增材制造具有材料利用率高和沉积速率高，设备成本低等特点，在成形大尺寸零件方面具有效率更高，成本更低等突出优势。CMT电弧更是避免了传统电弧熔滴穿透，飞溅多等缺点。然而电弧增材的零件表面质量较差，必须进行机加工，而且在成形Mo，W，金属基复合材料等材料时存在困难。而激光送粉产生的零件通常内部缺陷少，表面精度高，但是不利于Cu，Mg等低激光吸收率的材料成形。可见，送丝式电弧增材制造和送粉式的激光增材制造在成形金属材料时仍然面临诸多挑战。在复杂形状零件成形和高表面质量零件成形方面不具优势，成形材料的选择范围有限，无法适应多种组合材料成形，目前没有能够有效实现送丝和送粉同时进行的打印喷头结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头及增材制造装置，以克服现有CMT电弧-激光无法同时成形且成形材料选择范围有限的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头，包括内腔导流装置、焊丝驱动装置和光镜结构；

内腔导流装置包括送丝通道管和送粉通道管，送丝通道管嵌套于送粉通道管内，送丝通道管与送粉通道管同轴设置，送丝通道管为中通结构，送丝通道管上端为送丝入口，送丝通道管下端为送丝出口，送粉通道管为双层管壁，送粉通道管的双层管壁之间为送粉通道，送粉通道管侧壁设有连通送粉通道内的送粉入口，送粉通道管下端设有送粉出口，送丝通道管的送丝出口和送粉通道管的送粉出口平齐；

焊丝驱动装置固定于送丝通道管上端，焊丝驱动装置的送丝出口与送丝通道管上端的送丝入口对齐，光镜结构用于将激光束聚焦于送丝出口和送粉出口轴线上。

进一步的，光镜结构包括分光镜和反光镜，分光镜固定于焊丝驱动装置上端，反光镜设置于分光镜四周，分光镜将激光束分散至分光镜四周的反光镜上，分散后的激光束经反光镜聚焦于送粉出口或送丝出口下端。

进一步的，还包括喷头保护套筒，光镜结构通过光镜支架固定于喷头保护套筒上端，分光镜固定于光镜支架中间，分光镜将竖直的入射激光束分散为水平激光束，分光镜固定于分光镜四周，多个分光镜将水平激光束汇聚于送粉出口下端，焊丝驱动装置固定于光镜支架下端，焊丝驱动装置位于分光镜下端，内腔导流装置固定于焊丝驱动装置下端。

进一步的，送丝通道管和送粉通道管两端分别通过连接法兰和连接喷嘴连接。

进一步的，连接法兰中间设有螺纹通孔，连接法兰下端螺纹通孔外侧设有连接螺纹，送丝通道管与连接法兰的螺纹通孔连接，送粉通道管上端与连接法兰下端通过螺纹连接。

进一步的，连接喷嘴中间设有焊丝出口，连接喷嘴上端设有与送粉通道管下端外侧螺纹连接的内螺纹，连接喷嘴上设有粉末出口。

进一步的，送粉通道管外侧设有冷却管，冷却管侧壁开设有冷却液入口和冷却液出口。

进一步的，冷却管外侧套设有保护气体通道，保护气体通道的侧壁开设有保护气体入口(821)，保护气体通道下端设有保护气体出口，保护气体出口高于送丝出口。

进一步的，分光镜至少具有两个分光镜面，反光镜形状为圆形，绕喷头中轴线旋转对称，反光镜镜面与朝向光镜分镜面。

一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头的增材制造装置，包括机器人、计算机以及与计算机连接的运动控制系统、激光器、CMT电弧焊机、送粉系统和气氛控制系统，复合喷头固定于机器人机器臂上，激光器固定于复合喷头上端，激光器的激光束能够进入复合喷头的分光镜上，CMT电弧焊机为系统提供焊接电弧，送粉系统的出粉口与送粉入口连通，气氛控制系统的气体出口与保护气体入口连通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头，利用同轴嵌套设置的送丝通道管和送粉通道管形成同轴输送丝材和粉末的打印结构，能够使焊丝和粉末沿同轴线输出，在送丝通道管和送粉通道管上端设置焊丝驱动装置和光镜结构，利用光镜结构形成激光束聚焦的光斑与送丝通道管和送粉通道管出口的焊丝和粉末束流同轴，从而达到同时送丝和送粉同时对同轴上的焊丝和粉末进行熔融成形的目的，成形颗粒增强金属基复合材料，可以成形任意材料成形，将电弧增材低成本、高效率的优势和激光增材的高精度的优势相结合，结构简单，使用方便。

进一步的，光镜结构包括分光镜和反光镜，分光镜固定于焊丝驱动装置上端，反光镜设置于分光镜四周，分光镜将激光束分散至分光镜四周的反光镜上，分散后的激光束经反光镜聚焦于送粉出口或送丝出口下端，利用分光镜和反光镜结构，使激光束从喷头上端进入，下端输出，从而减小了喷头结构体积。

进一步的，利用喷头保护套筒结构为内腔导流装置、焊丝驱动装置和光镜结构提供保护腔体，避免外部环境干扰。

进一步的，送丝通道管和送粉通道管两端分别通过连接法兰和连接喷嘴连接，连接结构简单，便于维修更换。

进一步的，送粉通道管外侧设有冷却管，冷却管侧壁开设有冷却液入口和冷却液出口，能够有效防止送丝通道管和送粉通道管过热造成材料粘结。

进一步的，冷却管外侧套设有保护气体通道，保护气体通道的侧壁开设有保护气体入口，保护气体通道下端设有保护气体出口，保护气体出口高于送丝出口，利用嵌套型结构的冷却管，能够使保护气体从保护气体通道流出后形成保护墙，成为焊丝和粉末焊接氛围，避免了整体装置需要进入惰性气体环境，提高了打印喷头适用性。

一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头的增材制造装置，利用激光器和CMT电弧焊机组成电弧-激光同轴送丝送粉系统，利用同轴送丝送粉打印喷头实现同轴送丝送粉，从而成形颗粒增强金属基复合材料，可以成形任意材料成形；将电弧增材低成本、高效率的优势和激光增材的高精度的优势相结合，本装置可以快速成形具有高表面质量的复杂零件，制造成本低，制造效率高，也可以对丝材或粉材单独进行成形打印，适用范围广。

附图说明

图1是本发明整体示意图。

图2是本发明复合喷头结构示意图。

图3是本发明内腔导流装置中的连接喷嘴结构。

图中：1、计算机；2、运动控制系统；3、激光器；4、CMT电弧焊机；5、送粉系统；6、气氛控制系统；7、机器人；8、复合喷头；80、焊丝出口；81、喷头保护套筒；82、内腔导流装置；821、保护气体入口；822、保护气体出口；823、冷却液体入口；824、冷却液体出口；825、送粉入口；826、连接结构；827、连接喷嘴；828、送丝通道管；829、送粉通道管；83、焊丝驱动装置；84、光镜结构；841、分光镜；842、反光镜。

具体实施方式

下面结合附图1-3以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

一种电弧激光同轴送丝送粉打印喷头，包括内腔导流装置82、焊丝驱动装置83和光镜结构84；

内腔导流装置82包括送丝通道管828和送粉通道管829，送丝通道管828嵌套于送粉通道管829内，送丝通道管828与送粉通道管829同轴设置，送丝通道管828为中通结构，送丝通道管828上端为送丝入口，送丝通道管828下端为送丝出口，送粉通道管829为双层管壁，送粉通道管829的双层管壁之间为送粉通道，送粉通道管829侧壁设有连通送粉通道内的送粉入口825，送粉通道管829下端设有送粉出口，送丝通道管828的送丝出口和送粉通道管829的送粉出口平齐；

焊丝驱动装置83固定于送丝通道管828上端，为送丝通道管828内提供焊丝；

光镜结构84包括分光镜841和反光镜842，分光镜841固定于焊丝驱动装置83上端，反光镜842设置于分光镜841四周，分光镜841将激光束分散至分光镜841四周的反光镜842上，分散后的激光束经反光镜842汇聚于送粉出口或送丝出口下端；

还包括喷头保护套筒81，光镜结构84通过光镜支架固定于喷头保护套筒81上端，分光镜841固定于光镜支架中间，分光镜841将竖直的入射激光束分散为水平激光束，分光镜841固定于分光镜841四周，多个分光镜841将水平激光束汇聚于送粉出口下端，焊丝驱动装置83固定于光镜支架下端，焊丝驱动装置83位于分光镜841下端，内腔导流装置82固定于焊丝驱动装置83下端。

送丝通道管828和送粉通道管829两端分别通过连接法兰826和连接喷嘴827连接，连接法兰826中间设有螺纹通孔，连接法兰826下端螺纹通孔外侧设有连接螺纹，送丝通道管828与连接法兰826的螺纹通孔连接，送粉通道管829上端与连接法兰826下端通过螺纹连接；连接喷嘴827中间设有焊丝出口80，连接喷嘴827上端设有与送粉通道管829下端外侧螺纹连接的内螺纹，连接喷嘴827上设有粉末出口。

送粉通道管829外侧设有冷却管，冷却管侧壁开设有冷却液入口823和冷却液出口824，用于冷却管送粉通道和送丝通道冷却，防止过热；

冷却管外侧套设有保护气体通道，保护气体通道的侧壁开设有保护气体入口821，保护气体通道下端设有保护气体出口，保护气体出口高于送丝出口，保护气体从保护气体通道流出后形成保护墙，成为焊丝和粉末焊接氛围。

焊丝驱动装置83包括驱动电机以及与驱动电机输出轴连接的送丝辊，送丝辊出丝口与送丝通道管828上端的送丝入口对齐。

喷头保护套筒内81的分光镜841下端有部分无光区，即分光镜841四周的反光镜最内侧反光线之间区域；内腔导流装置82和焊丝驱动装置83位于喷头保护套筒内81内的无光区内；送丝通道管828中间为送丝通道，送丝通道居中，被平行的送粉通道包围，两个通道同轴线。

分光镜841至少具有两个分光镜面，反光镜842形状为圆形，绕喷头中轴线旋转对称，反光镜镜面与朝向光镜分镜面，可以接收水平面任意方向的激光。焊丝驱动装置83内的电机为步进电机，可以正转和反转，与CMT焊机协同作用。光镜结构84入光口位于上端面中心位置，出光口位于下端面，激光经出光口聚焦的光斑与粉末束流和焊丝同轴线。

内腔导流装置82和喷头保护套筒81的材料采用镍基、钴基高温材料、紫铜或耐高温陶瓷材料。

基于上述复合喷头的增材制造装置，包括运动控制系统2、激光器3、CMT电弧焊机4、送粉系统5、气氛控制系统6和机器人7，复合喷头8固定于机器人7机器臂上，实现复合喷头的移动，激光器3固定于复合喷头8上端，激光器3的激光束能够进入复合喷头8的分光镜841上，CMT电弧焊机4为系统提供焊接电弧，送粉系统5的出粉口与送粉入口825连通，气氛控制系统6的气体出口与保护气体入口821连通，运动控制系统2、激光器3、CMT电弧焊机4、送粉系统5和气氛控制系统6均连接于计算机1。

使用过程中，将复合喷头固定于机器人7机器臂上，实现复合喷头的移动，将激光器3固定于复合喷头8上使激光束能够进入复合喷头8的分光镜841上，将送粉系统5的出粉口与送粉入口825连通，将气氛控制系统6的气体出口与保护气体入口821连通，通过焊丝驱动装置83将焊丝送入送丝通道管828，同时通过送粉系统5将成形粉末送入送粉通道管829，待送丝通道管828的送丝出口和送粉通道管829的送粉出口同时出料时，同时开启CMT电弧焊机4和激光器3，通过电弧沉积和激光同时成形，从而完成电弧-激光同轴成形，出丝口/喷粉口与成型表面的距离5-30mm；本装置结构简单，可以单独打印丝材或粉材，也可以同时是丝材和粉材，从而成形颗粒增强金属基复合材料，可以成形任意材料成形；将电弧增材低成本、高效率的优势和激光增材的高精度的优势相结合，本装置可以快速成形具有高表面质量的复杂零件，制造成本低，制造效率高，制造的质量更好。