一种多丝激光熔丝沉积头的制作方法

1.本实用新型涉及激光增材制造领域，尤其涉及一种多丝激光熔丝沉积装置。


背景技术：

2.激光增材制造技术是一项集计算机、数控、材料、激光等于一体的新型先进制造技术，该技术运用“离散-堆积”的增材制造原理，创形与创性并行，通过高能激光束将材料进行逐行逐层叠加，直至制造出完整的三维实体零件。随着激光先进增材制造技术的发展，不仅有效而精准地将设计思想转变为实体，更提供了一种高效率低成本的实现手段。
3.当前，激光增材制造技术广泛应用于航空航天、汽车、电力、航空、冶金、石油及航海等行业；国内外科研机构和企业院所关于激光熔覆送粉沉积工艺和激光熔丝沉积工艺的研究和应用基本上处于并行关系，在激光熔覆送粉沉积工艺和激光熔丝沉积工艺的开发和应用上各有侧重独立发展。
4.其中，激光熔丝沉积方法是以高能激光束为能量源,以金属丝材为原材料,在基板上层层叠加沉积金属材料的成型技术，现有技术cn105499791a公开了一种分束激光聚焦同轴熔丝激光头和激光同轴熔丝成形设备，其通过设置分束透镜将一束激光分为多束，在多束激光之间形成一个无激光区域，从而可以利用导丝管将金属丝材的同轴送入，进而解决了侧向送丝沉积熔道各向异性的技术问题，然而，该技术为单丝沉积技术，其沉积效率相对较低；现有技术cn218311544u公开了一种激光焊接单摆双送丝焊接头，其通过双丝送丝结构有效提高了沉积效率，但是由于双丝送丝机旁置于手持单摆焊接头的一侧，其存在沉积熔道各向异性的技术问题，严重影响增材制造的效率以及质量，基于此，如何提供一种能够改善甚至避免沉积熔道各向异性且沉积效率更高的多丝激光熔丝沉积装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种多丝激光熔丝沉积头，通过对多丝送丝头以及调节机构进行改进，提供一种能够改善甚至避免沉积熔道各向异性且沉积效率更高的多丝激光熔丝沉积装置。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种多丝激光熔丝沉积头，包括依次同轴连接的氩气保护座、轴向调节机构和多丝送丝头，所述多丝送丝头沿其轴向方向设置有用于激光通过的中心通孔，所述中心通孔的周围均布有若干送丝通道，所述送丝通道至少设有3条，且其延长线交汇于一点，所述氩气保护座的一端固定于激光摆动焊接头的保护镜片下方，所述轴向调节机构包括第一管件和沿所述第一管件轴向移动的第二管件，所述氩气保护座的另一端与所述第一管件的一端连接，所述第一管件的另一端套设于所述第二管件一端的内部，所述第一管件和所述第二管件通过锁紧结构连接，所述第二管件的另一端与所述多丝送丝头相连。
7.优选地，所述送丝通道设置有4个。
8.优选地，所述氩气保护座的侧壁上设置有进气口。
9.优选地，所述第一管件与所述第二管件之间设置有径向密封圈。
10.优选地，所述第一管件和所述第二管件上设置有相互匹配的螺纹，所述第一管件和所述第二管件通过螺纹结构锁紧。
11.优选地，所述第二管件的侧壁上设置有锁紧螺钉，所述第一管件和所述第二管件之间通过螺钉结构锁紧。
12.优选地，所述送丝通道沿送丝方向依次包括粗径段、过渡段和细径段，所述细径段的直径与焊丝直径相匹配。
13.优选地，所述送丝通道的内部可拆卸连接有快速接头、送丝嘴，所述不同规格型号的焊丝直接通过快速接头插入送丝嘴，所述送丝嘴的出丝端的内径与焊丝直径相匹配。
14.优选地，所述快速接头和所述送丝通道螺纹连接，所述送丝嘴和所述送丝通道螺纹连接。
15.优选地，所述送丝通道相对于光束轴向位置的夹角角度为40
°‑
80
°
。
16.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.1、本实用新型中的多丝激光熔丝沉积头包括依次同轴连接的氩气保护座、轴向调节机构和多丝送丝头，其中，多丝送丝头沿其轴向方向设置有用于激光通过的中心通孔，中心通孔的周围均布有若干倾斜设置的送丝通道，焊丝穿过送丝通道，并在送丝通道的导向限位作用下交汇于一点，多条送丝通道同步或顺序出丝，使其具有更强的增材制造能力与焊缝填充能力，进而可有效提高沉积或者焊接效率。
18.此外，氩气保护座的一端固定于激光摆动焊接头的保护镜片下方，轴向调节机构包括第一管件和沿第一管件轴向移动的第二管件，氩气保护座的另一端与第一管件的一端连接，第一管件的另一端套设于第二管件一端的内部，第一管件和第二管件通过锁紧结构连接，第二管件的另一端与多丝送丝头相连，作业过程中，通过使第二管件相较于第一管件沿轴向移动，来调节多丝送丝头与激光摆动头之间的距离，进而调整多丝交点与激光焦点的相对位置，需要指出的是：在第一管件的限位作用下，无论第二管件如何调整，其轴向位置始终不变，使得多丝交点始终沿第一管件的轴向方向移动，进而保证上述调整过程中，激光光斑的中心位置始终与多丝交点的中心位置重合，如此，可通过上述调节使得多条焊丝均匀分布于激光光斑的四周，且激光束与多条焊丝相接触，沉积过程中，多条焊丝从不同的方向以相同的角度延伸至激光光束，进而改善甚至避免了单侧送丝时由于送丝方向导致的沉积熔道各向异性的问题。
19.2、本实用新型中的焊丝的送丝角度只受送丝通道的倾斜角度的影响，因此，第二管件相对与第一管件移动过程中不会对焊丝的送丝角度产生任何影响，进而实现了对多丝交点与激光焦点的相对位置的独立调整，使得作业过程中，多丝交点与激光焦点的相对位置以及送丝角度均能够处于最佳状态，以保证激光增材制造与焊接效率及质量。
20.3、本实用新型中的4条送丝通道内部可分别通入不同成分的焊丝，进而可根据实际需要调控沉积体的化学成分和组织性能。
21.4、本实用新型中的送丝通道内可拆卸设置有快速接头与送丝嘴，一方面，受作业环境影响，送丝嘴在工作过程中容易损耗，本实用新型将送丝嘴可拆卸的设置于送丝通道内，便于送丝嘴的维护保养；另一方面，作业过程中，根据不同的工艺参数选择需要选用不
同规格的焊丝，本实用新型将送丝嘴可拆卸的设置于送丝通道内，方便拆卸更换不同规格的送丝嘴。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为一种多丝激光熔丝沉积头的结构示意图；
24.图2为一种实施例下的轴向调节机构的结构示意图；
25.图3为一种实施例下多丝送丝头的剖视图；
26.其中，1、激光摆动焊接头，2、氩气保护座，2-1、进气口，3、轴向调节机构，3-1、第一管件，3-2、第二管件，3-3、径向密封圈，3-4、锁紧螺钉，4、多丝送丝头，4-1、中心通孔，4-2、送丝通道，4-3、送丝嘴，4-4、快速接头，5、焊丝。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
29.实施例1：
30.如图1至图3展示了本实施例中的多丝激光熔丝沉积头，从图中可以看出，本实施例中的多丝焊接装置包括激光摆动焊接头1、氩气保护座2、轴向调节机构3和多丝送丝头4，其中，氩气保护座2的一端固定安装在激光摆动焊接头1的保护镜片下方，氩气保护座2的侧壁上设置有进气口2-1，该进气口2-1与送气装置相连通，焊接过程中，送气装置将保护气通过进气口2-1送至氩气保护座2的内部，由于其位于保护镜片的下方，其能够对保护镜片起到有效的冷却降温作用，避免保护镜片因高温而损坏；且在氩气保护座2侧壁以及保护镜片的制约下，进入氩气保护座2的保护气会朝向远离保护镜片的方向流动，进而可避免增材制造与焊接过程中产生的飞溅落至保护镜片上，对其造成损伤。
31.氩气保护座2的另一端与轴向调节机构3连接，本实施例中，氩气保护座2与轴向调节机构3通过螺纹结构实现可拆卸连接，具体的，氩气保护座2的侧壁内部设置有内螺纹，轴向调节机构3与氩气保护座2相连的一端设置有与内螺纹相匹配的外螺纹；需要指出的是：上述连接方式并不是氩气保护座2与轴向调节机构3的唯一连接方式，还可以采用卡接等其他连接结构，只要能够将两者相连即可。
32.如图2所示，轴向调节机构3包括第一管件3-1和第二管件3-2，其中，第二管件3-2的一端与多丝送丝头4螺纹连接，第一管件3-1的一端套设于第二管件3-2另一端的内部，且第一管件3-1和第二管件3-2之间设置有两个径向密封圈3-3，以避免保护气从第一管件3-1
和第二管件3-2之间的缝隙流出，造成保护气的浪费，同时也可以避免外界气体从第一管件3-1和第二管件3-2之间的缝隙流入轴向调节机构3内部，随保护气一同作用于熔池保护熔丝沉积质量；此外，本实施例中第一管件3-1和第二管件3-2的相对位置依靠螺钉锁紧结构进行固定，具体的，如图2所示，本实施例中第二管件3-2靠近第一管件3-1一端的侧壁上设置有开设有螺钉孔，锁紧螺钉3-4穿过螺钉孔并抵接于第一管件3-1的侧壁上，需要指出的是，为保证第一管件3-1和第二管件3-2的同轴度，上述螺钉锁紧结构可设置有多个，环绕均布于第二管件3-2的侧壁上，且多个螺钉锁紧结构处于同一水平面，如此，利用螺钉锁紧结构对第二管件3-2的相对位置进行固定时，只需要保证多个锁紧螺钉3-4的旋入程度保持一致，便能够保证第一管件3-1和第二管件3-2的同轴度。第一管件3-1的另一端与氩气保护座2螺纹连接。
33.如图3所示，多丝送丝头4的中心位置沿轴线方向设置有中心通孔4-1，用于作为激光和保护气的通道，中心通孔4-1的周围周向均匀布置有若干送丝通道4-2，本实施例中具体设置了四条送丝通道4-2；送丝通道4-2的延长线交汇于一点，也即本实施例中的送丝通道4-2是倾斜设置的，其倾斜角度为40
°‑
80
°
，具体的可根据送丝角度的需求进行具体设置，也即本实施例通过倾斜设置的送丝通道4-2对送丝角度进行限定。
34.作业过程中，可通过调节第二管件3-2的旋入量来调整多丝送丝头4至激光摆动焊接头1的距离；此时，多条焊丝5的交点将随第二管件3-2的调节方向移动，进而可实现对多丝交点与激光焦点的相对位置的调整，且上述调整过程中不会对焊丝5的送丝角度产生任何影响，通过对多丝交点与激光焦点的相对位置进行独立调整，使多丝交点与激光焦点的相对位置以及送丝角度均处于最佳状态，进而能够保证多丝同轴送丝方向效果，避免沉积方向性影响增材效果。
35.需要指出的是，本实施例中的送丝通道4-2沿送丝方向依次包括粗径段、过渡段和细径段，其中，细径段的直径与焊丝5直径相匹配，以实现对焊丝5的导向限位，而粗径段和过渡段的设计，则能够显著降低焊丝5穿过送丝通道4-2的难度，进而有效降低工作准备时间。
36.本实施例中的多丝激光熔丝沉积头的基本工作原理为：
37.首先，对激光摆动焊接头1的摆动幅度、摆动频率及摆动模式等进行设定，需要指出的是：激光摆动焊接头1的摆动模式可以为直线形、顺时针/逆时针环字形、8字形、∞字形等模式；其次，根据待工件的成分选择焊丝5，并对激光器的功率、焊接速度、离焦量以及保护气流量等参数进行设定，激光器参数设定完成后，给定送丝机同步出丝信号，四个送丝机可单独沿顺时针或逆时针交替出丝，也可同步出丝；具体的，激光光束通过激光摆动焊接头1后辐射焊丝5与工件表面，使其熔化，在工件表面形成熔池，熔池随着光束的移动向前移动，焊丝5熔化堆叠在焊件表面，以此完成增材制造。
38.与传统单丝激光增材制造相比，采用本实施例中的多丝激光熔丝沉积头进行增材制造能够有效克服增材制造过程中工序复杂、多道重复焊接等问题；此外，本实施例中的多丝熔丝沉积装置结构简单、轻便化，其具有更强的增材制造能力与焊缝填充能力，相较于激光诱导电弧震荡的多丝焊接装置，采用本实用新型中的多丝激光熔丝沉积头，一方面避免了激光与电弧之间复杂配合的作用关系，另一方面提高了增材过程中的稳定性，减少了内部缺陷，显著提升增材效率。
39.实施例2：
40.与实施例1不同的是，本实施例中第一管件3-1与第二管件3-2之间通过螺纹连接，具体的，第一管件3-1靠近第二管件3-2的一端设置有外螺纹，第二管件3-2上设置有与内螺纹相匹配的内螺纹。
41.实施例3：
42.与实施例1和实施例2不同的是，如图3所示，本实施例中的送丝通道4-2内部可拆卸设置有快速接头4-4、送丝嘴4-3，快速接头4-4使不同规格、型号的焊丝可直接通过快速接头插入送丝嘴，且拆卸方便；需要指出的是：一方面，受作业环境影响，送丝嘴4-3在工作过程中容易损耗，本实施例将送丝嘴4-3可拆卸的设置于送丝通道4-2内，便于送丝嘴4-3的维护保养；另一方面，作业过程中，根据不同的工艺参数选择需要选用不同规格的焊丝5，本实施例将快速接头4-4可拆卸的设置于送丝通道4-2内，方便拆卸更换不同规格的送丝嘴4-3与焊丝5。
43.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

技术特征：
1.一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，包括依次同轴连接的氩气保护座、轴向调节机构和多丝送丝头，所述多丝送丝头沿其轴向方向设置有用于激光通过的中心通孔，所述中心通孔的周围均布有若干送丝通道，所述送丝通道至少设有3条，且其延长线交汇于一点，所述氩气保护座的一端固定于激光摆动焊接头的保护镜片下方，所述轴向调节机构包括第一管件和沿所述第一管件轴向移动的第二管件，所述氩气保护座的另一端与所述第一管件的一端连接，所述第一管件的另一端套设于所述第二管件一端的内部，所述第一管件和所述第二管件通过锁紧结构连接，所述第二管件的另一端与所述多丝送丝头相连。2.根据权利要求1所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述送丝通道设置有4条。3.根据权利要求2所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述氩气保护座的侧壁上设置有进气口。4.根据权利要求3所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述第一管件与所述第二管件之间设置有径向密封圈。5.根据权利要求4所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述第一管件和所述第二管件上设置有相互匹配的螺纹，所述第一管件和所述第二管件通过螺纹结构锁紧。6.根据权利要求4所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述第二管件的侧壁上设置有锁紧螺钉，所述第一管件和所述第二管件之间通过螺钉结构锁紧。7.根据权利要求1所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述送丝通道沿送丝方向依次包括粗径段、过渡段和细径段，所述细径段的直径与焊丝直径相匹配。8.根据权利要求1所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述送丝通道的内部可拆卸连接有快速接头和送丝嘴，不同规格型号的焊丝直接通过快速接头插入送丝嘴，所述送丝嘴的出丝端的内径与焊丝直径相匹配。9.根据权利要求8所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述快速接头和所述送丝通道螺纹连接，所述送丝嘴和所述送丝通道螺纹连接。10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种多丝激光熔丝沉积头，其特征在于，所述送丝通道相对于光束轴向位置的夹角角度为40
°‑
80
°
。

技术总结
本实用新型公开了一种多丝激光熔丝沉积头，其涉及激光增材制造领域，包括依次同轴连接的氩气保护座、轴向调节机构和多丝送丝头，多丝送丝头的中心通孔周围均布有至少3条送丝通道，送丝通道的延长线交汇于一点，多丝沉积技术的应用有效提高了激光沉积效率，此外，轴向调节机构包括第一管件和沿第一管件轴向移动的第二管件，氩气保护座与第一管件的一端连接，第一管件的另一端套设于第二管件一端的内部，两者通过锁紧结构连接，第二管件的另一端与多丝送丝头相连，通过轴向移动第二管件，对多丝交点和激光焦点相对位置进行调节，使得多条焊丝均匀分布于激光光斑的四周，且激光束与多条焊丝相接触，进而有效改善甚至避免了沉积熔道的各向异性。熔道的各向异性。熔道的各向异性。


技术研发人员：吴世凯 张松 谭继镔 赵丽楠
受保护的技术使用者：北京金炬科技有限公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/20