用于激光金属线材沉积机器的带冷却回路的线材分配器、对
应的激光金属线材沉积机器、用这种线材分配器在工件上执
行激光金属线材沉积的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种线材分配器，其特别地但不排他地适用于在
激光金属沉积机器中使用，并且涉及线材分配器的冷却。
背景技术
[0002] 激光金属线材沉积(LMDw)在例如航空航天工业中使用，并且是
增材制造(AM)的一种形式。作为其用途的一个示例，LMDw可以用于在燃气
涡轮发动机的
风扇壳体安装环上沿着圆周沉积线形成凸缘。
[0003] 图1A至图1C中示出了LMDw的已知用途的这样一个示例。
[0004] 图1A示出了制造单元1的
机器人11，制造单元1用于在呈风扇壳体安装环14(参见图1B)形式的工件上执行LMDw。机器人11具有臂12，臂12承载头部13。头部13包括激光单元2和线材分配器3，激光单元2发射
激光束，线材分配器3以臂的方式
定位在激光单元2一侧处并分配线材。激光束和线材在风扇壳体安装环14上的激光金属线材沉积
位置处相遇。
[0005] 风扇壳体安装环14以可旋转的方式被
支撑在转台15上，转台15如图1B中所示，并且转台15将风扇壳体安装环14旋转，以相对于风扇壳体安装环14移动激光金属线材沉积位置16，从而围绕风扇壳体安装环14沉积圆周层或熔珠141(参见图1C)。然后，一层接一层地(一个熔珠接一个熔珠地)构建凸缘，并且在所有层(熔珠)都沉积之后，凸缘可以被机加工以赋予凸缘其最终形状。
[0006] 图2是在激光金属线材沉积位置16处的工具配置的图解表示。激光单元2朝向LMDw位置16发射激光束21，并且线材分配器3朝向LMDw位置16进给线材4。激光束的功率约为6kW。
[0007] 在LMDw位置16处，激光束21
熔化线材4，并且新层142被铺设在
基板143上(例如，在风扇壳体安装环14上，或者在已经沉积在风扇壳体安装环14上的层141上)。新层142的这种形成是增层制造的一种形式，并且在风扇壳体安装环14的情况下，用于形成或构建凸缘。
[0008] 控制单元(未示出)响应于诸如期望的层高度和期望的工具(激光单元)偏移这样的输入以及当基板143在方向1431上移动时基板143的表面的测量高度来控制激光单元2的位置和线材分配器3的线材进给。
[0009] 线材分配器3包括在线材分配器3的前端或远端处的
喷嘴5，并且线材4从喷嘴5的前端或前尖端向外进给。喷嘴5靠近LMDw位置16，并且在沉积过程期间(当新层142被铺设时)，喷嘴5暴露于高温(例如来自LMDw位置16的
辐射热)和激光束21的反射。
[0010] 因此，喷嘴5的尖端可能开始熔化，并且喷嘴5的金属材料(例如
铜)可能污染新层142，新层142例如可以是
钛层。
[0011] 出于制造效率的原因，期望增层
制造过程(新层142的沉积过程)是连续的并且没有中断。然而，当喷嘴5的尖端开始熔化时，必须中断制造过程，并且必须用新的喷嘴替换喷嘴5。在连续过程中的这些中断导致较低的(较慢的)沉积速率(以千克/小时为单位测量)并且引发提供新喷嘴的成本形式的支出。
[0012] 喷嘴5的尖端的熔化意味着例如在铺设最多6道熔珠(层)之后，就需要更换喷嘴，这对应于30分钟以下的操作时间。沉积过程通常在封闭的氩气环境中进行(在腔室或帐篷中)。因此，为了更换喷嘴，必须打开腔室或帐篷，更换喷嘴，并用氩气重新填充腔室或帐篷，以便随后的沉积过程达到所需的纯度
水平。总的来说，更换喷嘴所花费的时间为约5到10分钟。
[0013] 为了使喷嘴持续更长的时间，可以通过减小激光束的功率来降低沉积速率，从而延迟喷嘴显著熔化的开始。然而，这降低了制造过程的生产率，因为在工件上沉积特定量的材料需要更长的时间。
[0014] 通过减小激光功率来降低沉积速率与当前的商业趋势相反，当前的商业趋势是通过例如增加激光功率来努
力增加沉积速率以提高制造效率(生产率)。
[0015] 期望改进激光金属线材沉积过程。
发明内容
[0016] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器，该线材分配器包括：
导管，其用于将线材从导管的近端引导到远端；以及喷嘴单元，其连接到导管的远端，并且具有通孔，该通孔用于从导管的远端接
收线材，并且用于将线材在激光金属线材沉积位置附近排出；其中喷嘴单元包括用于
冷却液体的冷却回路。
[0017] 通过提供喷嘴单元的冷却，可以延迟或防止喷嘴单元的显著熔化的开始，并且因此可以通过减少或消除与更换喷嘴单元相关联的停机时间(中断)来提高制造效率。还节省了必须提供替换喷嘴单元或其零件的成本。
[0018] 在使用本发明的
实施例的制造单元中，沉积过程已经运行超过10小时，而不必更换喷嘴单元，相比之下，先前在需要更换喷嘴之前所经历的典型时间段为30分钟。可以设想的是，使用本发明的制造单元可以通过增加激光功率(例如从6kW到12kW)来实现更快的沉积速率。
[0019] 在一些实施例中，喷嘴单元包括金属前
块和后冷却部，该金属前块横向定位在喷嘴单元的通孔的前部，该后冷却部横向定位在喷嘴单元的通孔的后部并且在前块后方；喷嘴单元的后冷却部包含冷却回路。
[0020] 金属块可以被视为充当
散热器，其吸收从LMDw位置辐射的热量和从LMDw位置反射的激光。金属可以给该块足够的热
质量，然后由金属块吸收的
热能被后冷却部的冷却功能带走。
[0021] 后冷却部和金属前块可以包括单个(整体)金属块。
[0022] 后冷却部可以包含腔室，该腔室形成冷却回路的前部。冷却剂入口管可以连接到腔室的前端。冷却剂出口管可以连接到腔室的后端。
[0023] 在一些实施例中(例如当激光束具有约6kW的功率时)，冷却液体(例如水)的流率为0.15至0.35立方米/小时或0.2至0.3立方米/小时。当激光束具有更高的功率时，流率可以对应地增大。
[0024] 金属块可以具有
抛光表面，以帮助反射掉散射的激光。
[0025] 在一些实施例中，喷嘴单元是可更换的类型，其能够从导管的远端移除。
[0026] 在一些实施例中，金属前块和后冷却部在金属喷嘴周围形成套筒状装置，该金属喷嘴包含用于线材的通孔。
[0027] 这提供了一种改装现有设备的便利方式。现有喷嘴可以具有与现有喷嘴匹配的产生的套筒状装置(金属前块和后冷却部)。此外，喷嘴(如果磨损)可以被更换，而不必更换套筒状冷却装置，反之亦然。
[0028] 套筒状装置可以可滑动地配合到金属喷嘴上。套筒状装置可以摩擦地夹持金属喷嘴。
[0029] 在一些实施例中，后冷却部具有与金属喷嘴
接触的圆周线。
[0030] 例如，喷嘴的外径可以套筒状装置的内径大致匹配(可以相同)。
[0031] 从喷嘴到套筒状冷却装置的大的热路径(围绕整个圆周)增加了保持喷嘴冷却的有效性。
[0032] 在一些实施例中，金属前块的金属的体积大于金属喷嘴的坐置在金属前块内的部分的金属的体积。
[0033] 这有助于使金属前块充当
散热器，从而避免喷嘴发热，并且因此有助于防止喷嘴本身发生不期望的熔化。
[0034] 在一些实施例中，喷嘴是可更换的类型，其能够从导管的远端移除。
[0035] 在一些实施例中，套筒状装置具有从后冷却部的后面延伸到前块的前面的套筒孔，并且喷嘴坐置在套筒孔中。
[0036] 喷嘴可能堵塞套筒孔。这是可接受的，因为不需要沿着套筒孔的整个长度的纵向通道来为喷嘴尖端供应气体。堵塞套筒孔的喷嘴有助于确保用于将喷嘴冷却的大的热路径。
[0037] 对于一系列不同外径的现有喷嘴，可以生产一系列套筒状装置，其套筒孔的内径与喷嘴的外径相匹配。
[0038] 在一些实施例中，喷嘴在套筒孔中的纵向位置使得喷嘴的前尖端在前块的前面的±5mm(更优选地，+1mm或-5mm)的范围内。当决定喷嘴的尖端应该相对于前块的前面突出或凹进到什么程度时，可能希望使其齐平或仅稍微凹进。
[0039] 在一些实施例中，喷嘴单元的冷却回路在喷嘴单元的后面处具有入口和出口，并且冷却剂液体入口管连接到该入口，并且冷却剂液体出口管连接到该出口。
[0040] 通过如此定位入口管和出口管，可以保护它们以免暴露于来自LMDw位置的热量。
[0041] 入口管和出口管可以钎焊到喷嘴单元的入口和出口，以防止冷却剂液体
泄漏。入口管和出口管可以各自具有3mm至6mm、或3mm至5mm或4mm的内径。外径通常可以比内径大2mm。
[0042] 在一些实施例中，喷嘴单元的冷却回路被配置成具有10℃至40℃、或10℃至30℃、或15℃至25℃、或18℃至22℃、或20℃的冷却液体的入口
温度。
[0043] 在一些实施例中，具有冷却回路的冷却夹套定位在导管周围。这种向后的冷却夹套(远离邻近LMDw位置的向前的线材排出点)可以被配置成使得冷却夹套的冷却回路连接到喷嘴单元的冷却回路。因此，可以降低成本，因为只需要提供在两个不同位置处(一个向后和一个向前)操作的一个整体冷却回路。
[0044] 根据本发明的第二方面，提供了一种激光金属线材沉积机器，其包括限定激光束轴线的激光单元和根据本发明的第一方面的线材分配器，其中线材分配器的喷嘴单元的通孔限定线材分配轴线，并且激光束轴线和线材分配轴线在激光金属线材沉积位置处相遇。
[0045] 在一些实施例中，线材分配器被提供为附接到激光单元一侧的臂的一部分。
[0046] 在一些实施例中，气体腔室包含激光单元、线材分配器和用于支撑工件的夹具。
[0047] 例如，夹具可以是转台，用于以可旋转的方式支撑工件(诸如筒形工件)。
[0048] 在一些实施例中，激光单元被布置成沿着激光束轴线发射具有4kW、5kW或6kW至12kW、16kW或20kW的功率的激光束。
[0049] 根据本发明的第三方面，提供了一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器，该线材分配器包括：导管，其用于将线材从导管的近端引导到远端；金属喷嘴，其连接到导管的远端，并且具有通孔，该通孔用于从导管的远端接收线材，并且用于将线材在激光金属线材沉积位置附近排出；和套筒形式的热控制装置，其配合在喷嘴周围；其中热控制装置包括用于冷却液体的冷却回路。
[0050] 这种构造反映了冷却的概念如何可以应用在制造单元中的线材分配器的排出尖端处，在该制造单元中，套筒状热控制装置被改装到现有喷嘴上。
[0051] 在一些实施例中，热控制装置的套筒孔具有后孔部和前孔部，该后孔部与喷嘴的后部热接触，该前孔部包围喷嘴的渐缩前部，其中在前孔部和喷嘴的渐缩前部之间具有环形腔室。
[0052] 这种布置反映了这样的事实，即现有喷嘴通常可以具有渐缩前部，并且套筒孔通常可以是筒形的，例如截面为圆形。如果需要，环形腔室可以例如用反射材料填充，或者可以作为空的间隙留下。
[0053] 在一些实施例中，后孔部围绕喷嘴的后部的整个圆周热接触。
[0054] 在一些实施例中，热控制装置的冷却回路设置在热控制装置的后部中，并且热控制装置的前部包括金属块。
[0055] 实际上，前块部充当前散热器和护罩，并且热量可以向后流动以被冷却回路带走。
[0056] 在一些实施例中，热控制装置不对称地定位在喷嘴周围。
[0057] 因此，热控制装置的大部分可以定位在喷嘴的远离工件的一侧上，以使得更容易避免热控制装置在沉积程序期间与工件碰撞(接触)。
[0058] 在一些实施例中，热控制装置的前面包括第一部分和第二部分，第一部分大致垂直于喷嘴的纵向轴线，并且包围喷嘴的尖端，第二部分向后倾斜，并且相对于喷嘴的纵向轴线横向偏移；并且冷却回路定位在所述第二部分的后方。
[0059] 通过将热控制装置的前面的第二部分倾斜，激光束的发射轴线在沉积程序期间较不可能碰撞热控制装置。
[0060] 本发明的第一方面的特征可以以必要的变更应用于本发明的第三方面，反之亦然。
[0061] 根据本发明的第四方面，提供了一种使用激光单元和线材分配器在工件上执行激光金属线材沉积的方法，该激光单元沿着激光束轴线发射激光束，该线材分配器沿着线材分配轴线分配线材，该方法包括：将工件的激光金属线材沉积位置定位在激光束轴线和线材分配轴线的相交点处；沿着激光束轴线发射激光束；以及沿着线材分配器的导管将线材进给到线材分配器的喷嘴单元的通孔中，并且随着线材被激光金属线材沉积位置处的金属线材沉积操作消耗，沿着线材分配轴线将线材分配到喷嘴单元的通孔之外；其中喷嘴单元包括金属前块和后冷却部，该金属前块横向定位在喷嘴单元的通孔的前部，该后冷却部横向定位在喷嘴单元的通孔的后部并且在前块后方；并且喷嘴单元的后冷却部包含
冷却剂回路，并且冷却剂沿着冷却剂回路循环并冷却喷嘴单元的金属前块。
[0062] 冷却剂目前是制造单元中的液体(例如水)，但是冷却剂通常可以是
流体(液体或气体)。
[0063] 在一些实施例中，激光金属线材沉积在包含有惰性气体的气体腔室中执行。
[0064] 在一些实施例中，工件是风扇壳体安装环，并且激光金属线材沉积位置在风扇壳体安装环的凸缘上。
附图说明
[0065] 现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的一些实施例，在附图中：
[0066] 图1A至图1C示出了用于在风扇壳体安装环上执行激光金属线材沉积(LMDw)的
现有技术的制造单元。图1A是总体透视图，图1B和图1C是更详细的透视图。
[0067] 图2是在LMDw位置处的现有技术工具配置的图解表示。
[0068] 图3是根据本发明的LMDw机器的图解表示，其中线材分配器以截面示出。
[0069] 图4至图8示出了根据本发明的另一个线材分配器。图4是前透视图。图5是侧视图。图6是平面图。图7是纵向截面图。图8是类似于图7的纵向截面图，但是一些截面细节以实线描绘，以使一些内部特征更容易看到。
[0070] 本发明易于出现各种改型和替代形式，一些实施例在附图中以示例的方式示出，并且在本文中详细描述。然而，应当理解的是，这些实施例的附图和详细描述并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式。相反，本发明
覆盖了落入由所附
权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有改型、等同物和替代方案。此外，本发明不仅涵盖各个实施例，还涵盖所述实施例的组合。
具体实施方式
[0071] 图3以图解形式示出了根据本发明的LMDw机器，其中喷嘴尖端冷却装置被改装到现有的金属(例如铜)喷嘴5上。
[0072] 如图3所示，喷嘴5被布置成沿着线材分配轴线41朝向安装在夹具15上的工件14上的LMDw位置16排出金属线材4。为了视觉清晰起见，仅示出了线材4的部分4A、4B，但实际上线材4是连续的并且延伸到LMDw位置16。
[0073] 激光单元2用于沿着激光束轴线22发射激光束21，以在LMDw位置16处与线材4相交。
[0074] 喷嘴5具有通孔51，通孔51具有前部511和后部512。线材4延伸穿过孔51。
[0075] 喷嘴5的后部52具有圆柱形外表面，并且前部53具有通向前尖端54的渐缩外表面。
[0076] 喷嘴5形成喷嘴单元6的一部分。喷嘴单元6的另一个部件是热控制装置7，其用于冷却喷嘴5并保护喷嘴5免受从LMDw位置16辐射的热量和从工件14反射的激光的影响。为了帮助反射掉激光，热控制装置7的外表面可以被抛光以使其是反射性的。
[0077] 热控制装置7由金属(例如铜)制成，并且具有套筒状形状，具有从装置7的后面72延伸到前面73的套筒孔71。喷嘴5被容纳在套筒孔71中。在图3中，为了描绘清楚，在喷嘴5的后部52和套筒孔71的后孔部74之间示出了间隙。实际上，套筒孔71的后孔部74与喷嘴5的后部52形成紧密配合，以在喷嘴5和装置7之间提供热传导。
[0078] 套筒孔71的前孔部75与喷嘴5的渐缩前部53间隔开，并且在该两者间存在环形间隙61。
[0079] 热控制装置7具有被分成实心金属前块76和中空后冷却部77的主体的形式。后冷却部77是中空的，因为它包含内部通道771，内部通道771用作具有入口771A和出口771B的冷却回路。冷却剂液体入口管78钎焊到入口771A，而冷却剂液体出口管79钎焊到出口771B。每个管78、79具有4mm的内径和6mm的外径。
[0080] 纵向导管8具有近端(入口端或后端)81和远端(出口端或前端)82，该近端用于接收线材4，该远端用于排出线材4。远端82以可释放的方式连接(例如螺钉
螺纹连接)到喷嘴5的后部52，并且被布置成将线材4进给到喷嘴5的通孔51中。
[0081] 线材4可以由任何合适的机构(未示出)推进(向前进给)，该机构诸如为压送辊或
气动线材递送机构。
[0082] 带有冷却回路84的冷却夹套83定位在导管8的主管85周围。冷却回路84可以连接到冷却回路771，使得它们作为一个回路起作用，或者两个冷却回路84、771可以独立地起作用。
[0083] 喷嘴单元6(包括喷嘴5和热控制单元7)和导管8形成线材分配器9。
[0084] 线材分配器9通过支撑臂23支撑在激光单元2的一侧处，支撑臂23从激光单元2延伸到线材分配器9的任何方便的部分。
[0085] 期望热控制单元7的前块76的金属的质量(热质量)足够大以充当有效的散热器。因此，前块76的金属的质量可以选择为大于在前块76内部设置的套筒孔71的前部75内部存在的喷嘴5的那部分的金属的质量(例如，大至少两倍或大至少三倍)。
[0086] 由前块76吸收的热量可以向后传递到后冷却部77，然后由冷却回路771带走。在喷嘴5的前尖端54处和附近吸收的热量可以经由喷嘴5的后部52传递到后冷却部77，并且然后由冷却回路771带走。
[0087] 对于发射6kW激光束21的激光单元2，由冷却回路771接收的冷却剂液体(例如水)的入口温度可以是20℃(±2℃)，并且冷却剂液体的流率可以是0.2至0.3立方米/小时。
[0088] 这样，喷嘴5的温度可以被控制以保持在喷嘴5的前尖端54的金属可能开始熔化的温度以下。
[0089] 线材分配器9、激光单元2和夹具15(及其工件14)形成机器，该机器通常被包含在腔室或帐篷(未示出)内，在工件14上的沉积过程期间，该腔室或帐篷填充有惰性气体，例如氩气。
[0090] 由于由热控制单元7提供的喷嘴5的有效尖端冷却，能够长时间防止喷嘴5熔化，使得能够大大消除更换熔化的喷嘴的需要。这提高了LMDw机器的生产率。例如，当更换损坏的(熔化的)喷嘴时，时间不会浪费在排放氩气和用氩气重新填充腔室或帐篷上。
[0091] 还可以设想的是，有效的尖端冷却将意味着激光束21的功率可以增加，这将通过增加沉积速率来增加生产率。线材4的进给速率将相应地增加。
[0092] 热控制单元7相对于喷嘴5不对称地成形，其中单元7的主体的大部分在喷嘴5上方并且远离工件14。因此，喷嘴5在沉积过程期间能够紧密靠近工件14，这不应该被限制。
[0093] 将热控制单元7的主体的顶部前拐
角倒角以降低与激光束21碰撞的风险。前面73具有第一部分731和第二(上)部分732，该第一部分围绕套筒孔71且垂直于轴线41，该第二部分在第一部分731上方且向后倾斜。
[0094] 图4至图8示出了根据本发明的线材分配器9的一种型式，其形成另一个实施例。
[0095] 图4是前透视图。图5是侧视图。图6是平面图。图7是纵向截面图。图8是类似于图7的纵向截面图，但是一些截面细节以实线描绘，以使一些内部特征更容易被看到。
[0096] 图7和图8示出了与图3的线材分配器9相比的变型。在图7和图8中，热控制单元7的套筒孔71不是沿其全长的圆柱形。后孔部74是圆柱形的，但是前孔部75在向前的方向上是锥形的，以匹配喷嘴5的前部53的锥形。
[0097] 图7和图8还示出了喷嘴尖端54如何与前面73的第一部分731大致齐平。替代地，喷嘴尖端54可以稍微突出或稍微凹进。
[0098] 关于图4至图8的实施例，可以看出喷嘴5被热控制单元7有效地保护。
[0099] 喷嘴尖端54通过被热控制单元7提供的冷却效果包围而被冷却，并且可以防止喷嘴5熔化。考虑到激光束21的功率，通过以合适的温度和流率向热控制单元7供应冷水，可以实现期望的冷却量。
[0100] 从图4至图8还可以看出，热控制单元7的内部通道(冷却回路)以腔室771C的形式设置在后冷却部77中。入口管78延伸到腔室771C的前部，并且出口管79从腔室771C的后部排放。
