[发明专利]带冷却回路的线材分配器、使用该线材分配器的激光金属线材沉积机器及沉积方法

说明书

一种用于激光金属线材沉积机器的线材分配器(9)包括纵向导管(8)，该纵向导管用于将线材(4A、4B)从导管(8)的近端(81)引导到远端(82)。喷嘴单元(6)连接到导管(8)的远端(82)，并且具有通孔(51)，该通孔用于从导管(8)的远端(82)接收线材(4B)，并且用于在激光金属线材沉积位置(16)附近排出线材(4B)。喷嘴单元(6)包括用于冷却液体的冷却回路(771)。

技术领域

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

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。

图1A至图1C中示出了LMDw的已知用途的这样一个示例。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。