CN103231056A - 一种不等宽构件的激光直接成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不等宽构件的激光直接成形方法，用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；根据加工部位的宽度确定熔道尺寸，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸调节激光光斑的大小，并根据已知的熔道尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，进行激光成型；采用上述方式一次扫描直接成形出一层不等宽熔道；完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已成形的熔覆层上继续熔覆新的熔道，循环操作直至三维零件制造完成。本发明实现了一次扫描而非搭接直接成形出不等宽熔道，逐层堆积直接制造出三维不等宽构件，不仅简化了影响熔覆层质量的因素，更有效提高了零件的成形效率及质量，进而节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光直接成形方法，具体涉及一种通过激光变斑直接成形不等宽构件的方法。
背景技术
激光金属直接成形技术是在激光熔覆基础上，融合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。以“离散－堆积”成形原理为基础，首先建立加工零件的三维CAD模型，然后将三维模型划分成一系列的二维平面，并根据二维平面轮廓规划合理的激光扫描路径，进而转化为数控工作台的运行指令，最终实现金属零件的直接成形。与一般的快速成型技术相比，激光金属直接成形技术能够快速制造出传统工艺方法难以制造的复杂金属零件；实现功能梯度材料的制造；能够制造全致密及力学性能优异的零件。由于具有以上优点，激光金属直接成形技术逐渐成为快速成形技术研究的热点和发展趋势，并在航空航天、汽车船舶和武器装备等制造领域具有广泛应用。
现有技术中，对于不等宽构件，采用激光金属直接成形的方法均是通过多道搭接及规划扫描路径下堆积成形的，如附图1所示，在该图中，构件的最宽部位需4道搭接才能实现。黄卫东（激光立体成形—高性能致密金属零件的快速自由成形[M]，西北工业大学出版社，2007年11月）等人指出零件在搭接成形过程中其搭接率的大小直接影响成形表面宏观平整程度。如果搭接率选择得不合理将直接导致成形表面宏观倾斜角度，一旦这种情况发生，成形表面的尺寸精度将很难保证，严重时甚至会导致成形无法进行。尚晓峰（金属粉末激光成形扫描方式[J]，机械工程学报,2005,41(7)）等人指出三维零件每一层堆积过程中其成形轨迹是按照一定的扫描路径成形的，而扫描路径规划问题是激光直接成形工艺中关键步骤，因为它直接影响着零件的成形效率和成形质量，所以一直是学者们关注的热点。扫描路径规划不合理不仅会造成效率低下，更会引起内部热应力分布不均，造成内部成形质量较差。且在激光直接成形中由于工艺条件复杂，成形过程受很多因素的影响，而这些因素将直接影响激光金属成形的精度和质量。所以，在成形中如何简化这些工艺影响，并能够提高成形效率及质量无疑是激光金属直接成形领域关心的关键问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种不等宽构件的激光直接成形方法，通过方法的改进，减少加工中的搭接，避免由于搭接率选择的不合理而造成的熔覆层内部孔洞及表面不平整、多次扫描及多次扫描下路径规划的不合理而造成的冷却不均匀等缺陷问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种不等宽构件的激光直接成形方法，包括下列步骤：
(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；
(2) 根据加工部位的宽度确定熔道尺寸，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸调节激光光斑的大小，并根据已知的熔道尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，进行激光成型；采用上述方式一次扫描直接成形出一层不等宽熔道；
(3)完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已成形的熔覆层上面按照步骤(2)的方法再熔覆新的熔道，循环操作直至三维零件制造完成。
上述技术方案中，步骤(1)为现有技术方法，步骤(2)中，所述的已知的熔道尺寸与工艺参数的关系可以预先通过实验获得，在确定熔覆层高度、熔覆用粉末配方后，通过实验获取不同熔道宽度与光斑大小、激光功率、扫描速度、送粉量的关系，以保证变斑前后的光束能量密度及送粉密度保持不变，为后续工艺参数的调节提供依据。为保证制备效果，激光光斑应可以连续变化，可调光斑直径为0.1mm～10mm。
上述技术方案中，所述激光光斑的大小通过离焦方式调节。
所述离焦方式调节为，在激光束聚焦光路中，设置焦距调节机构，通过焦距调节机构的调节改变激光束形成的光斑大小。
或者，所述离焦方式调节为，调节激光束聚焦装置与待加工件的距离，改变激光束形成的光斑大小。
另一种技术方案，所述激光光斑的大小通过光束变换方式实现。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过离焦或光束变换等方式实现激光光斑的连续变化，通过一次扫描而非多道搭接即可堆积出不等宽熔道，逐层堆积直接制造出三维构件。此方法直接避免了搭接率及扫描路径对零件的成形造成的影响，不仅简化了工艺影响因素，而且提高了零件的成形精度及成形效率，进而节约了成本。
附图说明
图1是现有技术中采用搭接方式激光直接成形示意图。
图2是本发明实施例中激光变斑直接成形的工作原理图。
图3采用离焦方式实现光斑的连续变化示意图。
图4是实施例中激光变斑直接成形工艺流程图。
其中：1、激光束。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种激光变斑直接成形不等宽构件的方法，包括如下步骤：
（1）用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息。
（2）参照图2及图4，激光束1聚焦形成光斑，在成形过程中，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，通过离焦或光束变换等方式实现激光光斑大小的连续变化。依据实验的熔道尺寸与工艺参数的关系，在激光变斑的过程中同时调节激光功率、扫描速度及送粉量。采用大功率激光器光斑的连续变化，一次扫描而非搭接直接成形出一层不等宽熔道。采用离焦方式实现光斑的连续变化如附图3所示。
（3）完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已经熔覆层上面按照步骤2再熔覆新的熔道，如此循环，直至三维零件制造完成。
本发明的本质是变光斑工艺，通过控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，通过离焦或光束变换等方式实现激光光斑的连续变化。为使变斑前后的光束能量密度及送粉密度保持不变，并能熔覆出高度均匀及不等宽的熔道，在激光变斑的同时需调节激光功率、扫描速度及送粉量，一次扫描而非搭接直接成形出不等宽熔道，逐层堆积直接制造出三维不等宽构件，此方法不仅简化了影响熔覆层质量的因素，更有效提高了零件的成形效率及质量，进而节约了成本。
Claims (5)
1. 一种不等宽构件的激光直接成形方法，包括下列步骤：
(1)用计算机建立三维成形零件模型，通过软件对模型进行分层处理，获取零件的轮廓层面信息；
(2) 根据加工部位的宽度确定熔道尺寸，控制同轴送粉喷嘴的驱动装置，根据熔道尺寸调节激光光斑的大小，并根据已知的熔道尺寸与工艺参数的关系，同步调节激光功率、扫描速度及送粉量，进行激光成型；采用上述方式一次扫描直接成形出一层不等宽熔道；
(3)完成一层后，提升喷嘴一个分层高度，在已成形的熔覆层上面按照步骤(2)的方法再熔覆新的熔道，循环操作直至三维零件制造完成。
2. 根据权利要求1所述的不等宽构件的激光直接成形方法，其特征在于：所述激光光斑的大小通过离焦方式调节。
3. 根据权利要求2所述的不等宽构件的激光直接成形方法，其特征在于：所述离焦方式调节为，在激光束聚焦光路中，设置焦距调节机构，通过焦距调节机构的调节改变激光束形成的光斑大小。
4. 根据权利要求2所述的不等宽构件的激光直接成形方法，其特征在于：所述离焦方式调节为，调节激光束聚焦装置与待加工件的距离，改变激光束形成的光斑大小。
5. 根据权利要求1所述的不等宽构件的激光直接成形方法，其特征在于：所述激光光斑的大小通过光束变换方式实现。
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