CN104109860A - 增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法 - Google Patents

增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，利用毫秒脉冲激光和纳秒脉冲激光多次扫描处理增材制造金属零件表面，实现增材制造金属零件表面的抛光；多重激光扫描抛光过程中，对增材制造金属件进行保温处理，可以使增材制造金属件表面应力分布均匀；对激光抛光的增材制造金属件表面进行激光扫描强化，可以改变增材制造金属件表面应力状态，由拉应力转化为压应力，提高增材制造金属件抗疲劳性能，满足金属零件的使用性能；与手工抛光方法相比，增材制造金属件的多重激光抛光和强化效率高，是手工抛光的20倍，可以实现增材制造金属件的非接触快速抛光，消除激光抛光引起的增材制造金属件拉应力，提高增材制造金属件抗疲劳性能。

Description

增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法
【技术领域】
本发明涉及金属材料的表面处理及表面强化技术领域，特别涉及一种增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法。
【背景技术】
随制造能力的提高，对增材制造件等复杂型面结构件表面抛光质量、抛光要求等都提出了更高的要求，对于结构简单的零件，机加工处理之后，表面粗糙度便可满足金属零件的使用性能。但对于结构复杂的金属粉直接成型件、修复件、精密铸造件等快速制造件，机加工处理难以满足金属零件的使用性能。
增材制造件的表面粗糙度较大，无法直接在工业上应用，需要进行抛光处理；增材制造件如增材制造的整体叶盘的形状复杂，曲面较多，无法利用机械设备进行表面抛光，现有技术中均采用手工抛光的方式进行抛光；但是，手工抛光的质量依赖抛光人员的技术水平，抛光质量较差，抛光效率低，劳动强度大；影响增材制造件的使用性能。
如何实现增材制造件的金属表面快速抛光已成为一个亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，包括以下步骤：
(1)将增材制造件清洗后定位、装夹在数控工作台上；
(2)根据增材制造件的三维模型，生成激光头运动轨迹的控制程序；
(3)设定毫秒激光器的抛光参数；
(4)激光抛光之前点动控制，经过粗调、微调将激光头调整到距离增材制造件表面0.1mm以内；调整到该点之后，点动控制下远离增材制造件表面9.8mm，此时激光光斑处在正离焦状态，且离焦距离为0.2mm，完成激光抛光之前的对刀；
(5)利用高频感应加热的方式加热增材制造件表面；在抛光过程中开启氩气保护，利用调整好的毫秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现增材制造件的粗抛光；
(6)设定纳秒激光器参数；开启氩气保护，利用调整好的纳秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，以实现增材制造件的精细抛光；
(7)纳秒激光抛光之后，测量增材制造件表面的表面粗糙度，如果表面粗糙度大于Ra0.5，继续调整纳秒激光抛光参数，重复步骤(6)直到增材制造件表面的表面粗糙度小于或等于Ra0.5，完成激光抛光过程；
(8)激光抛光完成之后，调整激光强化参数：激光功率1200-1500w、扫描速度为18-20mm/s、光斑直径为2-2.5mm；利用调整好的激光强化参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现金属材料的冲击强化。
优选的，生成激光头运动轨迹的控制程序过程中考虑激光光斑离焦距离，向外偏置9.8mm，使激光光斑处于正离焦状态，且离焦量为0.2mm；此控制程序控制激光头与增材制造件之间的相对运动。
优选的，步骤(5)中，高频感应加热使增材制造件表面的温度达到500-550℃。
优选的，步骤(3)中毫秒激光器的抛光参数为：频率为50Hz、脉宽为0.2ms、激光器功率5-50w、激光光斑的大小为0.03mm，激光抛光过程中激光头相对于增材制造件抛光表面的运动速度0.5-5mm/s。
优选的，步骤(6)中纳秒激光器的抛光参数为：激光波长为1064nm、激光功率为5-50w、激光重复频率为50Hz、脉冲宽度3-6ns、光束入射角30°-70°，调整激光抛光过程中激光器相对于抛光表面的运动速度0.1-2mm/s。
优选的，所述增材制造件的材质为钛合金。
优选的，所述增材制造件的初始表面粗糙度大于Ra6.4。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，利用多道激光处理金属零件，实现金属零件的抛光、表面强化，满足金属零件的使用性能。与增材制造件手工抛光的表面质量差，加工效率低相比，激光抛光增材制造件的抛光效率是手工抛光的20倍，可以实现金属材料的快速抛光，精密抛光，容易实现加工过程自动化，可解决如航空发动机核心部件复杂型面的增材制造整体叶盘零件抛光难题。另外本发明在毫秒激光抛光过程中为减小表面应力导致的微观裂纹，利用外加温度场改变毫秒激光抛光过程中温度场的分布，改变激光抛光过程中显微组织的结构，改善抛光质量，表面强化处理使表面应力状态处于压应力状态，压应力状态可提高金属零件的疲劳性能，提高增材制造件的使用寿命；本发明工艺路线可解决较大粗糙度零件表面质量抛光问题，可实现高效、高精度、高性能增材件抛光。
本发明可实现增材制造件复杂型面零件的激光抛光，金属零件的快速抛光与强化，解决直接成型件、快速修复、精密铸造件等零件表面质量差的难题，实现空间复杂零件的快速制造、修复，表面处理的自动化，解决工业生产中复杂金属零件制造周期长、关键零件修复难的技术难题。
【具体实施方式】
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，包括以下步骤：
(1)将增材制造件(例如增材制造整体叶盘，材料：钛合金；初始表面粗糙度大于Ra6.4)置于清洗剂中完成零件的清洗，去除表面杂质；清洗完成后将零件置于去离子水中，利用超声波清洗去掉增材制造件待抛光表面的油污；将清洗好的增材制造件定位、装夹在数控工作台上，完成激光抛光前的准备工作。
(2)根据增材制造件的三维模型，生成激光头运动轨迹的控制程序；生成激光头运动轨迹的控制程序过程中考虑激光光斑离焦距离，向外偏置9.8mm，使激光光斑处于正离焦状态，且离焦量为0.2mm；此控制程序控制激光头与增材制造件之间的相对运动。
(3)增材制造件表面质量差，先用毫秒激光器进行粗抛光，毫秒激光抛光参数调整如下，激光器频率为50Hz、脉宽为0.2ms、激光器功率5-50w、激光光斑的大小为0.03mm，调整激光抛光过程中激光头相对于抛光表面的运动速度0.5-5mm/s。
(4)激光抛光之前点动控制，经过粗调、微调将激光头调整到距离增材制造件表面0.1mm以内(不接触)，调整到该点之后，点动控制下远离增材制造件表面9.8mm，此时激光光斑处在正离焦状态，且离焦距离为0.2mm，完成激光抛光之前的对刀。
(5)利用高频感应加热的方式加热增材制造件表面，使增材制造件表面的温度达到500-550℃，减小激光抛光过程中金属表面由于温度剧烈变化引起表面应力，减小微观裂纹，金属材料在高温环境中易发生氧化，为避免氧化在抛光过程中开启氩气保护，利用调整好的毫秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现金属材料的粗抛光。
(6)毫秒激光作用之后表面仍达不到使用要求，然后使用纳秒激光进行微细抛光，调整纳秒激光器参数，激光波长为1064nm、激光功率为5-50w、激光重复频率为50Hz、脉冲宽度3-6ns、光束入射角30°-70°，调整激光抛光过程中激光器相对于抛光表面的运动速度0.1-2mm/s，开启氩气保护；利用调整好的纳秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，以实现金属材料的精细抛光。
(7)纳秒激光抛光之后，测量增材制造件表面的表面粗糙度，如果表面粗糙度大于Ra0.5，继续调整纳秒激光抛光参数，重复步骤(6)直到增材制造件表面的表面粗糙度小于或等于Ra0.5，完成激光抛光过程。
(8)激光抛光完成之后，材料表面属于拉应力状态，影响金属材料的使用，调整激光强化参数：激光功率1200-1500w、扫描速度为18-20mm/s、光斑直径为2-2.5mm；利用调整好的激光强化参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现金属材料的冲击强化。激光强化之后金属材料的表面处于压应力状态，可提高金属结构件使用性能。

Claims (7)

1.增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将增材制造件清洗后定位、装夹在数控工作台上；
(2)根据增材制造件的三维模型，生成激光头运动轨迹的控制程序；
(3)设定毫秒激光器的抛光参数；
(4)激光抛光之前点动控制，经过粗调、微调将激光头调整到距离增材制造件表面0.1mm以内；调整到该点之后，点动控制下远离增材制造零件表面9.8mm，此时激光光斑处在正离焦状态，且离焦距离为0.2mm，完成激光抛光之前的对刀；
(5)利用高频感应加热的方式加热增材制造件表面；在抛光过程中开启氩气保护，利用调整好的毫秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现增材制造件的粗抛光；
(6)设定纳秒激光器参数；开启氩气保护，利用调整好的纳秒激光抛光参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，以实现增材制造件的精细抛光；
(7)纳秒激光抛光之后，测量增材制造件表面的表面粗糙度，如果表面粗糙度大于Ra0.5，继续调整纳秒激光抛光参数，重复步骤(6)直到增材制造件表面的表面粗糙度小于或等于Ra0.5，完成激光抛光过程；
(8)激光抛光完成之后，调整激光强化参数：激光功率1200-1500w、扫描速度为18-20mm/s、光斑直径为2-2.5mm；利用调整好的激光强化参数，数控系统应用步骤(2)生成的激光头运动轨迹的控制程序控制激光头与增材制造件的相对运动，实现金属材料的冲击强化。
2.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，生成激光头运动轨迹的控制程序过程中考虑激光光斑离焦距离，向外偏置9.8mm，使激光光斑处于正离焦状态，且离焦量为0.2mm；此控制程序控制激光头与增材制造件之间的相对运动。
3.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，步骤(5)中，高频感应加热使增材制造件表面的温度达到500-550℃。
4.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，步骤(3)中毫秒激光器的抛光参数为：频率为50Hz、脉宽为0.2ms、激光器功率5-50w、激光光斑的大小为0.03mm，激光抛光过程中激光头相对于增材制造件抛光表面的运动速度0.5-5mm/s。
5.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，步骤(6)中纳秒激光器的抛光参数为：激光波长为1064nm、激光功率为5-50w、激光重复频率为50Hz、脉冲宽度3-6ns、光束入射角30°-70°，调整激光抛光过程中激光器相对于抛光表面的运动速度0.1-2mm/s。
6.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，所述增材制造件的材质为钛合金。
7.根据权利要求1所述的增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，其特征在于，所述增材制造件的初始表面粗糙度大于Ra6.4。
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