CN105252145B - 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备 - Google Patents

一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备，在密封加工仓的底部轴向依次设置有升降式焊接仓、切割仓和升降式材料仓；密封加工仓还设置有由工控机控制的材料传送机构，材料传送机构包括设在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆、设置在可伸缩的移动杆端部的吸盘和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘提供吸力的空压机；本设备切割精度高，加工出的零件尺寸精度在5微米以内；选用金属薄板作为成型材料，相比金属粉末材料成本较低；而且选用金属薄板材料不会因为材料内部组织缺陷导致力学性能的降低，也不会因为应力累积造成零件变形；相比粉末类的金属增材制造技术，成型效率提高2倍以上，成型出的零件表面质量较好。

Description

一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备。
背景技术
增材制造又俗称3D打印，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。相比传统制造技术，增材制造具有能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料等优点。而金属增材制造由于能够直接制造结构致密、冶金结合的高精度金属零件，成为了目前最热门的制造技术。
目前金属增材制造的成型材料主要是粉末材料，根据不同的送粉模式，分为预置式送粉模式和同轴喷粉模式两种，其中激光选区熔化和电子束选区熔化就是预置式送粉模式的代表技术，激光近净成型就是同轴喷粉模式的代表技术。这类粉末材料的金属增材制造技术能够成型结构致密、冶金结合的金属零件，而且能够成型一些传统切削方式无法成型的复杂形状零件。
但是粉末材料的金属增材制造技术也存在以下的一些缺陷：首先，预合金金属粉末材料的成本较高；而且每一层都需要通过激光束或电子束扫描熔化，成型的时间较长；其次，传统金属打印的加工零件范围受限，目前主要的加工零件范围在250×250×250mm范围以内，在一些航空航天、模具等较大型零件的直接成型应用上受限；最后，传统金属3D打印技术无法解决的难题是成型件内部应力大，成型过程中易出现球化、翘曲和飞溅等缺陷，使成型出的金属零件表面相对粗糙或出现变形。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备。本发明具有成型效率高、成型精度高、材料来源较广泛等优点，能够弥补粉末类金属增材制造的不足。
本发明通过下述技术方案实现：
一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，包括密封加工仓、光学加工系统和工控机22，其特征在于：所述密封加工仓的底部轴向依次设置有升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12；密封加工仓还设置有由工控机22控制的材料传送机构，该材料传送机构包括设置在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆19、设置在可伸缩的移动杆19端部的吸盘20和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘20提供吸力的空压机21；
所述升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12的上部端口位置，分别设有连接空压机21的工件吸附机构。
所述密封加工仓设置有气体循环过滤装置7，气体循环过滤装置7用于过滤加工过程中产生的烟尘和杂质。
所述光学加工系统包括依次连接的光纤激光器1、扩束镜2、振镜、聚焦镜6；所述振镜为激光切割振镜4或者激光焊接振镜5。
所述工件吸附机构为吸管16，吸管16通过管路连接空压机21，通过吸管16的吸附力将工件进行固定。空压机21是为工件(材料)提供气体压力，并控制气压的间歇性开闭。
所述密封加工仓内部设有惰性气体喷气口19，惰性气体喷气口19连通设置在密封加工仓外部的惰性气体储存罐8。
所述光纤激光器1波长为1064nm，激光功率20～100W可调，光束质量M2＜1.1。
所述激光切割振镜4入射光孔径为30mm，响应时间低于1微秒，扫描范围为350×350mm；所述激光焊接振镜5入射光孔径为20mm，响应时间低于0.5微秒，扫描范围为250×250mm。所述聚焦镜6为F-θ聚焦镜。
金属薄板叠加制造复杂形状零件的加工方法如下：
步骤一：三维模型数据处理
首先，在金属薄板底部添加高度为2mm的竖直支撑杆，作为成型基板和薄板的连接部分，方便加工结束后将成型后的零件从成型基板上切割下来；然后，在水平方向为薄板添加三根方形定位连接杆，使薄板在加工过程中能够精确定位，使零件成型过程更加稳固；最后，以成型的薄板厚度作为层厚，为三维零件分层，然后计算出每一层的轮廓数据和关键焊接点位；
步骤二：激光叠层加工
升降式材料仓12将金属薄板17向上推一层，吸盘20将该金属薄板17吸住，并将其传送到切割仓11上方，通过吸管16将金属薄板17的边缘吸附固定，切割的产生的金属粉末被惰性气体喷气口19吹走；工控机22控制光纤激光器1发出连续激光，通过扩束镜2、激光切割振镜4和聚焦镜6的控制，对金属薄板17进行激光扫描切割，切割出该层的轮廓形状；切割结束后，金属薄板17切割余料18落入切割仓11底部，得到单层零件外形；关闭切割仓吸管的吸力，吸盘20将切割好的单层零件外形传送到升降式焊接仓10中，吸管将定位连接杆吸住，光纤激光器1切换为脉冲模式，采用激光焊接振镜5对该单层零件外形的截面内的关键点进行焊接，保证上下层贴合紧密；激光焊接加工过程中，对单层零件外形的加工面进行惰性气体保护，防止加工面产生氧化；气体循环净化装置7过滤掉加工过程中产生的烟尘和杂质；激光焊接完一层后，成型基板下降一层的高度；如此循环，不断叠加制造，直至得到成型零件15后结束；
步骤三：成型零件后处理步骤：
去除成型零件表面的支撑和定位连接杆，对成型零件进行高压高温热扩散焊接；然后对成型零件进行热处理，释放成型零件内部残余应力。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明升降式焊接仓、切割仓和升降式材料仓集成于一体；密封加工仓还设置有由工控机控制的材料传送机构，该材料传送机构包括设置在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆、设置在可伸缩的移动杆端部的吸盘和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘提供吸力的空压机。
气体循环过滤装置保证了密封加工仓内的气体纯净，加工过程中将激光切割和焊接产生的黑色烟尘、材料飞溅等杂质瞬间吸走，并通过过滤器净化后将纯净气体返回密封加工仓内，保证了密封加工仓内的气体纯净。
本发明光纤激光器相比长波长激光有更高的精度和更好的切割效果。该激光器可以在连续模式和脉冲模式之间进行切换，不仅用于切割薄板轮廓，还用于焊接薄板之间的关键点，其中切缝宽度低于20μm，点焊速度达到30焊点/s。
本发明密封加工仓设置了由工控机控制的材料传送机构，其可伸缩并在密封加工仓内部自由移动。并在升降式焊接仓、切割仓和升降式材料仓的上部端口位置，分别设有连接空压机的工件吸附机构。保证切割过程中金属薄板的稳定，使其下部悬空，切割产生的金属粉末可以被惰性气体及时吹走。工件吸附机构保证了金属薄板在接仓、切割过程的稳固紧密贴合、精确定位，使加工过程中不发生翘动和滑移。
综上所述。本发明技术手段简便易行，切割精度高，加工出的零件尺寸精度在5微米以内；选用金属薄板作为成型材料，相比金属粉末材料成本较低；而且选用金属薄板材料不会因为材料内部组织缺陷(如夹杂)导致力学性能的降低，也不会因为应力累积造成零件变形；相比粉末类的金属增材制造技术，成型效率提高2倍以上，成型出的零件表面质量较好。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明密封加工仓的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，包括密封加工仓、光学加工系统和工控机22，其特征在于：所述密封加工仓的底部轴向依次设置有升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12；密封加工仓还设置有由工控机22控制的材料传送机构，该材料传送机构包括设置在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆19、设置在可伸缩的移动杆19端部的吸盘20和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘20提供吸力的空压机21；
所述升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12的上部端口位置，分别设有连接空压机21的工件吸附机构。
所述密封加工仓设置有气体循环过滤装置7，气体循环过滤装置7用于过滤加工过程中产生的烟尘和杂质。气体循环过滤装置7是为了保证密封加工仓内的气体纯净，加工过程中将激光切割和焊接产生的黑色烟尘、材料飞溅等杂质瞬间吸走，并通过过滤器净化后将纯净气体返回密封加工仓内。
所述光学加工系统包括依次连接的光纤激光器1、扩束镜2、振镜、聚焦镜6；所述振镜为激光切割振镜4或者激光焊接振镜5。
所述工件吸附机构为吸管16，吸管16通过管路连接空压机21，通过吸管16的吸附力将工件进行固定。空压机21是为工件(材料)提供气体压力，并控制气压的间歇性开闭。
所述密封加工仓内部设有惰性气体喷气口19，惰性气体喷气口19连通设置在密封加工仓外部的惰性气体储存罐8。惰性气体储存罐8是为设备加工仓提供惰性气体保护，储存的惰性气体可以是N2，也可以是Ar，惰性气体的纯度均高于99.99％。
所述光纤激光器1波长为1064nm，激光功率20～100W可调，光束质量M2＜1.1。相比长波长激光有更高的精度和更好的切割效果。该激光器可以在连续模式和脉冲模式之间进行切换，不仅用于切割薄板轮廓，还用于焊接薄板之间的关键点，其中切缝宽度低于20μm，点焊速度达到30焊点/s。
所述激光切割振镜4采用scanlab公司的Hurryscan30型号，入射光孔径为30mm，响应时间低于1微秒，最大扫描范围为350×350mm；所述激光焊接振镜5采用scanlab公司的Hurryscan20型号，入射光孔径为20mm，响应时间低于0.5微秒，最大扫描范围为250×250mm。
所述聚焦镜6为F-θ聚焦镜，可以保证激光束聚焦光斑一直位于加工平面上，在光束移动过程中不发生光斑偏移。
金属薄板叠加制造复杂形状零件的加工方法可通过下述步骤实现：
步骤一：三维模型数据处理
首先，在金属薄板底部添加高度为2mm的竖直支撑杆，作为成型基板和薄板的连接部分，方便加工结束后将成型后的零件从成型基板上切割下来；然后，在水平方向为薄板添加三根方形定位连接杆，使薄板在加工过程中能够精确定位，使零件成型过程更加稳固；最后，以成型的薄板厚度作为层厚，为三维零件分层，然后计算出每一层的轮廓数据和关键焊接点位；
步骤二：激光叠层加工
升降式材料仓12将金属薄板17向上推一层，吸盘20将该金属薄板17吸住，并将其传送到切割仓11上方，通过吸管16将金属薄板17的边缘吸附固定，切割的产生的金属粉末被惰性气体喷气口19及时吹走；工控机22控制光纤激光器1发出一定频率的连续激光(激光束3)；通过扩束镜2、激光切割振镜4和聚焦镜6的控制，对金属薄板17进行激光扫描切割，切割出该层的轮廓形状；切割结束后，金属薄板17切割余料18落入切割仓11底部，得到单层零件外形；关闭切割仓吸管的吸力，吸盘20将切割好的单层零件外形传送到升降式焊接仓10中，吸管将定位连接杆23吸住，保证精确定位，光纤激光器1切换为脉冲模式，采用激光焊接振镜5对该单层零件外形的截面内的关键点进行焊接，保证上下层贴合紧密；激光焊接加工过程中，对单层零件外形的加工面进行惰性气体保护，防止加工面产生氧化；气体循环净化装置7过滤掉加工过程中产生的烟尘和杂质，保证加工仓内气体纯净；激光焊接完一层后，成型基板下降一层的高度；如此循环，不断叠加制造，直至得到成型零件15后结束；
步骤三：成型零件后处理步骤：
去除成型零件表面的支撑和定位连接杆，对成型零件进行高压高温热扩散焊接，增加零件的致密度；然后对成型零件进行热处理，释放成型零件内部残余应力，提升成型零件综合力学性能。
本发明成型零件的范围可以在350×350×350mm范围以内，但通过修改激光切割方式，将振镜扫描式切割替换为x-y轴直线电机驱动，可以切割出高精度任意大小(通常在500mm)的零件单层薄片轮廓，且通过层层数据调入控制系统，可以一次切割多个层片轮廓数据，然后将切割轮廓定位，选用机械手扫描焊接，实现大范围快速精密焊接，层层累积焊接获得最终的成型零件，成型零件大小超过500×500×500mm范围，大大超过目前主流的金属3D打印设备零件成型范围。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，包括密封加工仓、光学加工系统和工控机(22)，其特征在于：所述密封加工仓的底部轴向依次设置有升降式焊接仓(10)、切割仓(11)和升降式材料仓(12)；密封加工仓还设置有由工控机(22)控制的材料传送机构，该材料传送机构包括设置在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆(19)、设置在可伸缩的移动杆(19)端部的吸盘(20)和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘(20)提供吸力的空压机(21)；
所述升降式焊接仓(10)、切割仓(11)和升降式材料仓(12)的上部端口位置，分别设有连接空压机(21)的工件吸附机构。
2.根据权利要求1所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述密封加工仓设置有气体循环过滤装置(7)，气体循环过滤装置(7)用于过滤加工过程中产生的烟尘和杂质。
3.根据权利要求1所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述光学加工系统包括依次连接的光纤激光器(1)、扩束镜(2)、振镜、聚焦镜(6)；所述振镜为激光切割振镜(4)或者激光焊接振镜(5)。
4.根据权利要求1所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述工件吸附机构为吸管(16)，吸管(16)通过管路连接空压机(21)，通过吸管(16)的吸附力将工件进行固定，空压机(21)是为工件提供气体压力，并控制气压的间歇性开闭。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述密封加工仓内部设有惰性气体喷气口(9)，惰性气体喷气口(9)连通设置在密封加工仓外部的惰性气体储存罐(8)。
6.根据权利要求3所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述光纤激光器(1)波长为1064nm，激光功率20～100W可调，光束质量M2＜1.1。
7.根据权利要求3所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述激光切割振镜(4)入射光孔径为30mm，响应时间低于1微秒，扫描范围为350×350mm；所述激光焊接振镜(5)入射光孔径为20mm，响应时间低于0.5微秒，扫描范围为250×250mm。
8.根据权利要求3所述的金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，其特征在于：所述聚焦镜(6)为F-θ聚焦镜。
9.采用权利要求1至8中任一项所述金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备制备复杂形状零件的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：三维模型数据处理
首先，在金属薄板底部添加高度为2mm的竖直支撑杆，作为成型基板和薄板的连接部分，方便加工结束后将成型后的零件从成型基板上切割下来；然后，在水平方向为薄板添加三根方形定位连接杆，使薄板在加工过程中能够精确定位，使零件成型过程更加稳固；最后，以成型的薄板厚度作为层厚，为三维零件分层，然后计算出每一层的轮廓数据和关键焊接点位；
步骤二：激光叠层加工
升降式材料仓(12)将金属薄板(17)向上推一层，吸盘(20)将该金属薄板(17)吸住，并将其传送到切割仓(11)上方，通过吸管(16)将金属薄板(17)的边缘吸附固定，切割的产生的金属粉末被惰性气体喷气口(9)吹走；工控机(22)控制光纤激光器(1)发出连续激光，通过扩束镜(2)、激光切割振镜(4)和聚焦镜(6)的控制，对金属薄板(17)进行激光扫描切割，切割出该层的轮廓形状；切割结束后，金属薄板(17)切割余料(18)落入切割仓(11)底部，得到单层零件外形；关闭切割仓吸管的吸力，吸盘(20)将切割好的单层零件外形传送到升降式焊接仓(10)中，吸管将定位连接杆吸住，光纤激光器(1)切换为脉冲模式，采用激光焊接振镜(5)对该单层零件外形的截面内的关键点进行焊接，保证上下层贴合紧密；激光焊接加工过程中，对单层零件外形的加工面进行惰性气体保护，防止加工面产生氧化；气体循环过滤装置(7)过滤掉加工过程中产生的烟尘和杂质；激光焊接完一层后，成型基板下降一层的高度；如此循环，不断叠加制造，直至得到成型零件(15)后结束。
10.根据权利要求9所述金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备制备复杂形状零件的方法，其特征在于包括成型零件后处理步骤：
去除成型零件表面的支撑和定位连接杆，对成型零件进行高压高温热扩散焊接；然后对成型零件进行热处理，释放成型零件内部残余应力。
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