CN105983780A - 一种增材制造中加热金属材料的方法 - Google Patents

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王�琦
刘嘉巍
郭学佳
杨超
杨宁
黄声野
冯晓波
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Abstract

本发明涉及一种增材制造中金属材料的加热方法，通过光束整形技术控制由激光器发出的激光束横截面上的功率密度分布，从而能够灵活地控制被加热金属材料的温度变化曲线，为增材制造的材料工艺设计提供了一个额外的设计自由度，从而改善所能获得的材料的组织形态和力学性能，或者实现特殊要求的组织形态和力学性能。

Description

一种增材制造中加热金属材料的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种增材制造中加热金属材料的方法。
背景技术
激光近净成形技术，简称LENS，一般使用激光束加热金属材料，使之熔化并沿设定的轨迹堆积，从而实现增材制造。该制造过程中，材料的温度变化曲线对最终获得的工件的材料组织形态和力学性能有相当大的影响，是材料工艺的重要组成部分。
目前激光近净成形技术所使用的激光束，在横截面上的功率密度分布或者为高斯分布(对应基模输出的激光器)，或者为类平顶分布(对应多模输出的激光器)，不能改变，因此被加热材料经历的温度变化曲线只由激光束功率、光斑大小、光斑移动速度、环境温度等因素确定，无法产生复杂的变化，这就限制了材料工艺的设计自由度，也限制了最终获得的工件的材料组织形态和力学性能。
为了改善材料性能，有厂商使用第二道激光束尾随第一道激光束，对由第一道激光堆积的金属进行同步重熔。这样的改进虽然对材料的温度变化曲线增加了一些变化，提高了工件的致密度，但依然达不到能灵活改变材料温度变化曲线的效果，对材料性能的限制依然很大。
发明内容
本发明提出一种通过改变激光束横截面上的功率密度分布改变增材制造过程中金属材料温度变化曲线的方法，解决现有技术中不能灵活改变增材制造过程中金属材料温度变化曲线的技术问题。
一种增材制造中加热金属材料的方法，具体步骤如下：
步骤一、激光器产生激光束，激光束经过光束整形元件进行光束整形后，照射在工件基底上形成光斑，通过光束整形元件控制光斑各处的功率密度；
步骤二，光斑在工件基底上按照预先设定的轨迹移动，由喷嘴喷射在工件基底上的金属材料被激光加热融化形成堆积。
所述激光器是光纤激光器或固体激光器。
所述激光束是单模激光束或多模激光束。
所述光束整形元件是透射式或反射式光束整形元件。
所述光束整形元件是单独元件或由多个构件组成。
所述光束整形元件控制光斑各处的功率密度通过相位调制、幅度调制或相位调制与幅度调制混合实现。
本发明通过使用光束整形技术，能随意改变激光束横截面上的功率密度分布，从而灵活地控制材料的温度变化曲线。这为增材制造的材料工艺设计提供了一个额外的设计自由度，能改善增材制造获得的材料组织形态和力学性能，或实现特殊要求的材料组织形态和力学性能。
附图说明
图1使用光束整形元件的金属材料激光增材制造示意图
图中1—激光器，2—激光束，3—光束整形元件，4—堆积，5—工件基底，6—喷嘴
图2实施例一金属材料激光增材制造示意图
图中4—堆积，5—工件基底，6—喷嘴，3—光束整形元件，7—光纤激光器，8—单模激光束，31—变形镜
图3实施例一光斑上的功率密度分布
图4实施例一金属材料的温度变化曲线
图5实施例二金属材料激光增材制造示意图
图中3—光束整形元件，4—堆积，5—工件基底，6—喷嘴，9—固体激光器，10—多模激光束，11—微镜阵列，12—透镜组
图6实施例二光斑上的功率密度分布
图7实施例二金属材料的温度变化曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行阐述。
图1给出本发明的基本原理图，本发明所述增材制造中加热金属材料的方法具体提步骤如下：
步骤一、激光器1产生激光束2，激光束2经过光束整形元件3进行光束整形后，照射在工件基底5上形成光斑，通过光束整形元件3控制光斑各处的功率密度；
步骤二，光斑在工件基底5上按照预先设定的轨迹移动，喷嘴6将金属材料喷射到光斑前缘，所述金属材料被激光加热融化形成堆积4。
由于光斑的移动，金属材料沿移动轨迹被光斑不同部分照射，产生温度变化，使制造出的材料具备特定需要的组织形态和力学性能。
下面给出本发明的两个具体实施例。
实施例一
图2给出了实施例一金属材料激光增材制造示意图，其中激光器1选择光纤激光器7，激光束2是单模激光束8，光束整形元件3选择变形镜31，金属材料加热方法具体步骤如下：
步骤一，光纤激光器7产生的单模激光束8照射在作为光束整形元件的变形镜31上，被变形镜31做相位调整，而后反射到工件基底5上形成光斑；通过控制变形镜31的镜面形貌节能灵活地控制光斑各处的功率密度，例如，可以将光斑的功率密度控制成图3中描述的分布。
步骤二，光斑在工件基底5上按照预先设定的轨迹移动，喷嘴6将金属材料喷射到光斑前缘，所述金属材料被激光加热融化形成堆积4。由于光斑的移动，金属材料沿移动轨迹被光斑不同部分照射，产生温度变化，图4给出了对应于图3的光斑功率密度分布曲线金属材料的温度变化曲线。
实施例二
图5给出了实施例二金属材料激光增材制造示意图，其中激光器1选择固体激光器9，激光束2采用多模激光束10，光束整形元件3包括微镜阵列11和透镜组12，金属材料加热方法具体步骤如下：
步骤一，固体激光器9产生的多模激光束10照射到微镜阵列11上，被微镜阵列做幅值调制，然后经透镜组12聚焦到工件基底5上形成光斑。通过控制微镜阵列11上每个镜面的反射方向，就能灵活地在光斑各处产生明暗变化，从而控制光斑各处的功率密度，图6给出了一种光斑功率密度分布曲线。
步骤二：光斑在工件基底5上按照预先设定的轨迹移动，喷嘴6将金属材料喷射到光斑前缘，所述金属材料被激光加热融化形成堆积4。由于光斑的移动，金属材料沿移动轨迹被光斑不同部分照射，产生温度变化，图7给出了对应于图6光斑功率密度分布曲线的金属材料的温度变化曲线。由于光斑的移动，金属材料沿移动轨迹被光斑不同部分照射，产生温度变化，使制造出的材料具备特定需要的组织形态和力学性能。

Claims (6)

1.一种增材制造中加热金属材料的方法，具体步骤如下：
步骤一、激光器(1)产生激光束(2)，激光束(2)经过光束整形元件(3)进行光束整形后，照射在工件基底(5)上形成光斑，通过光束整形元件(3)控制光斑各处的功率密度；
步骤二，光斑在工件基底(5)上按照预先设定的轨迹移动，由喷嘴(6)喷射在工件基底(5)上的金属材料被激光加热融化形成堆积(4)。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造中加热金属材料的方法，其特征在于，所述激光器(1)是光纤激光器(7)或固体激光器(9)。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造中加热金属材料的方法，其特征在于，所述激光束(2)是单模激光束(8)或多模激光束(10)。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造中加热金属材料的方法，其特征在于，所述光束整形元件(3)是透射式或反射式光束整形元件。
5.根据权利根据权利要求1所述的一种增材制造中加热金属材料的方法，其特征在于，所述光束整形元件(3)是单独元件或由多个构件组成。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造中加热金属材料的方法，其特征在于，所述光束整形元件(3)控制光斑各处的功率密度通过相位调制、幅度调制或相位调制与幅度调制混合实现。
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