CN106541136B - 一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法，系统包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；光纤激光器接入光斑整形机构，同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，加工送粉头安装在光斑整形机构下部，工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水。方法步骤为：绘制三维模型，对模型文件进行切片，生成沉积路径，调整光斑整形机构中各个镜组，接通光纤激光器和水冷机，通惰性保护气并送粉，开始沉积成形过程，每完成一层沉积后，判断成形件是否成形完成，若为否，更改光斑能量密度分布后重复沉积过程，若为是，停止惰性保护气通入及送粉，沉积成形工作结束。

Description

一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法。

背景技术

激光直接沉积成形属于增材制造的关键技术之一，其首先通过计算机进行辅助设计，再通过叠层堆积的方式实现金属零部件的制造。目前，在金属增材制造领域中，热源包括激光和电子束，原料供给方式包括送粉法和铺粉法。激光直接沉积成形的原理为：首先利用高能能量束使成形基体上形成熔池，再将原料粉末输送到熔池内，使原料粉末完全熔化或烧结形成冶金结合，进而快速凝固，最后逐层叠加制造出三维实体。

但是，在现有的增材制造技术中，普遍存在快冷快热的物理过程，随着加工过程的进行，无论采用激光或是电子束作为热源，其光斑能量场的分布均为高斯光斑，而高斯光斑的特点为中心能量高且边缘能量低。

现阶段，由于光斑能量场恒定且不可调节，则在加工过程中，会导致光斑温度场的分布难以控制，而由光斑温度场所控制的凝固过程和凝固条件也将难以控制，从而无法对成形件的晶粒形态与组织分布进行精确调控。另外，由于光斑能量场的分布不均匀，还会导致粉末输送过程中出现部分粉末不能完全熔化的缺陷。

因此，在加工过程中，受到光斑能量场分布不均匀的影响，所产生的热积累效应和部分粉末不能完全熔化的缺陷，必然导致热应力积累过大及组织应力难以消除的问题，直接后果就是易导致成形件产生翘曲变形和裂纹等缺陷。

目前，激光或电子束形成的光斑尺寸多处于微米级与毫米级之间，尤其是毫米级的光斑，更易导致成形件产生翘曲变形，同时萌生裂纹和大尺寸缺陷，从而严重降低成形件的合格率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统及方法，能够有效调控光斑温度场的分布，能够对成形件的晶粒形态与组织分布进行精确调控，能够避免热积累效应和部分粉末不能完全熔化的缺陷，进而避免成形件产生翘曲变形和裂纹等缺陷，提高成形件的合格率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；所述光纤激光器的光纤激光头接入光斑整形机构，所述同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，所述加工送粉头安装在光斑整形机构下部，所述工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水。

所述光斑整形机构包括扩束镜组、光束整形镜组及光斑能量调节镜组，所述扩束镜组包括第一凹透镜及第一凸透镜，所述光束整形镜组包括第一圆锥透镜及第二圆锥透镜，所述光斑能量调节镜组包括第二凸透镜及第三凸透镜；所述第一凹透镜、第一凸透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二凸透镜及第三凸透镜由上至下依次分布，光纤激光头发射出的激光束由第一凹透镜射入，由第三凸透镜射出，并以光斑的形式作用在成形基体的表面；所述第一凹透镜与第一凸透镜同心设置，第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距可调；所述第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶角相同，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶相对且同心设置，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距可调；所述第二凸透镜与第三凸透镜结构相同，第二凸透镜及第三凸透镜的水平位置可调；所述光斑整形机构的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述同轴送粉机构包括储粉罐、螺杆式送粉器、分粉器及送粉通道，所述储粉罐的出料口与螺杆式送粉器的进料口相连通，螺杆式送粉器的出料口与分粉器的进料口相连通，分粉器的出料口与送粉通道一端相连通，送粉通道另一端与加工送粉头相连；所述储粉罐与惰性气体源相接通，在储粉罐与惰性气体源之间连接有流量控制器，通过流量控制器对粉末原料的输送量进行控制。

所述加工送粉头的顶部两侧设有喷粉口，喷粉口向内倾斜设置，两侧的喷粉口喷出的原料粉末汇聚于光斑中心；所述惰性气体源通过另一路管道与加工送粉头内部相接通，通过惰性气体源向加工送粉头内输入惰性保护气，惰性保护气的输入压力通过流量控制器进行控制；所述加工送粉头的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述工作台采用五轴联动驱动方式，在工作台的基板面下表面设有冷却管路，基板面的冷却管路与水冷机相连通，并通过水冷机提供循环冷却水。

一种激光直接沉积成形方法，采用了可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括如下步骤：

步骤一：在计算机中绘制成形件的三维模型，将模型文件加载到切片软件中，通过切片软件对模型文件进行切片并完成离散分层，通过对填充率、单层厚度、单道宽度、填充方式、搭接率、送粉速度、预热温度参数进行调控，生成最佳的沉积路径，再对加工路径与快速进给路径进行区分，同时对加工路径及快速进给路径的速度参数进行分别设置，对于小于成形设备精度的短路径进行过滤；

步骤二：调整扩束镜组中第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距，调整光束整形镜组中第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距，调整光斑能量调节镜组中第二凸透镜及第三凸透镜的同轴度；

步骤三：接通光纤激光器和水冷机，将原料粉末装入同轴送粉机构的储粉罐中，将惰性气体源输出的惰性保护气经减压后通过流量控制器，确保惰性保护气的流量，惰性保护气一路进入储粉罐中，另一路进入加工送粉头内；选择或编辑需要执行的路径文件，输入激光功率、光斑大小、离焦量、送粉率、送粉气体流量和扫描速度；

步骤四：开始沉积成形工作，在沉积成形过程中，每完成一层沉积后，都需要判断成形件是否成形完成；若为否，则重新对光斑整形机构进行调节，以改变原有的光斑能量密度分布状态，并重复进行沉积过程；若为是，则关闭流量控制器并停止送粉，等待成形件冷却，沉积成形工作结束。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，能够对光斑能量分布进行调节，并有效调控光斑温度场的分布，能够对成形件的晶粒形态与组织分布进行精确调控，能够避免热积累效应和部分粉末不能完全熔化的缺陷，进而避免成形件产生翘曲变形和裂纹等缺陷，提高成形件的合格率。

附图说明

图1为本发明的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统结构原理图；

图2为光斑能量密度分布调控下的烧蚀坑示意图；

图3为环形光斑的温度场分布图；

图4为平顶光斑的温度场分布图；

图5为环形光斑下的成形件晶粒形态分布图；

图6为平顶光斑下的成形件晶粒形态分布图；

图中，1—第一凹透镜，2—第一凸透镜，3—第一圆锥透镜，4—第二圆锥透镜，5—第二凸透镜，6—第三凸透镜，7—储粉罐，8—螺杆式送粉器，9—分粉器，10—送粉通道，11—惰性气体源，12—流量控制器，13—喷粉口，14—基板面，15—成形基体，16—原料粉末，17—激光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；所述光纤激光器的光纤激光头接入光斑整形机构，所述同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，所述加工送粉头安装在光斑整形机构下部，所述工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水。

所述光斑整形机构包括扩束镜组、光束整形镜组及光斑能量调节镜组，所述扩束镜组包括第一凹透镜1及第一凸透镜2，所述光束整形镜组包括第一圆锥透镜3及第二圆锥透镜4，所述光斑能量调节镜组包括第二凸透镜5及第三凸透镜6；所述第一凹透镜1、第一凸透镜2、第一圆锥透镜3、第二圆锥透镜4、第二凸透镜5及第三凸透镜6由上至下依次分布，光纤激光头发射出的激光束17由第一凹透镜1射入，由第三凸透镜6射出，并以光斑的形式作用在成形基体15的表面；所述第一凹透镜1与第一凸透镜2同心设置，第一凹透镜1与第一凸透镜2的轴向间距可调；所述第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的锥顶角相同，第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的锥顶相对且同心设置，第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的轴向间距可调；所述第二凸透镜5与第三凸透镜6结构相同，第二凸透镜5及第三凸透镜6的水平位置可调；所述光斑整形机构的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述同轴送粉机构包括储粉罐7、螺杆式送粉器8、分粉器9及送粉通道10，所述储粉罐7的出料口与螺杆式送粉器8的进料口相连通，螺杆式送粉器8的出料口与分粉器9的进料口相连通，分粉器9的出料口与送粉通道10一端相连通，送粉通道10另一端与加工送粉头相连；所述储粉罐7与惰性气体源11相接通，在储粉罐7与惰性气体源11之间连接有流量控制器12，通过流量控制器12对粉末原料的输送量进行控制。

所述加工送粉头的顶部两侧设有喷粉口13，喷粉口13向内倾斜设置，两侧的喷粉口13喷出的原料粉末16汇聚于光斑中心；所述惰性气体源11通过另一路管道与加工送粉头内部相接通，通过惰性气体源11向加工送粉头内输入惰性保护气，惰性保护气的输入压力通过流量控制器12进行控制；所述加工送粉头的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

所述工作台采用五轴联动驱动方式，在工作台的基板面14下表面设有冷却管路，基板面14的冷却管路与水冷机相连通，并通过水冷机提供循环冷却水。

一种激光直接沉积成形方法，采用了可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，包括如下步骤：

步骤一：在计算机中绘制成形件的三维模型，将模型文件加载到切片软件中，通过切片软件对模型文件进行切片并完成离散分层，通过对填充率、单层厚度、单道宽度、填充方式、搭接率、送粉速度、预热温度参数进行调控，生成最佳的沉积路径，再对加工路径与快速进给路径进行区分，同时对加工路径及快速进给路径的速度参数进行分别设置，对于小于成形设备精度的短路径进行过滤；

步骤二：调整扩束镜组中第一凹透镜1与第一凸透镜2的轴向间距，调整光束整形镜组中第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的轴向间距，调整光斑能量调节镜组中第二凸透镜5及第三凸透镜6的同轴位置；

步骤三：接通光纤激光器和水冷机，将原料粉末装入同轴送粉机构的储粉罐7中，将惰性气体源11输出的惰性保护气经减压后通过流量控制器12，确保惰性保护气的流量，惰性保护气一路进入储粉罐7中，另一路进入加工送粉头内；选择或编辑需要执行的路径文件，输入激光功率、光斑大小、离焦量、送粉率、送粉气体流量和扫描速度；

步骤四：开始沉积成形工作，在沉积成形过程中，每完成一层沉积后，都需要判断成形件是否成形完成；若为否，则重新对光斑整形机构进行调节，以改变原有的光斑能量密度分布状态，并重复进行沉积过程；若为是，则关闭流量控制器12并停止送粉，等待成形件冷却，沉积成形工作结束。

下面结合附图说明本发明的一次应用实施例：

首先在计算机中利用3D软件绘制成形件的三维模型，然后将模型文件加载到切片软件(SLic3r)中，通过切片软件对模型文件进行切片并完成离散分层，通过对填充率、单层厚度、单道宽度、填充方式、搭接率、送粉速度、预热温度参数进行调控，生成最佳的沉积路径，再对加工路径与快速进给路径进行区分，同时对加工路径及快速进给路径的速度参数进行分别设置，以节约工时；对于小于成形设备精度的短路径进行过滤，以防止过度沉积。

开始沉积成形前的准备工作，首先对光斑整形机构进行调节，然后接通光纤激光器和水冷机，将原料粉末装入同轴送粉机构的储粉罐7中，将惰性气体源11输出的惰性保护气经减压后通过流量控制器12，确保惰性保护气的流量，惰性保护气一路进入储粉罐7中，另一路进入加工送粉头内；选择或编辑需要执行的路径文件，输入激光功率、光斑大小、离焦量、送粉率、送粉气体流量和扫描速度。

关于光斑整形机构的调节方式如下：

调整扩束镜组，具体调整第一凹透镜1与第一凸透镜2的轴向间距，由于第一凹透镜1会将一个虚焦点光束传送给第一凸透镜2，则第一凹透镜1与第一凸透镜2为虚共焦结构，还由于从光纤激光器发出的激光束是具有一定发散角的，则通过调整第一凹透镜1与第一凸透镜2的轴向间距就可改变激光束的直径和发散角，进而使初始的激光束变为准直激光束；当准直激光束射入光束整形镜组的第一圆锥透镜3后，经折射后再射入第二圆锥透镜4，由于第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的锥顶相对，准直激光束从第二圆锥透镜4射出后将变为环形激光束，此时再调整第一凹透镜1与第一凸透镜2的轴向间距，可对环形激光束的内径进行调整，而环形激光束的外径不变，进而实现对环形激光束的光环宽度进行调整。

调整光束整形镜组，具体调整第一圆锥透镜3与第二圆锥透镜4的轴向间距，可对环形激光束的内径和外径进行同步调整，而环形激光束的光环宽度几乎保持不变，进而实现对环形激光束的光环形状进行调整。

调整光斑能量调节镜组，具体调整第二凸透镜5及第三凸透镜6的水平位置；当环形激光束射入光斑能量调节镜组的第二凸透镜5后，经聚焦后再射入第三凸透镜6，最后经第三凸透镜6聚焦后以光斑的形式作用在成形基体15表面，而初始时的光斑能量密度分布可能并不均匀，此时再调整第二凸透镜5及第三凸透镜6的水平位置，可对第二凸透镜5与第三凸透镜6的同轴位置进行调整，进而实现对光斑的中心能量及边缘能量分布进行调节，同时也实现了对光斑温度场分布的控制。

为了更好的说明本发明的光斑整形机构对光斑能量密度分布及光斑温度场分布的有效调控，具体以一个可视性实验为例，准备一张亚克力板，依次调整光斑能量密度的分布，使光斑由环形光斑依次变化到平顶光斑，利用光斑在亚克力板上制造烧蚀坑，具体如图2所示，为光斑能量密度分布调控下的烧蚀坑示意图，在图中可以清楚的看出，因光斑中心能量改变而导致烧蚀坑形状发生改变。如图3所示，为环形光斑的温度场分布图，如图4所示，为平顶光斑的温度场分布图。

开始沉积成形工作，在沉积成形过程中，每完成一层沉积后，都需要判断成形件是否成形完成；若为否，则重新对光斑整形机构进行调节，从而改变原有的光斑能量密度分布状态，重复进行沉积过程；若为是，则关闭流量控制器12并停止送粉，等待成形件冷却，沉积成形工作结束。如图5所示，为环形光斑下的成形件晶粒形态分布图；如图6所示，为平顶光斑下的成形件晶粒形态分布图；在图5中可以清楚的看出，成形件的顶层为平行于扫描路径的柱状晶粒，成形件的底层为垂直于扫描路径且平行于生长方向的柱状晶粒；在图6中可以清楚的看出，成形件的顶层为晶粒尺寸分布均匀的等轴晶粒，成形件的底层为为垂直于扫描路径且平行于生长方向的柱状晶粒；因此，通过对光斑能量密度分布进行调节，有效实现了对成形件的晶粒形态与组织分布的精确调控。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：包括光纤激光器、光斑整形机构、同轴送粉机构、加工送粉头、工作台及水冷机；所述光纤激光器的光纤激光头接入光斑整形机构，所述同轴送粉机构安装在光斑整形机构上部，所述加工送粉头安装在光斑整形机构下部，所述工作台位于加工送粉头下方，工作台、加工送粉头及光斑整形机构均通过水冷机提供循环冷却水；所述光斑整形机构包括扩束镜组、光束整形镜组及光斑能量调节镜组，所述扩束镜组包括第一凹透镜及第一凸透镜，所述光束整形镜组包括第一圆锥透镜及第二圆锥透镜，所述光斑能量调节镜组包括第二凸透镜及第三凸透镜；所述第一凹透镜、第一凸透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜、第二凸透镜及第三凸透镜由上至下依次分布，光纤激光头发射出的激光束由第一凹透镜射入，由第三凸透镜射出，并以光斑的形式作用在成形基体的表面；所述第一凹透镜与第一凸透镜同心设置，第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距可调；所述第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶角相同，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的锥顶相对且同心设置，第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距可调；所述第二凸透镜与第三凸透镜结构相同，第二凸透镜及第三凸透镜的水平位置可调；所述光斑整形机构的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

2.根据权利要求1所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述同轴送粉机构包括储粉罐、螺杆式送粉器、分粉器及送粉通道，所述储粉罐的出料口与螺杆式送粉器的进料口相连通，螺杆式送粉器的出料口与分粉器的进料口相连通，分粉器的出料口与送粉通道一端相连通，送粉通道另一端与加工送粉头相连；所述储粉罐通过一路管道与惰性气体源相接通，在储粉罐与惰性气体源之间连接有流量控制器，通过流量控制器对粉末原料的输送量进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述加工送粉头的顶部两侧设有喷粉口，喷粉口向内倾斜设置，两侧的喷粉口喷出的原料粉末汇聚于光斑中心；所述惰性气体源通过另一路管道与加工送粉头内部相接通，通过惰性气体源向加工送粉头内输入惰性保护气，惰性保护气的输入压力通过流量控制器进行控制；所述加工送粉头的外壳采用双层结构，其双层结构外壳通过水冷机提供循环冷却水。

4.根据权利要求1所述的一种可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于：所述工作台采用五轴联动驱动方式，在工作台的基板面下表面设有冷却管路，基板面的冷却管路与水冷机相连通，并通过水冷机提供循环冷却水。

5.一种激光直接沉积成形方法，采用了权利要求1所述的可调节光斑能量分布的激光直接沉积成形系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在计算机中绘制成形件的三维模型，将模型文件加载到切片软件中，通过切片软件对模型文件进行切片并完成离散分层，通过对填充率、单层厚度、单道宽度、填充方式、搭接率、送粉速度、预热温度参数进行调控，生成最佳的沉积路径，再对加工路径与快速进给路径进行区分，同时对加工路径及快速进给路径的速度参数进行分别设置，对于小于成形设备精度的短路径进行过滤；

步骤二：调整扩束镜组中第一凹透镜与第一凸透镜的轴向间距，调整光束整形镜组中第一圆锥透镜与第二圆锥透镜的轴向间距，调整光斑能量调节镜组中第二凸透镜及第三凸透镜的水平同轴位置；

步骤三：接通光纤激光器和水冷机，将原料粉末装入同轴送粉机构的储粉罐中，将惰性气体源输出的惰性保护气经减压后通过流量控制器，确保惰性保护气的流量，惰性保护气一路进入储粉罐中，另一路进入加工送粉头内；选择或编辑需要执行的路径文件，输入激光功率、光斑大小、离焦量、送粉率、送粉气体流量和扫描速度；

步骤四：开始沉积成形工作，在沉积成形过程中，每完成一层沉积后，都需要判断成形件是否成形完成；若为否，则重新对光斑整形机构进行调节，以改变原有的光斑能量密度分布状态，并重复进行沉积过程；若为是，则关闭流量控制器并停止送粉，等待成形件冷却，沉积成形工作结束。