CN107096920A - 一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置及其光路合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化光路装置及其光路合成方法，装置包括大光斑激光束入射装置、小光斑激光束入射装置、激光束合光组件、X‑Y振镜扫描装置、场镜，其中激光束合光组件由大光斑反射镜和小光斑透射镜组成，X‑Y振镜扫描装置由X轴向振镜和Y轴向振镜组成。本发明在传统的光路系统内部增添了合光组件，可以便捷的实现两束光斑尺寸不同的激光束的合成，以及同步扫描的过程。通过将不同光斑激光束的合成，可在成型平面上产生一个环形的具有温度梯度的热源，金属粉末在受热熔化之前先经过一个较低温度的预热区域，凝固后的固体金属会经历一个短暂的低温回火过程，从而有效降低激光扫描过程中产生的热应力影响。
Description
技术领域
本发明涉及应用于激光选区熔化成型金属件过程中，特别涉及一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置及其光路合成方法。
背景技术
激光选区熔化成型技术已经是一种应用较广泛、较为成熟的金属增材制造技术。该技术以激光为热源，通过对精密的光学扫描系统的控制将激光束聚焦到成型平面的金属粉末上，并按照预定的路径高速移动激光焦点，使得成型平面上被扫描到的金属粉末迅速熔化尔后迅速冷却凝固，通过逐层扫描截面区域和逐层叠加的成型方式，最终加工出三维实体金属结构件。
激光选区熔化成型技术在原理上突破了传统机加工技术对于零件外形的限制，使得机械设计的方式发生了巨大飞跃，同时也使这一技术快速渗透进航空航天、医疗、汽车制造等领域。
但是不可否认，激光选区熔化成型技术目前也存在着诸多尚未解决的问题。例如，影响加工精度和加工质量的关键因素之一就是前面提到的光学扫描系统，通常情况下，单光束激光进入扫描系统后首先经过准直和扩束装置从而得到能量均匀且具有一定光斑大小的光束，然后经过振镜扫描装置将光束投射到成型平面上的特定位置，最后经过场镜将光束聚焦在成型平面上，这样就得到了可控的高能量密度的点热源用于高速熔化金属粉末。处于低温状态下的金属粉末被瞬间加热至几千摄氏度然后快速降温至熔点以下，这一过程会在成型后的金属件内部产生不可控的热应力集中现象，将会导致成型件发生凸起、翘曲等现象从而降低成型质量甚至导致加工失败。
因此在激光选区熔化成型金属件的过程中，需要提供一种可以较好的解决上述加工过程中产生的热应力集中的解决方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置及其光路合成方法，该装置通过采用不同光斑大小的双激光束组合成一束同步扫描的激光束，集合了小光斑激光束的高能量密度和大光斑激光束的低能量密度的双重优势，实现了降低激光扫描金属粉末的过程中产生的热应力集中的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本实施例的一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，包括大光斑激光束入射装置、小光斑激光束入射装置、激光束合光组件、X-Y振镜扫描装置以及场镜，所述大光斑激光束入射装置用于将入射光调整为能量均匀的平顶光束，所述小光斑激光束入射装置用于将入射光调整为能量密度较为集中的高斯光束，经大光斑激光束入射装置调整后的大光斑能量输入密度低于经小光斑激光束入射装置调整后的小光光斑的能量，这样大光斑用于预热和后续去应力热处理，小光斑用于熔化粉末成形样品，从而粉末熔化时温度梯度，所述激光束合光组件包括大光斑反射镜和小光斑透射镜，所述X-Y振镜扫描装置包括X轴向振镜和Y轴向振镜；所述大光斑激光束入射装置一端设有大光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件上对应的接口，所述小光斑激光束入射装置一端设有小光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件上对应的接口，所述大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口分别对应大光斑反射镜和小光斑透射镜，经过大光斑反射镜反射和小光斑投射镜透射后的光束合成组合激光束达到X-Y振镜扫描装置，最后通过场镜射入成型区域。
作为优选的技术方案，所述的大光斑激光束入射装置和小光斑激光束入射装置均由准直元件和扩束元件构成，大光斑激光束入射装置和小光斑激光束入射装置均可调节激光束光斑大小。
作为优选的技术方案，所述的激光束合光组件设有大光斑激光束入射接口、小光斑激光束入射接口以及组合激光束出光口，大光斑激光束经过大光斑激光束入射接口后经由大光斑反射镜反射并透射经过小光斑透射镜且与小光斑透射镜反射的小光斑激光束合成组合激光束到达组合激光束出光口。
作为优选的技术方案，所述的X-Y振镜扫描装置由X轴向振镜和Y轴向振镜构成，X-Y振镜扫描装置设有入射接口和出光口，入射接口与激光束合光组件的组合激光束出光口相接，出光口处安装场镜，X轴向振镜和Y轴向振镜分别由X轴向电机和Y轴向电机控制旋转，从而控制组合激光束的扫描过程。
作为优选的技术方案，所述场镜安装于X-Y振镜扫描装置的出光口处，场镜与成型区域的成型平面的距离等于小光斑激光束的焦距长度，可将小光斑激光束聚焦到成型平面上，同时保证大光斑激光束在成型平面处于离焦状态。
本发明还提供了一直非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置的光路合成方法，包括下述步骤：
(1)大光斑激光器和小光斑激光器激发处的两条激光束分别经过大光斑激光束入射装置和小光斑激光束入射装置处理后通过大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口进入激光束合光组件内部；
(2)大光斑激光束和小光斑激光束分别经过大光斑反射镜和小光斑透射镜的反射，其中大光斑激光束经过小光斑透射镜透射后与小光斑透射镜反射的小光斑激光束合成为一束组合激光束；
(3)组合激光束经由激光束合光组件的组合激光束出光口进入X-Y振镜扫描装置，并经过X轴向振镜和Y轴向振镜的反射到达X-Y振镜扫描装置出光口处的场镜；
(4)组合激光束经过场镜透射后到达成型平面的预定位置，过程中场镜将小光斑激光束聚焦与成型平面而大光斑激光束在成型平面处于离焦状态；
(6)X-Y振镜扫描装置内的电机控制X轴向振镜和Y轴向振镜产生偏转，使处于状态的组合光斑在成型平面上按照预定的扫描路径运动；
(6)重复步骤(1)至(5)，直至零件加工完毕。
作为优选的技术方案，处理后的大光斑激光束为能量均匀分布的平顶光束，处理后的小光斑激光束为能量相对集中的高斯光束，前者可使区域内的金属粉末均匀受热，后者可使区域内的金属粉末快速受热熔化。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的装置可将大光斑光束调整为能量均匀分布的平顶光束，将小光斑光束调整为能量密度相对集中的高斯光束；
2、本发明通过在传统激光扫面光路系统里创新性的加入了激光束组合光学组件，从而将两束不同光斑大小的激光束整合为一束组合光束；
3、本发明由于进入扫描振镜组件内的激光束为一束组合光束，其特点是光束中心为高能量密度的小光斑光束而外围是低能量密度的大光斑光束，这种特点的光束在经过扫描振镜组件后实现了大光斑和小光斑激光束的同步运动；
4、本发明同步运动的组合激光束经过场镜的聚焦后，处于组合光束中心位置的小光斑激光束被聚焦到成型平面而处于外围的大光斑激光束在成型平面则处于离焦状态。这样，在成型平面就形成了高能量密度的点光源和低能量密度大光斑尺寸的圆形光源，前者可使金属粉末瞬间达到熔点从而熔化金属粉末而后者由于能量密度较低不能熔化金属粉末，但是可以提供一个较低温度的大区域的热源，这种热源可使金属粉末在被熔化前而提前进入预热状态以及金属粉末熔化后的凝固过程提供短暂的降温梯度，已达到短暂的回火目的。
附图说明
图1是本发明中双光束同步扫描激光选区熔化光路装置的原理图。
图2是本发明中双光束同步扫描激光选区熔化光路装置的扫描原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明涉及的一种双光束同步扫描激光选区熔化光路装置包括大光斑激光束入射装置1、小光斑激光束入射装置2、激光束合光组件3、X-Y振镜扫描装置4、场镜5，其中激光束合光组件3由大光斑反射镜6和小光斑透射镜7组成，X-Y振镜扫描装置4由X轴向振镜8和Y轴向振镜9组成。
如图1所示的大光斑激光束入射装置1设有大光斑激光器入射接口，由准直镜和扩束镜等光学组件构成，其作用是将大光斑激光器的非均匀入射光调整为能量均匀的平顶光束，大光斑激光束入射装置1可以调节入射激光束的光斑尺寸从而满足不同加工状况的需求；
如图1所示的小光斑激光束入射装置2设有小光斑激光器入射接口，由准直镜和扩束镜等光学组件构成，其作用是将小光斑激光器的入射光调整为能量密度较为集中的高斯光束，小光斑激光束入射装置2可以调节入射激光束的光斑尺寸从而满足不同加工状况的需求；
如图1所示的激光束合光组件3包括由大光斑反射镜6和小光斑透射镜7，其中大光斑反射镜6用于接收并反射大光斑激光束入射装置1入射的大光斑激光束，小光斑透射镜7用于接收并反射小光斑激光束入射装置2入射的小光斑激光束和透射大光斑反射镜6反射的大光斑激光束，从而形成大光斑和小光斑的组合激光束，激光束合光组件3设有对应的大光斑激光束入射口、小光斑激光束入射口和组合激光束出射口；
如图1所示的X-Y振镜扫描装置4包括X轴向振镜8和Y轴向振镜9，X轴向振镜8由X轴向电机控制旋转，用于调节组合激光束在扫描平面上沿X轴方向的运动；Y轴向振镜9由Y轴向电机控制旋转，用于调节组合激光束在扫描平面上沿Y轴方向的运动，X-Y振镜扫描装置4对应位置设有组合激光束入射口和出射口；
如图1所示的场镜5固定于X-Y振镜扫描装置4的出射口，用于将组合激光束中的小光斑激光束聚焦到成型平面上。
本实施例的非均值双光束同步扫描激光选区熔化光路装置，具有双光束合成并同步扫描的功能，光路合成的完整流程包括以下几个步骤：
(1)大光斑激光器和小光斑激光器激发处的两条激光束分别经过大光斑激光束入射装置1和小光斑激光束入射装置2处理后通过大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口进入激光束合光组件3内部；
(2)大光斑激光束和小光斑激光束分别经过大光斑反射镜6和小光斑透射镜7的反射，其中大光斑激光束经过小光斑透射镜7透射后与小光斑透射镜7反射的小光斑激光束合成为一束组合激光束；
(3)组合激光束经由激光束合光组件3的组合激光束出光口进入X-Y振镜扫描装置4，并经过X轴向振镜8和Y轴向振镜9的反射到达X-Y振镜扫描装置4出光口处的场镜5；
(4)组合激光束经过场镜5透射后到达成型平面的预定位置，过程中场镜5将小光斑激光束聚焦与成型平面而大光斑激光束在成型平面处于离焦状态；
(5)X-Y振镜扫描装置4内的电机控制X轴向振镜8和Y轴向振镜9产生偏转，使处于⑷状态的组合光斑在成型平面上按照预定的扫描路径运动；
(6)重复步骤(1)至(5)，直至零件加工完毕。
在上述光路合成的步骤中，处理后的大光斑激光束为能量均匀分布的平顶光束而处理后的小光斑激光束为能量相对集中的高斯光束，前者可使区域内的金属粉末均匀受热，后者可使区域内的金属粉末快速受热熔化。
如图2所示，组合激光束通过场镜5的聚焦后，小光斑激光束L1被聚焦到成型平面上，而由于大光斑激光束L2的焦距长度远大于场镜与成型平面的高度，虽然大光斑激光束L2同样被场镜5聚焦但光束到达成型平面时远未到聚焦状态，因此其能量密度较小光斑激光束低，在成型平面的扫描区域则形成了一个环形的梯度式热源，热源正中心位置是由小光斑激光束L1提供的高能量密度的点热源，光斑尺寸约为30μm～100μm，能够使金属粉末迅速升温熔化，点热源外围的环形区域由大光斑激光束提供的低能量密度的热区域，大光斑的尺寸约为1mm～10mm，沿着扫描方向的前方，金属粉末首先进入大光斑热源提供的预热区域A后经小光斑热源熔化，在扫描方向后方凝固的金属则进入回火区域B。
综上所述，本实施例的这种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置提供了一种有效地降低金属成型过程中产生的热应力集中的程度，从而提高了激光选区熔化成型的质量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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 (7)
1.一种非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，其特征在于，包括大光斑激光束入射装置(1)、小光斑激光束入射装置(2)、激光束合光组件(3)、X-Y振镜扫描装置(4)以及场镜(5)，所述大光斑激光束入射装置(1)用于将入射光调整为能量均匀的平顶光束，所述小光斑激光束入射装置(2)用于将入射光调整为能量密度较为集中的高斯光束，经大光斑激光束入射装置(1)调整后的大光斑能量输入密度低于经小光斑激光束入射装置(2)调整后的小光光斑的能量，这样大光斑用于预热和后续去应力热处理，小光斑用于熔化粉末成形样品，从而粉末熔化时温度梯度；所述激光束合光组件(3)包括大光斑反射镜(6)和小光斑透射镜(7)，所述X-Y振镜扫描装置(4)包括X轴向振镜(8)和Y轴向振镜(9)；所述大光斑激光束入射装置(1)一端设有大光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件(3)上对应的接口，所述小光斑激光束入射装置(2)一端设有小光斑激光器入射接口，另一端接入激光束合光组件(3)上对应的接口，所述大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口分别对应大光斑反射镜(6)和小光斑透射镜(7)，经过大光斑反射镜(6)反射和小光斑投射镜(7)透射后的光束合成组合激光束达到X-Y振镜扫描装置(4)，最后通过场镜(5)射入成型区域(10)。
2.根据权利要求1所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，其特征在于，所述的大光斑激光束入射装置(1)和小光斑激光束入射装置(2)均由准直元件和扩束元件构成，大光斑激光束入射装置(1)和小光斑激光束入射装置(2)均可调节激光束光斑大小。
3.根据权利要求1所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，其特征在于，所述的激光束合光组件(3)设有大光斑激光束入射接口、小光斑激光束入射接口以及组合激光束出光口，大光斑激光束经过大光斑激光束入射接口后经由大光斑反射镜(6)反射并透射经过小光斑透射镜(7)且与小光斑透射镜(7)反射的小光斑激光束合成组合激光束到达组合激光束出光口。
4.根据权利要求1所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，其特征在于，所述的X-Y振镜扫描装置(4)由X轴向振镜(8)和Y轴向振镜(9) 构成，X-Y振镜扫描装置(4)设有入射接口和出光口，入射接口与激光束合光组件(3)的组合激光束出光口相接，出光口处安装场镜(5)，X轴向振镜(8)和Y轴向振镜(9)分别由X轴向电机和Y轴向电机控制旋转，从而控制组合激光束的扫描过程。
5.根据权利要求1所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置，其特征在于，所述场镜(5)安装于X-Y振镜扫描装置(4)的出光口处，场镜(5)与成型区域(10)的成型平面的距离等于小光斑激光束的焦距长度，可将小光斑激光束聚焦到成型平面上，同时保证大光斑激光束在成型平面处于离焦状态。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置的光路合成方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)大光斑激光器和小光斑激光器激发处的两条激光束分别经过大光斑激光束入射装置(1)和小光斑激光束入射装置(2)处理后通过大光斑激光束入射接口和小光斑激光束入射接口进入激光束合光组件(3)内部；
(2)大光斑激光束和小光斑激光束分别经过大光斑反射镜(6)和小光斑透射镜(7)的反射，其中大光斑激光束经过小光斑透射镜(7)透射后与小光斑透射镜(7)反射的小光斑激光束合成为一束组合激光束；
(3)组合激光束经由激光束合光组件(3)的组合激光束出光口进入X-Y振镜扫描装置(4)，并经过X轴向振镜(8)和Y轴向振镜(9)的反射到达X-Y振镜扫描装置(4)出光口处的场镜(5)；
(4)组合激光束经过场镜(5)透射后到达成型平面的预定位置，过程中场镜(5)将小光斑激光束聚焦与成型平面而大光斑激光束在成型平面处于离焦状态；
(5)X-Y振镜扫描装置(4)内的电机控制X轴向振镜(8)和Y轴向振镜(9)产生偏转，使处于(4)状态的组合光斑在成型平面上按照预定的扫描路径运动；
(6)重复步骤(1)至(5)，直至零件加工完毕。
7.根据权利要求6所述的非均值双光束同步扫描激光选区熔化装置的光路合成方法，其特征在于，处理后的大光斑激光束为能量均匀分布的平顶光束，处理后的小光斑激光束为能量相对集中的高斯光束，前者可使区域内的金属粉末均匀受热，后者可使区域内的金属粉末快速受热熔化。
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