CN107217253B - 一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法 - Google Patents

一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光‑粉‑气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，方法的步骤如下：光‑粉‑气同轴输送的连续激光束利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行同步冲击锻打，二者配合进行复合制造，逐层堆叠熔覆区材料形成工件。本发明基于激光热效应和冲击波力学效应复合制造工艺，在热源熔化金属粉末形成熔覆区的同时，对熔覆区同步进行激光冲击处理，在一步制造工序中完成成形与强化工艺，具有高效、高质量的显著特点，解决了二次强化工艺导致的二次加热、热应力和效率降低的缺点，节约了大量时间和大幅降低了生产成本。

Description

一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法。
背景技术
增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，是先进制造技术的重要发展方向。激光熔覆3D成形工艺其实质是“自由增材成形”工艺。
在现有技术中，激光熔覆3D成形可以通过光-粉-气同轴输的激光熔覆方法和装置来完成，其方法和结构如中国专利CN10774084A中公开的。基本原理为通过变换光路，将激光圆截面实心光束变换为圆环形激光束，将其聚焦成为一中空圆环锥形聚焦激光束，在圆环锥形聚焦激光束中空部位布置一根与光束同轴的喷粉嘴，在喷粉嘴喷出的单根粉束外围设置一圈同轴准直保护气气帘，对粉末起到准直作用，从而得到细直、刚性好、发散小的粉束，实现激光束与喷粉嘴喷出的单根粉束以及保护气气帘三者同轴输送激光熔覆成形制造，有效保证了光粉气耦合稳定，熔层质量好，沉积率明显提高。
但是单纯的激光熔覆3D成形技术普遍存在如下共性技术问题：(1)内部缺陷：工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等。(2)热应力与变形开裂：3D打印成形是一种通点、线、面的累加成形即“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”的不断循环过程，零件截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却较慢，表层材料冷却较快。在这种强约束下移动熔池的快速凝固收缩、循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，零件内产生复杂热应力、组织应力及应力集中和变形，严重影响零件几何尺寸和力学性能，导致零件严重翘曲变形和开裂。
如何在提高制造效率的基础上提高锻造质量，有待人们解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粉末利用率高、光粉耦合精度高、在提高制造效率的基础上提高了锻造质量的光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：方法的步骤如下：
连续激光束利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行同步冲击锻打，二者配合进行复合制造，逐层堆叠熔覆区材料形成工件。
进一步地，所述用于熔覆的连续激光束为中空圆环锥形聚焦激光束，其通过对激光圆截面实心光束进行光路变换而成；中空圆环锥形聚焦激光束中部设置有送粉管，该送粉管喷出的粉束通过设置在其外围一圈的保护气帘准直；连续激光束、粉束以及保护气帘三者同轴，实现光-粉-气同轴输送利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层。
进一步地，制造过程中，激光熔覆系统参数与冲击锻打激光参数相互耦合影响，相互协调以达到最佳匹配状态；其中，短脉冲激光束锻打参数由光束质量检测装置监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光束冲击锻打参数的选择又约束着连续激熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
进一步地，所述熔覆区材料厚度和面积由送粉速率决定，而送粉速率由送粉器在线监测与控制；若送粉速率超出连续激光熔覆速度，则降低用于熔覆的连续激光束移动速度；若送粉速率未达到连续激光熔覆速度，则升高用于熔覆的连续激光束移动速度。
进一步地，所述用于熔覆的连续激光束的温度由非接触式温度场测量仪在线监测与控制；根据加工金属材料的特性，将适合最佳塑性变形的温度范围和尺寸范围设定为目标函数，然后根据温度场调整激光熔覆参数和冲击锻打参数，使材料熔覆-冷却后处于最适合金属塑性成形温度区间，由短脉冲激光束进行冲击锻打；若温度过高导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度区，则降低用于熔覆的连续激光温度，若温度过低导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度，则升高用于熔覆的连续激光温度；形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
进一步地，双激光束复合制造工艺参数实行在线检测和控制，所述短脉冲激光束可对熔覆层实现法向冲击锻打、正面冲击或者侧面冲击，任意组合，强化喷嘴中心线与熔覆层夹角可在15°～165°范围内任意角度或者位置变换，可处理不同结构特点的熔覆成形零件，满足零件变形最小精度最高的技术要求。
与现有技术相比，本方案的原理以及相应的有益效果如下：
本方案突破了传统金属熔覆成形的质量缺陷，基于激光热效应和冲击波力学效应复合制造工艺，在热源熔化金属粉末形成熔覆区的同时，对熔覆区同步进行激光冲击处理，在一步制造工序中完成成形与强化工艺，具有高效、高质量的显著特点，解决了二次强化工艺导致的二次加热、热应力和效率降低的缺点，节约了大量时间和大幅降低了生产成本。还可以精确调控激光束直径与形状、脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数，以适应于各种材料和复杂结构件高质量成形；同时基于连续激光采用光-粉-气同轴输送熔覆成形，可以高效利用粉末成形高质量的熔覆层。
附图说明
图1为本发明实施例的工作流程图；
图2为本发明实施例的原理示意图；
图3为本发明实施例的熔覆层微观结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1-3所示，本实施例所述的一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，步骤如下：
用于熔覆的连续激光束1利用热效应对金属粉末6进行激光熔覆制造形成熔覆层4，同时短脉冲激光束5利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行同步冲击锻打，二者配合进行复合制造，逐层堆叠熔覆区材料形成工件。
其中，用于熔覆的连续激光束1为中空圆环锥形聚焦激光束，其通过对激光圆截面实心光束进行光路变换而成；中空圆环锥形聚焦激光束中部设置有送粉管3，该送粉管3喷出的粉束通过设置在其外围一圈的保护气帘2准直；连续激光束1、粉束以及保护气帘2三者同轴，实现光-粉-气同轴输送利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层。
制造过程中，激光熔覆系统参数与冲击锻打激光参数相互耦合影响，相互协调；其中，短脉冲激光束锻打参数由光束质量检测装置监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光束冲击锻打参数的选择又约束着连续激熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。
上述的熔覆区材料厚度和面积由送粉速率决定，而送粉速率由送粉器在线监测与控制；若送粉速率超出连续激光束1的熔覆速度，则降低用于熔覆的连续激光束1的移动速度；若送粉速率未达到连续激光束1的熔覆速度，则升高用于熔覆的连续激光束1的移动速度。
用于熔覆的连续激光束1的温度由非接触式温度场测量仪在线监测与控制；根据加工金属材料的特性，将适合最佳塑性变形的温度范围和尺寸范围设定为目标函数，然后根据温度场调整激光熔覆参数和冲击锻打参数，使材料熔覆-冷却后处于最适合金属塑性成形温度区间，由短脉冲激光束5进行冲击锻打；若温度过高导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度区，则降低用于熔覆的连续激光束1的温度，若温度过低导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度，则升高用于熔覆的连续激光束1的温度；形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
双激光束复合制造工艺参数实行在线检测和控制，短脉冲激光束5可对熔覆层实现法向冲击锻打、正面冲击或者侧面冲击，任意组合，强化喷嘴中心线与熔覆层夹角可以在15°～165°范围内任意角度或者位置变换，可处理不同结构特点的熔覆成形零件，满足零件变形最小精度最高的技术要求。
每层熔覆层经脉冲激光5冲击锻打处理完之后，熔覆层逐层堆叠形成工件。每层熔覆成形金属经历连续激光热效应成形和短脉冲激光束冲击波效应锻打，力学性能显著提升，可达到锻造件的水平。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，其特征在于：步骤如下：连续激光束利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层，同时短脉冲激光束利用冲击波力学效应对冷却到最佳温度熔覆区进行同步冲击锻打，二者配合进行复合制造，逐层堆叠熔覆区材料形成工件；
制造过程中，激光熔覆系统参数与冲击锻打激光参数相互耦合影响，相互协调；其中，短脉冲激光束锻打参数由光束质量检测装置监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光束冲击锻打参数的选择又约束着连续激熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻；
所述熔覆区材料厚度和面积由送粉速率决定，而送粉速率由送粉器在线监测与控制；若送粉速率超出连续激光熔覆速度，则降低用于熔覆的连续激光束移动速度；若送粉速率未达到连续激光熔覆速度，则升高用于熔覆的连续激光束移动速度。
2.根据权利要求1所述的一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，其特征在于：所述用于熔覆的连续激光束为中空圆环锥形聚焦激光束，其通过对激光圆截面实心光束进行光路变换而成；中空圆环锥形聚焦激光束中部设置有送粉管，该送粉管喷出的粉束通过设置在其外围一圈的保护气帘准直；连续激光束、粉束以及保护气帘三者同轴，实现光-粉-气同轴输送利用热效应对金属粉末进行激光熔覆制造形成熔覆层。
3.根据权利要求1所述的一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，其特征在于：所述用于熔覆的连续激光束的温度由非接触式温度场测量仪在线监测与控制；根据加工金属材料的特性，将适合最佳塑性变形的温度范围和尺寸范围设定为目标函数，然后根据温度场调整激光熔覆参数和冲击锻打参数，使材料熔覆-冷却后处于最适合金属塑性成形温度区间，由短脉冲激光束进行冲击锻打；若温度过高导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度区，则降低用于熔覆的连续激光温度，若温度过低导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度，则升高用于熔覆的连续激光温度；形成闭环控制，保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。
4.根据权利要求1所述的一种光-粉-气同轴输送激光熔覆冲击锻打成形复合制造方法，其特征在于：所述短脉冲激光束通过法向冲击、正面冲击、侧面冲击实现对熔覆层多向锻打，锻打方向任意组合，短脉冲激光束的喷嘴中心线与熔覆层夹角在15°～165°范围内任意角度位置变换。
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