CN107262713B - 一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法，装置包括主控机、脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、同轴送粉装置、可视跟踪系统、工作台、机械臂、金属粉容器、气体容器；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统均置于工作台上方；机械臂夹紧同轴送粉装置使其位于连续激光器和工作台之间且同轴送粉装置与连续激光器同轴；同轴送粉装置分别与金属粉容器和气体容器连通；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统、机械臂、金属粉容器、气体容器均与主控机相连接。本发明能解决高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透问题，有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷，大幅改善成形件内部应力状态。

Description

一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置及方法。
背景技术
增材制造技术是通过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。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，按照其成形原理进行分类，分为以同步材料送进为主要技术特征的激光立体成形技术(Laser Solid Forming，LSF),和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)。LSF技术可以实现力学性能与锻件相当的复杂高性能构件的高效率制造，并且成形尺寸不受限制，还可以实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，便于进行新型合金设计，并用于损伤构件的高性能成形修复；SLM技术则可以实现力学性能优于铸件的高复杂性构件的直接制造，但是通常成形尺寸较小，只能进行单重材料的直接成形，其沉积效率要比LSF技术低一个数量级。
在现有技术中，激光增材制造采用的是光粉耦合喷头，为保持喷头扫描各向同性，获得各向同性的熔道，一般采用同轴送粉方法。同轴送粉的方式有两种，一种是“光外送粉”，如美国专利US5418350、日本专利JP2005219060等，一种是“光内送粉”，如中国专利CN2006101164131、CN104190927等。光外送粉方式为多路粉束汇聚，粉末发散，与光束可耦合区间短，不易耦合；光内送粉方式采用中空激光光内送分模式，由于光粉真正同轴，故光粉耦合区间长，容易耦合，粉束外围形成一环形气帘，可对粉束起到进一步集束和准直作用。
但由于激光器发出的激光为高斯光，即光斑内的激光能量密度呈高斯分布，致使中心温度高，熔道两侧易出现欠熔和熔不透，熔覆件侧壁表面较粗燥。另外，单纯激光熔覆3D成形工艺因为工艺参数、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、裂纹和缩松等内部缺陷。而且，随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件严重变形开裂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能解决高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透问题、有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷、大幅改善成形件内部应力状态的光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：装置包括主控机、脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、同轴送粉装置、可视跟踪系统、用于摆放熔覆成形件的工作台、机械臂、金属粉容器以及气体容器；其中，脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统均置于工作台上方；机械臂固定在该工作台一侧夹紧同轴送粉装置，使同轴送粉装置位于连续激光器和工作台之间且同轴送粉装置与连续激光器同轴；所述同轴送粉装置分别与金属粉容器和气体容器连通；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统、机械臂、金属粉容器、气体容器均与主控机相连接，受主控机控制。
进一步地，从所述连续激光器发出的连续激光束与加工层的夹角为90度，从所述脉冲激光器发出的脉冲激光束与熔覆区平面法线夹角为0～60度。
为实现上述目的，本发明另外提供的一种用于所述光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置的方法：包括以下步骤：
(1)主控机将预成形三维实体划分为一个或多个简单的成形单元，并规划成形单元成形顺序及其成形规则；
(2)主控机控制金属粉容器和气体容器往同轴送粉装置输送金属粉和惰性保护气体，同时控制机械臂使同轴送粉装置按照预定轨迹在一个分层上进行扫描，维持连续激光器发出的连续激光束与加工层保持垂直关系，熔覆金属粉；另外主控机控制脉冲激光器对熔覆层进行冲击锻打，并通过可视跟踪系统监控锻打情况；
(3)第一层激光熔覆冲击锻打结束后，主控机控制机械臂使同轴送粉装置沿下一层的生长方向后退一个熔覆层的距离，并按照步骤(2)完成下一层的熔覆和冲击锻打，如此循环，直至整个成形单元完成；
(4)重复步骤(2)(3)完成下一个成形单元的熔覆及冲击锻打工作，如此循环，直至整个三维实体的制造完成。
进一步地，所述脉冲激光器发出的脉冲激光束和连续激光器发出的连续激光束均为平顶光束。
进一步地，所述步骤(2)～(4)过程中脉冲激光冲击锻打的熔覆层区域为最佳金属塑性成形温度区，温度感应器检测到该熔覆区的温度后将结果反馈给主控机，当所述熔覆区温度不在最佳金属塑性成形温度区时，主控机调整连续激光器输出的能量以校正熔覆区温度。
进一步地，所述脉冲激光器参数(脉冲宽度、脉冲频率、光斑形状及大小、冲击锻打次数)根据金属粉的种类和熔覆层厚度、面积选择，当可视跟踪系统监控到脉冲激光工作能力不在正常范围内时，可视跟踪系统向主控机反馈信息，并由主控机调控连续激光器的熔覆速度，以协调两个激光器的工作，保证熔覆-冲击锻打复合加工正常开展。
与现有技术相比，本方案的原理以及相应的有益效果如下：
本发明采用连续平顶激光束的热效应熔覆金属粉，同时结合脉冲平顶激光冲击波的力效应对熔覆层进行激光冲击锻打，进行复合加工成形。由于平顶光的能量密度分布均匀，在熔覆金属粉时，光斑内的金属粉熔覆状态一致，解决了高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透的问题；同时脉冲激光诱导的冲击波的力效应能够有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷，并能大幅改善成形件内部应力状态，避免成形件出现变形开裂问题。在高效完成金属零构件成形的同时，不仅能够保证成形零构件的质量，还能大幅提升其机械性能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的工作流程图；
图3为本发明实施例熔覆-冲击锻打复合加工的示意图。
图中标记：主控机—1、脉冲激光器—2、连续激光器—3、温度感应器—4、同轴送粉装置—5、可视跟踪系统—6、工作台—7、机械臂—8、金属粉容器—9、气体容器—10、a—熔覆成形件、b—冲击波、c—熔覆层、d—金属粉、e—惰性保护气体、f—连续激光束、g—扫描方向、h—脉冲激光束。
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内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置，包括主控机1、脉冲激光器2、连续激光器3、温度感应器4、同轴送粉装置5、可视跟踪系统6、用于摆放熔覆成形件a的工作台7、机械臂8、金属粉容器9以及气体容器10；其中，脉冲激光器2、连续激光器3、温度感应器4、可视跟踪系统6均置于工作台7上方；机械臂8固定在该工作台7一侧夹紧同轴送粉装置5，使同轴送粉装置5位于连续激光器3和工作台7之间且同轴送粉装置5与连续激光器3同轴；所述同轴送粉装置5分别与金属粉容器9和气体容器10连通；脉冲激光器2、连续激光器3、温度感应器4、可视跟踪系统6、机械臂8、金属粉容器9、气体容器10均与主控机1相连接，受主控机1控制。
脉冲激光器2发出的脉冲激光束h和连续激光器3发出的连续激光束f均为平顶光束。其中，脉冲激光束h与熔覆区c平面法线夹角为0～60度，连续激光束f与加工层的夹角为90度。
工作流程如下：
(1)主控机1将预成形三维实体划分为一个或多个简单的成形单元，并规划成形单元成形顺序及其成形规则；
(2)主控机1控制金属粉容器9和气体容器10往同轴送粉装置5输送金属粉d和惰性保护气体e，同时控制机械臂8使同轴送粉装置5按照预定轨迹在一个分层上进行扫描，维持连续激光器3发出的连续激光束f与加工层保持垂直关系，熔覆金属粉d；另外主控机1控制脉冲激光器2对熔覆层c进行冲击锻打，并通过可视跟踪系统6监控锻打情况；
(3)第一层激光熔覆冲击锻打结束后，主控机1控制机械臂8使同轴送粉装置5沿下一层的生长方向后退一个熔覆层的距离，并按照步骤(2)完成下一层的熔覆和冲击锻打，如此循环，直至整个成形单元完成；
(4)重复步骤(2)(3)完成下一个成形单元的熔覆及冲击锻打工作，如此循环，直至整个三维实体的制造完成。
步骤(2)～(4)过程中脉冲激光冲击锻打的熔覆层区域为最佳金属塑性成形温度区，温度感应器4检测到该熔覆区c的温度后将结果反馈给主控机，当所述熔覆区c的温度不在最佳金属塑性成形温度区时，主控机1调整连续激光器3输出的能量以校正熔覆区c的温度。
脉冲激光器2参数根据金属粉d的种类和熔覆层c厚度、面积选择，当可视跟踪系统6监控到脉冲激光束h工作能力不在正常范围内时，可视跟踪系统6向主控机1反馈信息，并由主控机1调控连续激光器3的熔覆速度，以协调两个激光器的工作，保证熔覆-冲击锻打复合加工正常开展。
本方案采用连续平顶激光束的热效应熔覆金属粉，同时结合脉冲平顶激光冲击波的力效应对熔覆层进行激光冲击锻打，进行复合加工成形。由于平顶光的能量密度分布均匀，在熔覆金属粉时，光斑内的金属粉熔覆状态一致，解决了高斯光光斑边缘出现欠熔和熔不透的问题；同时脉冲激光诱导的冲击波的力效应能够有效消除气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷，并能大幅改善成形件内部应力状态，避免成形件出现变形开裂问题。在高效完成金属零构件成形的同时，不仅能够保证成形零构件的质量，还能大幅提升其机械性能。
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 (1)

1.一种采用光内同轴送粉激光冲击锻打复合加工成形装置进行复合加工成形的方法，所述装置包括主控机、脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、同轴送粉装置、可视跟踪系统、用于摆放熔覆成形件的工作台、机械臂、金属粉容器以及气体容器；其中，脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统均置于工作台上方；机械臂固定在该工作台一侧夹紧同轴送粉装置，使同轴送粉装置位于连续激光器和工作台之间且同轴送粉装置与连续激光器同轴；所述同轴送粉装置分别与金属粉容器和气体容器连通；脉冲激光器、连续激光器、温度感应器、可视跟踪系统、机械臂、金属粉容器、气体容器均与主控机相连接，受主控机控制；其特征在于：包括以下步骤：
(1)主控机将预成形三维实体划分为成形单元，并规划成形单元成形顺序及其成形规则；
(2)主控机控制金属粉容器和气体容器往同轴送粉装置输送金属粉和惰性保护气体，同时控制机械臂使同轴送粉装置按照预定轨迹在一个分层上进行扫描，维持连续激光器发出的连续激光束与加工层保持垂直关系，熔覆金属粉；另外主控机控制脉冲激光器对熔覆层进行冲击锻打，并通过可视跟踪系统监控锻打情况；
(3)第一层激光熔覆冲击锻打结束后，主控机控制机械臂使同轴送粉装置沿下一层的生长方向后退一个熔覆层的距离，并按照步骤(2)完成下一层的熔覆和冲击锻打，如此循环，直至整个成形单元完成；
(4)重复步骤(2)(3)完成下一个成形单元的熔覆及冲击锻打工作，如此循环，直至整个三维实体的制造完成；
所述步骤(2)～(4)过程中脉冲激光冲击锻打的熔覆层区域为最佳金属塑性成形温度区，温度感应器检测到熔覆区的温度后将结果反馈给主控机，当所述熔覆区温度不在最佳金属塑性成形温度区时，主控机调整连续激光器输出的能量以校正熔覆区温度；
所述脉冲激光器的参数根据金属粉的种类和熔覆层厚度、面积选择，当可视跟踪系统监控到脉冲激光工作能力不在正常范围内时，可视跟踪系统向主控机反馈信息，并由主控机调控连续激光器的熔覆速度，以协调两个激光器的工作，保证熔覆-冲击锻打复合加工正常开展。
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